CN107800145A - 基于二自由度内模控制的statcom控制系统 - Google Patents

基于二自由度内模控制的statcom控制系统 Download PDF

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林瑞星
丁理杰
徐琳
常晓青
张华�
王迪
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Abstract

本发明公开了基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统，包括：设定值滤波型二自由度调节器C1和C2、第一电流控制器、第二电流控制器、脉冲调制器；C1用于整定二自由度内模控制器的跟踪性能；C2用于整定二自由度内模控制器的抗干扰性能；第一电流控制器用于通过直轴电流测量值与直轴电流参考值得到直轴电压调整值；第二电流控制器用于通过交轴电流测量值与交轴电流参考值得到交轴电压调整值；脉冲调制器用于将电压调整信号转换为控制晶闸管的脉冲信号；对现有的STATCOM控制系统进行改进，将内模控制应用于STATCOM控制系统，针对微电网中的STATCOM设计一种二自由度内模控制器，通过改变STATCOM的输出阻抗特性，提高含STATCOM微电网孤岛运行时的电压稳定性。

Description

基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统
技术领域
本发明涉及微电网孤岛运行领域，具体地，涉及一种基于二自由度内模控制的STATCOM 控制系统。
背景技术
微电网作为未来能源链的关键技术之一，是目前分布式电源和配电网之间最有效的纽 带。在中低压微电网中，由于多数工业、商业用户和城市居民负荷具有很大的随机波动性， 静止同步补偿器得到了广泛的应用。当含STATCOM的微电网在孤岛模式运行时，由于失去了 外部电网的支撑，系统中电压由分布式电源、储能装置的逆变器控制系统性能决定，又同时 受STATCOM无功功率输出的影响，而STATCOM本身具有负阻尼特性，因此STATCOM和逆 变器之间的耦合作用容易引起微电网中电压的稳定性问题。
目前，国内外对STATCOM和微电网的研究主要集中在：一、微电网建模，基于阻抗法的微电网稳定性分析；二、单机无穷大系统中通过改进STATCOM控制系统提高系统的跟踪性和鲁棒性。
在现有技术中，将神经元解耦控制、自抗扰控制、滑模控制等控制方法应用于STATCOM， 使其在输、配电网中具有良好的静态及暂态特性，但并未考虑其在微电网中与逆变器密集并 联时发生耦合的情况，且控制方法原理较复杂、控制参数较多，在工程中难以实际应用。
发明内容
本发明提供了一种基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统，解决了现有的不足，对 现有的STATCOM控制系统进行改进，将内模控制应用于STATCOM控制系统，针对微电网 中的STATCOM设计一种二自由度内模控制器，通过改变STATCOM的输出阻抗特性，提高含STATCOM微电网孤岛运行时的电压稳定性。
为实现上述发明目的，本申请提供了基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统，所述 系统包括：
设定值滤波型二自由度调节器C1和C2、第一电流控制器、第二电流控制器、脉冲调制 器；其中，C1与C2连接，C2与第一电流控制器连接，第一电流控制器和第二电流控制器均与脉冲调制器连接；C1用于整定二自由度内模控制器的跟踪性能；C2用于整定二自由度内模 控制器的抗干扰性能；第一电流控制器用于通过直轴电流测量值与直轴电流参考值得到直轴 电压调整值；第二电流控制器用于通过交轴电流测量值与交轴电流参考值得到交轴电压调整 值；电流控制器用于通过电流测量值与电流参考值得到电压调整值；脉冲调制器用于将电压 调整信号转换为控制晶闸管的脉冲信号。
本发明考虑了STATCOM与逆变器的交互影响，针对STATCOM设计一种基于二自由度内 模控制的控制系统改善含STATCOM微电网孤岛运行时的电压稳定性，该控制系统原理简单、 控制参数较少，具有较高的工程应用价值。
内模控制起源于20世纪50年代，由Smith预估控制器演变而来，经历了半个多世纪的发展， 有二自由度、单变量内模控制、多变量解耦内模控制等多种结构。内模控制在具有跟踪性能 好、鲁棒性强以及对系统模型精确性要求低等优点的同时，还具有原理简单、参数少且整定 过程物理意义明确等特点，因而具有较高的工程应用价值。
