一种微网SVG多目标配置的控制方法

摘要

一种微网SVG多目标配置的控制方法，本发明包括目标配置规则和误差校正控制器两大部分。本发明的有益效果为，通过广义比例积分控制结构和双位控制结构的相互配合，达到对包含了基波及主要特征谐波的不同频率周期信号无差跟踪的目的，提高跟踪控制精度，实现SVG实际输出电流对其指令电流的精确跟踪。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微网SVG多目标配置的控制方法，特别涉及到一种基于目标配置的 微网多目标SVG广义比例积分误差校正控制方法，SVG是指由自换相的电力半导体桥式 变流器构成的静止无功发生器。

背景技术

随着SVG在电网的广泛应用，在SVG对电压支撑、无功补偿、谐波治理等方面都 具有较好的效果，但如何利用适合的控制方法从而充分利用SVG容量，越来越受到重视。 SVG多目标控制的控制变量主要有电压、电流、功率因数、电压畸变率、电流畸变率等。 在SVG容量配置过程中，这些变量之间存在着相互影响，使得建立精确的数学模型不可 行，也使得传统的PID控制方式变得不适用。现阶段SVG的应用主要是只补偿无功或者 只进行谐波治理，SVG的容量没有得到充分的利用，存在很大的资源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种微网SVG多目标配置的控制方法。

为实现上述的目的，基于目标配置的微网多目标SVG广义比例积分误差校正控制方 法的主要包括以下策略：目标配置规则和误差校正控制器。

其中，目标配置规则是根据当前实时任务目标包括电压支撑、无功补偿、谐波治理及 以上组合和公共点电压、功率因数、谐波电流、SVG直流侧电压偏差等实时采样数据， 在不超公共过SVG安全容量约束的前提下，计算SVG的补偿电流指令信号。

目标配置规则如下：以实时电压偏差阈值作为是否重点进行电压支撑的依据，以实时 功率因数作为是否需要重点进行无功补偿的依据，而将电流谐波是否超标作为是否需要 重点实施谐波补偿的依据；并且，优先级以电压支撑最高，无功补偿和谐波补偿以是否 突破安全阈值来判断其优先级，在均为突破安全阈值的情况下以无功补偿优先级高于谐 波补偿。

其中控制方法中所述的多目标配置策略具体实现方法如下：

目标配置规则以实时电压偏差阈值作为是否重点进行电压支撑的依据，以实时功率 因数作为是否需要重点进行无功补偿的依据，而将电流谐波是否超标作为是否需要重点 实施谐波补偿的依据。并且，优先级以电压支撑最高，无功补偿和谐波补偿以是否突破 安全阈值来判断其优先级，在均为突破安全阈值的情况下以无功补偿优先级高于谐波补 偿。

误差校正控制器的具体实现方法如下：

误差校正控制策略包括双位控制结构和广义比例积分控制结构，共同完成将SVG补 偿电流指令信号转变为SVG功率器件的控制脉冲信号的任务，并通过闭环控制保障SVG 实际输出的补偿电流跟踪其指令信号。

误差校正控制策略包括双位控制结构和广义比例积分控制结构，共同完成将SVG补偿电 流指令信号转变为SVG功率器件的控制脉冲信号的任务，并通过闭环控制保障SVG实际输出 的补偿电流跟踪其指令信号；

误差校正控制策略的控制率v_a(k)，v_b(k)，v_c(k)如下：

$v_a\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Ca}}\left(k\right)>e\\ 1& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Ca}}\left(k\right)<-e\\ P\left(u_{\mathrm{eqa}}^0\left(k\right)\right)& \left|{\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Ca}}\left(k\right)\right|\le e\end{array}\right)$

$v_b\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cb}}\left(k\right)>e\\ 1& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cb}}\left(k\right)<-e\\ P\left(u_{\mathrm{eqb}}^0\left(k\right)\right)& \left|{\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cb}}\left(k\right)\right|\le e\end{array}\right)$

