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基于频率自适应谐振控制器的静止无功发生器电流控制

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资料介绍

为了提高静止无功发生器(SVG)的补偿性能、增强谐波抑制能力、拓宽补偿带宽,提出一种基于谐振控制器(RC)的电流控制策略.通过对基波无功和特定次谐波分别设置对应的RC,利用控制器在谐振频率点的无穷大开环增益,实现基波和谐波电流的无静差跟踪.通过数字信号处理芯片(DSP)实现控制功能,为了避免数字化过程引入的控制器性能偏差,直接在离散域进行控制器设计,并针对RC开环增益对电网频率敏感的特性,利用固定基波周期采样点数,实时调节采样周期的数字锁相环,保证控制器谐振频率实时跟踪电网频率变化,提高装置鲁棒性.实验结果验证了本文提出控制策略的有效性.

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No．8

V01．29

Aug．

2014年8月

电工技术学报

CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

第29卷第8期TRANSACTIONS^OF

基于频率自适应谐振控制器的

静止无功发生器电流控制

昆

川

杨

谢

(浙江大学电气工程学院杭州

陈国柱

310027)

摘要为了提高静止无功发生器(SVG)的补偿性能、增强谐波抑制能力、拓宽补偿带宽，

提出一种基于谐振控制器(RC)的电流控制策略。通过对基波无功和特定次谐波分别设置对应的

RC，利用控制器在谐振频率点的无穷大开环增益，实现基波和谐波电流的无静差跟踪。通过数字

信号处理芯片(DSP)实现控制功能，为了避免数字化过程引入的控制器性能偏差，直接在离散

域进行控制器设计，并针对RC开环增益对电网频率敏感的特性，利用固定基波周期采样点数，

实时调节采样周期的数字锁相环，保证控制器谐振频率实时跟踪电网频率变化，提高装置鲁棒性。

实验结果验证了本文提出控制策略的有效性。

关键词：SVG

谐振控制器频率自适应谐波抑制／补偿

中图分类号：TM714．3

Resonant Controller BasedCurrent

Frequency

Adaptive

Control of

SVG

Xie Chuan Chen Guozhu

砀馏Kun

0027 China)

(Zhejiang University Hangzhou

order to

Abstract In

the

and

harmonic

improve

compensation performance

suppression

ability，

and widen the

bandwidth of static var

resonant

application

generator(SVG)，a

controller(RC)based

current control

errors of fundamental and harmonic

strategy

proposed．Zero steady—state tracking

currents are achieved

RCs which can

infinite

by specific

generate

open loop gain

corresponding

is used to

control functions．The

frequencies．A digital signal processing(DSP)chip

implement

controller

is taken

in discrete domain to

avoid

directly

loss of

and

design

unexpected

gain

detuning

improve

RC caused

discretization．The

resonant

ofRC is sensitive to the

the

gain

grid frequency．To

robustness

is introduced to

system

fixed—point adjustable sampling cycle digital

phase-locked loop

ensure that the controller resonant

the

grid frequency ^{in real—time．The}experimental

frequency tracking

control

strategy．

results

the

validity proposed

verify

Keywords：SVG，RC，frequency adaptive，harmonic

