静止同步补偿器的双环控制系统设计(完整版)实用资料

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静止同步补偿器的双环控制系统设计（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）第２６卷第１０期２００６年１０月电力自动化设备ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏｌ．２６Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２００６静止同步补偿器的双环控制系统设计章勇高１，２，康勇１，刘黎明１，朱鹏程１，刘小圆１（１．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉４３００７４；２．华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌３３００１３）摘要：静止同步补偿器（ＳＴＡＴＣＯＭ）的主要功能是支撑节点电压，同时直流侧电容电压稳定也是ＳＴＡＴＣＯＭ装置安全运行的保证。介绍了ＳＴＡＴＣＯＭ装置的数学模型和运行原理，提出了一种新的控制策略。采用电流前馈环节加比例积分（ＰＩ）调节系统控制直流电容电压，节点电压控制采用ＰＩ调节和一定的下垂比例因子组成的自动电压调整控制策略。详细探讨了控制系统的设计方法和过程。仿真以及７．５ｋＶ・Ａ物理模型的实验结果表明，能够快速有效地将节点电压控制在允许的范围内波动，直流电容电压得到有效控制，证明了控制系统的正确性和控制器设计的有效性。关键词：静止同步补偿器；双环控制；电流前馈控制；下垂特性中图分类号：ＴＭ７６１文献标识码：Ａ文章编号：１００６－６０４７（２００６）１０－００６２－０５验装置和仿真模型中得以验证。实验和仿真结果表明：ＳＴＡＴＣＯＭ能够快速有效地将节点电压控制在允许的范围内，直流电容电压得到有效的控制，电力系统具有良好的动态和稳态性能，说明ＳＴＡＴＣＯＭ控制系统的设计是正确而有效的。０引言电压源变换器相对晶闸管变换器具有更加优越的性能，使得基于电压源变换器的灵活交流传输系统在电力系统中的应用更加广泛，静止同步补偿器（ＳＴＡＴＣＯＭ）就是其中的一种［１－４］。ＳＴＡＴＣＯＭ的主要功能是通过向电力系统注入适当的感性和容性无功功率支撑接入点的节点电压，提高电力系统的灵活性、可靠性以及暂态和静态稳定性。另外，为保证ＳＴＡＴＣＯＭ安全运行，控制直流电容电压的稳定也是非常必要的。节点电压和直流电容电压的稳定是ＳＴＡＴＣＯＭ控制系统的２大功能，实现这些功能的控制策略很多，总体而言有２大类：一类是智能控制，如鲁棒自适应控制、体液免疫学习控制等；另一类是ＰＩ解耦控制［５－１０］。智能控制能够解决模型参数未知情况下的控制问题，充分考虑了装置的非线性特性，但对装置研制而言控制系统实现较为困难。ＳＴＡＴＣＯＭ装置中常采用ＰＩ解耦控制，传统的ＰＩ解耦控制将节点电压维持在指定参考值，这样必然以降低调节速度为代价，然而在系统的正常运行情况下，允许节点电压存在一定波动（通常为５％）。为加快系统响应速度，提高系统动态性能和稳定性，本文提出一种新型ＳＴＡＴＣＯＭ双环ＰＩ解耦控制系统。在传统ＰＩ控制基础上，直流电容电压／有功调节控制外环中加入电流前馈，节点电压／无功调节控制外环中采用自动电压下垂控制。文中介绍了基于三相ＰＷＭ逆变器的ＳＴＡＴＣＯＭ数学模型并提出新型双环ＰＩ解耦控制系统，详细探讨了控制系统的参数设计过程和设计方法，所有的设计参数在实收稿日期：２００６－０１－１０；修回日期：２００６－０４－０８１ＳＴＡＴＣＯＭ的数学模型图１所示为ＳＴＡＴＣＯＭ接入电力系统的基本结构图，它的核心结构是一个三相ＰＷＭ逆变器，逆变器通过并联变压器接入电网。三相ＰＷＭ逆变器主电路开关器件采用ＩＧＢＴ和二极管反并联，且视为理想开关，由开关函数Ｓｎ（ｎ＝ａ、ｂ、ｃ，分别表示三相）反映。ｕｉａ、ｕｉｂ和ｕｉｃ代表着ＰＷＭ逆变器的三相输出电压，Ｌ１和Ｒ１分别代表滤波电感器和并联变压器的等效电感值和电阻值，Ｃ表示逆变器直流侧电容值，ＲＬ是ＳＴＡＴＣＯＭ装置直流侧的等效负载，表示有功损耗。根据基尔霍夫定律，逆变器的状态方程式为ｉ１ａｕｉａ－ｕ１ａＲ１＋Ｌ１ｄｉ１ｂ＝ｕｉｂ－ｕ１ｂｉ１ｃｕｉｃ－ｕ１ｃｉｄｃ＝ｓａｉ１ａ＋ｓｂｉ１ｂ＋ｓｃｉ１ｃ!"""""""#$%%%%%%%&!"""""""#$%%%%%%%&（１）（２）第１０期章勇高，等：静止同步补偿器的双环控制系统设计ＣｄＵ＝ｉｄｃ－ｉＬ（３）其中Ｓｎ＝１（上桥臂导通）或Ｓｎ＝－１（下桥臂导通）；式（１）（２）（３）分别为电压状态方程、直流侧电流方程和直流电压方程。考虑三相平衡，根据变换前后电压不变的原则，由三相静止到两相同步旋转坐标变换关系式如下［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）定义电网三相电压ｕｉａ、ｕｉｂ、ｕｉｃ合成矢量为ｄ轴，利用式（４）变换式（１）（２）得到：Ｌ１ｄｉ１ｄ＝－Ｒ１ｉ１ｄ＋ωＬ１ｉ１ｑ＋ｕｉｄ－ｕ１ｄ（５）Ｌ１ｄｉ１ｑ＝－ωＬ１ｉ１ｄ－Ｒ１ｉ１ｑ＋ｕｉｑ－ｕ１ｑｉｄｃ＝３（ｓｄｉ１ｄ＋ｓｑｉ１ｑ）／２（６）式中ω为电力传输系统的角频率。图２所示为式（３）（５）（６）构成的逆变器系统模型框图。２ＳＴＡＴＣＯＭ的控制系统ＳＴＡＴＣＯＭ对电力系统的电压调节主要通过向接入点吸收或者注入无功功率，稳定接入点的节点电压Ｕｉ，防止传输线路功率因数下降，避免电力系统由于节点电压的深度下陷而崩溃。为使ＳＴＡＴＣＯＭ能稳定安全运行，直流侧必须有一个固定的直流电压源Ｕｄｃ，故ＳＴＡＴＣＯＭ还必须向电网吸收有功功率以补偿线路和开关损耗。因此，ＳＴＡＴＣＯＭ控制系统必须具有稳定接入点电压Ｕｉ和直流侧电容电压Ｕｄｃ２个功能，通过控制逆变器输出电流的ｄ、ｑ分量实现。传统的双环解耦控制策略中电流内环和电流外环均采用ＰＩ控制器，其控制目标是将控制量稳定在某一个定值，然而在系统正常运行情况下，允许接入点的电压存在一定偏差（通常为５％）。本文在传统ＰＩ解耦控制基础上引入了负载电流前馈环节作为干扰信号调节ｄ轴电流，以便更好地稳定直流电容电压值，在节点电压控制系统的电压外环则采用电压下垂控制，允许节点电压在传输线路上无功功率发生变化时存在一定幅值的波动，以提高控制系统响应速度。图３为改进的双环解耦控制系统框图。图３中直流电容电压控制系统由电压外环Ｇｕ（ｓ）和电流内环Ｇｉｄ（ｓ）构成，为提高电容电压的控制精度和速度，引入负载电流ｉＬ作为前馈控制共同构成ｄ轴控制系统，电压调节器Ｇｕ（ｓ）输出和负载电流前馈Ｇｉｆ（ｓ）作为ｄ轴电流指令值。