一种新型基于双闭环PID控制的SVC控制系统研究

1、第19卷第8期 系统 仿 真 学 报© V ol. 19 No. 82007年4月 Journal of System Simulation Apr., 2007一种新型基于双闭环PID 控制的SVC 控制系统研究黄黎芬,姜建国(上海交通大学电气工程系, 上海 200030摘 要:基于瞬时无功功率理论和双闭环PID 控制构架,设计了一种新型的FC-TCR 型SVC 控制系 统。为实时补偿电网中瞬时无功功率的变化,采用dq 同步旋转坐标变换方法,精确检测系统功率,有效克服电网电压波形畸变给p 、q 运算方法带来的误差;采用双闭环PID 控制结构,内环为电压调节,外环为功率因数校正,使S

2、VC 装置能同时达到功率因数校正和改善电压的目的。仿真研究结果表明,此新型SVC 控制系统对稳定和抑制电压波动,提高功率因数,具有响应快、精度高的特点。 关键词:SVC ;瞬时无功功率;dq 转换法;双闭环PID 控制中图分类号:TM761.1 文献标识码:A 文章编号:1004-731X (2007 08-1803-04Study of Novel SVC Control System Based on Double Closed-Loop PID ControllorHUANG Li-fen , JIANG Jian-guo(Department of Electrical Enginee

3、ring, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, ChinaAbstract: Based on instantaneous reactive power theory and double closed-loop PID control strategy, a novel FC-TCR static var compensator (SVC control system was designed. In order to real-time compensate reactive power change of system, a dq

4、 synchronized rotating coordinate transform method was proposed to make the measurement of power more accurate, which can effectively decrease the effect of voltage distortion with the p 、q method. A double closed-loop PID controller, consisting of voltage regulating loop (internal loop and power fa

5、ctor correction loop (external loop, was used to both correct the power factor and regulate the voltage fluctuation. The simulation research results show that the novel SVC control system can damp the voltage harmonic distortion and improve the power factor and it has the advantage of quick response

6、 and high precision. Key words: SVC; instantaneous reactive power; dq transform method; double closed-loop PID control引 言随着现代工业的发展,变流装置的应用越来越普遍,特别是大功率变流装置,已广泛用于提升机、轧机等直流电力拖动,成为电力传动系统中的主要供电设备。然而,这些装置的运行,会造成系统功率因数低、电压波形严重畸变等问题,直接影响电网供电质量和其它用电设备的安全运行。静止无功补偿器(Static V ar Compensator, SVC 可以就地提供动态无功补偿,是解

7、决这些问题的经济有效办法1。其中,晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR 是目前应用比较广泛的SVC 装置,在抑制电压波动及改善功率因数、提高系统稳定性方面具有可靠性好、性价比高的优良性能2。对TCR 的控制策略方面还有待于进一步研究3。目前提出的模糊-PID 控制方法4,状态反馈非线性控制方法5文6提出了基于西门子公司Simadyn-D 7全数字控制TCR 装置的新思路。Simadyn-D 全数字控制系统是西门子公司在九十年代初推出的高性能全数字控制系统,具有多个CPU 实时、多任务并行处理,强大的算术运算功能等特点。特别适收稿日期:2006-0

8、3-20 修回日期:2006-07-26基金项目:973计划(2005CB221505; 高等学校博士学科点专项科研基金(20050248058。 作者简介:黄黎芬(1981-, 女, 江苏常州人, 硕士生, 研究方向为电力电子与电力传动; 姜建国(1956-, 男, 江苏盐城人, 博士, 教授, 博导, 研究方向为大功率电力电子技术及其应用。用于实现快速开闭环控制、逻辑控制、变流器控制等任务。本文在深入分析TCR 控制系统的工作原理的基础上,以晶闸管变流装置用于矿井绞车拖动为负载,设计了一种基于双闭环PID 控制的固定电容器+晶闸管控制电抗器(Fixed Capacitor+Thyristo

9、r Controlled Reactor FC+TCR 型SVC 装置。基于Matlab 对控制系统进行设计与仿真,为下一步开发基于西门子公司的Simadyn-D 全数字控制器的FC+TCR 型SVC 装置作理论准备。1 SVC 控制系统工作原理图1(a 为FC+TCR 型SVC 主电路图。FC 对于基波是容性无功补偿装置,向系统提供恒定的超前基波无功。以A 、B 相间的TCR 为例,双向晶闸管T 1、T 2按相控方式工作。令T 1、T 2的触发控制角为,由TCR 的工作原理,当在90°-180°之间变化时,电抗器L 中的电流的基波分量I 1与之间的关系为:112(1sin

