【摘 要】靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator,STATCOM) 具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、補(bǔ)償精度高、性價(jià)比高等特點(diǎn),是目前用于電力系統(tǒng)中性能最好的無功補(bǔ)償裝置。其控制策略的研究和控制器的設(shè)計(jì)也成為一個(gè)焦點(diǎn)。本文應(yīng)用逆系統(tǒng)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化解耦后,運(yùn)用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論,設(shè)計(jì)了基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的STATCOM控制器。建立了MATLAB仿真模型,取得了良好的控制效果,并與PI控制進(jìn)行了比較,結(jié)果證明此控制策略的優(yōu)越性和可行性。
【關(guān)鍵詞】STATCOM;滑模變結(jié)構(gòu);無功補(bǔ)償;控制方法
0 引言
靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是一種重要的柔性交流輸電(FACTS)設(shè)備。它以電力電子變流器為裝置核心,通過向電力系統(tǒng)注入方向與幅值均可連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的無功補(bǔ)償電流,以維持裝置接入點(diǎn)母線電壓的穩(wěn)定,同時(shí)還可以增加系統(tǒng)阻尼,提高暫態(tài)穩(wěn)定極限等[1-3]。自問世以來,就引起各國電力科研和工業(yè)界的廣泛重視,得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用,它是目前用于電力系統(tǒng)中性能最好的無功補(bǔ)償裝置。
STATCOM裝置在dq坐標(biāo)系下是一個(gè)強(qiáng)耦合、非線性的系統(tǒng),因此控制策略的設(shè)計(jì)就變得相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[4-5]采用PI控制,文獻(xiàn)[6]采用魯棒非線性控制,文獻(xiàn)[7]采用廣義的Hamilton非線性控制。但由于PI控制參數(shù)極難整定,對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)敏感,而魯棒控制等非線性控制方法理論上比較復(fù)雜。因此,本文采用了逆系統(tǒng)解耦加變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)STATCOM的控制策略希望能夠解決一定的問題。
1 STATCOM數(shù)學(xué)模型
圖1為STATCOM裝置在電力系統(tǒng)中的電路圖,圖中6個(gè)開關(guān)管組成了一個(gè)逆變器,直流側(cè)電容為儲(chǔ)能電容,通過控制逆變器輸出的電流來調(diào)節(jié)線路的無功傳輸。
式中的下標(biāo),d,q表示在dq坐標(biāo)系下的值。
根據(jù)瞬時(shí)無功檢測(cè)理論,當(dāng)派克變換的初相角與注入點(diǎn)的電壓相位相同時(shí),在dq坐標(biāo)系下, STATCOM裝置補(bǔ)償?shù)碾娏髋c無功之間的關(guān)系為Q=-3Vsdiq/2,可通過運(yùn)算得到STATCOM裝置q軸補(bǔ)償電流的指令值。
2 逆系統(tǒng)法的應(yīng)用
逆系統(tǒng)法[8]的基本思想是利用被控對(duì)象的逆系統(tǒng)將被控對(duì)象補(bǔ)償成具有線性傳遞關(guān)系的系統(tǒng),然后與其他控制方法結(jié)合,最終達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。逆系統(tǒng)方法的特點(diǎn)是:物理概念清晰,既直觀又易于理解。
圖2 滑模變結(jié)構(gòu)控制STATCOM建??驁D
由于STATCOM系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性,應(yīng)用逆系統(tǒng)法(如圖2),即在Sd,Sq前人為的串入一個(gè)逆系統(tǒng),使其輸出為Sd,Sq,逆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為:對(duì)y1,y2求a階導(dǎo)數(shù),直到表達(dá)式中顯含Sd,Sq,并設(shè)y1(a),y2(a)為v1,v2,可得到STATCOM數(shù)學(xué)模型的逆系統(tǒng)為:
可得其可觀性矩陣OT及可控性矩陣CT,經(jīng)計(jì)算,rank(CT)=2,故整個(gè)系統(tǒng)是可觀測(cè)的,也是可控的。
而矩陣A的特征值均在左半平面,故由李亞普諾夫穩(wěn)定性條件可知系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
3 滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)
滑模變結(jié)構(gòu)控制方法在動(dòng)態(tài)過程中可以根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài),有目的且不斷變化地控制輸入量,迫使系統(tǒng)按照預(yù)定的滑動(dòng)模態(tài)的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)[9]。在控制不受限的情況下,滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)可以保證全局漸近穩(wěn)定,其控制規(guī)律較其他非線性控制方法更加簡單,對(duì)模型參數(shù)和外界的干擾有很好的魯棒性,但由于切換開關(guān)非理想等因素影響,使得滑動(dòng)模態(tài)會(huì)產(chǎn)生高頻抖振。為了削弱抖振采用指數(shù)趨近律,此時(shí)有很快的收斂性能。
