双闭环控制器设计方法

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1、3.2.2 电流的直接控制电流直接控制，就是采用跟踪型的 PWM 控制技术对电流波形的瞬时值进行 反馈控制，可以采用滞缓比较方式，也可采用三角波比较方式，进行电流的直接 控制。采用PWM技术的直接控制方法从原理上来说可以有效地滤除系统中的无 功电流和全部有害电流。与间接控制方法相比较，直接控制方法具有更高的响应 速度和控制精度，但它要求开关频率高，因为大功率器件很难以高开关频率运行， 因此不采用电流直接控制。一般来说，电流直接控制适合于小功率场合。但从目 前世界上运行的无功补偿器的情况看来，电流直接控制在中、大容量系统也有应 用。日本新农用于输电80Mvar的SVG和日本神户用于钢厂负荷补偿2

2、0Mvar的 SVG 均采用了电流直接控制方式。前者在电网严重不对称，甚至短路时仍可照 常工作;后者对炼钢电极短路引起的电网电压闪变有很好的抑制作用。电流直接 控制的SVG控制系统有两种基本结构：1.滞环比较控制；2.电压电流双闭环控制.本文主要讨论电压电流双闭环控制方法。控制结构如图 3.2 所示，采用了 dq轴下的瞬时控制系统o SVG发出的电流瞬时值经dqO坐标变换变为i i i，与 d q 0 有功电流、无功电流参考值作比较后，经PI调节器所得值，再经dq0反变换， 得到三相电压信号，进行三角波比较电流跟踪型PWM控制。其中，有功电流参 考值由直流侧电压参考值与直流侧电容电压反馈值比较

3、后经PI调节器得到。由 于参考值i*和i*，和反馈值i i在稳态时均为直流信号，因此通过PI调节器可以 d q d q 实现无稳态误差的电流跟踪控制。即此方法中采用了双闭环反馈控制，内环是电 流环控制，外环是电压环控制。冲u图 3.3 电流电压双闭环控制原理图SVG 采用电流直接控制后，其响应速度和控制精度将比间接控制法有很大 提高。在这种控制方法下，SVG实际上相当于一个受控电流源。由于受电力半 导体器件开关频率限制，这种控制方法对较小容量SVG比较适用。还有一种电流直接控制方法为空间矢量调制控制方法，其原理可参考相关文 献，本文不再给出。以上介绍了 SVG的两类控制方法，电流的间接控制和电

4、流的直接控制。通过 对比我们可以得出如下结论：(1) 电流的间接控制方法相对简单，技术相对成熟，但间接控制与直接控制 相比，控制精度较低，电流响应速度较慢。(2) 电流直接控制法对电力半导体器件的开关频率要求高，因此适用于较小 容量SVG控制；间接控制法适用于较大容量的SVG控制。(3) 采用电流间接控制的大容量SVG可采用多个变流器多重化联结、多电平技 术或PWM控制技术来减小谐波。而采用电流PWM跟踪控制的直接控制方法电流谐波 较少。3.3 控制系统参数计算将双闭环控制器设计方法用于SVG，只需要经过为数不多的几步简单计算， 就可以确定控制器的参数，特别适合控制器参数的现场整定。另一特点是

5、在频域 设计控制器时，可以比较方便地将系统中诸如变换器延时，滤波延时等小滞后环 节考虑进去。因此，在SVG控制系统设计中，一般采用双环控制，即电压外环和 电流内环。电压外环的作用主要是控制三相PWM整流器直流侧电压，而电流内环 的作用是要按电压外环输出的电流指令进行电流控制。3.3.1 电流内环控制系统设计如图2.2所示，在相坐标系VSR(d,q)中，其dq模型可描述为:eLp + R Liud=d+deqLLp + Riqud+ u i )= uq q dc dc(3.5)(3.6)式中e 、 e 电网电动势矢量 E 的 d、 q 分量d q dqu、u三相VSR交流侧电压矢量U 的d、q分