10、 2ab L U I X =+ (1式中U ab A 、B 相电压有效值;X L 与晶闸管串联电抗的感抗值。=90°时,晶闸管完全导通,I 1最大;=180°时,晶闸管全关断,I 1为零。因此,电抗器L 中的电流是动态可调的。即在90°-180°之间变化时,TCR 向系统提供的滞后2007年4月 系统 仿 真 学 报 Apr., 2007基波无功是动态可调的。由于负荷一般是感性的,设负荷的无功功率变化量为L Q 。为使系统的无功功率保持恒定,只要调节晶闸管触发控制角,使TCR 无功功率的变化量TCR Q 与L Q 数值相等,变化方向相反,以此抵消负载无功

11、功率冲击的影响。FC 产生的容性无功功率Q C 与感性无功功率TCR Q +Q L 相互补偿,即TCR Q +Q L Q C =Q 。可见,控制TCR Q 可改变系统的总无功功率Q ,从而调节系统的功率因数。 图1(b所示是FC+TCR 型SVC 的U-I 特性。晶闸管不导通时,SVC 只有电容器组工作,特性如OA ;当晶闸管全导通且只有TCR 工作时,特性如OD ;合成特性如OC 。TCR 的额定容量大于固定电容器组的额定容量,以抵消容性无功功率,并在需要按滞后功率因数运行时提供净感性无功功率。设电压在U ref 给定值上下波动,可通过晶闸管的相位控制以改变电抗器L 的等效电抗值,使特性工作

12、在AB 段。当电压大于U ref ,SVC 呈感性,消耗无功,使系统电压下降。反之,则提供无功,使系统电压上升。可见,控制TCR Q 可以(a FC+TCR 型SVC 主电路 CBD UU BU ref U dU A O-I m I nI SVC容性感性 (b FC+TCR 型SVC 的U-I 特性图1 SVC 控制系统工作原理2 SVC 控制系统设计2.1 基于瞬时无功功率理论的dq 同步旋转坐标变换法准确、实时地检测出电网中瞬时无功功率的变化,以确定SVC 的无功功率补偿量TCR Q ,是决定SVC 动态补偿性能的前提。目前的SVC 装置比较多地运用基于瞬时无功功率理论3的p 、q 算法检

13、测无功功率。p 、q 算法实现如下:将三相电路各相电压瞬时值(e a 、e b 、e c 和电流瞬时值(i a 、i b 、i c 变换到两相正交的坐标系上,分别为e 、e 及i 、i ;在平面上,e 、e 和i 、i 分别可以合成为电压矢量e 和电流矢量i ,即e e e e e =+= (2i i i i i =+= (3 (2、(3式中,e 、i 分别为矢量e 、i 的模;e 、i 分别为矢量e 、i 的幅角。三相电路瞬时有功电流i p 和瞬时无功电流i q 分别为矢量i 在矢量e 及其法线上的投影,即cos p i i =,sin q i i =。因而三相电路瞬时有功功率p 和瞬时无功

14、功率q 为:p p ei = (4 q q ei = (5然而,对于三相三线制电路,只要电网电压波形畸变,不论三相电压、电流是否对称,p 、q 算法的检测结果都有误差3。为了减少电压波形畸变带来的影响,本文采用一种新的dq 同步旋转坐标变换法来检测系统有功及无功功率。从电机工程的观点来看,d 、q 矢量属于同步转子坐标系。假定同步电机定子a 、b 、c 三相绕组由平衡的三相正弦交流电压供电,则变换至同步转子坐标系后,a 、b 、c 三相有功电流相当于d 轴绕组的直流分量,a 、b 、c 三相无功电流相当于q 轴绕组的直流分量。设三相不平衡波动性负荷的三相电流为i La ,i Lb 和i Lc

15、,在无中线时有式(60cos cos(120cos(240sin sin(120sin(240d a b c q a b c a b c i i i i i i i i i i i i +D D D D (6 可得出变换至d 和q 分量的变换式如下,即cos cos(-120cos(-240sin sin(-120sin(-240La d Lb q Lc i i t t t i i t t t i D D D D (7 (7式的变换为Park 变换,其逆变换为cos sin cos(120sin(120cos(240sin(240La d Lb q Lc i i i i i =D DD D (