所述系统还包括采样环节和锁相环，采样环节用于采集电网电压、电流以及STATCOM直 流侧直流电压，锁相环用于实现数据采样时间的同步性以及数据相位的同步性；采样环节与 电网直接连接，得到的采样数据通过锁相环同步后，用于控制系统运算。
进一步的，直流电压参考值输入设定值滤波型二自由度调节器(设定值滤波器)C1，输 出与直流电压测量值相减，输入设定值滤波型二自由度调节器(调节器)C2，输出值作为直 轴电流参考值参与控制系统中运算。
进一步的，设定值滤波型二自由度调节器C1和C2均包括二自由度内模控制器F1和F2； 其中，二自由度内模控制器的传递函数为式(3-1)，P(s)为实际被控对象，M(s)为被控对象 模型，F1(s)控制系统的跟踪性能，F2(s)控制系统的鲁棒性能；
F1(s)＝M-1(s)L1(s) (3-2)
F2(s)＝M-1(s)L2(s) (3-3)
其中，L1(s)为第一低通滤波器，ε1为第一滤波器时间常数；L2(s)为第二低通滤波器， ε2为第二滤波器时间常数。
进一步的，内模控制器各环节的传递函数分别为：
其中，Cdc为STATCOM直流侧的电容，TM为STATCOM直流电压测量环节惯性时间常数。
本申请将STATCOM直流电压控制系统由传统的PI控制器改进为二自由度内模控制器。
传统PI控制的STATCOM控制框图如图1所示，其电压控制器为PI3控制器：将直流电压参考值与直流电压测量值相减，输入PI3控制器，输出值作为直轴电流参考值参与控制系统 中运算。
二自由度内模控制器控制结构图如图2(a)所示，F1、F2为二自由度内模控制器，P为 实际被控对象，M为被控对象模型。经过等效变换为图2(b)所示，C1、C2为设定值滤波 型二自由度调节器。
本发明基于二自由度内模控制的STATCOM控制框图如图3所示，其电压控制器为二自 由度内模控制器：直流电压参考值输入设定值滤波器C1，输出与直流电压测量值相减，输入 调节器C2，输出值作为直轴电流参考值参与控制系统中运算。
新的控制系统使STATCOM的阻抗特性发生变化，等效阻尼增大，抑制微电网孤岛系统 电压的次同步振荡，提高系统稳定性；同时，二自由度的内模控制器可以通过参数的整定， 同时改善系统的跟踪性能能和鲁棒性。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
(1)本发明以微电网孤岛运行为研究背景，针对微电网中STATCOM设计二自由度内模 控制器，基于改进控制系统的STATCOM，抑制系统中的次同步振荡现象，提高系统电压稳定性。
(2)实际工程应用中，很多先进的控制系统因原理复杂，参数过多、物理意义不明确以 及整定过程繁杂等而难以工程实现；二自由度内模控制只有两个参数：一个参数控制跟踪性 能、另一个参数控制鲁棒性能，参数物理意义明确且整定简单便捷。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明实施例的限定；
图1是PI控制的STATCOM控制框图；
图2(a)、图2(b)是二自由度内模控制结构图及等效变换结构图；
图3是二自由度内模控制的STATCOM控制框图；
图4(a)、图4(b)是PCS与STATCOM串联运行等效电路图及等效简化电路图；
图5是PCS控制框图；
图6是不同控制系统的YSddZPdd奈奎斯特曲线；
图7是不同控制系统的仿真波形。
具体实施方式
本发明提供了一种基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统，解决了现有的不足，对 现有的STATCOM控制系统进行改进，将内模控制应用于STATCOM控制系统，针对微电网 中的STATCOM设计一种二自由度内模控制器，通过改变STATCOM的输出阻抗特性，提高含STATCOM微电网孤岛运行时的电压稳定性。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式 对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例 及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用 其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的 具体实施例的限制。