即电流前馈加电压外环和电流内环构成了直流电容电压控制系统。其中电容电压控制器Ｇｕ（ｓ）和电流内环控制系统Ｇｉｄ（ｓ）都是采用传统的ＰＩ控制器。节点电压控制系统也由电压外环和电流内环构成，与传统的双环控制策略不同，电压外环采用了电压下垂的自动电压调整策略，电压下垂控制由ＰＩ调节和一个下垂因子组成，电流内环Ｇｉｑ（ｓ）采用传统ＰＩ调节。自动电压调整策略允许节点电压存在一定的幅值波动（本文设计为５％），可提高控制系统响应速度。本文提出的改进型双环解耦控制系统不仅具有很好的暂态性能而且能够大幅提高系统稳定性。３双环控制系统设计图３表明控制系统由电流控制器Ｇｉｄ（ｓ）、Ｇｉｑ（ｓ），电容电压控制器Ｇｕ（ｓ），电流反馈控制器Ｇｉｆ（ｓ）和直接下垂控制器组成，本节详细探讨这些控制器设计。３．１电流控制器设计图３表明ｄ轴和ｑ轴电流控制器Ｇｉｄ（ｓ）、Ｇｉｑ（ｓ）都采用ＰＩ控制，其信号通道相同，统一记为Ｇｉｄｑ（ｓ）。为接近实际情况，考虑ＰＷＭ逆变器的延时和反馈通道的滤波特性，ｄｑ轴电流控制系统见图４。图中，τＬ＝Ｌ／Ｒ为电感时间常数；ＫＲ＝１／Ｒ；ＫＰＷＭ表示整流器的放大倍数；τｓ代表变换器的延时，等于开关周期的一半；Ｋｉｆ、τｉｆ分别是反馈通道的放大系数和时间常数；Ｇｉｄｑ（ｓ）为ＰＩ调节器，Ｋｃｐ、Ｋｃｉ分别为ＰＩ调节器的比例和积分系数，τｃ＝Ｋｃｐ／Ｋｃｉ。电流控制器的开环传递函数为电力自动化设备第２６卷Ｗｏｉ（ｓ）＝ＫｃｉＫＰＷＭＫＲＫｉｆ（τｃｓ＋１）（）（（Ｌ）（ｓ）７）ｉｆ令τｃ＝τＬ＝Ｌ／Ｒ，变换器延时τｓ和时间常数τｉｆ很小，用一阶惯性系统代替二阶环节，经变换闭环传递函数２Ｗωｃｉ＝ｎ２（８）ｎｎξ＝１!，ωｎｓｆ＝!ｓｆτｓｆ＝τｓ＋τｉｆ，Ｋ＝ＫｃｉＫＰＷＭＫＲＫｉｆ二阶系统在阻尼比ξ＝０．７０７时系统的超调量和调节时间最佳。可计算出相应的增益Ｋ，求得电流调节器的ＰＩ参数Ｋｃｉ和Ｋｃｐ。３．２电容电压控制器设计图５所示为电容电压控制系统。根据文献［１０］得到输入电流与输出直流电压之间的传递函数为Ｇ（ｓ）＝Ｋ０１－τｓｚ１＋ｓτ（９）ｐ式中Ｋ０＝３ＲＬＵｍ／（４Ｕｄｃ）；τｐ＝０．５ＲＬＣ；τｚ＝Ｌ／Ｒｉ，Ｒｉ＝Ｕｍ／Ｉｍ表示逆变器的输入电阻（Ｕｍ、Ｉｍ分别为逆变器输入电压、电流幅值）。Ｇｕ（ｓ）采用ＰＩ调节器，表达式为Ｇτｕｕ（ｓ）＝Ｋｕｉｓ＋１（１０）式中τｕ＝Ｋｕｐ／Ｋｕｉ（Ｋｕｐ、Ｋｕｉ分别为ＰＩ调节器的比例和积分系数）。图５中电流闭环控制器Ｗｃｉ（ｓ）使ｄ轴电流ｉｄ在暂态过程中变化很小，即在电容电压大波动以前已完成了调节过程。用一阶惯性环节近似代替二阶系统，Ｗｃｉ（ｓ）可以表示为１／（２τｓｆｓ＋１）。电压控制器的开环传递函数为Ｗｏｕ（ｓ）＝ＫｕｉＫｏ（τｕｓ＋１）（１－τｚｓ）ｐｓｆ（１１）假设τｕ＝τｐ，Ｋ１＝ＫｕｉＫ０，则闭环传递函数为Ｗｃｕ＝Ｋ（１－τｓ）／（２τ）ｓ２（１２）＋ｚ１ｓ＋ｓｆ１ｓｆ式（１２）中τｚ对于控制系统的暂态峰值时间和上升时间影响很小，可以忽略不计。则闭环传递函数可写成Ｗｃｉ＝Ｋ／（２２１τｓｆ）ｓ２＝ωｎ（１３）＋２ｓ＋ｓ＋２ξωｓｆｎ＋ωｎｓｆξ＝１!（１－τｚＫ１），ωｎ＝１ｓｆ!ｓｆ根据３．１节方法，同样可以计算ξ＝０．７０７时电压控制器的ＰＩ参数Ｋｕｉ和Ｋｕｐ。３．３电流前馈控制器设计图３所示的直流电压控制系统中引入了一个电流前馈环节，其目的是提高系统的响应速度以及避免电压超调过大。ＫＬ根据ＳＴＡＴＣＯＭ输入与输出功率平衡关系求得：ｐｉ＝ｉｄｃＵｄｃ＝ｕ１ｄｉ１ｄ＋ｕ１ｑｉ１ｑ＝ｐｏ（１４）通常情况下，ｄｑ坐标变换中ｕ１ｑ＝０。可算出ＫＬ得：ＫＬ＝ｉ１ｄ＝Ｕｄｃ１５）ｄｃ（１ｄ电流前馈支路中加入了一阶滤波环节，惯性环节的时间常数τｄｃ取１￣８ｍｓ。３．４直接下垂控制器设计为提高控制系统的响应速度，允许节点电压存在一定的幅值波动，节点电压控制器不采用直接ＰＩ调节而采用自动电压调整模式（见图３）。ＫＳＬ为直接下垂因子，根据系统所需的下垂特性确定，其定义为ＫＳＬ＝Ｉ＝ＩΔＵＣｍａｘΔＵ（１６）Ｌｍａｘ式中ΔＵＣｍａｘ为输出最大容性电流ＩＣｍａｘ时节点电压降落；ΔＵＬｍａｘ为输出最大感性电流ＩＬｍａｘ时节点电压上升。一阶惯性滤波环节可提高电压调节的性能指标，其时间常数τＲ＝１／（Ｋ１ＫＳＬ），通常取τＲ＝２０￣１５０ｍｓ，τｓ＝１０￣５０ｍｓ，Ｋｐ为很小或者为０。４仿真系统和实验装置参数ＳＴＡＴＣＯＭ仿真和试验系统结构模型见图６。系统参数为：ＳＴＡＴＣＯＭ额定容量Ｐｓ＝７．５ｋＶ・Ａ；系统相电压Ｕｓ＝２２０Ｖ；电网频率ｆ＝５０Ｈｚ；传输线等效电阻Ｒｓ＝０．０１Ω，等效电感Ｌｓ＝３ｍＨ；并联变压器变比和连接为２∶５／Ｙ－△；滤波电感的等效电阻Ｒ１＝０．０１Ω，等效电感Ｌ１＝６ｍＨ；直流侧电容Ｃ＝８０００μＦ；电压Ｕｄｃ＝４００Ｖ。直流侧电容负载Ｒｃ１、Ｒｃ２模拟ＳＴＡＴＣＯＭ系统的有功需求，Ｒｃ１＝１ｋΩ，Ｒｃ２＝４０Ω。传输线上负载ＬＬ模拟系统的无功需求，ＬＬ＝２７ｍＨ。ＰＷＭ逆变器开关频率取５．４ｋＨｚ，直接下垂因子取５％。根据第３部分控制器的设计方法可计算控制系统参数为：电流控制器ＰＩ参数，Ｋｃｉ＝１４２、Ｋｃｐ＝８．５２；Ｕｄｃ电压控制器ＰＩ参数，Ｋｕｉ＝０．４６３、Ｋｕｐ＝１．４；前馈控制器参数，ＫＬ＝１．７６、τｄｃ＝１ｍｓ；节点电压控制器参数，ＫＳＬ＝４．２７、τＲ＝２０ｍｓ、Ｋｉ＝１１．７、Ｋｐ＝０．９、τｓ＝３０ｍｓ。第１０期章勇高，等：静止同步补偿器的双环控制系统设计５仿真和实验结果分析曲线如图９所示。曲线２和曲线３分别是直流侧电压（曲线１）在０．３ｓ和０．５ｓ响应过程的展宽曲线。本文采用Ｍａｔｌａｂ进行了建模仿真研究，并在７．５ｋＶ・Ａ的实验台架上进行实验。控制系统采用ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２４０实现空间矢量ＰＷＭ控制，实验波形由示波器ＤＬ７５０捕获（限于篇幅略）。５．１无功功率的阶跃响应ｔ＝０．３ｓ时开关Ｓ１闭合，线路负载由阻性变为感性；ｔ＝０．５ｓ时开关Ｓ１打开，线路负载由电感性变为电阻性。此过程ＳＴＡＴＣＯＭ需要向线路注入或吸收一定的无功功率，以稳定节点电压水平，仿真波形如图７￣９所示。图７为有ＳＴＡＴＣＯＭ和无ＳＴＡＴＣＯＭ调节时节点电压的仿真比较。无ＳＴＡＴＣＯＭ调节作用时，节点电压在ｔ＝０．３ｓ时从２２０Ｖ直线下降到２０５Ｖ，对电网产生很大的冲击，并且下降是不可恢复的；有ＳＴＡＴＣＯＭ调节时，节点电压在下降后马上恢复到控制水平，降低对电网的冲击。结果表明，ＳＴＡＴＣＯＭ的调节作用显著而有效。图８是节点电压的无功功率阶跃响应仿真曲线。ｔ＝０．