靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(完整版)實用資料

靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）

靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）第２６卷第１０期２００６年１０月電力自動化設(shè)備ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏｌ．２６Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２００６靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計章勇高１，２，康勇１，劉黎明１，朱鵬程１，劉小圓１（１．華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢４３００７４；２．華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌３３００１３）摘要：靜止同步補(bǔ)償器（ＳＴＡＴＣＯＭ）的主要功能是支撐節(jié)點電壓，同時直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定也是ＳＴＡＴＣＯＭ裝置安全運(yùn)行的保證。介紹了ＳＴＡＴＣＯＭ裝置的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行原理，提出了一種新的控制策略。采用電流前饋環(huán)節(jié)加比例積分（ＰＩ）調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制直流電容電壓，節(jié)點電壓控制采用ＰＩ調(diào)節(jié)和一定的下垂比例因子組成的自動電壓調(diào)整控制策略。詳細(xì)探討了控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和過程。仿真以及７．５ｋＶ?Ａ物理模型的實驗結(jié)果表明，能夠快速有效地將節(jié)點電壓控制在允許的范圍內(nèi)波動，直流電容電壓得到有效控制，證明了控制系統(tǒng)的正確性和控制器設(shè)計的有效性。關(guān)鍵詞：靜止同步補(bǔ)償器；雙環(huán)控制；電流前饋控制；下垂特性中圖分類號：ＴＭ７６１文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：１００６－６０４７（２００６）１０－００６２－０５驗裝置和仿真模型中得以驗證。實驗和仿真結(jié)果表明：ＳＴＡＴＣＯＭ能夠快速有效地將節(jié)點電壓控制在允許的范圍內(nèi)，直流電容電壓得到有效的控制，電力系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，說明ＳＴＡＴＣＯＭ控制系統(tǒng)的設(shè)計是正確而有效的。０引言電壓源變換器相對晶閘管變換器具有更加優(yōu)越的性能，使得基于電壓源變換器的靈活交流傳輸系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛，靜止同步補(bǔ)償器（ＳＴＡＴＣＯＭ）就是其中的一種［１－４］。ＳＴＡＴＣＯＭ的主要功能是通過向電力系統(tǒng)注入適當(dāng)?shù)母行院腿菪詿o功功率支撐接入點的節(jié)點電壓，提高電力系統(tǒng)的靈活性、可靠性以及暫態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性。另外，為保證ＳＴＡＴＣＯＭ安全運(yùn)行，控制直流電容電壓的穩(wěn)定也是非常必要的。節(jié)點電壓和直流電容電壓的穩(wěn)定是ＳＴＡＴＣＯＭ控制系統(tǒng)的２大功能，實現(xiàn)這些功能的控制策略很多，總體而言有２大類：一類是智能控制，如魯棒自適應(yīng)控制、體液免疫學(xué)習(xí)控制等；另一類是ＰＩ解耦控制［５－１０］。智能控制能夠解決模型參數(shù)未知情況下的控制問題，充分考慮了裝置的非線性特性，但對裝置研制而言控制系統(tǒng)實現(xiàn)較為困難。ＳＴＡＴＣＯＭ裝置中常采用ＰＩ解耦控制，傳統(tǒng)的ＰＩ解耦控制將節(jié)點電壓維持在指定參考值，這樣必然以降低調(diào)節(jié)速度為代價，然而在系統(tǒng)的正常運(yùn)行情況下，允許節(jié)點電壓存在一定波動（通常為５％）。為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性，本文提出一種新型ＳＴＡＴＣＯＭ雙環(huán)ＰＩ解耦控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)ＰＩ控制基礎(chǔ)上，直流電容電壓／有功調(diào)節(jié)控制外環(huán)中加入電流前饋，節(jié)點電壓／無功調(diào)節(jié)控制外環(huán)中采用自動電壓下垂控制。文中介紹了基于三相ＰＷＭ逆變器的ＳＴＡＴＣＯＭ數(shù)學(xué)模型并提出新型雙環(huán)ＰＩ解耦控制系統(tǒng)，詳細(xì)探討了控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計過程和設(shè)計方法，所有的設(shè)計參數(shù)在實收稿日期：２００６－０１－１０；修回日期：２００６－０４－０８１ＳＴＡＴＣＯＭ的數(shù)學(xué)模型圖１所示為ＳＴＡＴＣＯＭ接入電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖，它的核心結(jié)構(gòu)是一個三相ＰＷＭ逆變器，逆變器通過并聯(lián)變壓器接入電網(wǎng)。三相ＰＷＭ逆變器主電路開關(guān)器件采用ＩＧＢＴ和二極管反并聯(lián)，且視為理想開關(guān)，由開關(guān)函數(shù)Ｓｎ（ｎ＝ａ、ｂ、ｃ，分別表示三相）反映。ｕｉａ、ｕｉｂ和ｕｉｃ代表著ＰＷＭ逆變器的三相輸出電壓，Ｌ１和Ｒ１分別代表濾波電感器和并聯(lián)變壓器的等效電感值和電阻值，Ｃ表示逆變器直流側(cè)電容值，ＲＬ是ＳＴＡＴＣＯＭ裝置直流側(cè)的等效負(fù)載，表示有功損耗。根據(jù)基爾霍夫定律，逆變器的狀態(tài)方程式為ｉ１ａｕｉａ－ｕ１ａＲ１＋Ｌ１ｄｉ１ｂ＝ｕｉｂ－ｕ１ｂｉ１ｃｕｉｃ－ｕ１ｃｉｄｃ＝ｓａｉ１ａ＋ｓｂｉ１ｂ＋ｓｃｉ１ｃ!"""""""#$%%%%%%%&!"""""""#$%%%%%%%&（１）（２）第１０期章勇高，等：靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計ＣｄＵ＝ｉｄｃ－ｉＬ（３）其中Ｓｎ＝１（上橋臂導(dǎo)通）或Ｓｎ＝－１（下橋臂導(dǎo)通）；式（１）（２）（３）分別為電壓狀態(tài)方程、直流側(cè)電流方程和直流電壓方程?？紤]三相平衡，根據(jù)變換前后電壓不變的原則，由三相靜止到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換關(guān)系式如下［９］：Ｔａｂｃｄｑ＝２!ＡＢＣＤＥＦ"（４）Ａ＝ｃｏｓωｔ，Ｂ＝ｃｏｓ（ωｔ－２π／３），Ｃ＝ｃｏｓ（ωｔ＋２π／３）Ｄ＝－ｓｉｎωｔ，Ｅ＝－ｓｉｎ（ωｔ－２π／３），Ｆ＝－ｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）定義電網(wǎng)三相電壓ｕｉａ、ｕｉｂ、ｕｉｃ合成矢量為ｄ軸，利用式（４）變換式（１）（２）得到：Ｌ１ｄｉ１ｄ＝－Ｒ１ｉ１ｄ＋ωＬ１ｉ１ｑ＋ｕｉｄ－ｕ１ｄ（５）Ｌ１ｄｉ１ｑ＝－ωＬ１ｉ１ｄ－Ｒ１ｉ１ｑ＋ｕｉｑ－ｕ１ｑｉｄｃ＝３（ｓｄｉ１ｄ＋ｓｑｉ１ｑ）／２（６）式中ω為電力傳輸系統(tǒng)的角頻率。圖２所示為式（３）（５）（６）構(gòu)成的逆變器系統(tǒng)模型框圖。２ＳＴＡＴＣＯＭ的控制系統(tǒng)ＳＴＡＴＣＯＭ對電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)主要通過向接入點吸收或者注入無功功率，穩(wěn)定接入點的節(jié)點電壓Ｕｉ，防止傳輸線路功率因數(shù)下降，避免電力系統(tǒng)由于節(jié)點電壓的深度下陷而崩潰。為使ＳＴＡＴＣＯＭ能穩(wěn)定安全運(yùn)行，直流側(cè)必須有一個固定的直流電壓源Ｕｄｃ，故ＳＴＡＴＣＯＭ還必須向電網(wǎng)吸收有功功率以補(bǔ)償線路和開關(guān)損耗。因此，ＳＴＡＴＣＯＭ控制系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定接入點電壓Ｕｉ和直流側(cè)電容電壓Ｕｄｃ２個功能，通過控制逆變器輸出電流的ｄ、ｑ分量實現(xiàn)。傳統(tǒng)的雙環(huán)解耦控制策略中電流內(nèi)環(huán)和電流外環(huán)均采用ＰＩ控制器，其控制目標(biāo)是將控制量穩(wěn)定在某一個定值，然而在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，允許接入點的電壓存在一定偏差（通常為５％）。本文在傳統(tǒng)ＰＩ解耦控制基礎(chǔ)上引入了負(fù)載電流前饋環(huán)節(jié)作為干擾信號調(diào)節(jié)ｄ軸電流，以便更好地穩(wěn)定直流電容電壓值，在節(jié)點電壓控制系統(tǒng)的電壓外環(huán)則采用電壓下垂控制，允許節(jié)點電壓在傳輸線路上無功功率發(fā)生變化時存在一定幅值的波動，以提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度。圖３為改進(jìn)的雙環(huán)解耦控制系統(tǒng)框圖。圖３中直流電容電壓控制系統(tǒng)由電壓外環(huán)Ｇｕ（ｓ）和電流內(nèi)環(huán)Ｇｉｄ（ｓ）構(gòu)成，為提高電容電壓的控制精度和速度，引入負(fù)載電流ｉＬ作為前饋控制共同構(gòu)成ｄ軸控制系統(tǒng)，電壓調(diào)節(jié)器Ｇｕ（ｓ）輸出和負(fù)載電流前饋Ｇｉｆ（ｓ）作為ｄ軸電流指令值。即電流前饋加電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成了直流電容電壓控制系統(tǒng)。其中電容電壓控制器Ｇｕ（ｓ）和電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)Ｇｉｄ（ｓ）都是采用傳統(tǒng)的ＰＩ控制器。