6、量d q dqi 、 i 三相 VSR 交流侧电流矢量 I 的 d、 q 分量d qdqP微分算子设dq坐标系中q轴与电网电动势矢量E重合，则电网电动势矢量d轴分量 dqe =0 。d从三相VSRdq模型方程式(3.5)可看出，由于VSRd、q轴变量相互耦合， 因而给控制器设计造成一定困难。为此，可采用前馈解耦控制策略，当电流调节 器采用PI调节器时，则u、u的控制方程如下：dq* i * ) w Li + eq qd q3.7)( K )ip s 丿* i*)+w Li + ed dq d3.8)( K )KI iP S 丿式中将式idiq电流内环比例调节增益和积分调节增益；K 、 KiIi

7、 * i 、 i 电流指令值； dq d3.8)代入式(3.6)，并化简得ipi *、q3.7)K 丫R K + n 11讪S丿_/L(K 丫R K + n 1l讪S丿_0Li1K )i *dK+ -n 1diL ( iPS丿i *qq3.9)显然式(3.9)表明：前馈的控制算法式(3.7)和(3.8)使三相VSR电流内环(Id现了解耦控制，由于两电流内环的对称性，因而下面以i控制为例讨论电流调节 q器的设计。考虑电流内环信号采样的延迟和PWM控制的小惯性特性，已解耦的KPWM1.5T +1i 电流内环结构如图 3.4 所示： q、“s +1 今 K X i讪 T S*i图3.4无e扰动时的i

8、电流内环简化结构qq图3.4中，T为电流内环电流采样周期(即亦为PWM开关周期)，K 为sPWM桥路PWM等效增益。为简化分析将PI调节器的传递函数写成零点形式，即：K t s +1K X 4 = Kiip sip t siKK 二iI ti(3.10)将小时间常数Ts2、ts合并。电流调节器设计方案有两种。当考虑电流内环需获得较快的电流跟随性能 时，可按典型I型系统设计电流调节器，从图3.4可看出，只需以PI调节器零点 抵消电流控制对象传递函数的极点即可，即t i = %。校正后，电流内环的开环 传递函数为：O K KW IS 丿=in pWMoiRt s (1.5T +1)is(3.11)

9、由典型I型系统参数整定关系，当取系统阻尼比g =0.707时，有:1.5T K K 1PWM = _2s ipRi(3.12)求解得:Kip-3T Ks PWM3.13)KiI3.14)KR4 =t 3TKis PWM式(3.13) (3.14)即为电流内环PI调节器控制参数计算公式。3.2.2 外环控制系统的设计 由于电压外环的主要控制作用是稳定三相 VSR 直流电压,故其控制系统整定 时，应着重考虑电压环的抗扰性能.显然，可按典型n型系统设计电压调节器，电压 环的简化控制结构由图3.5所示:K (1 + Ts)uuTsu0.75T s +1euudcsc图 3.5 三相 VSR 电压环简化

10、结构得电压环开环传递函数为：W (s )=ou0.75K (Ts +1) CT s 2(T s +1) u eu(3.15)由此，得电压环中频宽 h 为： u3.16)eu由典型n型系统控制器参数整定关系得:0.75Kh + 1u = uCT2h 2T 2uu eu3.17)综合考虑电压环控制系统的抗扰性及跟随性，工程上一般取中频宽hueu将h二5代入(3.17),计算得电压环PI调节器参数为:T 二 5T = 5 G + 3T )ueuusk -( 4C、Ku(T + 3T )us3.18)另一方面，当米用典型n型系统设计电压环时，电压环控制系统截止频率为: c一+ 21T Teu当取 e 二 T 时，T = hT = 5 (u + 3T )= 20Tu su u euu ss将式(3.20)代入式(3.19)得:1 ( 121 20ts+4Ts320Ts则电压环控制系统频带宽度 f 为: bvbvo =32兀20T x 2兀沁 0.024fs3.19)3.20)3.21)3.22)式中 f PWM 开关频率。 s