３ｓ时，开关Ｓ１闭合，一个电感值为２７ｍＨ的无功负载接入传输线路中，节点电压直线下降然后上升到约２１０Ｖ；ｔ＝０．５ｓ时，开关Ｓ１打开，无功负载解列，节点电压又从２１０Ｖ回复到２２０Ｖ。实验波形表明无功需求消失时节点电压恢复到约２２２Ｖ。仿真和实验结果表明，节点电压具有约５％的下垂特性。无功功率阶跃变化时，直流侧电容电压的响应按照系统运行分析，直流侧电容电压的波动主要是由系统的有功需求引起。由于本文的直流电压控制系统中引入了负载电流前馈控制环节，使得在无功调节时直流侧电容电压也存在很小的抖动，但无功调节的速度可以得到很大提高。５．２直流负载的阶跃变化开关Ｓ２闭合，直流负载由１ｋΩ突变为４０Ω，必然导致直流侧电容电压的下降，图１０所示为直流侧电容电压在直流侧负载突增情况下的仿真结果曲线，其中曲线（ｂ）是曲线（ａ）在ｔ＝１ｓ时的展宽。从曲线（ａ）可以看出，直流侧电容电压在一个很小的短暂下降后恢复。图１１的曲线（ａ）和曲线（ｂ）分别是ＳＴＡＴＣＯＭ调节时ｄ轴和ｑ轴电流响应的仿真结果。由图可见：电力自动化设备ｄ轴电流和直流侧电容电压调节有关，即ｄ轴电流主要控制ＳＴＡＴＣＯＭ的有功输出；ｑ轴电流和节点电压控制有关，即ｑ轴电流主要控制ＳＴＡＴＣＯＭ的无功输出。然而，仿真和实验波形表明：在直流侧电容电压的调节过程中ｑ轴电流会出现很小的波动，节点电压的调节过程中ｄ轴电流也会出现很小的波动。其原因是，调节ｄ轴电流时，三相ＰＷＭ逆变器的输出电流会发生波动，从而导致ｑ轴电流波动，此现象也会发生在ｑ轴电流调节过程中。第２６卷说明了电流前馈加ＰＩ调节以及自动电压下垂调节的控制系统是正确而有效的。进一步的工作是在已经研制的ＳＴＡＴＣＯＭ实验装置的基础上研制统一潮流控制器的实验室物理模型。参考文献：［１］ＩＥＥＥＰＥＳＷｏｒｋｉｎｇＧｒｏｕｐ．ＦＡＣＴＳａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ，１９９６．［２］ＨＩＮＧＯＲＡＮＩＮＧ，ＧＹＵＧＹＩＬ．ＵｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇＦＡＣＴＳ：ｃｏｎｃｅｐｔｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅＡＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ，２０００．［３］ＥＳＣＯＢＡＲＧ，ＡＬＥＫＳＡＮＤＡＲＭＳ，ＭＡＴＴＡＶＥＬＬＩＰ．Ａｎａｄａｐ－６结论本文详细介绍了三相ＰＷＭ逆变器ＳＴＡＴＣＯＭ的数学模型和运行原理，提出了直流侧电容电压采用电流前馈加ＰＩ环的控制系统以及节点电压采用直接电压下垂控制系统的控制策略。这种新型双环控制系统包括了电流控制器、直流电容电压控制器、前馈控制器及直接下垂控制器，文中详细地探讨了这４个控制器的设计方法和设计步骤。实验和仿真结果证明：有功调节中的电流前馈控制器和节点电压调节中的下垂控制特性大幅缩短了调节的暂态过程时间，提高了系统的调节速度，节点电压在系统有功和无功阶跃变化时都能有效地控制在允许的运行范围内，使得电力系统具有很好的动态和稳态性能；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］杨德刚，赵良炳，刘润生．三相高功率因数整流器的建模及闭环控制［Ｊ］．电力电子技术，１９９９（５）：４９－５１．ＹＡＮＧＤｅ－ｇａｎｇ，ＺＨＡＯＬｉａｎｇ－ｂｉｎｇ，ＬＩＵＲｕｎ－ｓｈｅｎｇ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆａｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ－ｆａｃｔｏｒｒｅｃｔｉｆｉｅｒ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９（５）：４９－５１．（责任编辑：柏英武）作者简介：章勇高（１９７５－），男，江西临川人，讲师，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动（Ｅ－ｍａｉｌ：ｚ．ｙ．ｇａｏ＠１６３．ｃｏｍ）；康勇（１９６５－），男，湖北武汉人，教授，博士研究生导师，研究方向为电力电子与电力传动（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秘电子漏试ＥＬＥｃＴＲ０～｜ｃＴＥｓＴＪ眦２０１１Ｎｏ．６液位ＰＩＤ控制系统的设计徐丽，马成玲，刘帅，罗俊尧（郑州市自来水总公司，河南，郑州４５００００）摘要：针对工业生产中对恒定液位的储水系统的需要，本文介绍了一种水池恒液位的ＰＩＤ控制系统的设计，该系统利用西门子ｓ７—２００ＰＬＣ的ＰＩＤ指令实现对液位的ＰＩＤ闭环控制，利用液位传感器将液位的值作为反馈信号传给ＰＬＣ，以设定水位值和反馈水位值之差作为ＰＩＤ控制器的输入，控制器的输出是频率信号，并对变频器进行调节控制，而变频器对电机实现转速调节，最后通过ＶＢ软件进行特性测试。通过检测本系统准确、快速实现了液位的恒定控制。关键词：ＰＬＣ；变频器；ＰＩＤ中图分类号：ＴｌＶ２３文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎｏｆｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍＸｕＬｉ，ＭａＣｈｅｎｇｌｉｎｇ，ＬｉｕＳｈｕａｉ。ＬｕｏＪｕｎｙａｏ（ＷａｔｅｒｓｕｐｐｌｙＧｅｎｅｒａｌＣｏｍｐａｎｙＯｆＺｈｅｎｇｚｈｏｕＣｉｔｙ，Ｈｅｎａｎ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００００）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｎｙｃｏｎｓｔａｎｔｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓｙｓｔｅｍｓｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｉｓｎｅｅｄｅｄｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｗａｇｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＰＩＤｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌＷＲＳａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄｂｙｔｈｅｏｒｄｅｒｏｆＰＩＤｉｎｓ７—２００ＰＬＣ．