節(jié)點電壓控制系統(tǒng)也由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成，與傳統(tǒng)的雙環(huán)控制策略不同，電壓外環(huán)采用了電壓下垂的自動電壓調(diào)整策略，電壓下垂控制由ＰＩ調(diào)節(jié)和一個下垂因子組成，電流內(nèi)環(huán)Ｇｉｑ（ｓ）采用傳統(tǒng)ＰＩ調(diào)節(jié)。自動電壓調(diào)整策略允許節(jié)點電壓存在一定的幅值波動（本文設(shè)計為５％），可提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度。本文提出的改進(jìn)型雙環(huán)解耦控制系統(tǒng)不僅具有很好的暫態(tài)性能而且能夠大幅提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。３雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計圖３表明控制系統(tǒng)由電流控制器Ｇｉｄ（ｓ）、Ｇｉｑ（ｓ），電容電壓控制器Ｇｕ（ｓ），電流反饋控制器Ｇｉｆ（ｓ）和直接下垂控制器組成，本節(jié)詳細(xì)探討這些控制器設(shè)計。３．１電流控制器設(shè)計圖３表明ｄ軸和ｑ軸電流控制器Ｇｉｄ（ｓ）、Ｇｉｑ（ｓ）都采用ＰＩ控制，其信號通道相同，統(tǒng)一記為Ｇｉｄｑ（ｓ）。為接近實際情況，考慮ＰＷＭ逆變器的延時和反饋通道的濾波特性，ｄｑ軸電流控制系統(tǒng)見圖４。圖中，τＬ＝Ｌ／Ｒ為電感時間常數(shù)；ＫＲ＝１／Ｒ；ＫＰＷＭ表示整流器的放大倍數(shù)；τｓ代表變換器的延時，等于開關(guān)周期的一半；Ｋｉｆ、τｉｆ分別是反饋通道的放大系數(shù)和時間常數(shù)；Ｇｉｄｑ（ｓ）為ＰＩ調(diào)節(jié)器，Ｋｃｐ、Ｋｃｉ分別為ＰＩ調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)，τｃ＝Ｋｃｐ／Ｋｃｉ。電流控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)為電力自動化設(shè)備第２６卷Ｗｏｉ（ｓ）＝ＫｃｉＫＰＷＭＫＲＫｉｆ（τｃｓ＋１）（）（（Ｌ）（ｓ）７）ｉｆ令τｃ＝τＬ＝Ｌ／Ｒ，變換器延時τｓ和時間常數(shù)τｉｆ很小，用一階慣性系統(tǒng)代替二階環(huán)節(jié)，經(jīng)變換閉環(huán)傳遞函數(shù)２Ｗωｃｉ＝ｎ２（８）ｎｎξ＝１!，ωｎｓｆ＝!ｓｆτｓｆ＝τｓ＋τｉｆ，Ｋ＝ＫｃｉＫＰＷＭＫＲＫｉｆ二階系統(tǒng)在阻尼比ξ＝０．７０７時系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間最佳。可計算出相應(yīng)的增益Ｋ，求得電流調(diào)節(jié)器的ＰＩ參數(shù)Ｋｃｉ和Ｋｃｐ。３．２電容電壓控制器設(shè)計圖５所示為電容電壓控制系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)［１０］得到輸入電流與輸出直流電壓之間的傳遞函數(shù)為Ｇ（ｓ）＝Ｋ０１－τｓｚ１＋ｓτ（９）ｐ式中Ｋ０＝３ＲＬＵｍ／（４Ｕｄｃ）；τｐ＝０．５ＲＬＣ；τｚ＝Ｌ／Ｒｉ，Ｒｉ＝Ｕｍ／Ｉｍ表示逆變器的輸入電阻（Ｕｍ、Ｉｍ分別為逆變器輸入電壓、電流幅值）。Ｇｕ（ｓ）采用ＰＩ調(diào)節(jié)器，表達(dá)式為Ｇτｕｕ（ｓ）＝Ｋｕｉｓ＋１（１０）式中τｕ＝Ｋｕｐ／Ｋｕｉ（Ｋｕｐ、Ｋｕｉ分別為ＰＩ調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)）。圖５中電流閉環(huán)控制器Ｗｃｉ（ｓ）使ｄ軸電流ｉｄ在暫態(tài)過程中變化很小，即在電容電壓大波動以前已完成了調(diào)節(jié)過程。用一階慣性環(huán)節(jié)近似代替二階系統(tǒng)，Ｗｃｉ（ｓ）可以表示為１／（２τｓｆｓ＋１）。電壓控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)為Ｗｏｕ（ｓ）＝ＫｕｉＫｏ（τｕｓ＋１）（１－τｚｓ）ｐｓｆ（１１）假設(shè)τｕ＝τｐ，Ｋ１＝ＫｕｉＫ０，則閉環(huán)傳遞函數(shù)為Ｗｃｕ＝Ｋ（１－τｓ）／（２τ）ｓ２（１２）＋ｚ１ｓ＋ｓｆ１ｓｆ式（１２）中τｚ對于控制系統(tǒng)的暫態(tài)峰值時間和上升時間影響很小，可以忽略不計。則閉環(huán)傳遞函數(shù)可寫成Ｗｃｉ＝Ｋ／（２２１τｓｆ）ｓ２＝ωｎ（１３）＋２ｓ＋ｓ＋２ξωｓｆｎ＋ωｎｓｆξ＝１!（１－τｚＫ１），ωｎ＝１ｓｆ!ｓｆ根據(jù)３．１節(jié)方法，同樣可以計算ξ＝０．７０７時電壓控制器的ＰＩ參數(shù)Ｋｕｉ和Ｋｕｐ。３．３電流前饋控制器設(shè)計圖３所示的直流電壓控制系統(tǒng)中引入了一個電流前饋環(huán)節(jié)，其目的是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及避免電壓超調(diào)過大。ＫＬ根據(jù)ＳＴＡＴＣＯＭ輸入與輸出功率平衡關(guān)系求得：ｐｉ＝ｉｄｃＵｄｃ＝ｕ１ｄｉ１ｄ＋ｕ１ｑｉ１ｑ＝ｐｏ（１４）通常情況下，ｄｑ坐標(biāo)變換中ｕ１ｑ＝０?？伤愠觯耍痰茫海耍蹋剑椋保洌剑眨洌悖保担洌悖ǎ保潆娏髑梆佒分屑尤肓艘浑A濾波環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)τｄｃ?。保福恚蟆＃常粗苯酉麓箍刂破髟O(shè)計為提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，允許節(jié)點電壓存在一定的幅值波動，節(jié)點電壓控制器不采用直接ＰＩ調(diào)節(jié)而采用自動電壓調(diào)整模式（見圖３）。ＫＳＬ為直接下垂因子，根據(jù)系統(tǒng)所需的下垂特性確定，其定義為ＫＳＬ＝Ｉ＝ＩΔＵＣｍａｘΔＵ（１６）Ｌｍａｘ式中ΔＵＣｍａｘ為輸出最大容性電流ＩＣｍａｘ時節(jié)點電壓降落；ΔＵＬｍａｘ為輸出最大感性電流ＩＬｍａｘ時節(jié)點電壓上升。一階慣性濾波環(huán)節(jié)可提高電壓調(diào)節(jié)的性能指標(biāo)，其時間常數(shù)τＲ＝１／（Ｋ１ＫＳＬ），通常取τＲ＝２０￣１５０ｍｓ，τｓ＝１０￣５０ｍｓ，Ｋｐ為很小或者為０。４仿真系統(tǒng)和實驗裝置參數(shù)ＳＴＡＴＣＯＭ仿真和試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型見圖６。系統(tǒng)參數(shù)為：ＳＴＡＴＣＯＭ額定容量Ｐｓ＝７．５ｋＶ?Ａ；系統(tǒng)相電壓Ｕｓ＝２２０Ｖ；電網(wǎng)頻率ｆ＝５０Ｈｚ；傳輸線等效電阻Ｒｓ＝０．０１Ω，等效電感Ｌｓ＝３ｍＨ；并聯(lián)變壓器變比和連接為２∶５／Ｙ－△；濾波電感的等效電阻Ｒ１＝０．０１Ω，等效電感Ｌ１＝６ｍＨ；直流側(cè)電容Ｃ＝８０００μＦ；電壓Ｕｄｃ＝４００Ｖ。直流側(cè)電容負(fù)載Ｒｃ１、Ｒｃ２模擬ＳＴＡＴＣＯＭ系統(tǒng)的有功需求，Ｒｃ１＝１ｋΩ，Ｒｃ２＝４０Ω。傳輸線上負(fù)載ＬＬ模擬系統(tǒng)的無功需求，ＬＬ＝２７ｍＨ。ＰＷＭ逆變器開關(guān)頻率?。担矗耄龋?，直接下垂因子取５％。根據(jù)第３部分控制器的設(shè)計方法可計算控制系統(tǒng)參數(shù)為：電流控制器ＰＩ參數(shù)，Ｋｃｉ＝１４２、Ｋｃｐ＝８．５２；Ｕｄｃ電壓控制器ＰＩ參數(shù)，Ｋｕｉ＝０．４６３、Ｋｕｐ＝１．４；前饋控制器參數(shù)，ＫＬ＝１．７６、τｄｃ＝１ｍｓ；節(jié)點電壓控制器參數(shù)，ＫＳＬ＝４．２７、τＲ＝２０ｍｓ、Ｋｉ＝１１．７、Ｋｐ＝０．９、τｓ＝３０ｍｓ。第１０期章勇高，等：靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計５仿真和實驗結(jié)果分析曲線如圖９所示。曲線２和曲線３分別是直流側(cè)電壓（曲線１）在０．３ｓ和０．５ｓ響應(yīng)過程的展寬曲線。本文采用Ｍａｔｌａｂ進(jìn)行了建模仿真研究，并在７．５ｋＶ?Ａ的實驗臺架上進(jìn)行實驗?？刂葡到y(tǒng)采用ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２４０實現(xiàn)空間矢量ＰＷＭ控制，實驗波形由示波器ＤＬ７５０捕獲（限于篇幅略）。５．１無功功率的階躍響應(yīng)ｔ＝０．３ｓ時開關(guān)Ｓ１閉合，線路負(fù)載由阻性變?yōu)楦行裕唬簦剑埃担髸r開關(guān)Ｓ１打開，線路負(fù)載由電感性變?yōu)殡娮栊浴４诉^程ＳＴＡＴＣＯＭ需要向線路注入或吸收一定的無功功率，以穩(wěn)定節(jié)點電壓水平，仿真波形如圖７￣９所示。圖７為有ＳＴＡＴＣＯＭ和無ＳＴＡＴＣＯＭ調(diào)節(jié)時節(jié)點電壓的仿真比較。無ＳＴＡＴＣＯＭ調(diào)節(jié)作用時，節(jié)點電壓在ｔ＝０．３ｓ時從２２０Ｖ直線下降到２０５Ｖ，對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，并且下降是不可恢復(fù)的；有ＳＴＡＴＣＯＭ調(diào)節(jié)時，節(jié)點電壓在下降后馬上恢復(fù)到控制水平，降低對電網(wǎng)的沖擊。結(jié)果表明，ＳＴＡＴＣＯＭ的調(diào)節(jié)作用顯著而有效。圖８是節(jié)點電壓的無功功率階躍響應(yīng)仿真曲線。ｔ＝０．３ｓ時，開關(guān)Ｓ１閉合，一個電感值為２７ｍＨ的無功負(fù)載接入傳輸線路中，節(jié)點電壓直線下降然后上升到約２１０Ｖ；ｔ＝０．５ｓ時，開關(guān)Ｓ１打開，無功負(fù)載解列，節(jié)點電壓又從２１０Ｖ回復(fù)到２２０Ｖ。實驗波形表明無功需求消失時節(jié)點電壓恢復(fù)到約２２２Ｖ。仿真和實驗結(jié)果表明，節(jié)點電壓具有約５％的下垂特性。無功功率階躍變化時，直流側(cè)電容電壓的響應(yīng)按照系統(tǒng)運(yùn)行分析，直流側(cè)電容電壓的波動主要是由系統(tǒng)的有功需求引起。由于本文的直流電壓控制系統(tǒng)中引入了負(fù)載電流前饋控制環(huán)節(jié)，使得在無功調(diào)節(jié)時直流側(cè)電容電壓也存在很小的抖動，但無功調(diào)節(jié)的速度可以得到很大提高。５．２直流負(fù)載的階躍變化開關(guān)Ｓ２閉合，直流負(fù)載由１ｋΩ突變?yōu)椋矗唉?，必然?dǎo)致直流側(cè)電容電壓的下降，圖１０所示為直流側(cè)電容電壓在直流側(cè)負(fù)載突增情況下的仿真結(jié)果曲線，其中曲線（ｂ）是曲線（ａ）在ｔ＝１ｓ時的展寬。