专利名称：一种静止无功发生器的三环控制算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种静止无功发生器(SVG)的控制算法，尤其涉及一种基于电压外环、电流内环和稳定校正环的静止无功发生器的三环控制算法。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，各种非线性、冲击性设备的使用给电网带来了大量的谐波污染，由此带来功率因数低，谐波污染严重，以及系统损耗加大等问题，各种无功补偿和谐波治理的FACTS (柔性交流输电系统)设备应运而生。静止无功发生器等无功补偿设备的补偿性能决定于其控制算法，只有采用合理恰当的控制算法，才能获得良好的动态性能、稳定性能。当前，用于静态无功发生器的控制算法一般是基于电压外环与电流内环的双环 控制算法，该算法原理简单，易于实现，计算量适当，配合瞬时无功电流检测算法，可以动态地进行有效的无功补偿。然而，该类算法系统的稳定性能不甚理想，并且随着闭环回路增益的提高，系统根轨迹趋于转向右半平面，使得静止无功发生器不能稳定工作，必须采用适当的技术来进行校正。如图I所示，为静止无功发生器所常用的一种电压电流双环控制算法的传递函数框图。电流内环的控制目标是控制SVG输出的无功电流i,跟踪经过计算得出的目标电流i；;电压外环的控制目标是控制直流侧电容电压Udc,使其稳定在设定的参考电压Uref附近。图I中，Kv为电压偏差与电流之间的放大系数，Tv为该放大器的时间常数屯为电流置换比较器的电流放大倍数，Ti为电流滞环比较控制器的开关周期，Si为变流器以最大电流工作时的饱和系数；KPWM为PWM等效增益，Ts为电流内环电流采样周期，即PWM开关周期；Κκ为电压测量回路的电压放大比例系数，Tk为电压测量回路的时间常数；s表示时间。根据图I所示的双环控制算法系统各单元的传递函数，则可以写出该系统的传递函数为
"办⑴—(;⑴
_5] ⑷―1 + G(刺s)⑴其中，G(S)表示前向传递函数，H(S)表示反馈传递函数，它们的表达式为「 n r^{ r、__KvKpwm_()-(ι +厂 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)即为常规的静止无功发生器的双环控制算法系统的传递函数。对任一线性自动控制系统，求得其传递函数后，可根据特征方程式，按照稳定判据来确定其稳定性。以下采用根轨迹法来获得较为准确的结果。设图I中典型SVG双环控制算法系统的参数如下Tv=Os, Ts=8. 38s, Ti=O. 69s, TE=0. 04s, Ki = 1，Kpwm = 1，由式(2)、(3)可得系统的开环传递函数为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开环极点为s=-0. 12，S=-L 45，s=_25,它们即是根轨迹的起始点。 为了确定根轨迹的形状，继续进行下列计算I)根轨迹渐近线与实轴的交点及倾角
nm
Tpi -TziJ iiσα=-—--- = -8.86
η - m
Γη (2k + I )jCI-β = -— k = O丄 2
η - mA =— β2=π , β3 =—2)根轨迹在实轴上的分离点闭环特征方程为(1+Tvs) (K^TiS) (1+Tss) (I+Tks)+KvKpwmKk=O用给定值代入，得K’ =- (s3+26. 57s2+39. 42s+4. 32)
dK'由^ = 0，及 K’>0
as解得s=-0. 775，这就是根轨迹在实轴上的分离点。3)在j ω轴交叉点的放大系数闭环特征方程为Φ (s) =s3+26. 57s2+39. 42s+K’ +4. 32运用劳斯判据，可解得K’〈1044，即ΚνΚκ〈241。由S2项的辅助多项式可计算根轨迹与虚轴交叉点。解得S= 土 j6.28因此，根轨迹与虚轴的交点为+j6. 28，-j6. 28。由此可画出该双环控制算法系统的根轨迹图如附图2所示。由附图2可见，该系统的极点都靠近坐标原点，系统的动态性能不够理想，并且随着闭环回路的增益的提高，其轨迹变化趋向转入右半平面，使得系统失去稳定。为了改善控制系统的稳定性能，必须要限制调节器的放大倍数，而这又与系统的调节精度相悖。
发明内容
本发明的目的在于针对传统静止无功发生器的电压外环与电流内环双环控制算法存在稳定性不足的缺陷，提供一种基于电压外环、电流内环和稳定校正环的静止无功发生器的三环控制算法，使控制系统的稳定性大幅提高，保证了 SVG正常稳定地进行补偿。实现上述目的的技术方案是一种静止无功发生器的三环控制算法，基于SVG的电压外环和电流内环的双环控制，所述三环控制算法在所述双环控制的基础上，增设一个无功电流速率负反馈校正环节，该无功电流速率负反馈校正环节以SVG发出的无功电流作为反馈回路起始端，将所述无功电流微分后得到的该无功电流的变化速率反馈到电压差值对电流的放大环节的输入端；所述无功电流速率负反馈校正环节的参数通过零极点匹配的方法优选得到。上述的静止无功发生器的三环控制算法，其中，所述的零极点匹配的方法具体包括下列步骤
