CN102570476A - 一种基于重复控制的dstatcom的补偿电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法，包括：(1)采集电网电压、负载电流以及补偿电流；(2)从负载电流中提取电流指令；(3)根据电流指令进行重复控制以及PI控制，进而向DSTATCOM输出电压指令。本发明能够使DSTATCOM实现包括基波在内低次谐波的无静差跟踪，提高DSTATCOM的补偿精度，增加DSTATCOM的补偿带宽；提高DSTATCOM在不平衡负载情况下的补偿能力和精度，使DSTATCOM具有谐波补偿和抑制能力，减少了DSTATCOM出口侧无源滤波器的使用，并且改善了DSTATCOM补偿电流的谐波性能，降低了输出谐波，减少了对电网的污染。

Description

一种基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法

技术领域

本发明属于无功补偿技术领域，具体涉及一种基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法。

背景技术

近年来随着工业技术的飞速发展，社会电气化程度不断提高，电网中尤其是配电网中各种大容量感应电动机、特种电机等无功负载，电弧炉、大型轧钢机、电力机车等各种冲击性、波动性不平衡负载，容量不断增加，电力电子器件和成套装置等非线性负载得到广泛使用，这些装置的运行使用不仅消耗大量无功，并且产生大量谐波，严重污染电网，降低电网使用效率，影响供电质量和可靠性，造成各种复杂精密仪器以及对电能质量敏感的用电设备无法正常工作。针对上述质量问题，旨在改善配电网电能质量为目的的谐波抑制和无功补偿设备大量涌现，配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)作为输电线路静止同步补偿器(STATCOM)在配电网中的新型应用，可以通过连续、快速调节装置向电网注入的无功大小和性质，补偿负载无功和谐波，稳定公共接入节点(PCC)电压，改善配电网电能质量；与传统静止无功补偿器(SVC)相比，DSTATCOM以其快速无功调节能力，更宽的运行范围，良好的电流输出性能，较小的装置体积和成本等优点得到了广泛关注，此外级联结构的DSTATCOM通过功率模块的简单串联，容易实现高压大容量化，非常适合中压配电网等级(6kV-10kV)的应用。

DSTATCOM交流侧输出电流的控制策略，是关系设备性能的一项核心技术，传统的控制方法如电流滞环控制、PI控制、无差拍控制等，无法满足用户不断提高的电能质量需求以及国家相关行业对电力设备并网的严格标准，并且在配电***恶劣复杂的电网环境中，装置自身高效、可靠、正常的工作也无法得到保证。通过现有技术文献的检索发现，以提高装置输出电流性能和质量，降低对电网的污染，提高装置可靠性为目的DSTATCOM高性能电流控制策略被广泛研究和应用。

唐杰和罗安等人在标题为“配电静止同步补偿器的模糊自适应PI控制策略”(电工技术学报，2008，(2)：120-126)的文章中提出了一种模糊自适应PI控制策略，提高了装置控制的灵活性和鲁棒性，在负载波动时动态响应快，超调小；但是该方法对于装置输出电流属于开环控制，无法保证DSTATCOM输出电流稳态无差地跟踪指令，对于不平衡负载、谐波性负载，电网电压波形畸变没有控制能力。

涂春鸣和李慧等人在标题为“电网电压不对称对D-STATCOM的影响分析及抑制”(电工技术学报，2009，(10)：114-121)的文章中分析了电网电压不对称对DSTATCOM电压输出特性的影响，提出了通过改变开关函数抑制装置输出的3次谐波，改善装置输出特性的方法；但是控制器结构复杂，控制性能受电网电压负序检测影响，该方法没有解决电网电压畸变时保证装置输出性能和谐波性负载跟踪精度的问题。

谭甜源和姜齐荣等人在标题为“基于电流跟踪控制的三电平DSTATCOM装置的控制方法”(电力***自动化，2007，(4)：61-65)的文章中提出了一套基于三角波比较的三电平变流器电流直接跟踪策略，一定程度降低了指令跟踪误差和开关器件开关频率的波动，但是该策略使得装置开关频率低，输出滤波器设计较大，并且稳态误差无法消除。