從曲線（ａ）可以看出，直流側(cè)電容電壓在一個很小的短暫下降后恢復(fù)。圖１１的曲線（ａ）和曲線（ｂ）分別是ＳＴＡＴＣＯＭ調(diào)節(jié)時ｄ軸和ｑ軸電流響應(yīng)的仿真結(jié)果。由圖可見：電力自動化設(shè)備ｄ軸電流和直流側(cè)電容電壓調(diào)節(jié)有關(guān)，即ｄ軸電流主要控制ＳＴＡＴＣＯＭ的有功輸出；ｑ軸電流和節(jié)點電壓控制有關(guān)，即ｑ軸電流主要控制ＳＴＡＴＣＯＭ的無功輸出。然而，仿真和實驗波形表明：在直流側(cè)電容電壓的調(diào)節(jié)過程中ｑ軸電流會出現(xiàn)很小的波動，節(jié)點電壓的調(diào)節(jié)過程中ｄ軸電流也會出現(xiàn)很小的波動。其原因是，調(diào)節(jié)ｄ軸電流時，三相ＰＷＭ逆變器的輸出電流會發(fā)生波動，從而導(dǎo)致ｑ軸電流波動，此現(xiàn)象也會發(fā)生在ｑ軸電流調(diào)節(jié)過程中。第２６卷說明了電流前饋加ＰＩ調(diào)節(jié)以及自動電壓下垂調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)是正確而有效的。進(jìn)一步的工作是在已經(jīng)研制的ＳＴＡＴＣＯＭ實驗裝置的基礎(chǔ)上研制統(tǒng)一潮流控制器的實驗室物理模型。參考文獻(xiàn)：［１］ＩＥＥＥＰＥＳＷｏｒｋｉｎｇＧｒｏｕｐ．ＦＡＣＴＳａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ，１９９６．［２］ＨＩＮＧＯＲＡＮＩＮＧ，ＧＹＵＧＹＩＬ．ＵｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇＦＡＣＴＳ：ｃｏｎｃｅｐｔｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅＡＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ，２０００．［３］ＥＳＣＯＢＡＲＧ，ＡＬＥＫＳＡＮＤＡＲＭＳ，ＭＡＴＴＡＶＥＬＬＩＰ．Ａｎａｄａｐ－６結(jié)論本文詳細(xì)介紹了三相ＰＷＭ逆變器ＳＴＡＴＣＯＭ的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行原理，提出了直流側(cè)電容電壓采用電流前饋加ＰＩ環(huán)的控制系統(tǒng)以及節(jié)點電壓采用直接電壓下垂控制系統(tǒng)的控制策略。這種新型雙環(huán)控制系統(tǒng)包括了電流控制器、直流電容電壓控制器、前饋控制器及直接下垂控制器，文中詳細(xì)地探討了這４個控制器的設(shè)計方法和設(shè)計步驟。實驗和仿真結(jié)果證明：有功調(diào)節(jié)中的電流前饋控制器和節(jié)點電壓調(diào)節(jié)中的下垂控制特性大幅縮短了調(diào)節(jié)的暫態(tài)過程時間，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，節(jié)點電壓在系統(tǒng)有功和無功階躍變化時都能有效地控制在允許的運(yùn)行范圍內(nèi)，使得電力系統(tǒng)具有很好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；ｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎｓｔａｔｉｏｎａｒｙｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅｆｏｒＤ－ＳＴＡＴＣＯＭｉｎｕｎｂａｌａｎｃｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００４，５１（２）：４０１－４０９．［４］ＨＡＱＵＥＭＨ，ＫＵＭＫＲＡＴＵＧＰ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＬｙａｐｕｎｏｖｓｔａｂｉ－ｌｉｔｙｃｒｉｔｅｒｉｏｎｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆａＳＴＡＴＣＯＭ［Ｊ］．ＩＥＥＰｒｏｃ－ＧｅｎｅｒＴｒａｎｓｍＤｉｓｔｒｉｂ，２００４，１５１（３）：４１５－４２０．［５］ＨＡＭＭＡＤＡＥ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｂｙｓｔａｔｉｃｖａｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔ，１９８６，１（４）：２２２－２２７．［６］ＬＥＲＣＨＥ，ＰＯＶＨＤ，ＸＵＬ．ＡｄｖａｎｃｅｄＳＶＣｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｄａｍｐｉｎｇｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔ，１９９１，６（２）：５２４－５３５．［７］ＫＡＮＮＡＮＳ，ＪＡＹＡＲＡＭＳ，ＳＡＬＡＭＡＭＭＡ．Ｒｅａｌａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｆｏｒａｕｎｉｆｉｅｄｐｏｗｅｒｆｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔ，２００４，１９（２）：１４５４－１４６１．［８］ＣＨＡＮＧＣＴ，ＨＳＵＹＹ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＵＰＦＣｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓａｎｄｓｕｐ－ｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｄａｍｐｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆａｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＣ，２００２，１４９（４）：４６３－４７１．［９］ＸＩＯＮＧＪｉａｎ，ＫＡＮＧＹｏｎｇ，ＤＵＡＮＳｈａｎ－ｘｕ．Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒ－ｃｕｉｔｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ［Ｃ］∥ＡｐｐｌｉｅｄＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏ－ｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｄａｌｌａｓ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，１９９９：２２９－２３３．［１０］楊德剛，趙良炳，劉潤生．三相高功率因數(shù)整流器的建模及閉環(huán)控制［Ｊ］．電力電子技術(shù)，１９９９（５）：４９－５１．ＹＡＮＧＤｅ－ｇａｎｇ，ＺＨＡＯＬｉａｎｇ－ｂｉｎｇ，ＬＩＵＲｕｎ－ｓｈｅｎｇ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆａｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ－ｆａｃｔｏｒｒｅｃｔｉｆｉｅｒ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９（５）：４９－５１．（責(zé)任編輯：柏英武）作者簡介：章勇高（１９７５－），男，江西臨川人，講師，博士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動（Ｅ－ｍａｉｌ：ｚ．ｙ．ｇａｏ＠１６３．ｃｏｍ）；康勇（１９６５－），男，湖北武漢人，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向為電力電子與電力傳動（Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｋａｎｇ＠ｌｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ）。Ｄｏｕｂｌｅ－ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｏｆＳＴＡＴＣＯＭＺＨＡＮＧＹｏｎｇ－ｇａｏ１，２，ＫＡＮＧＹｏｎｇ１，ＬＩＵＬｉ－ｍｉｎｇ１，ＺＨＵＰｅｎｇ－ｃｈｅｎｇ１，ＬＩＵＸｉａｏ－ｙｕａｎ１（１．ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳＴＡＴＣＯＭ（ＳＴＡＴｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＣＯＭｐｅｎｓａｔｏｒ）ｉｓｍａｉｎｌｙｔｏｓｕｐｐｏｒｔｂｕｓｂａｒｖｏｌｔａｇｅａｎｄｍａｉｎｔａｉｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＤＣ－ｌｉｎｋｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅ．ＴｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＳＴＡＴＣＯＭａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｏｖｅｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｕｓｅｓｃｕｒｒｅｎｔｆｅｅｄ－ｆｏｒｗａｒｄｌｏｏｐａｎｄＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ）ｌｏｏｐｉｎｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅＤＣｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅｗｈｉｌｅｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｂｕｓｂａｒｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆＰＩａｎｄｓｃａｌｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｄｒｏｏｐｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎａ７．５ｋＶ?ＡｓｙｓｔｅｍｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅＤＣｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅａｎｄｂｕｓｂａｒｖｏｌｔａｇｅｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｓｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔａｔｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ；ｄｏｕｂｌｅ－ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｕｒｒｅｎｔｆｅｅｄ－ｆｏｒｗａｒｄ；ｄｒｏｏｐｃｈａｒａｃ－ｔｅｒｉｓｔｉｃｚ０１１聿ｓＡ第６秘電子漏試ＥＬＥｃＴＲ０～｜ｃＴＥｓＴＪ眥２０１１Ｎｏ．６液位ＰＩＤ控制系統(tǒng)的設(shè)計徐麗，馬成玲，劉帥，羅俊堯（鄭州市自來水總公司，河南，鄭州４５００００）摘要：針對工業(yè)生產(chǎn)中對恒定液位的儲水系統(tǒng)的需要，本文介紹了一種水池恒液位的ＰＩＤ控制系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)利用西門子ｓ７—２００ＰＬＣ的ＰＩＤ指令實現(xiàn)對液位的ＰＩＤ閉環(huán)控制，利用液位傳感器將液位的值作為反饋信號傳給ＰＬＣ，以設(shè)定水位值和反饋水位值之差作為ＰＩＤ控制器的輸入，控制器的輸出是頻率信號，并對變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，而變頻器對電機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最后通過ＶＢ軟件進(jìn)行特性測試。通過檢測本系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速實現(xiàn)了液位的恒定控制。關(guān)鍵詞：ＰＬＣ；變頻器；ＰＩＤ中圖分類號：ＴｌＶ２３文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ＡＤｅｓｉｇｎｏｆｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍＸｕＬｉ，ＭａＣｈｅｎｇｌｉｎｇ，ＬｉｕＳｈｕａｉ。ＬｕｏＪｕｎｙａｏ（ＷａｔｅｒｓｕｐｐｌｙＧｅｎｅｒａｌＣｏｍｐａｎｙＯｆＺｈｅｎｇｚｈｏｕＣｉｔｙ，Ｈｅｎａｎ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００００）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｎｙｃｏｎｓｔａｎｔｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓｙｓｔｅｍｓｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｉｓｎｅｅｄｅｄｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｗａｇｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＰＩＤｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌＷＲＳａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄｂｙｔｈｅｏｒｄｅｒｏｆＰＩＤｉｎｓ７—２００ＰＬＣ．ＰＬＣｒｅｃｅｉｖｅｄｔｈｅｓｉｇｎａｌｆｒｏｍｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒ勰ｆｅｅｄｂａｃｋ．ＰｌＤａｎｄｆｅｅｄｂａｃｋｇｉｖｅｔｈｅｓｉｇｎａｌｏｆｆｆｅｑｕｅｎｃｙｍｏｔｏｒ．ＢｙｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｄｓｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｈｉｃｈｇｅｔｔｈｅｓｉｇｎｄｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｓｅｔｔｉｎｇｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｔ０ｔｈｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｖｅｒｔｅｒ．ＴｈｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｖｅｒｔｅｒＷａｇｕｓｅｄｔＯｒｅｇｕｌａｔｅｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｔｅＳｔＳｏｆＶＢ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｋｅｐｔｔｈｅｃｏｕｓｔａｒｔｔｏｆｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌａｃｃｕ．ｔｅｌｙａｎｄｑｕｉｃｋｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＰＩＤ０引言在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，溫度、液位、壓力、流量等模擬量的控制常需要用閉環(huán)控制方式來實現(xiàn)。因為ＰＩＤ（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)不需要精確的控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的速度。通過對誤差進(jìn)行微分，能感覺出誤差的變化趨勢。比例環(huán)節(jié)及時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。數(shù)學(xué)模型而且它具有原理簡單、易于實現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)和適用范圍廣等優(yōu)點ｎｏ，所以模擬量的ＰＩＤ調(diào)節(jié)是常見的一種閉環(huán)控制方式，工程上易于實現(xiàn)。積分作用能對誤本系統(tǒng)為了實現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要，需要對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，考慮到電機(jī)的啟動、運(yùn)行、調(diào)速和制動的特性，決定采用采用ＬＧ公司的ＩＰ５Ａ變頻器實現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)節(jié)控制曙１。差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差，微分作用有助于減小超調(diào)，克服震蕩，改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和巴萬方數(shù)據(jù)控是。量出輸?shù)慕y(tǒng)系是，量饋反量變是：下ｉｎ（ｅ－）ｎ（如ｐ關(guān)相則，數(shù)參置設(shè)再好調(diào)數(shù)參、到等，為間微１本系統(tǒng)的性能要求制器的輸出Ｍｉｎｉ協(xié)ｌ是回路輸出的初始值，Ｋ，是ＰＩＤ回路增益，１－，和Ｔｎ分別是積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。系統(tǒng)要求用戶能夠方便操作，能夠遠(yuǎn)程控制變頻器本系統(tǒng)中的回路增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)可的啟動、停止和頻率調(diào)節(jié)，用戶可自行設(shè)置水位的高低，以通過工程計算初步確定。但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到以控制變頻器的起停，變頻器及其他設(shè)備的故障信息能最優(yōu)控制的效果。（１）式中前一部分起比例作用，中間夠及時反映在遠(yuǎn)程ＰＬＣ上。要求用戶能夠直觀了解現(xiàn)場部分起積分作用，后面一部分起微分作用。根據(jù)應(yīng)用不同，設(shè)備的工作狀態(tài)及水位的變化?？梢越M成Ｐ、ＰＩ和ＰＤ控制器。如果設(shè)置采樣周期Ｔ，可以將（１）式離散化，第ｎ２系統(tǒng)的總體設(shè)計次采樣時的控制器輸出為：２．１ＰＩＤ控制）＝ＫＰ圖１是控制系統(tǒng)的方框圖，使用Ｓ７－２００ＰＬＣ對水Ｍ（ｎＭ（ｎ）＝Ｋ，Ｊｌ；ｅ（ｎ）＋｝Ｉ委ｅ（．）＋孚Ｉｏｎ）＋Ｆ∑ｅ（．）＋了ｐ（ｎ）ｏＩ２０ｏ一１）］｝＋Ｍ…ｉ＿一１）］｝＋Ｍ，．。。。（２）位進(jìn)行ＰＩＤ控制。圖中的虛線部分由ＰＬＣ來實現(xiàn)。液位式（２）即是離散化的Ｐ１Ｄ控制算法表達(dá)式，圖１傳感器將被控量實際值ｃ（ｔ）測量轉(zhuǎn)換為ｌ一５Ｖ電壓信號的Ｐｇ）控制塊就是實現(xiàn)了該式的算法。或４－２０ｍＡ電流信號，該模擬信號接至ＰＬＣ的Ａ／Ｄ模塊。本系統(tǒng)采用ｓ７—２００ＰＬＣ，利用ＳＴＥＰ７一ＭｉｃｒｏＷＩＮ進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)用戶編寫的ＰＩＤ控制程序，將測量中的ＰＩＤ指令實現(xiàn)ＰＩＤ控制器的功能實現(xiàn)。如圖２即是值與給定值ｓｐ（ｔ）比較，通過２者的偏差ｅ（ｔ）進(jìn)行ＰＩＤＰＩＤ指令。其中的ＴＢＬ是回路表的起始地址，ＬＯＯＰ是算法的運(yùn)算得到輸出操作信號，經(jīng)ＰＬＣ的Ｄ／Ａ模塊進(jìn)行回路編號（ｏ＿７）Ⅲ。數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號（Ｉ－５Ｖ電壓信號或４—２０ｍＡ電流信號）Ｍ（ｔ）用來控制變頻器的參數(shù)，實現(xiàn)對水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而控制水的流量，從而最后保持水位一定的值ｎＪ。ＰＩ指令７、ｙ７Ｌ堅型竺一’ｄ蘭竺至廠］堡苧里！！廠定水池的液位為水池高度的７５％（１５ｃｍ），岡．