步骤一，根据所述三环控制算法的开环传递函数，得到零点方程式；步骤二，采用等式转化的方法，将所述的零点方程式转化成一个控制系统的闭环特征方程；步骤三，作出所述控制系统的根轨迹，根据该根轨迹上的每一点都是所述闭环特征方程的根，也是所述三环控制算法的开环传递函数的零点这一特性，优选三个零点位置；步骤四，根据步骤三中选取的三个零点位置，计算得到所述无功电流速率负反馈校正环节的参数。本发明的有益效果是本发明在传统静止无功发生器的电压外环与电流内环双环控制算法的基础上，增设无功电流速率负反馈校正环节(稳定校正环)，并在设计其参数的时候采用控制环零极点匹配的方法，探求最佳的系统零极点位置，构成符合系统稳定性要求的速率负反馈校正环节，形成了新型的基于电压外环、电流内环和稳定校正环的SVG三环控制算法。
图I是常规的静止无功发生器的双环控制算法系统的传递函数框图；图2是图I所述的双环控制算法系统的一个实施例的根轨迹图；图3是本发明的静止无功发生器的三环控制算法的传递函数框图；图4是控制系统Gtl (s) H0 (S)的根轨迹图；图5是图3所述的三环控制算法系统的一个实施例的根轨迹图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步说明。由图2所知，常规的SVG双环控制算法中，需增加校正环节，才能适应稳定运行的要求。因此，请参阅图3，本发明的静止无功发生器的三环控制算法，基于传统的SVG的电压外环和电流内环的双环控制，并在该双环控制的基础上，增设一个无功电流速率负反馈校正环节，该无功电流速率负反馈校正环节以SVG发出的无功电流作为反馈回路起始端，将所述无功电流微分后得到的该无功电流的变化速率反馈到电压差值对电流的放大环节的输入端(即电压差值放大器的输入端)；
所述无功电流速率负反馈校正环节的参数是通过零极点匹配的方法优选得到的，具体步骤如下步骤一，根据本发明的三环控制算法的开环传递函数，得到零点方程式；步骤二，采用等式转化的方法，将所述的零点方程式转化成一个控制系统Gtl(S)H0(s)的闭环特征方程；步骤三，作出控制系统Gq(S)Hq (s)的根轨迹(如图4)，根据该根轨迹上的每一点都是所述闭环特征方程的根，也是本发明的三环控制算法的开环传递函数的零点这一特性，优选三个零点位置；步骤四，根据步骤三中选取的三个零点位置，计算得到无功电流速率负反馈校正环节的参数，从而确定本发明的基于电压外环、电流内环和稳定校正环的SVG三环控制算法。下面以一具体实施例说明由图2可知，要想改变该SVG控制算法系统的稳定性，必须改变根轨迹的射出角，也就是要改变根轨迹的渐近线，使之只处于虚轴的左半平面。为此本发明增加开环传递函数的零点，使渐近线平行于虚轴并处于左半平面。即在PWM变流器输出无功电流i,处增加一条电流速率负反馈回路，将其换算到电流i,。后，其传递函数为KFs/ (1+Tfs)，其中，Kf表示电流速率反馈回路的电压偏差与电流。之间的放大倍数，Tf表示电流速率反馈汇率的时间常数；本发明的静止无功发生器的三环控制算法的传递函数框图如图3所示，由图3可见，本发明的三环控制算法系统的等值前向传递函数为
权利要求
1.一种静止无功发生器的三环控制算法，基于SVG的电压外环和电流内环的双环控制，其特征在于，所述三环控制算法在所述双环控制的基础上，增设一个无功电流速率负反馈校正环节，该无功电流速率负反馈校正环节以SVG发出的无功电流作为反馈回路起始端，将所述无功电流微分后得到的该无功电流的变化速率反馈到电压差值对电流的放大环节的输入端； 所述无功电流速率负反馈校正环节的参数通过零极点匹配的方法优选得到。
2.根据权利要求I所述的静止无功发生器的三环控制算法，其特征在于，所述的零极点匹配的方法具体包括下列步骤 步骤一，根据所述三环控制算法的开环传递函数，得到零点方程式； 步骤二，采用等式转化的方法，将所述的零点方程式转化成一个控制系统的闭环特征方程； 步骤三，作出所述控制系统的根轨迹，根据该根轨迹上的每一点都是所述闭环特征方程的根，也是所述三环控制算法的开环传递函数的零点这一特性，优选三个零点位置； 步骤四，根据步骤三中选取的三个零点位置，计算得到所述无功电流速率负反馈校正环节的参数。
全文摘要
本发明公开了一种静止无功发生器的三环控制算法，从根轨迹法分析系统传递函数稳定性的角度出发，在常规的SVG的电压外环和电流内环的双环控制算法的基础上，增设了无功电流速率负反馈校正环节。并在设计无功电流速率负反馈校正环节的参数的过程中，采用了提高SVG整机稳定性的控制环零极点匹配技术，以探求最佳的系统零极点位置，构成符合系统稳定性要求的无功电流速率负反馈校正环节，形成了新型的基于电压外环、电流内环和稳定校正环的SVG三环控制算法。
文档编号H02J3/18GK102801172SQ20121028279
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者解大, 贾玉健, 卢婧婧, 余志文, 庒骏鹏, 蒋传文, 艾芊, 何伟, 潘瑜 申请人:上海信元瑞电气有限公司