suppression／compensation

耗，降低电能利用率，而且会产生低次谐波，造成

电网不对称，严重影响用户设备正常、安全运行[1。3】。

引言

SVG是一种性能理想的动态无功补偿装置，具有调

节速度快、适用范围更宽，输出无功电流谐波小，

装置结构紧凑、体积小、成本低等优点，通过控制

算法设计，可以提高装置在电网谐波扰动情况下的

运行性能，并使装置具有低次谐波补偿能力，适合

进行配电网电能质量问题的综合治理【4‘6】。

配电网中电弧炉、轧钢机、分布式发电、电气

化铁路等大容量无功负荷的运行，不仅增加线路损

国家自然科学基金(51177147)和浙江省重点科技创新团队项目

(2010R50021)资助项目。

收稿日期2012-08—10改稿日期2013-05．1

万方数据

249

第29卷第8期

杨

昆等基于频率自适应谐振控制器的静止无功发生器电流控制

SVG的本质是并网逆变器，通过控制交流侧输

出电压产生精确跟踪指令的补偿电流，消除电网无

功和谐波。传统的PI控制器，理论上只能实现直流

信号的无静差跟踪，在同步旋转坐标系下可以精确

跟踪无功，但是为了保证系统稳定和鲁棒性，不能

任意提高控制器带宽，因此无法兼顾谐波抑制和补

偿能力。基于内模原理的谐振控制器在谐振频率点

处提供产生无穷大增益，可以实现对该频率周期指

令(或扰动)信号的无静差跟踪(或抑制)，通过不

同谐振频率的RC并联，实现对补偿带宽范围内各

次谐波的跟踪或抑制，近年来在APF、SVG、风力

及光伏发电等并网变流器的输出电流波形控制技术

广泛应用，并且针对谐振控制器对模拟系统元器、

负载和电网频率等参数波动的敏感性，提出了准谐

振控制器、改进型谐振控制器等控制方法，并利用

先进控制和数值计算等方法优化控制器参数设计，

取得了丰富成果【7。11|。

一岳

厂’

VSI

图1 SVG单相等效电路

circuit of SVG

Single-phase equivalent

Fig．1

根据单相等效电路，写出交流侧回路方程，可

得

一甜s

Lc—÷ +j

／／c飞=￡。孚“R。

将上式进行拉普拉斯变换，整理可得SVG在频

域的数学模型为

，．：丝二坠

。LcS+R。

(2)

由上式可知，通过控制装置输出电压的幅值和

相位，可以产生满足要求的补偿电流。通常对SVG

在三相、两相静止或旋转坐标系下进行建模，经过

简化、前馈和解耦等处理后，电流控制环都具有形

如式(2)的形式，因此以该模型为基础的电流控制

分析具有通用性。

电力系统正常运行条件下存在± 0．2Hz～± O．5Hz

的频率偏差【12】，基波频率偏差会在谐波频率点成倍

增加，理想谐振控制器在谐振点带宽窄，当电网频

率发生偏移时，控制器谐振增益骤降，跟踪精度降

低，并且数字控制离散化引起的开环增益下降和相

位滞后会进一步降低控制器跟踪精度和稳定性。工

业现场广泛应用准谐振控制器，以牺牲控制器精度

和响应速度为代价，提高控制器鲁棒性，但是无法

根本解决，还有一些文献提出根据电网频率在线调

整控制器参数，但是实时性不高【7,13-14]。

频率自适应谐振控制器设计

3．1控制器原理

将被控对象视为VSI输出电压阢到输出电流

厶的传递函数G(J)，系统电流环控制原理如图2所

示，其中，控制环输入为根据负载计算或开环给定

本文提出基于频率自适应谐振控制器的SVG

补偿电流控制策略，以提高装置补偿性能、增强谐

波抑制能力、拓宽补偿范围。通过分析谐振控制器

的作用机理在离散域进行控制器设计，避免离散化

的指令电流，输出为装置电流，GPR(J)为控制器传

递函数，本文中为比例和谐振控制器组成的PR控

制器，K为VSI等效的比例环节，它是直流电压和

开关信号的函数，将控制器输出调制信号酞转换为

实际的交流侧输出电压。电网电压作为叠加在装置

输出端的扰动项D(s)进行分析，可以评估控制环对

电网电压扰动的抵抗能力。

引起的控制器性能偏差，并通过一种基波采样点数

固定数字锁相环【”】，保证控制器实时跟踪电网频率

变化，提高控制器的频率适应能力。实验结果证明

了本文设计方法的实用性和有效性。

D(s)=U。

SVG系统模型及原理

应用于三相或单相电网的各种SVG拓扑结构

都可以等效为图1所示的单相等效电路分析，其中

图2 SVG电流环控制原理

of current control of SVG

loop

Fig．2

Principle

VSI为电压源逆变器：￡。为滤波电感，R。是其等效

电阻，逆变器和线路损耗也折算在R。中；cd。为直

流侧支撑电容，为无功能量交换和谐波电流抑制提

供电压支撑；甜。、甜。分别为电网电压和逆变器输出

内模原理指出控制器精确跟踪任意参考输入信

号的前提条件，是闭环控制系统稳定且包含有输入

信号保持器【16|，因此对于角频率为(on正弦信号，如

下形式的RC

电压，i。为装置输出电流。

万方数据

250

2014年8月

电工技术学报

∞)