ｐｖ（ｔ）感器┃……………．…．…●ｏＩｒＳＭ．０環(huán)控制系統(tǒng)方框圖２在ＰＩＤ參數(shù)和連接ＰＩＤ服務(wù)程序Ｒ０．５，ＶＤｌ０４ＰＩ控制器的算法原理入回路設(shè)定值＝７ｓ％Ｒ１．。ＶＤｌｌ２，，裝入回路增益＝１．５控制器的輸入輸出的關(guān)系式為“瑚：Ｒ０．，ＶＤｌｌ６／／裝入回路采樣時間－２秒Ｍ＝Ⅺｅ＋｝Ｊ＝ｅｄｔ＋ｒｏｄｅ／ｄｔ）＋Ｍ…ｉａｆＲ３００．ＶＤｌ２０，入積分時間－－３０分Ｒ０．，ＶＤｌ２４／關(guān)閉微分時間Ｂ１０，ＳＭＢ３４（ｔ）＝ｓｐ（ｔ）－ｐｖ（ｔ）是誤差，ｓｐ（ｔ）是給定值，ｐｖ（ｔ）定定時中斷０的時間間隔為１００ｍｓＨＩＮＯ，０，定定時中斷執(zhí)行ＰＩＥ）程序／許中斷９萬方數(shù)據(jù)３系統(tǒng)的硬件組成整個系統(tǒng)的核心是西門子可編程控制器（ＰＬＣ）Ｓ７—２００和ＬＧ公司的ＩＰ５Ａ變頻器，最后采用ＶＢ實現(xiàn)上位機(jī)的監(jiān)控與測試，并形成良好的人機(jī)界面。ＶＢ與ＰＬＣ通過ＲＳ２３２和ＲＳ４８５通訊轉(zhuǎn)換線連接。上位機(jī)將人的操作動作通過系統(tǒng)軟件輸出到下位機(jī)，下位機(jī)在接收到控制信號開始動作。被控對象是儲存水的水池，被控量是水池中的水位值，當(dāng)人為給定一個液位值時，下位機(jī)通過模擬量輸入模塊、高速計數(shù)口接收來自液位傳感器的反饋值，通過內(nèi)部ＰＩＤ的運(yùn)算對變頻器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在一定時間內(nèi)保持水池液位恒定。根據(jù)水池中水位的變化速度，調(diào)節(jié)變頻器的參數(shù)來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣就能實現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要。變頻器技術(shù)建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比較，除變頻器可以對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)速度的控制外，還有許多優(yōu)點，如節(jié)能、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的速度調(diào)節(jié)控制，可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的實現(xiàn)速度的精確控制、高效連續(xù)調(diào)速控制。容易實現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行電氣制動，可以進(jìn)行高額度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以對電動機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動。完善的保護(hù)功能：變頻器保護(hù)功能很強(qiáng)，在運(yùn)行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別（如電網(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機(jī)短路等），并立即封鎖輸出電壓。這種自我保護(hù)的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。所以在這個系統(tǒng)我們采用變頻技術(shù)對液位進(jìn)行控制。４系統(tǒng)的軟件設(shè)計圖３為系統(tǒng)流程圖。在此流程圖的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)慕缑娣只?，分別是閉環(huán)控制試驗界面、測試項目選擇界面、測試數(shù)據(jù)信息界面等。以監(jiān)控設(shè)計為例，可利用ｖＢ６．０進(jìn)行液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。其中的動態(tài)滾動實時曲線采用Ｐｉｃｔｕｒｅ控件的ｌｉｎｅ屬性結(jié)合Ｔｉｍｅｒ控件來實現(xiàn)，在一個周期內(nèi)對采集得到的１００個數(shù)據(jù)不斷畫線，并使用先進(jìn)先出的原則對采集到的當(dāng)前數(shù)據(jù)對數(shù)組數(shù)據(jù)更新?？v軸表示液位值，橫軸表示采樣時間。實ｆ９６●■■萬方數(shù)據(jù)時曲線中。ＰＶ、ＳＶ、ＭＶ顯示不同顏色。在程序運(yùn)行過程中，各曲線隨著時同的推移，圖形會自動滾屏，向左方延伸嘲。程序如下：ＰｒｉｖａｔｅＳｕｂＦｏｒｍ＿ｌｏａｄＰｉｅｍｒｅｌ．Ｓｃａｌｅ（Ｏ，４００）－（９９，ｏ）Ｔｉｍｅｄ．Ｅｎａｂｌｅ＝ｔｕｒｅＴｉｍｅｄ．ｉｎｔｅｒｖａｌ＝２０００ＥｎｄＳｕｂＰｒｉｖａｔｅＳｕｂＴｉｍｅｒｌ＿ＴｈｎｅｒＯＰｉｅｒａｒｅｌ．ＡｕｗＲｅｄｒａｗ＝ＴｒｕｅＰｉｅｔｕｒｅｌ．ＣｌｓＰｉｅｍｒｅｌ．ＦｏｒｅＣｏｌｏｒｆＲＧＢ（２５５，０，Ｏ）ＦｏｒＩ＝０ｔ０９８Ｐｉｅｔｕｒｅｌ．Ｌｉｎｅ（ｉ，ＰＶ（ｉ））一（ｉ＋ｌ，ＰＶ（“１））ＮｅｘｔＰＶ（９９）＝Ｔｅｘｔ４．ＴｅｘｔＦｏｒＩ＝０ｔ０９８ＰＶ（ｉ）＝ＰＶ（ｉ＋Ｉ）ＮｅｘｔＥｎｄＳｕｂ對系統(tǒng)給定一定的參數(shù)并進(jìn)行動態(tài)測試，得到動態(tài)曲線如圖４所示。、為了直觀了解該系統(tǒng)的特性，特采用ＶＢ設(shè)計了特周期時間；有啟動和停止功能；能夠顯示液位值，并顯圖３系統(tǒng)流程圖性測試窗口。該窗口口應(yīng)包含以下功能：可以設(shè)置采樣圖４閉環(huán)控制液位動態(tài)曲線示實時曲線。如圖５所示。在采樣周期方框內(nèi)設(shè)置采樣周期值ｔ，單位為ｍｓ，它表示數(shù)據(jù)采集模塊每一個采集周期記錄一次采樣值并輸送到上位機(jī)，經(jīng)過信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后將采集的液位值液位方框內(nèi)加以顯示。實驗啟動經(jīng)過一段時間后水箱液位將趨于一個穩(wěn)定值，然后開動進(jìn)水電機(jī)，例如從剛開始３０％變?yōu)椋担埃ィ喈?dāng)于給系統(tǒng)一個階躍信號，理論上分析水池液位將發(fā)生變化并逐漸的趨于另—個穩(wěn)定值。顯示曲線的部分程序如下：Ｔｅｘｔ２．Ｔｅｘｔ＝Ｆｏｒｍａｔ（（Ａｌｖａｌ２—０．９６）’１４．５?！埃埃埃啊保拢ǎ睿剑郑幔欤ǎ裕澹簦玻裕澹簦校椋悖簦酰颍澹欤蹋椋睿澹ǎǎ睢保欤?，Ｂ（ｎ一１））一（ｎ＋１０，Ｂ（ｎ）），ＱＢＣｏｌｏｒ（１）圖５特性測試曲線萬方數(shù)據(jù)５結(jié)論經(jīng)過特性測試和響應(yīng)測試，變頻恒液位系統(tǒng)運(yùn)行整體效果很好。當(dāng)給系統(tǒng)設(shè)定一個液位高度后，ＰＬＣ控制變頻器以恒液位控制方式運(yùn)行。假設(shè)液位設(shè)定為１５ｃｍ，實際檢測水池的液位基本恒定在１４～１６ｃｍ之間。假如液位低于１５ｃｍ，變頻器的頻率降低。這是因為如果變頻器運(yùn)行頻率太低，水泵的揚(yáng)程不夠．電機(jī)功率白白損耗掉，達(dá)不到節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)置最低運(yùn)行頻率，能夠使水泵揚(yáng)程達(dá)到要求。該系統(tǒng)的變頻器的頻率一般穩(wěn)定在一個范圍左右，這樣的話，節(jié)能效率是非常高的，同時該系統(tǒng)采用ＰＩＤ自動調(diào)節(jié)液位，減輕了人力負(fù)擔(dān)。參考文獻(xiàn)【１】廖常初．大中型ＰＬＣ應(yīng)用教程【Ｍ】．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，２００４：２０—１５０．【２】滿永奎．通用變頻器及其應(yīng)用【Ｍ】．北京，機(jī)械工業(yè)出版杜。１９９５：３５－３００．［３】廖常初．ＰＬＣ編程及應(yīng)用［Ｍ】．北京：機(jī)械工業(yè)出版杜，２００６：１５－２００．【４】周潤景等．傳感器與檢測技術(shù)【Ｍ】．北京：電子工業(yè)出版社，２００９．【５】西門子公司．ＳＩＥＭＥＮＳＳＩＭＡＴＩＣＳ７—２００可編程控制器系統(tǒng)手冊．【６】陳建民．電氣控制與ＰＬＣ應(yīng)用【Ｍ】．北京：電子工業(yè)出版社，２０１０：２１４－２８７．［７】西門子（中國）．深入淺出西門子Ｓ７—２００ＰＬＣ［Ｍ］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，２００７：１３６－１４５．【８】范逸之．ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ與ＲＳ－２３２串行通信控制【Ｊ】．北京：清華大學(xué)出版社，２００２：５４－１１０．作者簡介：徐麗。電氣助理工程師?，F(xiàn)工作于鄭州市自來水總公司．從事電氣及安全管理工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｃｅｈｎｇｌｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ一町ｆ液位PID控制系統(tǒng)的設(shè)計作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：徐麗，馬成玲，劉帥，羅俊堯，XuLi，MaChengling，LiuShuai，LuoJunyao鄭州市自來水總公司,河南,鄭州450000電子測試ELECTRONICTEST2021(6)第31卷第9期中國電機(jī)工程學(xué)報Vol.31No.9Mar.25,20212021年3月25日ProceedingsoftheCSEE?2021Chin.Soc.forElec.Eng.1文章編號:0258-8013(202109-0001-07中圖分類號:TM46文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A學(xué)科分類號:470·40系統(tǒng)電壓不平衡下鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器控制研究劉釗1,劉邦銀2,段善旭2,康勇2,史晏軍2,陳仲偉2(1.