單相單鏈接STATCOM奇次諧波重復控制的研究

張　婷, 劉　君

(湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

單相單鏈接STATCOM奇次諧波重復控制的研究

張婷, 劉君

(湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]針對單相單鏈接STATCOM中產生的諧波問題，討論了奇次諧波重復控制。此控制方法能快速跟蹤誤差，有效的抑制電路中產生的奇次諧波，且占用的存儲器空間僅有傳統重復控制器的一半，運用簡單。討論了奇次諧波重復控制的工作原理，使用滑窗迭代法分析了控制器的穩定性，仿真驗證了奇次諧波重復控制器跟蹤誤差和抑制諧波的有效性。

[關鍵詞]STATCOM；奇次諧波重復控制；跟蹤誤差；穩定性

在電力系統中，為提高輸配電效率，向用戶提供無污染的電能，使電壓穩定是必要的。然而電壓的穩定受很多因素的影響，比如發電和輸配電環節、電網中的非線性元件等。它們都會對電網電壓造成波動。電壓波動會產生諧波，這些諧波會增加輸配電中的無功功率損耗。因此，研究電網的動態無功補償和諧波抑制，以提高電力系統的穩定性，具有十分重要的意義[1]。

在許多情況下，總諧波畸變率(THD)會隨負載的突變而惡化，因而需要在負載突變時對輸出進行快速響應來抑制諧波。對于循環非線性負載，使用一般反饋控制器達不到預期效果。奇次諧波重復控制基于內膜原理[2]，對輸出循環非線性負載系統可以實現參考信號的零誤差跟蹤[3]，有效的抑制奇次諧波[4]。在單相單鏈接STATCOM中，由非線性循環負載引起的參考信號或干擾信號的諧波電壓一般呈奇次諧波頻率[5]。因此，本文考慮選用奇次諧波重復控制器來抑制諧波并達到零誤差跟蹤效果。

本文首先討論了單相單鏈接STATCOM裝置模型，詳細論述了離散域里嵌入奇次諧波重復控制器的工作原理。利用滑窗迭代法，比較了在單相單鏈接STATCOM中一般反饋控制器和奇次諧波重復控制器的不同控制效果。仿真驗證了單相單鏈接STATCOM中采用奇次諧波重復控制器的有效性。

1單相單鏈接STATCOM的裝置模型

單相單鏈接STATCOM裝置模型[6]如圖1所示，其中iS表示變換器網側電流, us=Ussinwt為電網電壓，idc表示母線電流，udc為母線電壓。Rs為考慮濾波器電感L的等效電阻，C為直流電容，Rd為負載電阻，w為網側頻率。

圖 1　單相單鏈接STATCOM裝置模型

根據開關Ti/Di不同工作狀態，引入開關函數St：

開關函數St是系統的控制變量。變換器電壓uab在一個周期內的可能取值為：

(1)

同理母線電流idc在一個周期內的可能取值為：

(2)

根據電路理論知識被控對象模型可表示為:

(3)

將式(1)、(2)代入式(3)：

(4)

(5)

對于STATCOM系統，應設法選擇開關函數使電源側電流、直流側電壓具有期望的值。

考慮電源電流方程：

實際控制過程中由于有電容的濾波作用，直流側電壓變化不大，上式中直流側電壓用其平均值近似，有：

(6)

將式(6)在[kT,kT+T]間離散化：

(7)

顯然D(z)是一個已知時間序列的z變換, 可看作系統的擾動信號。

對(7)兩邊進行z變換，有：

(8)