ＰＬＣｒｅｃｅｉｖｅｄｔｈｅｓｉｇｎａｌｆｒｏｍｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒ勰ｆｅｅｄｂａｃｋ．ＰｌＤａｎｄｆｅｅｄｂａｃｋｇｉｖｅｔｈｅｓｉｇｎａｌｏｆｆｆｅｑｕｅｎｃｙｍｏｔｏｒ．ＢｙｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｄｓｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｈｉｃｈｇｅｔｔｈｅｓｉｇｎｄｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｓｅｔｔｉｎｇｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｔ０ｔｈｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｖｅｒｔｅｒ．ＴｈｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｖｅｒｔｅｒＷａｇｕｓｅｄｔＯｒｅｇｕｌａｔｅｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｔｅＳｔＳｏｆＶＢ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｋｅｐｔｔｈｅｃｏｕｓｔａｒｔｔｏｆｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌａｃｃｕ．ｔｅｌｙａｎｄｑｕｉｃｋｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＰＩＤ０引言在大多数工业生产过程控制中，温度、液位、压力、流量等模拟量的控制常需要用闭环控制方式来实现。因为ＰＩＤ（比例、积分、微分）调节不需要精确的控制系统动态响应的速度。通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势。比例环节及时成比例地反应控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。数学模型而且它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用范围广等优点ｎｏ，所以模拟量的ＰＩＤ调节是常见的一种闭环控制方式，工程上易于实现。积分作用能对误本系统为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，决定采用采用ＬＧ公司的ＩＰ５Ａ变频器实现对电机的调节控制曙１。差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差，微分作用有助于减小超调，克服震荡，改善闭环系统的稳定性和巴万方数据控是。量出输的统系是，量馈反量变是：下ｉｎ（ｅ－）ｎ（如ｐ关相则，数参置设再好调数参、到等，为间微１本系统的性能要求制器的输出Ｍｉｎｉ协ｌ是回路输出的初始值，Ｋ，是ＰＩＤ回路增益，１－，和Ｔｎ分别是积分时间常数和微分时间常数。系统要求用户能够方便操作，能够远程控制变频器本系统中的回路增益、积分时间常数和微分时间常数可的启动、停止和频率调节，用户可自行设置水位的高低，以通过工程计算初步确定。但还需要进一步调整以达到以控制变频器的起停，变频器及其他设备的故障信息能最优控制的效果。（１）式中前一部分起比例作用，中间够及时反映在远程ＰＬＣ上。要求用户能够直观了解现场部分起积分作用，后面一部分起微分作用。根据应用不同，设备的工作状态及水位的变化。可以组成Ｐ、ＰＩ和ＰＤ控制器。如果设置采样周期Ｔ，可以将（１）式离散化，第ｎ２系统的总体设计次采样时的控制器输出为：２．１ＰＩＤ控制）＝ＫＰ图１是控制系统的方框图，使用Ｓ７－２００ＰＬＣ对水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）位进行ＰＩＤ控制。图中的虚线部分由ＰＬＣ来实现。液位式（２）即是离散化的Ｐ１Ｄ控制算法表达式，图１传感器将被控量实际值ｃ（ｔ）测量转换为ｌ一５Ｖ电压信号的Ｐｇ）控制块就是实现了该式的算法。或４－２０ｍＡ电流信号，该模拟信号接至ＰＬＣ的Ａ／Ｄ模块。本系统采用ｓ７—２００ＰＬＣ，利用ＳＴＥＰ７一ＭｉｃｒｏＷＩＮ进行模数转换，根据用户编写的ＰＩＤ控制程序，将测量中的ＰＩＤ指令实现ＰＩＤ控制器的功能实现。如图２即是值与给定值ｓｐ（ｔ）比较，通过２者的偏差ｅ（ｔ）进行ＰＩＤＰＩＤ指令。其中的ＴＢＬ是回路表的起始地址，ＬＯＯＰ是算法的运算得到输出操作信号，经ＰＬＣ的Ｄ／Ａ模块进行回路编号（ｏ＿７）Ⅲ。数模转换，转换后的信号（Ｉ－５Ｖ电压信号或４—２０ｍＡ电流信号）Ｍ（ｔ）用来控制变频器的参数，实现对水泵电机转速的控制，进而控制水的流量，从而最后保持水位一定的值ｎＪ。ＰＩ指令７、ｙ７Ｌ坚型竺一’ｄ兰竺至厂］堡苎里！！厂定水池的液位为水池高度的７５％（１５ｃｍ），冈．ｐｖ（ｔ）感器┃……………．…．…●ｏＩｒＳＭ．０环控制系统方框图２在ＰＩＤ参数和连接ＰＩＤ服务程序Ｒ０．５，ＶＤｌ０４ＰＩ控制器的算法原理入回路设定值＝７ｓ％Ｒ１．。ＶＤｌｌ２，，装入回路增益＝１．５控制器的输入输出的关系式为“瑚：Ｒ０．，ＶＤｌｌ６／／装入回路采样时间－２秒Ｍ＝Ⅺｅ＋｝Ｊ＝ｅｄｔ＋ｒｏｄｅ／ｄｔ）＋Ｍ…ｉａｆＲ３００．ＶＤｌ２０，入积分时间－－３０分Ｒ０．，ＶＤｌ２４／关闭微分时间Ｂ１０，ＳＭＢ３４（ｔ）＝ｓｐ（ｔ）－ｐｖ（ｔ）是误差，ｓｐ（ｔ）是给定值，ｐｖ（ｔ）定定时中断０的时间间隔为１００ｍｓＨＩＮＯ，０，定定时中断执行ＰＩＥ）程序／许中断９万方数据３系统的硬件组成整个系统的核心是西门子可编程控制器（ＰＬＣ）Ｓ７—２００和ＬＧ公司的ＩＰ５Ａ变频器，最后采用ＶＢ实现上位机的监控与测试，并形成良好的人机界面。ＶＢ与ＰＬＣ通过ＲＳ２３２和ＲＳ４８５通讯转换线连接。上位机将人的操作动作通过系统软件输出到下位机，下位机在接收到控制信号开始动作。被控对象是储存水的水池，被控量是水池中的水位值，当人为给定一个液位值时，下位机通过模拟量输入模块、高速计数口接收来自液位传感器的反馈值，通过内部ＰＩＤ的运算对变频器进行参数调整，进而控制电机的转速，在一定时间内保持水池液位恒定。根据水池中水位的变化速度，调节变频器的参数来调节电机的转速，这样就能实现能源的充分利用和生产的需要。