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