圖 2　電流控制框圖

本文研究對象的主要參數為：C=850 μF，L=4.1 mH，Rs=0.2 Ω，Udc=200 V，T=100 μs。于是電流環被控對象模型：

為使輸出具有期望值i*(z) ，通常采用反饋控制。反饋控制結構如圖3所示。

圖 3　基本的輸出反饋控制結構

這里B1、B2、T1、T2都是z-1的多項式函數，d為整數。

對于STATCOM系統，采用通常的反饋控制難以獲得理想的效果，需要對控制策略進行進一步研究。

2單相單鏈接STATCOM中嵌入奇次諧波重復控制器

如圖4所示為嵌入奇次諧波重復控制器系統框圖。kr是重復控制器增益，Ur(z)為重復控制器的輸出。S(z) 為補償被控對象頻率特性的濾波器[2]，目的是提高總閉環系統的穩定性；Q(z)為低通濾波器，目的是提高系統的抗干擾能力[7-8]。

圖 4　嵌入奇次諧波重復控制器的系統控制框圖

Ga(z)的選擇應保證重復控制器不存在的情況下系統也具有較好的控制效果，這里選擇Ga(z)為傳統的PI控制器形式，且：

由圖4可知，嵌入奇次諧波重復控制器傳遞函數可表示為:

(9)

為了簡化控制，與一般傳統重復控制器相同[3]，本文取Q(z)=0.95。延遲周期N=fs/f, fs裝置的開關頻率，f為電網的基波頻率。本文中選擇fs=10 kHz，f=50 Hz，對應Ts=T=100 μs。

通常0

嵌入奇次諧波重復控制器傳遞函數(9)可表示為:

(10)

嵌入奇次諧波重復控制器系統傳遞函數為:

(11)

嵌入奇次諧波重復控制器校正后系統傳遞函數bode圖見圖5。

圖 5　嵌入奇次諧波重復控制器校正后系統傳遞函數bode圖

由圖5可知，在低頻段，系統幅值可以快速實現無靜差跟蹤，系統的相角在-10°～10°之間波動，有效消除諧波電流；在高頻段，幅值可達-40 dB。

3仿真結果研究

通過搭建仿真模型，對電流環采用PI控制器時嵌入奇次諧波重復控制的單相單鏈接STATCOM系統進行了仿真研究。網側電流波形及其頻譜如圖6所示。

(a)STATCOM電壓和網側電流波形

(b)網側電流的頻率分析圖 6　嵌入奇次諧波重復控制器校正后系統網側電流波形及其頻譜

從圖6看出，當在電流環采用PI嵌入奇次諧波重復控制，網側諧波抗干擾能力得到提升，總諧波THD減低為1.6%，明顯改善了網側電流的波形質量。與傳統重復控制器相比較，PI控制器中嵌入奇次諧波重復控制器，從仿真結果來看，系統得到優化，性能得到改善。

4總結

本文闡述了奇次諧波重復控制器在單相單鏈接STATCOM中的應用。相對于常用反饋控制器，嵌入奇次諧波重復控制器的單相單鏈接STATCOM系統電流跟隨誤差減小，奇次諧波含量降低，總諧波含量相應減小，且具有一定的抗干擾能力。所需的存儲空間減少一半，實行更加簡單。仿真結果表明，本控制器可以快速消除正弦參考電流與實際輸出交流電流間的誤差，降低了總諧波含量。

[參考文獻]

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[責任編校： 張巖芳]

Research on Odd Harmonic Repetitive Control of Single- Phase Single Link STATCOM

ZHANG Ting , LIU Jun

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：The paper discusses the odd harmonic repetitive control, aiming at solving harmonic problems caused by STATCOM. This method can be easily applied in rapid error tracking and effective suppression of odd harmonics with only half memory space of traditional repetitive control. This paper also describes the design process of odd harmonic repetitive controlling and utilizes the Sliding Window Iterative Method to analyze the controller stability. The tracking error of odd harmonics repetitive controller and effectiveness of harmonics suppression are demonstrated by simulation.

Keywords：STATCOM; odd harmonic repetitive control; tracking error; stability

[收稿日期]2015-03-11

[作者簡介]張婷(1989-)， 湖北襄陽人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為控制理論與控制工程

[文章編號]1003-4684(2016)02-0085-04

[中圖分類號]TM761

[文獻標識碼]：A