專利名稱：一種靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜止無功發(fā)生器(SVG)的控制算法，尤其涉及一種基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和穩(wěn)定校正環(huán)的靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種非線性、沖擊性設(shè)備的使用給電網(wǎng)帶來了大量的諧波污染，由此帶來功率因數(shù)低，諧波污染嚴重，以及系統(tǒng)損耗加大等問題，各種無功補償和諧波治理的FACTS (柔性交流輸電系統(tǒng))設(shè)備應(yīng)運而生。靜止無功發(fā)生器等無功補償設(shè)備的補償性能決定于其控制算法，只有采用合理恰當(dāng)?shù)目刂扑惴?，才能獲得良好的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能。當(dāng)前，用于靜態(tài)無功發(fā)生器的控制算法一般是基于電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán) 控制算法，該算法原理簡單，易于實現(xiàn)，計算量適當(dāng)，配合瞬時無功電流檢測算法，可以動態(tài)地進行有效的無功補償。然而，該類算法系統(tǒng)的穩(wěn)定性能不甚理想，并且隨著閉環(huán)回路增益的提高，系統(tǒng)根軌跡趨于轉(zhuǎn)向右半平面，使得靜止無功發(fā)生器不能穩(wěn)定工作，必須采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來進行校正。如圖I所示，為靜止無功發(fā)生器所常用的一種電壓電流雙環(huán)控制算法的傳遞函數(shù)框圖。電流內(nèi)環(huán)的控制目標(biāo)是控制SVG輸出的無功電流i,跟蹤經(jīng)過計算得出的目標(biāo)電流i；;電壓外環(huán)的控制目標(biāo)是控制直流側(cè)電容電壓Udc,使其穩(wěn)定在設(shè)定的參考電壓Uref附近。圖I中，Kv為電壓偏差與電流之間的放大系數(shù)，Tv為該放大器的時間常數(shù)屯為電流置換比較器的電流放大倍數(shù)，Ti為電流滯環(huán)比較控制器的開關(guān)周期，Si為變流器以最大電流工作時的飽和系數(shù)；KPWM為PWM等效增益，Ts為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期，即PWM開關(guān)周期；Κκ為電壓測量回路的電壓放大比例系數(shù)，Tk為電壓測量回路的時間常數(shù)；s表示時間。根據(jù)圖I所示的雙環(huán)控制算法系統(tǒng)各單元的傳遞函數(shù)，則可以寫出該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為
"辦⑴—(;⑴
_5] ⑷―1 + G(刺s)⑴其中，G(S)表示前向傳遞函數(shù)，H(S)表示反饋傳遞函數(shù)，它們的表達式為「 n r^{ r、__KvKpwm_()-(ι +廠 ν)(人' +wl + 7:4⑵
” Kr,,
1+(3)所以
UdAs) __KvKpmi (I+ TrS)_Uref is) — (I + TvSXKi + TlS)(l + J>)(1 + TRs) + KvKpwmKr⑷式(4)即為常規(guī)的靜止無功發(fā)生器的雙環(huán)控制算法系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。對任一線性自動控制系統(tǒng)，求得其傳遞函數(shù)后，可根據(jù)特征方程式，按照穩(wěn)定判據(jù)來確定其穩(wěn)定性。以下采用根軌跡法來獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。設(shè)圖I中典型SVG雙環(huán)控制算法系統(tǒng)的參數(shù)如下Tv=Os, Ts=8. 38s, Ti=O. 69s, TE=0. 04s, Ki = 1，Kpwm = 1，由式(2)、(3)可得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(S)H(S)=——432K'Ur__ -El--(D)
(s+ 0.12)(s + 0.145)(5+ 25) 0 + 0.12)0 + 0.145)0 + 25)其中，K’=4.32KvKpwmKk開環(huán)極點為s=-0. 12，S=-L 45，s=_25,它們即是根軌跡的起始點。 為了確定根軌跡的形狀，繼續(xù)進行下列計算I)根軌跡漸近線與實軸的交點及傾角
nm
Tpi -TziJ iiσα=-—--- = -8.86
η - m
Γη (2k + I )jCI-β = -— k = O丄 2
η - mA =— β2=π , β3 =—2)根軌跡在實軸上的分離點閉環(huán)特征方程為(1+Tvs) (K^TiS) (1+Tss) (I+Tks)+KvKpwmKk=O用給定值代入，得K’ =- (s3+26. 57s2+39. 42s+4. 32)
dK'由^ = 0，及 K’>0