变频器技术建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比较，除变频器可以对交流电动机进行调节速度的控制外，还有许多优点，如节能、容易实现对现有电动机的速度调节控制，可以实现大范围内的实现速度的精确控制、高效连续调速控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行电气制动，可以进行高额度的起停运转，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能：变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。这种自我保护的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。所以在这个系统我们采用变频技术对液位进行控制。４系统的软件设计图３为系统流程图。在此流程图的基础上，我们进行了恰当的界面分化，分别是闭环控制试验界面、测试项目选择界面、测试数据信息界面等。以监控设计为例，可利用ｖＢ６．０进行液位监控系统的设计。其中的动态滚动实时曲线采用Ｐｉｃｔｕｒｅ控件的ｌｉｎｅ属性结合Ｔｉｍｅｒ控件来实现，在一个周期内对采集得到的１００个数据不断画线，并使用先进先出的原则对采集到的当前数据对数组数据更新。纵轴表示液位值，横轴表示采样时间。实ｆ９６●■■万方数据时曲线中。ＰＶ、ＳＶ、ＭＶ显示不同颜色。在程序运行过程中，各曲线随着时同的推移，图形会自动滚屏，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对系统给定一定的参数并进行动态测试，得到动态曲线如图４所示。、为了直观了解该系统的特性，特采用ＶＢ设计了特周期时间；有启动和停止功能；能够显示液位值，并显图３系统流程图性测试窗口。该窗口口应包含以下功能：可以设置采样图４闭环控制液位动态曲线示实时曲线。如图５所示。在采样周期方框内设置采样周期值ｔ，单位为ｍｓ，它表示数据采集模块每一个采集周期记录一次采样值并输送到上位机，经过信号模数转换后将采集的液位值液位方框内加以显示。实验启动经过一段时间后水箱液位将趋于一个稳定值，然后开动进水电机，例如从刚开始３０％变为５０％，相当于给系统一个阶跃信号，理论上分析水池液位将发生变化并逐渐的趋于另—个稳定值。显示曲线的部分程序如下：Ｔｅｘｔ２．Ｔｅｘｔ＝Ｆｏｒｍａｔ（（Ａｌｖａｌ２—０．９６）’１４．５。“０．００”）Ｂ（ｎ）＝Ｖａｌ（Ｔｅｘｔ２．Ｔｅｘｔ）Ｐｉｃｔｕｒｅｌ．Ｌｉｎｅ（（ｎ—１）‘ｌＯ，Ｂ（ｎ一１））一（ｎ＋１０，Ｂ（ｎ）），ＱＢＣｏｌｏｒ（１）图５特性测试曲线万方数据５结论经过特性测试和响应测试，变频恒液位系统运行整体效果很好。当给系统设定一个液位高度后，ＰＬＣ控制变频器以恒液位控制方式运行。假设液位设定为１５ｃｍ，实际检测水池的液位基本恒定在１４～１６ｃｍ之间。假如液位低于１５ｃｍ，变频器的频率降低。这是因为如果变频器运行频率太低，水泵的扬程不够．电机功率白白损耗掉，达不到节能的标准。设置最低运行频率，能够使水泵扬程达到要求。该系统的变频器的频率一般稳定在一个范围左右，这样的话，节能效率是非常高的，同时该系统采用ＰＩＤ自动调节液位，减轻了人力负担。参考文献【１】廖常初．大中型ＰＬＣ应用教程【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００４：２０—１５０．【２】满永奎．通用变频器及其应用【Ｍ】．北京，机械工业出版杜。１９９５：３５－３００．［３】廖常初．ＰＬＣ编程及应用［Ｍ】．北京：机械工业出版杜，２００６：１５－２００．【４】周润景等．传感器与检测技术【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００９．【５】西门子公司．ＳＩＥＭＥＮＳＳＩＭＡＴＩＣＳ７—２００可编程控制器系统手册．【６】陈建民．电气控制与ＰＬＣ应用【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２０１０：２１４－２８７．［７】西门子（中国）．深入浅出西门子Ｓ７—２００ＰＬＣ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７：１３６－１４５．【８】范逸之．ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ与ＲＳ－２３２串行通信控制【Ｊ】．北京：清华大学出版社，２００２：５４－１１０．作者简介：徐丽。电气助理工程师。现工作于郑州市自来水总公司．从事电气及安全管理工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｃｅｈｎｇｌｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ一町ｆ液位PID控制系统的设计作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：徐丽，马成玲，刘帅，罗俊尧，XuLi，MaChengling，LiuShuai，LuoJunyao郑州市自来水总公司,河南,郑州450000电子测试ELECTRONICTEST2021(6)第31卷第9期中国电机工程学报Vol.31No.9Mar.25,20212021年3月25日ProceedingsoftheCSEE©2021Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号:0258-8013(202109-0001-07中图分类号:TM46文献标志码:A学科分类号:470·40系统电压不平衡下链式静止同步补偿器控制研究刘钊1,刘邦银2,段善旭2,康勇2,史晏军2,陈仲伟2(1.南京电子技术研究所,江苏省南京市210039;2.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市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:针对三角形连接的链式静止同步补偿器(staticsynchronouscompensator,STATCOM系统电压不平衡下的控制问题,提出分相瞬时电流控制策略,在此基础上研究了链式STATCOM在不平衡电压下的补偿模式,提出无功补偿和电压控制2种改进型补偿模式,并设计了其离散化电流环控制器。