南京電子技術(shù)研究所,江蘇省南京市210039;2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北省武漢市430074ResearchonCascadeMultilevelSTATCOMUnderUnbalancedSystemVoltageLIUZhao1,LIUBangyin2,DUANShanxu2,KANGYong2,SHIYanjun2,CHENZhongwei2(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,JiangsuProvince,China;2.CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,HubeiProvince,ChinaABSTRACT:Theindividualphaseinstantaneouscurrentcontrolstrategywasproposedtosolveproblemsaboutdelta-connectedcascademultilevelstaticsynchronouscompensators(STATCOMunderunbalancedsystemvoltage;onthisbasis,twomodifiedcompensationmodes,reactivecontrolmodeandvoltagecontrolmode,werestudied;andthediscretecurrentloopcontrollerwasdesigned.ThecascademultilevelSTATCOMcanmaintainnormaloperationunderunbalancedvoltagebyusingtheindividualphaseinstantaneouscurrentcontrolstrategy;andtheunbalancedsystemcanbeeffectivelycompensatedbythetwomodifiedcompensationmodes.Simulationresultsweregiven;andexperimentswereconductedbasedonthedevelopmentofaprototypeforthree-phaseand36-chainSTATCOM,soastoverifytheeffectivenessoftheproposedcontrolstrategyandcompensationmodes.KEYWORDS:staticsynchronouscompensator(STATCOM;cascademultilevelconvertor;individualphaseinstantaneouscurrentcontrol;compensationmode;discretization摘要:針對三角形連接的鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器(staticsynchronouscompensator,STATCOM系統(tǒng)電壓不平衡下的控制問題,提出分相瞬時電流控制策略,在此基礎(chǔ)上研究了鏈?zhǔn)絊TATCOM在不平衡電壓下的補(bǔ)償模式,提出無功補(bǔ)償和電壓控制2種改進(jìn)型補(bǔ)償模式,并設(shè)計了其離散化電流環(huán)控制器。通過分相瞬時電流控制能夠維持鏈?zhǔn)絊TATCOM在不平衡電壓下的正常工作,2種改進(jìn)型補(bǔ)償模式使鏈?zhǔn)絊TATCOM能夠有效的對不平衡系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,仿真驗證了所提控制策略及補(bǔ)償模式。研制了一臺三相36個鏈節(jié)的物基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973項目(2021CB219701。TheNationalBasicResearchProgramofChina(973Program(2021CB219701.理樣機(jī),并在樣機(jī)上進(jìn)行實驗,證明了所提方法的正確性和有效性。關(guān)鍵詞:靜止同步補(bǔ)償器;級聯(lián)多電平;分相瞬時電流控制;補(bǔ)償模式;離散化0引言隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,無功補(bǔ)償引起了人們的廣泛重視。動態(tài)無功補(bǔ)償對于穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、阻尼系統(tǒng)振蕩以及改善系統(tǒng)阻尼等有著極為重要的作用[1-2],因此,各種基于大功率電力電子開關(guān)器件的無功補(bǔ)償裝置陸續(xù)提出[3-5],其中鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器(staticsynchronouscompensator,STATCOM由于可以減少變壓器數(shù)量、體積小、易于模塊化[6-8]以及可以分相控制等優(yōu)點,近年來得到了廣泛的應(yīng)用。鏈?zhǔn)絊TATCOM的控制策略主要有電流解耦控制[9-11]、有功無功解耦控制[12]以及非線性控制[13-14]等,但都是基于三相對稱控制,當(dāng)系統(tǒng)電壓不平衡時會出現(xiàn)某一相過流而導(dǎo)致STATCOM退出工作。文獻(xiàn)[15-16]提出對于星形連接的鏈?zhǔn)絊TATCOM可以讓其輸出正序、負(fù)序及零序電壓來維持自身的穩(wěn)定,但不適合三角形連接的鏈?zhǔn)絊TATCOM,而且其算法實現(xiàn)非常復(fù)雜;文獻(xiàn)[17]基于鏈?zhǔn)絊TATCOM自身的特殊電路結(jié)構(gòu)提出了分相控制,使裝置具有很強(qiáng)的適應(yīng)不對稱電壓的能力,但其犧牲了裝置的無功響應(yīng)速度;文獻(xiàn)[18]在分相控制的基礎(chǔ)上提出了基于逆系統(tǒng)的有功和無功解耦脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM控制,提高了裝置的無功響應(yīng)速度,但需要對電壓電流進(jìn)行傅里葉變換,計算復(fù)雜;文獻(xiàn)[19]提出了基于瞬時電流控制的分相控制策略,通過改變移相角的方法來控制直流電2中國電機(jī)工程學(xué)報第31卷壓,但大容量STATCOM裝置的移相角很小,不適當(dāng)?shù)母淖円葡嘟侨菀自斐上到y(tǒng)的不穩(wěn)定。系統(tǒng)電壓平衡時,STATCOM有無功控制和電壓控制2種工作模式。當(dāng)系統(tǒng)電壓不平衡時,對于三相逆變橋式結(jié)構(gòu)的STATCOM,文獻(xiàn)[20-21]提出用STATCOM來補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的不平衡;文獻(xiàn)[22]提出了變壓器隔離型鏈?zhǔn)絊TATCOM不平衡電壓下的控制方法。對于傳統(tǒng)不帶變壓器的鏈?zhǔn)絊TATCOM,目前還鮮有文獻(xiàn)對其在不平衡系統(tǒng)電壓下的工作模式進(jìn)行研究。本文研究了系統(tǒng)電壓不平衡下鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器的控制策略和補(bǔ)償模式。首先提出鏈?zhǔn)絊TATCOM分相瞬時電流控制策略,然后在此基礎(chǔ)上針對系統(tǒng)電壓不平衡時鏈?zhǔn)絊TATCOM的工作模式進(jìn)行了研究,并提出了無功控制和電壓控制2種改進(jìn)型補(bǔ)償模式,此外還設(shè)計了分相瞬時電流控制中離散化電流環(huán)控制器,最后通過仿真和實驗,驗證了所提的控制策略和補(bǔ)償模式。1鏈?zhǔn)絊TATCOM分相瞬時電流控制三角形連接的鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電容相互獨(dú)立,其數(shù)學(xué)模型同3個單相鏈?zhǔn)絊TATCOM的數(shù)學(xué)模型完全相同[23];此外由于零序電流分量能在三角形環(huán)內(nèi)流通,其三相鏈接間電流完全解耦。綜合可知三角形連接的鏈?zhǔn)絊TATCOM可以等效為三單相鏈接來控制,如圖1所示。其中usab,usbc,usca(a鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b三單相電路i圖1三角形連接鏈?zhǔn)絊TATCOM等效電路圖Fig.1Equivalentcircuitofdelta-connectedcascademultilevelSTATCOM為三相系統(tǒng)電壓;urab,urbc,urca為三相鏈接輸出電壓;L為連接電感;R為系統(tǒng)損耗。當(dāng)三相系統(tǒng)電壓不平衡時,可以對三角形連接的鏈?zhǔn)絊TATCOM三相鏈接獨(dú)立控制,因此本文提出了鏈?zhǔn)絊TATCOM分相瞬時電流控制策略,控制框圖如圖2所示。圖2鏈?zhǔn)絊TATCOM分相瞬時電流控制框圖Fig.2ControldiagramofcascademultilevelSTATCOMbasedonindividualphaseinstantaneouscurrentcontrol圖2中控制框圖由鎖相環(huán)、有功電流給定、無功電流給定、瞬時電流跟蹤4部分組成。鎖相環(huán)用來跟蹤系統(tǒng)電壓的相位?ab、?bc和?ca,得到系統(tǒng)電壓相位的正弦值和余弦值;有功電流的相位和系統(tǒng)電壓相位相同,其幅值通過直流電壓閉環(huán)得到,用來補(bǔ)償各相鏈接的有功損耗;無功電流的相位超前系統(tǒng)電壓相位90°,幅值Ia*b,Ib*c,Ic*a由補(bǔ)償模式?jīng)Q定,當(dāng)無功電流幅值為正時,表示無功電流超前系統(tǒng)電壓,向系統(tǒng)補(bǔ)償無功,反之,當(dāng)無功電流幅值為負(fù)時,表示無功電流滯后系統(tǒng)電壓,從系統(tǒng)中吸收無功;有功電流給定和無功電流給定之和就組成了系統(tǒng)相電流的給定,通過瞬時電流反饋來跟蹤該給定電流,系統(tǒng)電壓前饋能增大控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。