as解得s=-0. 775，這就是根軌跡在實軸上的分離點。3)在j ω軸交叉點的放大系數(shù)閉環(huán)特征方程為Φ (s) =s3+26. 57s2+39. 42s+K’ +4. 32運用勞斯判據(jù)，可解得K’〈1044，即ΚνΚκ〈241。由S2項的輔助多項式可計算根軌跡與虛軸交叉點。解得S= 土 j6.28因此，根軌跡與虛軸的交點為+j6. 28，-j6. 28。由此可畫出該雙環(huán)控制算法系統(tǒng)的根軌跡圖如附圖2所示。由附圖2可見，該系統(tǒng)的極點都靠近坐標(biāo)原點，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠理想，并且隨著閉環(huán)回路的增益的提高，其軌跡變化趨向轉(zhuǎn)入右半平面，使得系統(tǒng)失去穩(wěn)定。為了改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，必須要限制調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，而這又與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度相悖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對傳統(tǒng)靜止無功發(fā)生器的電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制算法存在穩(wěn)定性不足的缺陷，提供一種基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和穩(wěn)定校正環(huán)的靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法，使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅提高，保證了 SVG正常穩(wěn)定地進行補償。實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是一種靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法，基于SVG的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，所述三環(huán)控制算法在所述雙環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增設(shè)一個無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)，該無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)以SVG發(fā)出的無功電流作為反饋回路起始端，將所述無功電流微分后得到的該無功電流的變化速率反饋到電壓差值對電流的放大環(huán)節(jié)的輸入端；所述無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)的參數(shù)通過零極點匹配的方法優(yōu)選得到。上述的靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法，其中，所述的零極點匹配的方法具體包括下列步驟
步驟一，根據(jù)所述三環(huán)控制算法的開環(huán)傳遞函數(shù)，得到零點方程式；步驟二，采用等式轉(zhuǎn)化的方法，將所述的零點方程式轉(zhuǎn)化成一個控制系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程；步驟三，作出所述控制系統(tǒng)的根軌跡，根據(jù)該根軌跡上的每一點都是所述閉環(huán)特征方程的根，也是所述三環(huán)控制算法的開環(huán)傳遞函數(shù)的零點這一特性，優(yōu)選三個零點位置；步驟四，根據(jù)步驟三中選取的三個零點位置，計算得到所述無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)的參數(shù)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在傳統(tǒng)靜止無功發(fā)生器的電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制算法的基礎(chǔ)上，增設(shè)無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)(穩(wěn)定校正環(huán))，并在設(shè)計其參數(shù)的時候采用控制環(huán)零極點匹配的方法，探求最佳的系統(tǒng)零極點位置，構(gòu)成符合系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的速率負反饋校正環(huán)節(jié)，形成了新型的基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和穩(wěn)定校正環(huán)的SVG三環(huán)控制算法。


圖I是常規(guī)的靜止無功發(fā)生器的雙環(huán)控制算法系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖；圖2是圖I所述的雙環(huán)控制算法系統(tǒng)的一個實施例的根軌跡圖；圖3是本發(fā)明的靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法的傳遞函數(shù)框圖；圖4是控制系統(tǒng)Gtl (s) H0 (S)的根軌跡圖；圖5是圖3所述的三環(huán)控制算法系統(tǒng)的一個實施例的根軌跡圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。由圖2所知，常規(guī)的SVG雙環(huán)控制算法中，需增加校正環(huán)節(jié)，才能適應(yīng)穩(wěn)定運行的要求。因此，請參閱圖3，本發(fā)明的靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法，基于傳統(tǒng)的SVG的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，并在該雙環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增設(shè)一個無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)，該無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)以SVG發(fā)出的無功電流作為反饋回路起始端，將所述無功電流微分后得到的該無功電流的變化速率反饋到電壓差值對電流的放大環(huán)節(jié)的輸入端(即電壓差值放大器的輸入端)；