通过分相瞬时电流控制能够维持链式STATCOM在不平衡电压下的正常工作,2种改进型补偿模式使链式STATCOM能够有效的对不平衡系统进行补偿,仿真验证了所提控制策略及补偿模式。研制了一台三相36个链节的物基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(973项目(2021CB219701。TheNationalBasicResearchProgramofChina(973Program(2021CB219701.理样机,并在样机上进行实验,证明了所提方法的正确性和有效性。关键词:静止同步补偿器;级联多电平;分相瞬时电流控制;补偿模式;离散化0引言随着电力系统的发展,无功补偿引起了人们的广泛重视。动态无功补偿对于稳定系统电压、阻尼系统振荡以及改善系统阻尼等有着极为重要的作用[1-2],因此,各种基于大功率电力电子开关器件的无功补偿装置陆续提出[3-5],其中链式静止同步补偿器(staticsynchronouscompensator,STATCOM由于可以减少变压器数量、体积小、易于模块化[6-8]以及可以分相控制等优点,近年来得到了广泛的应用。链式STATCOM的控制策略主要有电流解耦控制[9-11]、有功无功解耦控制[12]以及非线性控制[13-14]等,但都是基于三相对称控制,当系统电压不平衡时会出现某一相过流而导致STATCOM退出工作。文献[15-16]提出对于星形连接的链式STATCOM可以让其输出正序、负序及零序电压来维持自身的稳定,但不适合三角形连接的链式STATCOM,而且其算法实现非常复杂;文献[17]基于链式STATCOM自身的特殊电路结构提出了分相控制,使装置具有很强的适应不对称电压的能力,但其牺牲了装置的无功响应速度;文献[18]在分相控制的基础上提出了基于逆系统的有功和无功解耦脉宽调制(pulsewidthmodulation,PWM控制,提高了装置的无功响应速度,但需要对电压电流进行傅里叶变换,计算复杂;文献[19]提出了基于瞬时电流控制的分相控制策略,通过改变移相角的方法来控制直流电2中国电机工程学报第31卷压,但大容量STATCOM装置的移相角很小,不适当的改变移相角容易造成系统的不稳定。系统电压平衡时,STATCOM有无功控制和电压控制2种工作模式。当系统电压不平衡时,对于三相逆变桥式结构的STATCOM,文献[20-21]提出用STATCOM来补偿系统电压的不平衡;文献[22]提出了变压器隔离型链式STATCOM不平衡电压下的控制方法。对于传统不带变压器的链式STATCOM,目前还鲜有文献对其在不平衡系统电压下的工作模式进行研究。本文研究了系统电压不平衡下链式静止同步补偿器的控制策略和补偿模式。首先提出链式STATCOM分相瞬时电流控制策略,然后在此基础上针对系统电压不平衡时链式STATCOM的工作模式进行了研究,并提出了无功控制和电压控制2种改进型补偿模式,此外还设计了分相瞬时电流控制中离散化电流环控制器,最后通过仿真和实验,验证了所提的控制策略和补偿模式。1链式STATCOM分相瞬时电流控制三角形连接的链式STATCOM直流侧电容相互独立,其数学模型同3个单相链式STATCOM的数学模型完全相同[23];此外由于零序电流分量能在三角形环内流通,其三相链接间电流完全解耦。综合可知三角形连接的链式STATCOM可以等效为三单相链接来控制,如图1所示。其中usab,usbc,usca(a链式STATCOM系统结构图(b三单相电路i图1三角形连接链式STATCOM等效电路图Fig.1Equivalentcircuitofdelta-connectedcascademultilevelSTATCOM为三相系统电压;urab,urbc,urca为三相链接输出电压;L为连接电感;R为系统损耗。当三相系统电压不平衡时,可以对三角形连接的链式STATCOM三相链接独立控制,因此本文提出了链式STATCOM分相瞬时电流控制策略,控制框图如图2所示。图2链式STATCOM分相瞬时电流控制框图Fig.2ControldiagramofcascademultilevelSTATCOMbasedonindividualphaseinstantaneouscurrentcontrol图2中控制框图由锁相环、有功电流给定、无功电流给定、瞬时电流跟踪4部分组成。锁相环用来跟踪系统电压的相位ϕab、ϕbc和ϕca,得到系统电压相位的正弦值和余弦值;有功电流的相位和系统电压相位相同,其幅值通过直流电压闭环得到,用来补偿各相链接的有功损耗;无功电流的相位超前系统电压相位90°,幅值Ia*b,Ib*c,Ic*a由补偿模式决定,当无功电流幅值为正时,表示无功电流超前系统电压,向系统补偿无功,反之,当无功电流幅值为负时,表示无功电流滞后系统电压,从系统中吸收无功;有功电流给定和无功电流给定之和就组成了系统相电流的给定,通过瞬时电流反馈来跟踪该给定电流,系统电压前馈能增大控制系统的稳定裕度。2链式STATCOM不平衡电压下补偿模式2.1无功控制模式无功控制模式就是让链式STATCOM发出或吸收指令大小的无功,该无功指令可以是固定大小的无功,如由电网调度给出,也可以是动态补偿系统中负载侧的瞬时无功。动态补偿中无功指令获取可以通过直接检测负载侧无功,也可以检测系统侧第9期刘钊等:系统电压不平衡下链式静止同步补偿器控制研究3无功,然后通过闭环的方法得到指令无功,如图3所示,其中Q为通过瞬时无功理论检测到系统中的无功大小,Qref为通过闭环控制得到的实际无功指令。图3通过闭环方式获取无功指令Fig.3Obtainofreactivepowercommandthroughclosed-loopmethod对于图2所示的控制框图,其无功电流指令为*abrefsab*bcrefsbc*carefsca2/(32/(32/(3IQuIQuIQu⎧=⎪=⎨⎪=⎩(1系统电压平衡时,三相指令无功电流大小相同:Ia*b=Ib*c=Ic*a(2因为系统电压出现轻微的不平衡是很正常的,所以当系统电压不平衡较小时,仍然希望其能够继续补偿无功,但一旦系统电压不平衡度超过一定的范围,链式STATCOM就只吸收少量的有功维持自身的损耗,不再补偿无功,当电压恢复正常后,装置也正常补偿无功。其无功补偿模式流程图如图4所示。图4链式STATCOM不平衡电压下无功补偿流程图Fig.4FlowchartofreactivepowercontrolmodeforcascademultilevelSTATCOMunderunbalancedvoltage三相三线制系统中电压不平衡度通常由其负序不平衡度ε2表示:2100%ε=(3式中4442222sabsbcscasabsbcsca(/(LUUUUUU=++++。