2鏈?zhǔn)絊TATCOM不平衡電壓下補(bǔ)償模式2.1無功控制模式無功控制模式就是讓鏈?zhǔn)絊TATCOM發(fā)出或吸收指令大小的無功,該無功指令可以是固定大小的無功,如由電網(wǎng)調(diào)度給出,也可以是動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)中負(fù)載側(cè)的瞬時無功。動態(tài)補(bǔ)償中無功指令獲取可以通過直接檢測負(fù)載側(cè)無功,也可以檢測系統(tǒng)側(cè)第9期劉釗等:系統(tǒng)電壓不平衡下鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器控制研究3無功,然后通過閉環(huán)的方法得到指令無功,如圖3所示,其中Q為通過瞬時無功理論檢測到系統(tǒng)中的無功大小,Qref為通過閉環(huán)控制得到的實際無功指令。圖3通過閉環(huán)方式獲取無功指令Fig.3Obtainofreactivepowercommandthroughclosed-loopmethod對于圖2所示的控制框圖,其無功電流指令為*abrefsab*bcrefsbc*carefsca2/(32/(32/(3IQuIQuIQu?=?=??=?(1系統(tǒng)電壓平衡時,三相指令無功電流大小相同:Ia*b=Ib*c=Ic*a(2因為系統(tǒng)電壓出現(xiàn)輕微的不平衡是很正常的,所以當(dāng)系統(tǒng)電壓不平衡較小時,仍然希望其能夠繼續(xù)補(bǔ)償無功,但一旦系統(tǒng)電壓不平衡度超過一定的范圍,鏈?zhǔn)絊TATCOM就只吸收少量的有功維持自身的損耗,不再補(bǔ)償無功,當(dāng)電壓恢復(fù)正常后,裝置也正常補(bǔ)償無功。其無功補(bǔ)償模式流程圖如圖4所示。圖4鏈?zhǔn)絊TATCOM不平衡電壓下無功補(bǔ)償流程圖Fig.4FlowchartofreactivepowercontrolmodeforcascademultilevelSTATCOMunderunbalancedvoltage三相三線制系統(tǒng)中電壓不平衡度通常由其負(fù)序不平衡度ε2表示:2100%ε=(3式中4442222sabsbcscasabsbcsca(/(LUUUUUU=++++。2.2電壓控制模式當(dāng)STATCOM應(yīng)用到風(fēng)電場等場合時,通常用來穩(wěn)定系統(tǒng)電壓,實際中當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不平衡時,希望STATCOM也能夠補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的不平衡。系統(tǒng)電壓的不平衡主要是由負(fù)載的不平衡引起的,文獻(xiàn)[24]指出對于任意不平衡負(fù)荷都可以用導(dǎo)納補(bǔ)償?shù)姆椒ㄑa(bǔ)償?shù)狡胶?其補(bǔ)償原理如圖5所示。(abbc(cbcB≡圖5不平衡負(fù)載導(dǎo)納補(bǔ)償原理Fig.5Admittancecompensationprincipleforunbalancedload圖5中,(caabB、(abbcB、(bccaB為各相補(bǔ)償?shù)母行宰杩?(bcabB、(cabcB、(abcaB為各相補(bǔ)償?shù)娜菪宰杩?其中上標(biāo)表示補(bǔ)償量的大小,與上標(biāo)所對應(yīng)的相阻抗相關(guān);Yab、Ybc、Yca分別為三相負(fù)載導(dǎo)納,有ababababbcbcbcbccacacaca1/j1/j1/jYZGBYZGBYZGB==+??==+??==+?(4式中:Zab、Zbc、Zca分別為三相負(fù)載阻抗;Gab、Gbc、Gca分別為三相負(fù)載電導(dǎo);Bab、Bbc、Bca分別為三相負(fù)載電納。如果三相補(bǔ)償導(dǎo)納為(ababcabc(bcbcabca(cacabcab(/(/(/cccBBGGBBGGBBGG?=?+??=?+???=?+??(5因此三相負(fù)載被補(bǔ)償?shù)饺嗉冏栊云胶庳?fù)載:G=Gab+Gbc+Gca(6三角形連接的鏈?zhǔn)絊TATCOM三相鏈接等效于三相可變的導(dǎo)納,只要能夠補(bǔ)償適當(dāng)?shù)膶?dǎo)納,就可以將負(fù)載補(bǔ)償?shù)狡胶?同時三相系統(tǒng)電壓也被補(bǔ)償?shù)狡胶?。結(jié)合圖2,負(fù)載的大小決定了節(jié)點電壓的大小,因此可以通過電壓閉環(huán)的方式得到期望補(bǔ)償導(dǎo)納的大小,進(jìn)而轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償電流指令的大小,如圖6所示,其中Uref為期望三相公共耦合點(pointof圖6不平衡電壓下電壓控制模式無功電流指令獲取Fig.6Gainingofreactivecurrentbasedonvoltagecontrolmodeunderunbalancedvoltage4中國電機(jī)工程學(xué)報第31卷commoncoupling,PCC電壓幅值,Uab,Ubc,Uca為各相PCC點電壓實際幅值。3分相瞬時電流控制電流環(huán)參數(shù)設(shè)計任取一相鏈接為例,其電流環(huán)控制框圖如圖7所示,ug是系統(tǒng)中的擾動量,包括鏈?zhǔn)絊TATCOM輸出諧波電壓等。大功率鏈?zhǔn)絊TATCOM中都是采用電流互感器來采樣輸出電流,由于直流偏置的影響,PI控制器會對直流誤差累積,從而控制器失穩(wěn),因此采用純比例控制器。圖7連續(xù)域電流環(huán)控制框圖Fig.7Controldiagramofcurrentloopbasedoncontinuousdomain實際控制中采用數(shù)字控制,所以對控制器的設(shè)計要轉(zhuǎn)化到離散域,數(shù)字控制中通常存在零階保持器和一拍滯后的影響,但由于鏈?zhǔn)絊TATCOM實驗裝置中采用FPGA實時比較發(fā)出PWM波,所以不存在滯后一拍。只考慮零階保持器的影響,對圖7作離散化,如圖8所示。圖8離散域電流環(huán)控制框圖Fig.8Controldiagramofcurrentloopbasedondiscretedomain其輸出電流的表達(dá)式為I(z=W1(zI*(z?W2(zUg(z(7式中:(/p1(/(/p(/2(/(/p(1e((e(1e1e((e(1eRLTRLTRLTRLTRLTRLTKWzzRKWzzRK????????=??+?????=??+??(8首先對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,其系統(tǒng)特征方程為F(z=(z?e?(R/LTR+Kp(1?e?(R/LT=0(9當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時,必須有|z|<1。由式(9可得(/p(/1e1eRLTRLTRKR??+?<<?(10其次由式(7分析可知,輸出電流有2部分組成,一部分為指令電流跟蹤項,另一部分為外部擾動項。指令參考電流為標(biāo)準(zhǔn)正弦波,由控制理論,期望W1(z在工頻50Hz處增益為1,同時W2(z在全頻范圍內(nèi)增益趨于零。取L=5mH,R=0.1Ω,T=1/6000,分別對W1(z、W2(z進(jìn)行波特圖分析,并設(shè)計電流環(huán)控制器參數(shù)。由式(10可得比例控制器的取值范圍為0<Kp<60,令Kp分別為10、20、30、40、50,W1(z的波特圖如圖9所示。F/(rad/sPhase/deg2?900Kp=40345?180Magnitude/dB?15515Kp=50?5Kp=30Kp=20Kp=10Kp=50Kp=40Kp=30Kp=20Kp=10圖9Kp變化時W1(z的波特圖Fig.9BodediagramofW1(zforvariousKp同樣,令Kp分別為10、20、30、40、50,W2(z的波特圖如圖10所示。F/(rad/sPhase/deg?900Kp=405?180Magnitude/dB?35?25?20Kp=50?30Kp=30Kp=10Kp=50Kp=40Kp=30Kp=20Kp=10Kp=20圖10Kp變化時W2(z的波特圖Fig.10BodediagramofW2(zforvariousKp綜合分析圖9、10可知:1因為W1(z表征系統(tǒng)跟蹤指令電流的性能,Kp越大,系統(tǒng)帶寬越大,動態(tài)性能越好。2W2(z可以表征為系統(tǒng)的擾動導(dǎo)納,所以期望W2(z的增益越小越好,即Kp越大越好,但由圖10可知,Kp過大時,對高頻段諧波會有放大作用,造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此Kp也不能過大。3綜合選取Kp為30比較合適。第9期劉釗等:系統(tǒng)電壓不平衡下鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器控制研究54仿真驗證4.1仿真系統(tǒng)參數(shù)對鏈?zhǔn)絊TATCOM不平衡電壓下的控制策略進(jìn)行仿真驗證,仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。表1系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1MainparametersofcascadeSTATCOMsystem參數(shù)三相系統(tǒng)線電壓Us/V電網(wǎng)頻率fs/Hz輸出電感Ls/mH直流側(cè)電容Cdc/μF數(shù)值60005028.61840參數(shù)直流側(cè)電容電壓Udc/V載波移相單極倍頻fc/Hz鏈節(jié)數(shù)N輸出額定無功電流Iref/A數(shù)值1000250121004.2無功控制模式基于無功控制模式下仿真波形如圖11、12所t/s(a系統(tǒng)線電壓Us/kV?80.9604usab1.001.041.121.08?48usbcuscat/s(b鏈?zhǔn)絊TATCOM補(bǔ)償電流Is/kA?0.10.960.01.001.041.121.080.1isabisbcisca圖11電壓不平衡度較小時鏈?zhǔn)絊TATCOM無功控制模式Fig.11ReactivepowercontrolmodeforcascademultilevelSTATCOMunderasmalldegreeofunbalancedvoltaget/s(a系統(tǒng)線電壓Us/kV?80.96041.001.041.121.08?48usabusbcuscat/s(b鏈?zhǔn)絊TATCOM補(bǔ)償電流Is/kA?0.10.960.01.001.041.121.080.1isabisbcisca圖12電壓不平衡度較大時無功補(bǔ)償模式Fig.12ReactivepowercontrolmodeforcascademultilevelSTATCOMunderalargedegreeofunbalancedvoltage示,仿真中通過改變?nèi)嘭?fù)載的不平衡從而造成三相PCC點電壓的不平衡,圖中在t=1s時發(fā)生不平衡故障,在t=1.1s時故障恢復(fù)。