$v_c\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cc}}\left(k\right)>e\\ 1& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cc}}\left(k\right)<-e\\ P\left(u_{\mathrm{eqc}}^0\left(k\right)\right)& \left|{\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cc}}\left(k\right)\right|\le e\end{array}\right)$

式中，边带e按照实际系统要求的谐波指标、电网谐波含量、电流跟踪速度、控制周期 大小来确定；Δi_Ca(k)、Δi_Ca(k)、Δi_Cc(k)分别是需要补偿的参考电流信号。为对应的开关状态，在上述控制率中定义为广义积分比例控制量；

当参考电流信号与SVG实际输出电流的误差信号|Δi|＞e时，误差校正控制器采用双位控制 结构，加速减小误差电流直至|Δi|＜e，这可以降低对控制周期的要求，减少控制器实现的难 度和逆变器的开关频率，从而降低开关损耗；

当|Δi|＜e时，误差校正控制器切换至广义比例积分结构，通过广义比例积分控制算法来 求取控制量及其对应的开关状态进一步减小电流误差。广义积分器是对非 直流量的周期信号进行积分操作的，能够保证周期量系统无稳态周期误差，因此系统控制策 略中将包含基波和谐波的周期特征，符合系统控制要求；

广义比例积分控制结构的算法是：

包含多频率谐波分量的电流信号，h次谐波广义积分器可以将该h次谐波分离，并得到 该h次谐波的幅值积分信号，该信号是单一频率(角频率为hω_s)的正弦周期信号，即广义积 分器实现了对h次谐波的幅值积分控制，而不会将正弦信号积分成余弦信号；因此，广义积 分器不仅可以将某单一频率信号分离，而且可以对周期信号实现类似于经典PID控制中积分器 I的作用，实现周期信号的无静差跟踪；

对于频率为hω_s的h次谐波信号，其广义积分器为

$G_h\left(s\right)=\frac{2s}{s^2+{\left({\mathrm{h\omega }}_s\right)}^2}$

其广义比例积分控制为

$G_{\mathrm{ch}}\left(s\right)=\frac{{2K}_{\mathrm{Ph}}{K}_{\mathrm{Ih}}s}{s^2+{\left({\mathrm{h\omega }}_s\right)}^2}$

式中，K_Ph、K_Ih分别为对h次谐波的比例系数和积分系数。

其中，在SVG实际输出电流偏差较大时，误差校正控制器直接采用双位控制结构快 速减小偏差；在偏差减小到一定范围后，双位控制难以实现对周期性信号的无差跟踪， 此时误差校正控制器采用广义比例积分控制结构，实现对不同频率周期信号(包括基波 及主要特征次谐波)的无差跟踪，提高跟踪控制精度，实现SVG实际输出电流对其指令 电流的跟踪。

本发明的有益效果为，通过广义比例积分控制结构和双位控制结构的相互配合，达到 对包含了基波及主要特征谐波的不同频率周期信号无差跟踪的目的，提高跟踪控制精度， 实现SVG实际输出电流对其指令电流的精确跟踪。

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是基于目标配置的广义比例积分误差校正控制策略框图；

图2是目标配置规则流程图；

图3是误差校正控制器结构图；

图4广义比例积分控制算法框图；

图5是m次信号广义比例积分控制器实现方法。

具体实施方式

一种微网SVG多目标配置的控制方法，本发明包括目标配置规则和误差校正控制器两大 部分，其中：

目标配置规则是根据电压支撑、无功补偿、谐波治理及以上组合等当前实时任务目标和 公共点电压、功率因数、谐波、SVG直流侧电压偏差等实时采样数据，在不超过SVG安全容 量约束的前提下，计算SVG的补偿电流指令信号；误差校正控制器包括双位控制结构和广义 比例积分控制结构，共同完成将SVG补偿电流指令信号转变为SVG功率器件的控制脉冲信号 的任务，并通过闭环控制保障SVG实际输出的补偿电流跟踪其指令信号。