2.2电压控制模式当STATCOM应用到风电场等场合时,通常用来稳定系统电压,实际中当系统发生不平衡时,希望STATCOM也能够补偿系统电压的不平衡。系统电压的不平衡主要是由负载的不平衡引起的,文献[24]指出对于任意不平衡负荷都可以用导纳补偿的方法补偿到平衡,其补偿原理如图5所示。(abbc(cbcB≡图5不平衡负载导纳补偿原理Fig.5Admittancecompensationprincipleforunbalancedload图5中,(caabB、(abbcB、(bccaB为各相补偿的感性阻抗,(bcabB、(cabcB、(abcaB为各相补偿的容性阻抗,其中上标表示补偿量的大小,与上标所对应的相阻抗相关;Yab、Ybc、Yca分别为三相负载导纳,有ababababbcbcbcbccacacaca1/j1/j1/jYZGBYZGBYZGB==+⎧⎪==+⎨⎪==+⎩(4式中:Zab、Zbc、Zca分别为三相负载阻抗;Gab、Gbc、Gca分别为三相负载电导;Bab、Bbc、Bca分别为三相负载电纳。如果三相补偿导纳为(ababcabc(bcbcabca(cacabcab(/(/(/cccBBGGBBGGBBGG⎧=−+−⎪=−+−⎨⎪=−+−⎩(5因此三相负载被补偿到三相纯阻性平衡负载:G=Gab+Gbc+Gca(6三角形连接的链式STATCOM三相链接等效于三相可变的导纳,只要能够补偿适当的导纳,就可以将负载补偿到平衡,同时三相系统电压也被补偿到平衡。结合图2,负载的大小决定了节点电压的大小,因此可以通过电压闭环的方式得到期望补偿导纳的大小,进而转换成补偿电流指令的大小,如图6所示,其中Uref为期望三相公共耦合点(pointof图6不平衡电压下电压控制模式无功电流指令获取Fig.6Gainingofreactivecurrentbasedonvoltagecontrolmodeunderunbalancedvoltage4中国电机工程学报第31卷commoncoupling,PCC电压幅值,Uab,Ubc,Uca为各相PCC点电压实际幅值。3分相瞬时电流控制电流环参数设计任取一相链接为例,其电流环控制框图如图7所示,ug是系统中的扰动量,包括链式STATCOM输出谐波电压等。大功率链式STATCOM中都是采用电流互感器来采样输出电流,由于直流偏置的影响,PI控制器会对直流误差累积,从而控制器失稳,因此采用纯比例控制器。图7连续域电流环控制框图Fig.7Controldiagramofcurrentloopbasedoncontinuousdomain实际控制中采用数字控制,所以对控制器的设计要转化到离散域,数字控制中通常存在零阶保持器和一拍滞后的影响,但由于链式STATCOM实验装置中采用FPGA实时比较发出PWM波,所以不存在滞后一拍。只考虑零阶保持器的影响,对图7作离散化,如图8所示。图8离散域电流环控制框图Fig.8Controldiagramofcurrentloopbasedondiscretedomain其输出电流的表达式为I(z=W1(zI*(z−W2(zUg(z(7式中:(/p1(/(/p(/2(/(/p(1e((e(1e1e((e(1eRLTRLTRLTRLTRLTRLTKWzzRKWzzRK−−−−−−⎧−=⎪−+−⎪⎨−⎪=⎪−+−⎩(8首先对系统稳定性进行分析,其系统特征方程为F(z=(z−e−(R/LTR+Kp(1−e−(R/LT=0(9当系统稳定时,必须有|z|<1。由式(9可得(/p(/1e1eRLTRLTRKR−−+−<<−(10其次由式(7分析可知,输出电流有2部分组成,一部分为指令电流跟踪项,另一部分为外部扰动项。指令参考电流为标准正弦波,由控制理论,期望W1(z在工频50Hz处增益为1,同时W2(z在全频范围内增益趋于零。取L=5mH,R=0.1Ω,T=1/6000,分别对W1(z、W2(z进行波特图分析,并设计电流环控制器参数。由式(10可得比例控制器的取值范围为0<Kp<60,令Kp分别为10、20、30、40、50,W1(z的波特图如图9所示。F/(rad/sPhase/deg2−900Kp=40345−180Magnitude/dB−15515Kp=50−5Kp=30Kp=20Kp=10Kp=50Kp=40Kp=30Kp=20Kp=10图9Kp变化时W1(z的波特图Fig.9BodediagramofW1(zforvariousKp同样,令Kp分别为10、20、30、40、50,W2(z的波特图如图10所示。F/(rad/sPhase/deg−900Kp=405−180Magnitude/dB−35−25−20Kp=50−30Kp=30Kp=10Kp=50Kp=40Kp=30Kp=20Kp=10Kp=20图10Kp变化时W2(z的波特图Fig.10BodediagramofW2(zforvariousKp综合分析图9、10可知:1因为W1(z表征系统跟踪指令电流的性能,Kp越大,系统带宽越大,动态性能越好。2W2(z可以表征为系统的扰动导纳,所以期望W2(z的增益越小越好,即Kp越大越好,但由图10可知,Kp过大时,对高频段谐波会有放大作用,造成系统不稳定,因此Kp也不能过大。3综合选取Kp为30比较合适。第9期刘钊等:系统电压不平衡下链式静止同步补偿器控制研究54仿真验证4.1仿真系统参数对链式STATCOM不平衡电压下的控制策略进行仿真验证,仿真系统参数如表1所示。表1系统仿真参数Tab.1MainparametersofcascadeSTATCOMsystem参数三相系统线电压Us/V电网频率fs/Hz输出电感Ls/mH直流侧电容Cdc/μF数值60005028.61840参数直流侧电容电压Udc/V载波移相单极倍频fc/Hz链节数N输出额定无功电流Iref/A数值1000250121004.2无功控制模式基于无功控制模式下仿真波形如图11、12所t/s(a系统线电压Us/kV−80.9604usab1.001.041.121.08−48usbcuscat/s(b链式STATCOM补偿电流Is/kA−0.10.960.01.001.041.121.080.1isabisbcisca图11电压不平衡度较小时链式STATCOM无功控制模式Fig.11ReactivepowercontrolmodeforcascademultilevelSTATCOMunderasmalldegreeofunbalancedvoltaget/s(a系统线电压Us/kV−80.96041.001.041.121.08−48usabusbcuscat/s(b链式STATCOM补偿电流Is/kA−0.10.960.01.001.041.121.080.1isabisbcisca图12电压不平衡度较大时无功补偿模式Fig.12ReactivepowercontrolmodeforcascademultilevelSTATCOMunderalargedegreeofunbalancedvoltage示,仿真中通过改变三相负载的不平衡从而造成三相PCC点电压的不平衡,图中在t=1s时发生不平衡故障,在t=1.1s时故障恢复。