吴春晖和姜齐荣等人在标题为“一种三电平特定消谐脉宽调制的优化方法”(电力电子技术，2005，(5))的文章中提出一种基于选择性消谐波的开关角度优化计算方法，使逆变器输出在较低开关频率下获得较好的谐波特性，但是该方法在配电网中受大容量冲击负荷等影响下，接入节点电压存在较大波动，由于检测误差和延时的影响，响应速度慢，并且特定谐波消除带宽有限，无法无静差跟踪谐波负载，且电网不平衡和畸变下工作性能差。

此外一些基于先进控制理论的DSTATCOM非线性控制，自适应无差拍控制等对***的模型精确性没有过高的要求，可以自适应更改***参数，获得较高的补偿精度，但是由于控制器设计复杂，实时性差，响应滞后，开关频率有限问题，在工程中很难广泛应用。因此，现有的DSTATCOM电流控制策略都无法兼顾良好的谐波输出性能、精确的稳态控制精度、优越的动态性和较强的负载、电网电压扰动适应性。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法，能够显著提高DSTATCOM的无功补偿精度和谐波抑制能力。

一种基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法，包括如下步骤：

(1)采集当前采样周期的电网电压信号、负载电流信号以及DSTATCOM的补偿电流信号；

(2)根据电网电压信号的相位对所述的负载电流信号进行指令提取，得到有功轴电流指令和无功轴电流指令；根据电网电压信号的相位对所述的补偿电流信号进行dq变换(同步旋转坐标变换)，得到有功轴补偿电流分量和无功轴补偿电流分量；

(3)令有功轴电流指令和有功轴补偿电流分量作为输入，使有功轴电流指令减去有功轴补偿电流分量，得到电流误差信号；对电流误差信号进行内模更新，得到内模更新电流误差信号；对内模更新电流误差信号进行补偿，得到电流误差修正信号；

(4)使所述的电流误差信号叠加电流误差修正信号，得到修正后的电流误差信号；对修正后的电流误差信号进行PI(比例积分)调节，得到电压指令信号；对电压指令信号进行延时，得到有功轴延时后的电压指令信号；

(5)令无功轴电流指令和无功轴补偿电流分量作为输入，根据步骤(3)和(4)的信号处理方法，得到无功轴延时后的电压指令信号；将有功轴延时后的电压指令信号和无功轴延时后的电压指令信号进行dq反变换(同步旋转坐标反变换)后输送至DSTATCOM，以控制DSTATCOM的补偿电流。

所述的步骤(2)中，对负载电流信号进行指令提取的过程为：根据电网电压信号的相位对负载电流信号进行dq变换，得到d轴负载电流分量和q轴负载电流分量，所述的q轴负载电流分量即为无功轴电流指令；对所述的d轴负载电流分量进行高通滤波，得到有功轴电流指令。

所述的有功轴电流指令即为负载谐波有功电流；所述的无功轴电流指令包括负载基波无功电流和负载谐波无功电流。

所述的步骤(3)中，根据以下方程式对电流误差信号进行内模更新；

U(i)＝E(i)+QE(i-n)

其中：U(i)为内模更新电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i)为电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i-n)为电流误差信号中第i-n采样点的电流误差值，Q为衰减系数，n为一个基波周期的采样点数。

所述的步骤(3)中，根据以下方程式对内模更新电流误差信号进行补偿；

Y(i)＝f(z)U(i-n+k)

其中：Y(i)为电流误差修正信号中第i采样点的电流误差修正值，U(i-n+k)为内模更新电流误差信号中第i-n+k采样点的电流误差值，f(z)为二阶低通滤波函数，n为一个基波周期的采样点数，k为补偿点数。