本发明包含的目标配置规则如下：

以实时电压偏差阈值作为是否重点进行电压支撑的依据，以实时功率因数作为是否需 要重点进行无功补偿的依据，而将电流谐波是否超标作为是否需要重点实施谐波补偿的 依据；并且，优先级以电压支撑最高，无功补偿和谐波补偿以是否突破安全阈值来判断 其优先级，在均为突破安全阈值的情况下以无功补偿优先级高于谐波补偿。

本发明包含的误差校正控制器如下：

误差校正控制策略包括双位控制结构和广义比例积分控制结构，共同完成将SVG补偿电 流指令信号转变为SVG功率器件的控制脉冲信号的任务，并通过闭环控制保障SVG实际输出 的补偿电流跟踪其指令信号；

误差校正控制策略的控制率v_a(k)，v_b(k)，v_c(k)如下：

$v_a\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Ca}}\left(k\right)>e\\ 1& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Ca}}\left(k\right)<-e\\ P\left(u_{\mathrm{eqa}}^0\left(k\right)\right)& \left|{\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Ca}}\left(k\right)\right|\le e\end{array}\right)$

$v_b\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cb}}\left(k\right)>e\\ 1& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cb}}\left(k\right)<-e\\ P\left(u_{\mathrm{eqb}}^0\left(k\right)\right)& \left|{\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cb}}\left(k\right)\right|\le e\end{array}\right)$

$v_c\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cc}}\left(k\right)>e\\ 1& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cc}}\left(k\right)<-e\\ P\left(u_{\mathrm{eqc}}^0\left(k\right)\right)& \left|{\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cc}}\left(k\right)\right|\le e\end{array}\right)$

式中，边带e按照实际系统要求的谐波指标、电网谐波含量、电流跟踪速度、控制周期 大小来确定；Δi_Ca(k)、Δi_Ca(k)、Δi_Cc(k)分别是需要补偿的参考电流信号。为对应的开关状态，在上述控制率中定义为广义积分比例控制量；

当参考电流信号与SVG实际输出电流的误差信号|Δi|＞e时，误差校正控制器采用双位控制 结构，加速减小误差电流直至|Δi|＜e，这可以降低对控制周期的要求，减少控制器实现的难 度和逆变器的开关频率，从而降低开关损耗；

当|Δi|＜e时，误差校正控制器切换至广义比例积分结构，通过广义比例积分控制算法来 求取控制量及其对应的开关状态进一步减小电流误差。广义积分器是对非 直流量的周期信号进行积分操作的，能够保证周期量系统无稳态周期误差，因此系统控制策 略中将包含基波和谐波的周期特征，符合系统控制要求；

广义比例积分控制结构的算法是：

包含多频率谐波分量的电流信号，h次谐波广义积分器可以将该h次谐波分离，并得到 该h次谐波的幅值积分信号，该信号是单一频率(角频率为hω_s)的正弦周期信号，即广义积 分器实现了对h次谐波的幅值积分控制，而不会将正弦信号积分成余弦信号；因此，广义积 分器不仅可以将某单一频率信号分离，而且可以对周期信号实现类似于经典PID控制中积分器 I的作用，实现周期信号的无静差跟踪；

对于频率为hω_s的h次谐波信号，其广义积分器为

$G_h\left(s\right)=\frac{2s}{s^2+{\left({\mathrm{h\omega }}_s\right)}^2}$

其广义比例积分控制为

$G_{\mathrm{ch}}\left(s\right)=\frac{{2K}_{\mathrm{Ph}}{K}_{\mathrm{Ih}}s}{s^2+{\left({\mathrm{h\omega }}_s\right)}^2}$