图11中故障时电压不平衡度较小,STATCOM继续补偿100A无功电流,图12中电压不平衡度超过了限定值,STATCOM只吸收少量有功电流维持自身的损耗,故障清除后STATCOM也恢复正常工作。图11、12验证了分相瞬时电流跟踪控制以及不平衡电压下无功控制模式的有效性。4.3电压控制模式负载的不平衡引起三相PCC点电压不平衡,期望通过链式STATCOM将三相电压补偿到平衡。通常电力系统的短路容量很大,而STATCOM装置的补偿容量有限,为验证所提补偿模式的有效性,仿真中设置较大短路阻抗,并改变三相负载到不平衡。图13(a为不加链式STATCOM装置时三相PCC点电压,其中三相电压幅值为Usab-p=Usca-p=6.05kV,Usbc-p=5.66kV,负序不平衡度ε2=4.35%;图13(b为补偿后的三相PCC点电压波形;图13(c为链式STATCOM各相电流波形,由于系统短路阻抗大,造成PCC点电压中谐波含量也较大。t/s(a无补偿时系统线电压Us/kV−81.900481.921.941.981.962.00−4usabusbcuscat/s(b补偿后系统线电压Us/kV−81.900481.921.941.981.962.00−4usabusbcuscat/s(c链式STATCOM补偿电流Is/A−1001.900501001.921.941.981.962.00−50isabisbcisca图13电压不平衡时链式STATCOM电压控制模式Fig.13VoltagecontrolmodeforcascademultilevelSTATCOMunderunbalancedvoltage图13表明通过所提的电压补偿方法,可以将三相电压补偿到平衡,验证控制方法的有效性。6中国电机工程学报第31卷5实验验证实验系统参数为验证所提控制策略及补偿模式的有效性，在研制的链式STATCOM样机上进行了实验，实验系统结构如图1所示，主电路采用三角形连接，每相12个链节。表2为实验样机的电路参数。5.1Tab.2参数数值参数数值u(500V/格i(2.5A/格三相系统线电压电网频率输出电感直流侧电容usaburabiabt(1s/格(a不平衡度增大u(500V/格i(2.5A/格表2链式STATCOM系统电路结构参数MainparametersofcascadeSTATCOMsystemUs/V380Udc/V50fs/Hz50Iref/A3.5(幅值Ls/mH5倍频fc/Hz2）不平衡度发生变化时实验验证。实验中，AB相系统电压为320V，CA相系统电压为320V，BC相系统电压慢慢变化，当BC相电压高于200V时，三相链接均发3.5A(幅值无功电流，反之发0A无功电流，实验波形如图15—17所示。实验表明，根据所提控制方法，链式STATCOM具有很好的抵御系统电压不平衡的能力。usaburabiabt(1s/格(b不平衡度减小Cdc/μF940链节数N直流侧电容电压给定无功电流载波移相单极25012u(500V/格i(2.5A/格u(500V/格i(2.5A/格不平衡控制下无功补偿模式实验验证由于条件限制，仅对链式STATCOM的无功补偿模式进行实验验证。实验包括2个方面的内容，一个是当三相系统电压不平衡度较小时，三相链接仍然发固定大小无功电流；另一个是当三相系统电压不平衡度变化时，指令无功电流突变。1）不平衡度较小时实验验证。实验中，三相系统电压不平衡，其中AB相系统电压320V，BC相250V，CA相320V，每相链接给定无功电流均为3.5A(幅值，实验波形如图14所示，其中usab、usbc、usca为三相系统电压，urab、urbc、urca三相链接输出电压，iab、ibc、ica各相输出电流。由图14可知，在系统电压不平衡时，链式STATCOM能正常工作。5.2usbcu(200V/格u(200V/格i(2.5A/格iab图15不平衡度变化时AB相电压电流波形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不平衡度减小图16不平衡度变化时BC相电压电流波形Fig.16VoltageandcurrentwaveformoflinkABundervariedunbalanceddegreeuscaurcaicat(1s/格(a不平衡度增大uscaurcaicat(1s/格(b不平衡度减小usabuscat(10ms/格(a三相系统电压波形u(200V/格i(2.5A/格urabt(10ms/格(bAB相电压电流波形ibcu(200V/格i(2.5A/格图17不平衡度变化时CA相电压电流波形Fig.17VoltageandcurrentwaveformoflinkCAundervariedunbalanceddegreeica6结论本文分析了链式静止同步补偿器在系统电压不平衡时的控制问题，提出了链式STATCOM分相瞬时电流控制策略以及无功控制模式和电压控制模式2种改进型补偿模式。通过仿真对所提的控制策略和补偿模式进行验证，并在一台链式STATCOM物理样机上进行了实验研究。仿真和实验结果均表明：所提的控制策略和补偿模式能有效urbct(10ms/格(cBC相电压电流波形urcat(10ms/格(dCA相电压电流波形Fig.14图14电压不平衡度较小时实验验证Experimentverificationunderasmalldegreeofunbalancedvoltage第9期刘钊等：系统电压不平衡下链式静止同步补偿器控制研究7的增强链式STATCOM的故障抵抗能力，提高装置的可靠性和利用率，具有较高的实用价值。[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]魏文辉，刘文华，腾乐天，等．基于反故障控制的链式STATCOM动态控制策略的研究[J]．中国电机工程学报，2005，25(4：19-24．参考文献[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]．IEEETran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