本发明的有益技术效果为：

(1)使DSTATCOM实现包括基波在内低次谐波的无静差跟踪，提高了DSTATCOM的补偿精度，增加了DSTATCOM的补偿带宽。

(2)使DSTATCOM具有谐波补偿和抑制能力，减少了DSTATCOM出口侧无源滤波器的使用，并且改善了DSTATCOM补偿电流的谐波性能，降低了输出谐波，减少了对电网的污染，同时降低了DSTATCOM自身滤波电抗器和直流侧支撑电容等元件的发热，减少了设计容量，提高了容量利用率，节省了DSTATCOM的成本和占地面积。

(3)提高了DSTATCOM在不平衡负载情况下的补偿能力和精度，使DSTATCOM可以补偿单相或不平衡负载，拓宽了DSTATCOM的使用范围。

(4)提高了DSTATCOM在电网电压畸变情况下补偿电流的谐波性能，提高了DSTATCOM的稳定性。

(5)在稳态精度提高的前提下，本发明控制方法动态性能优越。

(6)本发明控制方法设计简单，可以通过一片DSP全数字实现，无需增加装置成本，集成度高，可靠性好。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程示意图。

图2为DSTATCOM的使用状态示意图。

图3为本发明指令提取的流程示意图。

图4为本发明重复控制以及PI控制的流程示意图。

图5为传统PI调节***闭环传递函数的频率特性示意图。

图6为本发明重复控制补偿后PI调节***闭环传递函数的频率特性示意图。

图7(a)为向电网注入感性无功下电网电压以及补偿电流的波形图。

图7(b)为向电网注入感性无功下补偿电流的频谱图。

图8(a)为向电网注入容性无功下电网电压以及补偿电流的波形图。

图8(b)为向电网注入容性无功下补偿电流的频谱图。

图9(a)为从感性无功到容性无功切换电网电压以及补偿电流的波形图。

图9(b)为从容性无功到感性无功切换电网电压以及补偿电流的波形图。

图10(a)为未补偿情况下电网电压以及电网电流的波形图。

图10(b)为未补偿情况下电网电流的频谱图。

图11(a)为采用传统PI控制补偿情况下电网电压以及电网电流的波形图。

图11(b)为采用传统PI控制补偿情况下电网电流的频谱图。

图12(a)为采用本发明控制补偿情况下电网电压以及电网电流的波形图。

图12(b)为采用本发明控制补偿情况下电网电流的频谱图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的补偿电流控制方法进行详细说明。

如图1所示，一种基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法，包括如下步骤：

(1)采集电网电压、负载电流以及补偿电流。

采集当前采样周期的电网电压信号、负载电流信号以及DSTATCOM的补偿电流信号；图2为本实施方式中DSTATCOM的使用状态图；其中，U为电网电压信号，I_L为负载电流信号，I_C为补偿电流信号；本实施方式中，采样周期为100μs。

(2)从负载电流中提取电流指令。

如图3所示，利用锁相环提取出电网电压信号的相位，根据电网电压信号的相位对负载电流信号进行dq变换，得到d轴负载电流分量I_Ld和q轴负载电流分量I_Lq，q轴负载电流分量I_Lq即为无功轴电流指令I_refq；对d轴负载电流分量I_Ld进行高通滤波，得到有功轴电流指令I_refd。

其中，有功轴电流指令I_refd即为负载谐波有功电流；无功轴电流指令I_refq包括负载基波无功电流和负载谐波无功电流。

根据对称分量法，可以将任意形式的三相负载电流表示为下式所示的基波正序、负序分量和谐波分量叠加的形式，通常零序分量通过配电网变压器三角形接线有效抑制，可以不予考虑。

若通过锁相环获得三相电网电压相位为ωt，则通过以下坐标变换矩阵，

$T_{\mathrm{abc}}=\mathrm{dq}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\sin \mathrm{\ωt}& \sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

将上述电流表达式转换到dq同步旋转坐标系下可得：

通过坐标变换，将负载电流三相基波交流分解成d轴和q轴上的直流有功、无功分量，负载不平衡分量转化成二次谐波分量，负载谐波分量根据谐波正负序转化成原谐波次数加减一次的谐波分量。