建立传统PI控制的STATCOM模型。传统PI控制的STATCOM的控制框图如图1所示。其中，Is*和Udc*表示电流参考值和直流电压参考值，Uinv表示控制系统输出的电压信号，Us为STATCOM交流侧电压，R、L为STATCOM滤波器等效电阻和电感，u5为PCC电压。交流电流控 制器和直流电压控制器均为简单PI控制。
建立二自由度内模控制器模型。二自由度内模控制结构如图2(a)所示，传递函数如式 (3-1)，P(s)为实际被控对象，M(s)为被控对象模型，F1(s)、F2(s)为二自由度内模控制器。 其中，F1(s)控制系统的跟踪性能，F2(s)控制系统的鲁棒性能。
F1(s)＝M-1(s)L1(s) (3-2)
F2(s)＝M-1(s)L2(s) (3-3)
图2(a)经等效变换为图2(b)，传递函数变化为式(3-6)。
其中，L1(s)为第一低通滤波器，ε1为第一滤波器时间常数；L2(s)为第二低通滤波器， ε2为第二滤波器时间常数。
建立基于二自由度内模控制的STATCOM模型。将STATCOM直流电压控制中的PI控制器用 二自由度内模控制代替，得到基于二自由度内模控制的STATCOM控制框图，如图3所示。
考虑STATCOM直流侧的电容Cdc和电阻Rdc，则直流部分的充放电行为可描述为
实际系统中通常CdcRdc远大于1，因此可以将充放电环节简化为一个理想积分环节，积分 系数为1/Cdc。考虑直流电压的测量环节，用惯性环节表示，惯性时间常数为TM。综上，可以 得到STATCOM直流侧内部模型简化表达式：
根据控制框图的等效变换，图3中内模控制器各环节的传递函数分别为
为了验证本发明对微电网系统稳定性的改善作用，根据阻抗法对微电网的稳定性进行分 析。
首先，忽略负载，建立含储能系统和STATCOM的孤岛微电网等效电路如图4(a)所示。 根据储能系统逆变装置(PCS)和STATCOM的控制系统以及电路关系，得到其等效输出阻抗和 导纳，将PCS等效为电压源(ΔUP)串联等效输出阻抗(ZP)，STATCOM等效为电流源(ΔIS) 并联等效输出导纳(YS)，得到PCS与STATCOM串联运行时的等效电路如图4(b)，微电网系统的交互影响可由式(3-13)表示。
假设PCS、STATCOM均能够单独稳定运行，则ΔUP、ΔIS为有限值，等效输出阻抗ZP、等 效输出导纳YS没有右半平面的极点。根据假设，则(ΔUP-ZPΔIS)为稳定有限值。因此，孤岛微电网PCC的稳定性由式[1/(E+YSZP)]决定。观察可知：[1/(E+YSZP)]可以看作前馈传 递函数为1，反馈传递函数为YSZP的闭环系统，基于阻抗法：根据YSZP是否满足奈奎斯特稳定判据来判断闭环系统的稳定性，从而确定孤岛微电网的稳定性。
其次，得到PCS等效输出阻抗。PCS的控制框图如图5所示，PI1为电压环控制器，其传 函数为Gv1，PI2为电流环控制器，其传递函数为Gi1。
根据图4，可以得到电路关系
其中，If*和U3*表示电流内环电流参考值和电压外环电压参考值，Uinv表示控制系统输出的电压信号。
联立式(3-14)-(3-15)后线性化得到PCS输出电压电流的关系，如式(3-16)-(3-17)。
其中，
P1＝(Gi1+Zf-Hf)(ZcZ2+E)+Z2 (3-18)
P2＝[K1Gi1Gv1+(Gi1+Zf-Hf)Zc+E]-1 (3-19)
以PCC10kV母线处为端口，得到PCS等效输出阻抗为
再次，得到STATCOM等效输出阻抗。根据图4的电路关系和图3中的控制框图，可以得 到以下关系：
其中，Is*和Udc*表示电流内环电流参考值和电压外环电压参考值，Uinv表示控制系统输出 的电压信号。Gv为电压外环PI控制器，Gi为电流内环PI控制器。H为交直流电压采样等效滤 波器的传递函数，P1、P2为交流侧三相有功功率和STATCOM等效损耗。联立式(3-21)-(3-26) 整理后线性化，得到STATCOM等效输出导纳，如式(3-27)。
其中，
基于二自由度内模控制的STATCOM等效输出导纳，可由PI控制的STATCOM等效输出导纳 变换得到。直流电压控制方程由式(3-23)变换为式(3-35)
因此，在输出导纳表达式结构不变的情况下，
其中中间环节矩阵I2和参数m有所变化，如(3-37)、(3-38)所示，其余保持不变。
最后，根据本发明的系统和已建立的PCS阻抗模型以及不同控制方式下的STATCOM阻抗 模型，根据表1、表2的参数，对微电网的稳定条件进行分析。根据STATCOM直流电压控制 方式和参数的不同，将微电网分为模式1、和模式2两种运行情况。模式1为PI控制，电压PI控制器：Kp＝10、Ki＝0.2；模式2为二自由度内模控制。
表1.PCS参数