圖11中故障時電壓不平衡度較小,STATCOM繼續(xù)補(bǔ)償100A無功電流,圖12中電壓不平衡度超過了限定值,STATCOM只吸收少量有功電流維持自身的損耗,故障清除后STATCOM也恢復(fù)正常工作。圖11、12驗證了分相瞬時電流跟蹤控制以及不平衡電壓下無功控制模式的有效性。4.3電壓控制模式負(fù)載的不平衡引起三相PCC點電壓不平衡,期望通過鏈?zhǔn)絊TATCOM將三相電壓補(bǔ)償?shù)狡胶?。通常電力系統(tǒng)的短路容量很大,而STATCOM裝置的補(bǔ)償容量有限,為驗證所提補(bǔ)償模式的有效性,仿真中設(shè)置較大短路阻抗,并改變?nèi)嘭?fù)載到不平衡。圖13(a為不加鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置時三相PCC點電壓,其中三相電壓幅值為Usab-p=Usca-p=6.05kV,Usbc-p=5.66kV,負(fù)序不平衡度ε2=4.35%;圖13(b為補(bǔ)償后的三相PCC點電壓波形;圖13(c為鏈?zhǔn)絊TATCOM各相電流波形,由于系統(tǒng)短路阻抗大,造成PCC點電壓中諧波含量也較大。t/s(a無補(bǔ)償時系統(tǒng)線電壓Us/kV?81.900481.921.941.981.962.00?4usabusbcuscat/s(b補(bǔ)償后系統(tǒng)線電壓Us/kV?81.900481.921.941.981.962.00?4usabusbcuscat/s(c鏈?zhǔn)絊TATCOM補(bǔ)償電流Is/A?1001.900501001.921.941.981.962.00?50isabisbcisca圖13電壓不平衡時鏈?zhǔn)絊TATCOM電壓控制模式Fig.13VoltagecontrolmodeforcascademultilevelSTATCOMunderunbalancedvoltage圖13表明通過所提的電壓補(bǔ)償方法,可以將三相電壓補(bǔ)償?shù)狡胶?驗證控制方法的有效性。6中國電機(jī)工程學(xué)報第31卷5實驗驗證實驗系統(tǒng)參數(shù)為驗證所提控制策略及補(bǔ)償模式的有效性，在研制的鏈?zhǔn)絊TATCOM樣機(jī)上進(jìn)行了實驗，實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主電路采用三角形連接，每相12個鏈節(jié)。表2為實驗樣機(jī)的電路參數(shù)。5.1Tab.2參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值u(500V/格i(2.5A/格三相系統(tǒng)線電壓電網(wǎng)頻率輸出電感直流側(cè)電容usaburabiabt(1s/格(a不平衡度增大u(500V/格i(2.5A/格表2鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)參數(shù)MainparametersofcascadeSTATCOMsystemUs/V380Udc/V50fs/Hz50Iref/A3.5(幅值Ls/mH5倍頻fc/Hz2）不平衡度發(fā)生變化時實驗驗證。實驗中，AB相系統(tǒng)電壓為320V，CA相系統(tǒng)電壓為320V，BC相系統(tǒng)電壓慢慢變化，當(dāng)BC相電壓高于200V時，三相鏈接均發(fā)3.5A(幅值無功電流，反之發(fā)0A無功電流，實驗波形如圖15—17所示。實驗表明，根據(jù)所提控制方法，鏈?zhǔn)絊TATCOM具有很好的抵御系統(tǒng)電壓不平衡的能力。usaburabiabt(1s/格(b不平衡度減小Cdc/μF940鏈節(jié)數(shù)N直流側(cè)電容電壓給定無功電流載波移相單極25012u(500V/格i(2.5A/格u(500V/格i(2.5A/格不平衡控制下無功補(bǔ)償模式實驗驗證由于條件限制，僅對鏈?zhǔn)絊TATCOM的無功補(bǔ)償模式進(jìn)行實驗驗證。實驗包括2個方面的內(nèi)容，一個是當(dāng)三相系統(tǒng)電壓不平衡度較小時，三相鏈接仍然發(fā)固定大小無功電流；另一個是當(dāng)三相系統(tǒng)電壓不平衡度變化時，指令無功電流突變。1）不平衡度較小時實驗驗證。實驗中，三相系統(tǒng)電壓不平衡，其中AB相系統(tǒng)電壓320V，BC相250V，CA相320V，每相鏈接給定無功電流均為3.5A(幅值，實驗波形如圖14所示，其中usab、usbc、usca為三相系統(tǒng)電壓，urab、urbc、urca三相鏈接輸出電壓，iab、ibc、ica各相輸出電流。由圖14可知，在系統(tǒng)電壓不平衡時，鏈?zhǔn)絊TATCOM能正常工作。5.2usbcu(200V/格u(200V/格i(2.5A/格iab圖15不平衡度變化時AB相電壓電流波形Fig.15VoltageandcurrentwaveformoflinkABundervariedunbalanceddegreeu(500V/格i(2.5A/格u(500V/格i(2.5A/格usbcurbcibct(1s/格(a不平衡度增大usbcurbcibct(1s/格(b不平衡度減小圖16不平衡度變化時BC相電壓電流波形Fig.16VoltageandcurrentwaveformoflinkABundervariedunbalanceddegreeuscaurcaicat(1s/格(a不平衡度增大uscaurcaicat(1s/格(b不平衡度減小usabuscat(10ms/格(a三相系統(tǒng)電壓波形u(200V/格i(2.5A/格urabt(10ms/格(bAB相電壓電流波形ibcu(200V/格i(2.5A/格圖17不平衡度變化時CA相電壓電流波形Fig.17VoltageandcurrentwaveformoflinkCAundervariedunbalanceddegreeica6結(jié)論本文分析了鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器在系統(tǒng)電壓不平衡時的控制問題，提出了鏈?zhǔn)絊TATCOM分相瞬時電流控制策略以及無功控制模式和電壓控制模式2種改進(jìn)型補(bǔ)償模式。通過仿真對所提的控制策略和補(bǔ)償模式進(jìn)行驗證，并在一臺鏈?zhǔn)絊TATCOM物理樣機(jī)上進(jìn)行了實驗研究。仿真和實驗結(jié)果均表明：所提的控制策略和補(bǔ)償模式能有效urbct(10ms/格(cBC相電壓電流波形urcat(10ms/格(dCA相電壓電流波形Fig.14圖14電壓不平衡度較小時實驗驗證Experimentverificationunderasmalldegreeofunbalancedvoltage第9期劉釗等：系統(tǒng)電壓不平衡下鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器控制研究7的增強(qiáng)鏈?zhǔn)絊TATCOM的故障抵抗能力，提高裝置的可靠性和利用率，具有較高的實用價值。[15]BetzRE，SummersTJ．UsingacascadedH-bridgeSTATCOMforrebalancingunbalancedvoltages[C]//7thInternatonalConferenceonPowerElectronics．Daegu，Korea：IEEE，2007：1219-1224．[16]SongQ，LiuWH．ControlofacascadeSTATCOMwithstarconfigurationunderunbalancedconditions[J]．IEEETrans.onPowerElectronics，2021，24(1：45-58．[17]HorwillC，TotterdellAJ，HansonDJ，etal．Commissioningofa225MvarSVCincorporatinga±75MvarSTATCOMatNGC’s400kVeastclaydonsubstation[C]//SeventhInternationalConferenceonAC-DCPowerTransmission．London，UK：IEE，2001：232-237．[18]魏文輝，劉文華，騰樂天，等．基于反故障控制的鏈?zhǔn)絊TATCOM動態(tài)控制策略的研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25(4：19-24．參考文獻(xiàn)[1]LerchE，PovhD，XuL．AdvancedSVCcontrolfordampingpowersystemoscillations[J]．IEEETrans.onPowerSystems，1991，46(2：524-531．[2]ChengCH，HsuYY．Dampingofgeneratoroscillationsusinganadaptivestaticvarcompensator[J]．IEEETrans.onPowerSystems，1992，7(2：718-725．[3]GyugyiL，TaylorER．Characteristicsofstatic，thyristor-controlledshuntcompensatorsforpowertransmissionsystemapplications[J]．IEEETrans.onPowerApparatusandSystems，1980，PAS-99(5：1795-1804．[4]HarumotoY，HasegawaT，etal．NewstaticvarcontrolusingSumiY，force-commutatedinverters[J]．IEEETrans.onPowerApparatusandSystems，1981，PAS-100(9：4216-4224．[5]PengFZ，LaiJS．Amultilevelvoltage-sourceinverterwithseparateDCsourcesforstaticvargeneration[J]．IEEETrans.onIndustryApplications，1997，32(5：1130-