由滑??刂评碚摚』瑒?dòng)面為:
式中sgn(*)為符號(hào)函數(shù),*大于0時(shí)取1,小于0時(shí)取-1。使得系統(tǒng)具有良好的控制效果,響應(yīng)速度,削弱抖振的設(shè)計(jì)原則為:ε取較小,k取較大。
4 MATLAB仿真驗(yàn)證
由式(4)可得到:
Sd=(Lv1+Rid+vsd-Lwiq)/vdcSq=(Lv2+Riq+vsq-Lwid)/vdc(8)
經(jīng)dq0反變換產(chǎn)生SPWM脈沖波控制開關(guān)的通斷。
為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng),在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型進(jìn)行仿真:靠近負(fù)載側(cè)裝設(shè)STATCOM裝置,系統(tǒng)線電壓為380V,相位差為120°,頻率為50Hz,STATCOM與系統(tǒng)的連接阻抗取R=0.01Ω,L=0.35mH,直流側(cè)電容C=35mF,參考電壓vdcref=600V,直流側(cè)電容電壓PI控制參數(shù)Kp=15,K1=0.25,滑??刂茀?shù)ε1=ε2=5,k1 =k2=5000,開關(guān)頻率設(shè)置為5000Hz。
圖4 滑模變結(jié)構(gòu)控制結(jié)果
仿真結(jié)果如圖4所示,當(dāng)負(fù)載的無功功率為150kVar時(shí),STATCOM直流側(cè)電容電壓經(jīng)0.04s即達(dá)到了穩(wěn)定值,且經(jīng)過STATCOM補(bǔ)償后,系統(tǒng)輸出的無功由150kVar幾乎降為0,功率因數(shù)幾乎為1,三相電流的畸變率為4.35%,由此可見,本文設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)有很好的控制效果。
為了與傳統(tǒng)的PI控制進(jìn)行比較,對(duì)PI控制的STATCOM也進(jìn)行了仿真,在0.1s之前負(fù)載無功為150kVar,0.3s時(shí)突變?yōu)?150kVar,圖5為滑模變結(jié)構(gòu)控制時(shí)的輸電線路無功傳輸變化,經(jīng)過0.04s已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定,而PI控制時(shí)要經(jīng)過0.1s左右才達(dá)到穩(wěn)定。
圖5 補(bǔ)償無功突變時(shí)控制效果
通過仿真可以知道PI控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制都能夠取得很好的控制效果,但相比較而言,滑模變結(jié)構(gòu)控制的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性要優(yōu)于PI控制。這是由于滑模變結(jié)構(gòu)控制本身與控制對(duì)象的參數(shù)及擾動(dòng)無關(guān),因此具有更好的響應(yīng)速度和抗干擾性。
5 結(jié)論
本文對(duì)STATCOM裝置的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過派克變換后,建立了其狀態(tài)空間模型,并分析了其能控性,能觀性,及控制的穩(wěn)定性。應(yīng)用逆系統(tǒng)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化解耦后,設(shè)計(jì)了基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的STATCOM控制器。最終應(yīng)用MATLAB/Simulink搭建模型對(duì)設(shè)計(jì)的控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,與PI控制作比較,證明了滑模變結(jié)構(gòu)控制在STATCOM控制中的可行性及優(yōu)越性。
【參考文獻(xiàn)】
[1]單翀皞.包含STATCOM的電力系統(tǒng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制研究[J].2010,西南交通大學(xué).
[2]YE Yang, Kazerani Mehrdad, Quintana HV. Current source converter based STATCOM:modelling andcontrol[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2005, 20 (2):795-800.
[3]YU Qing-guang.of STATCOMLI Pei,LIU Wen-hua,etal.Overview of technologies[C]//IEEE International Conference on Electric Utility Deregulation, Restructuring and Power Technologies. 2004: 647-652.
[4]舒澤亮,等. 基于SVPWM的STATCOM電壓電流雙環(huán)控制.電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008(09).
[5]劉黎明.柔性交流輸電系統(tǒng)中電力電子裝置運(yùn)行特性分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué),2006.
[6]陳華元,王幼毅,周汝景.STATCOM魯棒非線性控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.2001(03).
[7]陳閩江,等.含STATCOM多機(jī)系統(tǒng)的廣義Hamilton非線性控制設(shè)計(jì)[J]. 高電壓技術(shù),2010(07).
[8]李春文,馮元餛.多變量非線性控制的逆系統(tǒng)方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.
[9]高為炳.變結(jié)構(gòu)控制的理論及設(shè)計(jì)方法[M].北京:科學(xué)出版社,1996.
[責(zé)任編輯:劉帥]