同理，根据电网电压信号的相位对补偿电流信号I_C进行dq变换，得到有功轴补偿电流分量I_Cd和无功轴补偿电流分量I_Cq。

(3)根据电流指令进行重复控制以及PI控制，进而向DSTATCOM输出电压指令。

如图4所示，令有功轴电流指令I_refd和有功轴补偿电流分量I_Cd作为输入，使有功轴电流指令减去有功轴补偿电流分量，得到电流误差信号；根据以下方程式对电流误差信号进行内模更新，得到内模更新电流误差信号；

U(i)＝E(i)+QE(i-n)

其中：U(i)为内模更新电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i)为电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i-n)为电流误差信号中第i-n采样点的电流误差值，Q为衰减系数，n为一个基波周期的采样点数；本实施方式中，Q＝0.98，n＝200。

根据以下方程式对内模更新电流误差信号进行补偿，得到电流误差修正信号；

Y(i)＝f(z)U(i-n+k)

$f\left(z\right)=\frac{A+{\mathrm{Bz}}^{-1}+{\mathrm{Az}}^{-2}}{1-{\mathrm{Cz}}^{-1}+{\mathrm{Dz}}^{-2}}$

其中：Y(i)为电流误差修正信号中第i采样点的电流误差修正值，U(i-n+k)为内模更新电流误差信号中第i-n+k采样点的电流误差值，f(z)为二阶低通滤波函数，k为补偿点数；本实施方式中，k＝4；二阶低通滤波器的阻尼比为0.67，截止频率为2.3KHz，故A＝0.2151，B＝0.4301，C＝0.359，D＝0.2193。

使电流误差信号叠加电流误差修正信号，得到修正后的电流误差信号；根据以下方程式对修正后的电流误差信号进行PI调节，得到电压指令信号；

P(i)＝g(z)W(i)

$g\left(z\right)=\frac{E-{\mathrm{Fz}}^{-1}}{1-z^{-1}}$

其中：P(i)为电压指令信号中第i采样点的电压值，W(i)为修正后的电流误差信号中第i采样点的电流误差值，g(z)为PI调节函数；本实施方式中，E＝4.071，F＝4.065。

对电压指令信号进行延时(延时一个采样周期)，得到有功轴延时后的电压指令信号。

同理令无功轴电流指令和无功轴补偿电流分量作为输入，得到无功轴延时后的电压指令信号；将有功轴延时后的电压指令信号和无功轴延时后的电压指令信号进行dq反变换后输送至DSTATCOM，以控制DSTATCOM的补偿电流。

补偿器的设计以内环闭环传递函数为被控对象，进行幅值和相位补偿。传统PI调节后典型的内环闭环传递函数，其频率特性如图5所示；可以看出补偿后的在频率特性1kHz以内的中低频段存在较大的相位滞后，严重影响DSTATCOM的谐波跟踪能力和输出谐波性能，并且在中频段存在较大的相位激变，且幅值衰减很小，不利于***的稳定。

而本实施方式补偿后PI调节后内环闭环传递函数的频率特性如图6所示；可以看出经过补偿后的控制实现中低频段的零幅值衰减和零相移，提高DSTATCOM补偿精度，同时相位激变的不稳定频率点相高频推移，幅值衰减显著增加，保证了DSTATCOM的稳定性。

为了进一步验证本发明方法的有益效果，将一台三相星型连接的H桥级联结构的DSTATCOM并入线电压有效值为1316V的三相电网；功率性质以DSTATCOM吸收无功定义正方向，则DSTATCOM向电网注入无功性质与DSTATCOM吸收无功性质相反。

根据本实施方式，分别给定感性和容性有效值为56.58A无功电流指令，使DSTATCOM向电网注入给定无功，通过示波器记录C相电网电压U_s和装置输出电流I_c，并利用wavestar软件对DSTATCOM的补偿电流进行分析，等效验证无功补偿性能，实验结果如图7和图8所示。其中，图7中输出电流跟踪误差为1.03％，总谐波含有率(THD)为0.58％；图8中输出电流跟踪误差为0.71％，总谐波含有率(THD)为0.96％。