16、8将(8式中i d 和i q 分解为dddi I i =+ (9q q q i I i =+ (10 式中,I d 和I q 分别为i d 和i q 的直流分量,分别对应于三相交流电流的基波有功和基波无功分量。d i和q i 分别为i d 和i q 的交流分量,对应于谐波分量。基波无功分量I q 经过Park 逆变换和相关线性计算可得无功功率Q 。无功功率Q 检测在Matlab 中实现如图2所示。采样三相电压瞬时值,通过PLL 锁相电路得到与系统电压同步的sin t ,cos t ,作为Park 变换模块的输入值;三相电流瞬时值通过Park 变换,得到电流的有功和无功分量i d 和i q 。2

17、007年4月黄黎芬, 等:一种新型基于双闭环PID控制的SVC控制系统研究Apr., 2007其中无功分量i q经过低通滤波器LPF滤除负序及各次谐波分量得到直流分量I q;I q再经过Park逆变换可得a、b、c坐标下的基波无功分量I aq、I bq、I cq,其与三相电网电压有效 值的乘积即为无功功率Q。图2 无功功率Q检测单元2.2 双闭环PID调节单元控制系统的目标有:(1当绞车启动时,引起电网电压降在3%以下;(2系统平均功率因数为tanset。调节单元框图如图3所示。外环为一个响应速度较慢的功率因数闭环控制。其中系统无功功率基准值×tanref L setQ P=,PL为

18、负载有功功率。实际系统中的无功功率总量L TCR CQ Q Q Q=+,则refQ Q Q=,经过PID调节,系统动态调节TCRQ,直到refQ Q=,使系统平均功率因数为tanset。图3 双闭环PID调节单元框图内环为电压闭环控制,为了提高控制精度,在电压反馈形成的闭环内还引入了补偿电流I SVC的反馈。电流调节采用PI调节,因此电流偏差可以忽略,补偿电流将完全由电压调节器的输出信号决定。调节单元还包括线性化函数、触发角计算环节及同步六脉波发生器。由式(1知,TCR电抗器电流的基波分量I1与晶闸管触发控制角之间呈非线性关系。为使双闭环PID调节单元的输出,即控制电压V T与电抗器基波电流I

19、1成线性关系,从而实现线性控制,引入一个非线性校正函数,其表达式为:TV=(11u为经电压调节器出来的控制信号。其校正效果如图4所示。本文采用线性插值法计算触发角。在Matlab中利用Matlab/Simulink中的Look-up Table查表模块实现。3 SVC控制系统动态补偿特性仿真系统中绞车负载模型如图5所示,采用电流反馈闭环控制。SVC主电路如图1所示。三相TCR由3个单相TCR按三角形联结连接而成,以防止3倍数次谐波渗透入输电线路;每一相的电抗器被拆分成两半,各为13.6mH,放置在反并联晶闸管对的两侧,以防止当电抗器的两端发生短路时,整个交流电压加到晶闸管阀上而导致其损坏。图4

20、 非线性函数校正特性+-bcBCabc+-图5 绞车负载模型FC中,每个电容串联一个小电抗器,将电容器组调谐成针对某次谐波以及高次谐波的无源滤波器,以吸收负载和SVC装置本身所产生的谐波。在基波频率下,调谐电抗器只是略微减小固定电容器组的净容量。由于负载为晶闸管变流装置用于矿井绞车拖动,其交流电流中主要含3次、5次、7次谐波和11次、13次等高次谐波2。所以,FC包括3次、5次、7次及高通无源滤波器HPF。图中各电感电容参数依次分别为:172C uF=,115.6L mH=;226.4C uF=,215.4L mH=;364.5C uF=,33.21L mH=;4420C uF=,416L m

21、H=,410R=。系统采用ode23tb仿真算法,最大步长为1e-3,相对误差为1e-3。3.1 对比不同算法检测功率的仿真图6给出了电网电压波形畸变时,用p、q算法和dq同步旋转坐标变换法得到的基波正序无功分量不同的检测结果。畸变的电网电压中分别含有5次和7次谐波,两者的有效值分别为基本有效值的8%和5%。由图6可知,用p、q算法检测出的基波正序无功分量也含有谐波成分,检测不准确。而用dq同步旋转坐标变换法得到的基波正序无功分量不含谐波成分。可见,dq 同步旋转坐标变换法在电网电压畸变时,也能准确实时地检测出系统无功功率,比p 、q 算法精确可靠。50 -500.04 0.05 0.06 0

22、.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.130.14t / s I q a /A 5 4 3 21 00 5 10 15 20Harmonic order Fundamental (50Hz=43.8 THD=5.12% M a g / % o f F u n d a m e n t a l(a p 、q 算法得到的基波无功分量50 -500.040.06 0.080.1 0.12 0.14t / sI q a /A0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 00 5 10 15 20Harmonic orderFundamental (50Hz=49.53 THD=0.