孤岛微电网电压的稳定性主要由YSZP决定，由于YSdq为零，YSqd非常小，因此只需要分析 YSZP阻抗矩阵中YSddZPdd与YSqqZPqq的阻抗特性。又因为YSddZPdd与YSqqZPqq相比，更容易进入不稳定 状态。因此，两种模式下YSddZPdd的奈奎斯特曲线如图6所示。
比较图6可以看出：相比传统的PI控制，二自由度内模控制系统可以使YSddZPdd阻抗曲线 远离(-1,0)点，有效的提高系统电压的稳定性。
仿真验证本发明系统的可行性。在MATLAB/Simulink中搭建含PCS和STACOM的微电网孤 岛运行模型，对微电网模式1、模式2进行仿真，得到10kV母线电压波形如图7所示。
比较图7的仿真结果，模式1的系统母线电压出现12Hz的低频振荡，模式3的系统母线 电压稳定。
综上，根据图6阻抗法的仿真分析以及图7的仿真验证，可以看出二自由度内模控制的 STATCOM可以很好的抑制孤岛微电网中电压的次同步振荡，提高系统的稳定性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念， 则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例 以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范 围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则 本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统，其特征在于，所述系统包括：
设定值滤波型二自由度调节器C1和C2、第一电流控制器、第二电流控制器、脉冲调制器；其中，C1与C2连接，C2与第一电流控制器连接，第一电流控制器和第二电流控制器均与脉冲调制器连接；C1用于整定二自由度内模控制器的跟踪性能；C2用于整定二自由度内模控制器的抗干扰性能；第一电流控制器用于通过直轴电流测量值与直轴电流参考值得到直轴电压调整值；第二电流控制器用于通过交轴电流测量值与交轴电流参考值得到交轴电压调整值；脉冲调制器用于将电压调整信号转换为控制晶闸管的脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统，其特征在于，所述系统还包括采样环节和锁相环，采样环节用于采集电网电压、电流以及STATCOM直流侧直流电压，锁相环用于实现数据采样时间的同步性以及数据相位的同步性；采样环节与电网直接连接，得到的采样数据通过锁相环同步后，用于控制系统运算。
3.根据权利要求1所述的基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统，其特征在于，直流电压参考值输入设定值滤波型二自由度调节器C1，输出与直流电压测量值相减，输入设定值滤波型二自由度调节器C2，输出值作为直轴电流参考值参与控制系统中运算。
4.根据权利要求1所述的基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统，其特征在于，设定值滤波型二自由度调节器C1和C2均包括二自由度内模控制器F1和F2；其中，二自由度内模控制器的传递函数为式(3-1)，P(s)为实际被控对象，M(s)为被控对象模型，F1(s)控制系统的跟踪性能，F2(s)控制系统的鲁棒性能；
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F1(s)＝M-1(s)L1(s) (3-2)
F2(s)＝M-1(s)L2(s) (3-3)
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其中，L1(s)为第一低通滤波器，ε1为第一滤波器时间常数；L2(s)为第二低通滤波器，ε2为第二滤波器时间常数。
5.根据权利要求1所述的基于二自由度内模控制的STATCOM控制系统，其特征在于，内模控制器各环节的传递函数分别为：
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其中，Cdc为STATCOM直流侧的电容，TM为STATCOM直流电压测量环节惯性时间常数。
CN201711148475.5A 2017-11-17 2017-11-17 基于二自由度内模控制的statcom控制系统 Pending CN107800145A (zh)

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