式中，K_Ph、K_Ih分别为对h次谐波的比例系数和积分系数。

参见图1，该控制策略包括目标配置规则和误差校正控制器两大部分。其中，目标配置规 则是根据当前实时任务目标(电压支撑/无功补偿/谐波治理及其以上组合)和公共点电压、功 率因数、谐波、SVG直流侧电压偏差等实时采样数据，在不超过SVG安全容量约束的前提 下，计算SVG的补偿电流指令信号。误差校正控制器完成将SVG补偿电流指令信号转变为 SVG功率器件的控制脉冲信号的任务，并通过闭环控制保障SVG实际输出的补偿电流跟踪 其指令信号。其中，在SVG实际输出电流偏差较大时，误差校正控制器直接采用双位控制结 构快速减小偏差；在偏差减小到一定范围后，双位控制难以实现周期性信号的无差跟踪，此 时误差校正控制器采用广义比例积分控制结构，实现对不同频率周期信号(包括基波及主要 特征谐波)的无差跟踪，提高跟踪控制精度，实现SVG实际输出电流对其指令电流的跟踪。

参照附图2，首先确定SVG安全容量约束，安全容量约束＝SVG设计容量-容量安全 裕度-直流侧电容电压维稳容量，直流侧电容电压的稳定是SVG正常工作所必须的，所以 是首先要保证的，且由于直流侧电容电压在波动，因此该安全容量约束是动态的。然后， 确定各项指标阈值，包括PCC电压安全范围(超过该范围即启动电压支撑功能)、谐波越 限阈值(以国标为准)、功率因数范围(在此暂用0.95～0.99)等。另外，图2中的当电 网工作在重载下，退出；不在重载时，在容量约束下计算补偿系数，就是指在上述SVG 安全容量约束的前提下，计算指令电流的补偿系数，若此时指令电流的幅值在安全容量 约束之内，则补偿系数为1，若指令电流幅值超过安全容量约束，也就是说SVG不可能 产生足够大的补偿电流，则补偿系数＜1，并等于SVG等效最大补偿电流除以计算得出的 指令电流。

第二步是实时采集计算系统功率因数和5、7、11、13、15、17这几次主要谐波电流。接 下来对负荷功率因数进行判断，根据其差异主要分以下逻辑进行控制：(1)功率因数不 在0.9至0.99之间，此时表明系统的功率因数严重偏低或者是系统过补偿，此时无功的 动态调整将成为最关键的因素，因此将各次谐波的比例积分系数置零后进入具体控制算 法，相当于系统将全部容量仅用于对无功的补偿；(2)功率因数在0.9至0.99之间，此 时表明系统无功补偿方面不存在较大问题，还需再行判断谐波电流是否超标，以确认补 偿的重点，这中间同样也分为两个不同逻辑：(a)谐波电流未超出国标，此时表明系统 当前条件下的电能质量是基本可以接受的，只需在线选取2～3个频率含量较高的谐波， 其余谐波比例积分系数置零，进入具体控制算法，相当于对无功和个别频率的主要谐波 进行综合补偿，以达到进一步提升综合电能质量的目的；(b)有谐波电流超标，此时表 明谐波成为影响电能质量的主要问题，原则上系统容量的分配需要尽量以谐波治理为主， 但若此时的功率因数也刚过0.9，则有可能由于将容量全部用于谐波补偿，在下个控制周 期又使得功率因数不合格，则补偿策略又必须回到以基波无功为主，从而导致系统在两 种基本策略之间来回震荡，对系统电能质量的稳定及改善毫无益处，因此需再次判断功 率因数是否在0.95以上。若高于0.95则基本可以确保系统即使将全部容量用于谐波补偿 也不至于使得功率因数不达标，在这种情况下可以将基波的比例积分控制系数置零，将 基本策略定为完全以超标的谐波补偿为主；若低于0.95，为避免系统基本控制策略的震 荡反复，将以基本无功和谐波的综合补偿为主。确定无功与谐波补偿的主次并配置完成 相应比例积分控制系数后，即可进入广义比例积分误差校正控制算法，获取SVG控制所 需的PWM脉冲信号。

参见附图3，其控制率如下：

$v_a\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Ca}}\left(k\right)>e\\ 1& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Ca}}\left(k\right)<-e\\ P\left(u_{\mathrm{eqa}}^0\left(k\right)\right)& \left|{\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Ca}}\left(k\right)\right|\le e\end{array}\right)---\left(1\right)$