DVR(z)=0一gl。)(z一2"2。)

=z2—2cos(ncooTs)z+1

啪)_南

(7)

可以实现对该信号的无静差跟踪。在三相三线电网

中，任意满足狄里赫利条件的电流信号可以通过傅

经过采样离散的被控对象z域表达式为

里叶变换分解为基波和6^± l(h：l，2，3 )次谐波的

线性叠加，三相四线和单相电网中还存在3五次谐

波，根据内模原理，若设计PR控制器形式如下：

(8)

G(加二南丽

通常系统采样频率在10kHz以上，因此被控对

象极点可以近似为z。=1，配置磊为控制器零点，以

抵消被控对象极点，发挥谐振极点的主导作用。数

字控制引入延时对系统的影响，可以等效为控制环

删=Kp+Zn=l 3。，

即比例控制器和多个谐振频率的RC叠加，则可以

实现基波和特定次谐波电流指令的无静差跟踪。从

经典控制原理角度理解，图2所示的控制框图中，

系统跟踪误差为

· ·

．

．舞

前向通路的一拍滞后z～，为了减小延时对系统性能

影响，设置超前环节进行相位补偿，最终数字PR

控制器表达式为

(9)

墨盟

一l+KGeR(s)G(J)

¹s，‘1

(5)

E ：

3 5

‘。”。、”

啡)2q+邑万丽Kmz(z-1)n=l ，“．．‘

比例系数凰和谐振增益墨。的设计，需要综合

考虑控制系统的跟踪精度，动态性能和闭环稳定性。

令n=l，Krn=Constant，变化K，系统开环频率特性

如图3所示，可以看出控制器在谐振频率点有很高

在频率翰处当s叫翰时，有IGPR(s)Ij∞，对于

有限输入的交流指令信号‘。f，控制器在该频率点的

跟踪误差E(j编)=o，实现指令信号的无静差跟踪，

内模的作用类似无穷大增益的控制信号保持器，当

误差衰减到零时，它仍能维持适当的控制作用。

同理，控制器在电网扰动作用下的输出为

的开环增益，并且随凰增加而增加，这有利于减小

系统稳态跟踪误差，加快响应速度；但是凰越大，

相位裕度变小，再考虑线路参数和建模误差等影响，

容易产生振荡，不利于闭环系统的稳定。

cd(垆一端

∞100

型50

对于有限输入的电网谐波电压扰动，在控制器

一po

l，l

5 ÷ 一 < ， = 引 I _ I L ： I J I

H寸十}坼卜,t--}_K，p2=i

谐振频率点处有Cd(j婊)=0，控制器可以完全抵消补

偿带宽范围内电网电压谐波畸变的影响，提高了单

相SVG抗扰动能力。

警

—50

180

一

已90

3．2数字PR控制器设计

蔷0

通过数字信号处理(DSP)芯片实现控制器功

能，考虑数字控制对系统性能和稳定性的影响，直

接在离散域进行控制器设计。

II．|II

]I I I。I

III

I；I汀I

一180

频率Hz

通过上节分析可知，控制系统实现无静差跟踪

交流信号的本质，是RC在谐振频率产生无穷大增

益，而谐振点与控制器传递函数极点相同，因此只

要保留原有极点，就不会改变跟踪性能。在式(3)

图3民变化时系统开环频率特性

characteristic of _open—loopwhen

Fig．3

Frequency

峰varied

中，传递函数极点为S1n,2n=士j纸，其中谐振角频率

co．=nmo，mo为基波角频率，聍为谐波次数，令Sl以。

为数字控制器极点，将其映射到z域有Zln,2n=e士j纠s，

疋为采样周期，则数字RC的分母表达式为

同理，若令n=l，Kp=constant，如变化，系统

开环频率特性如图4所示，类似可知随墨。增大，

系统开环增益增加，跟踪精度提高，但是相位裕度

减小，闭环系统超调量增加，稳定性降低。

万方数据

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