实验结果显示，无论装置输出感性无功还是容性无功，本实施方式都具有很高的指令跟踪精度以及输出电流谐波性能。

进一步验证本实施方式的动态性能，分别令DSTATCOM向电网注入的无功电流指令从有效值感性42.43A到容性56.58A和容性42.43A到感性56.58A进行切换，通过示波器捕捉切换动态过程，记录C相电网电压U_s和装置输出电流I_c，实验结果如图9所示。可以看出由于电流指令前馈的引入，本实施方式继承了传统单PI控制优越的动态性能，响应速度快，当不同性质无功指令在较大范围内切换时，控制模块在1ms内迅速响应，补偿电流平滑的从一个稳态过渡到另一个稳态。

在PI和PI+REP控制下DSTATCOM的谐波补偿能力进行比较验证，谐波负载为三相半桥不控整流纯电阻电路，负载电阻标称42.5Ω，运用本实施方式采集负载电流，提取谐波补偿指令进行负载补偿。通过示波器记录C相电网电压U_s和电网电流I_s，并利用wavestar软件进行波形分析结果如表1和图10、11和12所示。

表1

可以看出，与单PI补偿相比，本实施方式PI+REP补偿后的电网电流正弦度明显改善，而FFT数据分析结果显示，PI+REP补偿下的电网电流各次谐波含量明显低于单PI补偿，电网电流总谐波含量(THD)比补偿前减小94.8％，电网电流残留谐波含量小于1.4％，总谐波抑制率比单PI控制高出60％，25次以下各次谐波抑制率在80％以上，充分证明了PI加重复控制策略的谐波抑制能力。

Claims (4)

1.一种基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法，包括如下步骤：

(1)采集当前采样周期的电网电压信号、负载电流信号以及DSTATCOM的补偿电流信号；

(2)根据电网电压信号的相位对所述的负载电流信号进行指令提取，得到有功轴电流指令和无功轴电流指令；根据电网电压信号的相位对所述的补偿电流信号进行dq变换，得到有功轴补偿电流分量和无功轴补偿电流分量；

(3)令有功轴电流指令和有功轴补偿电流分量作为输入，使有功轴电流指令减去有功轴补偿电流分量，得到电流误差信号；对电流误差信号进行内模更新，得到内模更新电流误差信号；对内模更新电流误差信号进行补偿，得到电流误差修正信号；

(4)使所述的电流误差信号叠加电流误差修正信号，得到修正后的电流误差信号；对修正后的电流误差信号进行PI调节，得到电压指令信号；对电压指令信号进行延时，得到有功轴延时后的电压指令信号；

(5)令无功轴电流指令和无功轴补偿电流分量作为输入，根据步骤(3)和(4)的信号处理方法，得到无功轴延时后的电压指令信号；将有功轴延时后的电压指令信号和无功轴延时后的电压指令信号进行dq反变换后输送至DSTATCOM，以控制DSTATCOM的补偿电流。

2.根据权利要求1所述的基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，对负载电流信号进行指令提取的过程为：根据电网电压信号的相位对负载电流信号进行dq变换，得到d轴负载电流分量和q轴负载电流分量，所述的q轴负载电流分量即为无功轴电流指令；对所述的d轴负载电流分量进行高通滤波，得到有功轴电流指令。

3.根据权利要求1所述的基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据以下方程式对电流误差信号进行内模更新；

U(i)＝E(i)+QE(i-n)

其中：U(i)为内模更新电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i)为电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i-n)为电流误差信号中第i-n采样点的电流误差值，Q为衰减系数，n为一个基波周期的采样点数。

4.根据权利要求1所述的基于重复控制的DSTATCOM的补偿电流控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据以下方程式对内模更新电流误差信号进行补偿；

Y(i)＝f(z)U(i-n+k)

其中：Y(i)为电流误差修正信号中第i采样点的电流误差修正值，U(i-n+k)为内模更新电流误差信号中第i-n+k采样点的电流误差值，f(z)为二阶低通滤波函数，n为一个基波周期的采样点数，k为补偿点数。

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