$v_b\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cb}}\left(k\right)>e\\ 1& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cb}}\left(k\right)<-e\\ P\left(u_{\mathrm{eqb}}^0\left(k\right)\right)& \left|{\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cb}}\left(k\right)\right|\le e\end{array}\right)---\left(2\right)$

$v_c\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cc}}\left(k\right)>e\\ 1& {\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cc}}\left(k\right)<-e\\ P\left(u_{\mathrm{eqc}}^0\left(k\right)\right)& \left|{\mathrm{\Delta i}}_{\mathrm{Cc}}\left(k\right)\right|\le e\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，边带e按照实际系统的要求(谐波指标、电网谐波含量、电流跟踪速度、控制周 期大小等)确定。当误差电流|Δi|＞e时，误差控制器采用双位控制结构，这可以快速减小电 流误差到e，降低对控制周期的要求，降低控制器实现的难度和逆变器的开关频率，从而降 低开关损耗。

为对应的开关状态，在上述控制率中定义为广义比例积分控制量， 当电流误差|Δi|＜e时启动广义比例积分控制，进一步减小误差。广义积分器是对非直流量的 周期信号进行积分操作的，能够保证周期量系统无稳态周期误差，因此系统控制策略中将包 含基波和谐波的周期特征，符合系统控制要求。

误差校正控制的特点在于：

●电流跟踪误差超过一定边带范围时，系统将在较简单的双位控制下工作，是基于瞬时 值信息的，电流跟踪误差按照其梯度方向快速减小，使系统具有良好的动态性能。

●当电流跟踪误差在给定边带范围之内时，引入基于广义比例积分控制算法的等效控 制，是基于系统周期特征信息的，实现系统控制的无稳态周期误差，从而使系统具有良好的 稳态性能。

系统控制器结构在给定的误差边带切换，降低了对开关频率的要求，易于实现。切换边 带两侧的变开关频率调节与切换边带内的固定开关频率的组合方式，逆变器开关毛刺易于抑 制，将显著降低电网电流中的高频开关毛刺分量。

参见图4，包含多频率谐波分量的电流信号，h次谐波广义积分器可以将该h次谐波分离， 并得到该h次谐波的幅值积分信号，该信号是单一频率(角频率为hω_s)的正弦周期信号，即 广义积分器实现了对h次谐波的幅值积分控制，而不会将正弦信号积分成余弦信号。因此， 广义积分器不仅可以将某单一频率信号分离，而且可以对周期信号实现类似于经典PID控制中 积分器I的作用，实现周期信号的无静差跟踪。

对于频率为hω_s的h次谐波信号，其广义积分器为

$G_h\left(s\right)=\frac{2s}{s^2+{\left({\mathrm{h\omega }}_s\right)}^2}$

其广义比例积分控制为

$G_{\mathrm{ch}}\left(s\right)=\frac{{2K}_{\mathrm{Ph}}{K}_{\mathrm{Ih}}s}{s^2+{\left({\mathrm{h\omega }}_s\right)}^2}$

式中，K_Ph、K_Ih分别为对h次谐波的比例系数和积分系数。

引入广义比例积分控制算法有以下特点：

●以广义比例积分控制算法的控制量作为误差校正控制器的等效控制，在控制策略中增加 了系统的周期特征信息，实现了无稳态周期误差的系统控制，保证了SVG的良好性能。

●广义比例积分控制算法充分利用了以前的控制量信息，使得控制量的计算大大简化，易 于实现，可缩短控制周期，加快控制系统的响应速度。

●只在电流跟踪误差缩小到一定范围内，才将广义比例积分控制算法的控制量投入控制系 统，克服了传统广义积分器控制的稳态到达时间较长的缺点，提高了系统的快速性。

●在系统接近稳态时，逆变器的开关频率固定，输出滤波器将有效的抑制开关毛刺，电网 电流以及滤波器支路电流的高频开关毛刺含量都将大大减小。