所述無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)的參數(shù)是通過零極點匹配的方法優(yōu)選得到的，具體步驟如下步驟一，根據(jù)本發(fā)明的三環(huán)控制算法的開環(huán)傳遞函數(shù)，得到零點方程式；步驟二，采用等式轉(zhuǎn)化的方法，將所述的零點方程式轉(zhuǎn)化成一個控制系統(tǒng)Gtl(S)H0(s)的閉環(huán)特征方程；步驟三，作出控制系統(tǒng)Gq(S)Hq (s)的根軌跡(如圖4)，根據(jù)該根軌跡上的每一點都是所述閉環(huán)特征方程的根，也是本發(fā)明的三環(huán)控制算法的開環(huán)傳遞函數(shù)的零點這一特性，優(yōu)選三個零點位置；步驟四，根據(jù)步驟三中選取的三個零點位置，計算得到無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)的參數(shù)，從而確定本發(fā)明的基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和穩(wěn)定校正環(huán)的SVG三環(huán)控制算法。下面以一具體實施例說明由圖2可知，要想改變該SVG控制算法系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須改變根軌跡的射出角，也就是要改變根軌跡的漸近線，使之只處于虛軸的左半平面。為此本發(fā)明增加開環(huán)傳遞函數(shù)的零點，使?jié)u近線平行于虛軸并處于左半平面。即在PWM變流器輸出無功電流i,處增加一條電流速率負反饋回路，將其換算到電流i,。后，其傳遞函數(shù)為KFs/ (1+Tfs)，其中，Kf表示電流速率反饋回路的電壓偏差與電流。之間的放大倍數(shù)，Tf表示電流速率反饋匯率的時間常數(shù)；本發(fā)明的靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法的傳遞函數(shù)框圖如圖3所示，由圖3可見，本發(fā)明的三環(huán)控制算法系統(tǒng)的等值前向傳遞函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法，基于SVG的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，其特征在于，所述三環(huán)控制算法在所述雙環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增設(shè)一個無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)，該無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)以SVG發(fā)出的無功電流作為反饋回路起始端，將所述無功電流微分后得到的該無功電流的變化速率反饋到電壓差值對電流的放大環(huán)節(jié)的輸入端； 所述無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)的參數(shù)通過零極點匹配的方法優(yōu)選得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法，其特征在于，所述的零極點匹配的方法具體包括下列步驟 步驟一，根據(jù)所述三環(huán)控制算法的開環(huán)傳遞函數(shù)，得到零點方程式； 步驟二，采用等式轉(zhuǎn)化的方法，將所述的零點方程式轉(zhuǎn)化成一個控制系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程； 步驟三，作出所述控制系統(tǒng)的根軌跡，根據(jù)該根軌跡上的每一點都是所述閉環(huán)特征方程的根，也是所述三環(huán)控制算法的開環(huán)傳遞函數(shù)的零點這一特性，優(yōu)選三個零點位置； 步驟四，根據(jù)步驟三中選取的三個零點位置，計算得到所述無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)的參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種靜止無功發(fā)生器的三環(huán)控制算法，從根軌跡法分析系統(tǒng)傳遞函數(shù)穩(wěn)定性的角度出發(fā)，在常規(guī)的SVG的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制算法的基礎(chǔ)上，增設(shè)了無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)。并在設(shè)計無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)的參數(shù)的過程中，采用了提高SVG整機穩(wěn)定性的控制環(huán)零極點匹配技術(shù)，以探求最佳的系統(tǒng)零極點位置，構(gòu)成符合系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的無功電流速率負反饋校正環(huán)節(jié)，形成了新型的基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和穩(wěn)定校正環(huán)的SVG三環(huán)控制算法。
文檔編號H02J3/18GK102801172SQ20121028279
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者解大, 賈玉健, 盧婧婧, 余志文, 庒駿鵬, 蔣傳文, 艾芊, 何偉, 潘瑜 申請人:上海信元瑞電氣有限公司