23、29%M a g / % o f F u n d a m e n t a l (b dq 同步旋转坐标变换法得到的基波无功分量 图6 电网电压波形畸变时不同检测方法的仿真3.2 SVC 动态无功补偿过程仿真在1.5s 时,绞车投入系统,母线电压波形如图7所示。由图7看出,绞车启动过程的瞬间,母线电压仅有较小的压降,经过约4-5个周期后电压恢复为正常值。可见,控制系统响应迅速,能够在绞车启动时平稳电压。u / p u2 0 -2 -41.48 1.521.56 t / s图7 绞车启动时母线电压波形在0.5s 时,绞车给定电流突然增大,相当于绞车加速的过程。绞车给定电流、实际检测电流,及负载输入

24、端a 、b 两相交流电流变化如图8(a 所示。从图中可以看出,给定电流增加使整个负载电流I La 、I Lb 、I Lc 增大,使得负载的瞬时无功功率Q L 增大。图8(b 所示是控制环节最终输出量,即TCR 晶闸管控制触发角的变化。图8(c 所示是TCR 晶闸管中相电流变化。从图中可以看出,控制环节使TCR 晶闸管控制触发角增大,晶闸管中相电流减小,因此使Q TCR 减小。图8(d 所示是电压检测电路的输出量。从图中可以看出,在0.5秒时,电压有微小的波动,但很快恢复原值。可见,控制系统能够及时调节负载无功功率冲击引起的电压波动,响应时间约5ms ,调节时间约20-30ms 。4030201

25、00403020100I / AI / A 0.440.460.480.5 0.52 0.54 0.560.58t / s(a 绞车给定电流及实际检测电流,负载A 、B 相电流180160140120100a / d e g0.20.4 0.6 0.8 1t / s(b TCR 导通角变化0.350.40.450.5 0.55 0.6 t / s0.6550403020100-10-20-30-40-50I / A(c TCR 相电流00.10.20.30.4 0.5 t / s0.6 250200150100500-50U / V0.7 0.8 0.91(d 系统相电压及其检测输出图8 绞车

26、加速过程仿真图3.3 SVC 滤波效果仿真图9(a 所示是补偿前系统相电流及FFT 频谱分析结果,在没有投入补偿装置前,系统相电流中谐波污染较为严重;图9(b 所示是经过SVC 补偿器后,系统相电流及其improvement of HS-Sift over QS-Sift in medium accessdelay shall thanks to the shorter backoff time and the scheduling mechanism in the inner area which is obtained through the partition of sensing re

27、gion. At the same time, we get to know that all three spatial correlation-based schemes have increased medium access delay compared to S-MAC and IEEE 802.11, which is consumed by the representative nodes filtering process. We also note that, the delay performance of all five protocols is relatively

28、constant for variable traffic load.4 ConclusionsIn this paper, we investigate the effect of medium access scheme on the performance of energy radiating point source reconstruction. Numerical simulations obtain similar result with Min Dong, i.e., random access results in little performance loss at lo

29、w SNR area, while carefully designed deterministic scheme can lead to meaningful performance gain. Based onthese arguments, a hybrid MAC protocol is proposed. Simulation results show that the proposed method can achieve satisfying performance improvement with modest costs.References1Dong M, Tong L,

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34、ed signal0.18 40 20 0 -20-4030 25 20 15 10 5 00 500 10001500 2000 2500F requency /Hz F undamental (50Hz=22.13 T HD=35.78%0.1 0.12 0.14 0.16 Time / sM a g / % o f F u n d a m e n t a l(a 补偿前系统相电流及FFT 频谱图F FT windo w: 5of 50 cycles of selected signal0.18 40 20 0 -20-400.6 0.4 0.2 00 500 10001500 2000 2500F requency /HzF undamental (50Hz=384.6 THD=1.14% 0.1 0.12 0.14 0.16 Time / sM a g / % o f F u n d a m e n t a l(b 补偿后系统相电流及FFT 频谱图 图9