用于抑制電壓閃變的ＤＳＴＡＴＣＯＭ模糊自適應整定ＰＩ控制

摘要:DSTATCOM采用直接電流控制方法來抑制由于波動性負荷引起的電壓閃變時，其無功電流的跟蹤性能對裝置的抑制效果起著決定性的作用#65377;考慮到常規(guī)PI控制在設計控制器時參數(shù)整定的困難和電網參數(shù)動態(tài)變動的特性，提出利用模糊邏輯對PI控制器的參數(shù)進行在線調整，使得DSTATCOM具有很強的自適應性和魯棒性#65377;當電網參數(shù)發(fā)生變化時，DSTATCOM仍能很好的抑制電壓閃變#65377;數(shù)字仿真結果驗證了控制策略的正確性和有效性#65377;

關鍵詞:配電靜止同步補償器(DSTATCOM);電壓波動和閃變;模糊控制;PI控制

中圖分類號:TM48文獻標識碼:A

1前言

電壓閃變是一種很嚴重的暫態(tài)電能質量問題，主要由供電系統(tǒng)中的一些非線性波動性負荷引起，它會對用電設備和電網本身造成不良影響，如不加以抑制會導致設備無法正常工作[1]#65377;基于電壓閃變危害的嚴重性，近年來不少科技工作者都投入到對電壓閃變抑制的研究工作中[2]#65377;傳統(tǒng)的電壓閃變抑制裝置SVC響應慢，抑制效果不理想#65377;隨著電力電子技術的發(fā)展，基于電力電子變換器的快速電壓閃變抑制裝置在工程中得到了應用#65377;近年來有大量關于DSTATCOM用于電壓抑制閃變時的控制策略研究的文獻發(fā)表[3]，但真正在工程中得以應用的大多采用PI控制#65377;考慮到常規(guī)PI控制在設計控制器時參數(shù)整定的困難以及實際電網的動態(tài)變動特性對控制器性能的影響，本文提出了利用模糊控制對PI控制器的參數(shù)進行在線調整，使得當電網參數(shù)發(fā)生變化時DSTATCOM仍能很好的抑制電壓閃變#65377;最后給出了模糊自適應整定PI控制的數(shù)字仿真結果，驗證了模糊PI控制器的自適應性和魯棒性#65377;

2DSTATCOM抑制電壓閃變的原理

電壓閃變的抑制措施可以從改善用電設備特性#65380;提高供電能力#65380;采用補償措施等方面考慮#65377;本文將以如圖1所示的供電系統(tǒng)說明DSTATCOM抑制電壓閃變的原理#65377; 圖1DSTATCOM接入系統(tǒng)原理圖

圖中DSTATCOM裝置主電路采用電壓型逆變器(VSI)，采用PWM控制方式#65377;VS為系統(tǒng)供電電壓，RS+jXS為傳輸線等效阻抗，RP為逆變器功率開關器件的開關損耗，LP為變壓器漏感，vt為公共連接點處(PCC)電壓#65377;沖擊或波動性負荷在工作中會從配電網中吸取隨時間周期性變化或近似周期性變化的無功功率#65377;它們在傳輸線路上會產生電壓閃變#65377;在公共連接點處安裝DSTATCOM裝置，因其具有快速的動態(tài)響應性能，其發(fā)出的無功功率能動態(tài)的跟隨負荷所需的無功功率，使得負荷所需的動態(tài)無功功率完全由DSTATCOM裝置提供，注入供電系統(tǒng)的無功功率幾乎為零，由無功功率在傳輸線上產生的電壓壓降也為零，公共連接點處的電壓就不會發(fā)生快速的波動#65377;為使DSTATCOM裝置能有效的抑制由沖擊或波動性負荷引起的電壓閃變，考慮供電系統(tǒng)的動態(tài)時變特性，控制器必須具有很好的動態(tài)性能和自適應性#65380;魯棒性#65377;本文采用DSTATCOM的直接電流控制方式[4]#65377;

3控制器設計

3.1控制器工作原理

當DSTATCOM采用直接電流控制時，在dqo坐標系中，選擇d軸的方向為電壓矢量vt的方向，可得DSTATCOM與系統(tǒng)交換的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q分別為[5]:

從式(1)#65380;(2)可以看出，當PCC電壓vt為恒定值時，DSTATCOM與系統(tǒng)交換的瞬時有功功率p和ipd成正比，而瞬時無功功率q與ipq成正比，因此控制DSTATCOM與系統(tǒng)交換的瞬時有功功率和瞬時無功功率可以通過對ipd和ipq來實現(xiàn)，這樣便可實現(xiàn)有功無功的近似解耦控制#65377;控制系統(tǒng)框如 圖2所示，PWM采用三角載波比較方式產生#65377;為使直流電容電壓在動態(tài)過程中保持恒定，采用了直流電容電壓閉環(huán)控制策略#65377;直流電壓控制環(huán)采用常規(guī)PI控制，無功電流的控制采用本文下面將要詳細討論的模糊自適應整定PI(F-PI)控制(簡稱模糊PI)，用來改善無功電流的跟隨特性，進而改善DSTATCOOM抑制閃變的性能#65377;

圖2 控制系統(tǒng)框圖[JZ)]

3.2模糊自適應整定PI控制器設計

本文所設計的自適應模糊PI控制器結構圖如圖3所示#65377;

圖3 模糊自適應整定PI控制器結構圖[JZ)]

模糊參數(shù)調節(jié)器主要應用模糊集合理論建立ΔKP#65380;ΔKI與e#65380;eC的二元連續(xù)函數(shù)關系:

根據(jù)不同的輸入e#65380;eC計算出ΔKP#65380;ΔKI，最終得到:其中KP#65380;KI為當前控制器整定值#65377;

模糊參數(shù)調節(jié)器由模糊化#65380;模糊推理#65380;解模糊三部分組成:

(1)模糊化

定義控制器中輸入#65380;輸出變量的語言值均分為7個語言值:{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，隸屬度函數(shù)形式如圖4所示:

圖4隸屬度函數(shù)

模糊量e，eC論域為:這里的論域只表示區(qū)間范圍，不代表真實的值#65377;

(2)模糊推理

模糊推理的核心就是控制器參數(shù)整定規(guī)則，主要由現(xiàn)場調試和專家經驗所得#65377;當偏差產生時，控制器將發(fā)揮控制作用，以阻止偏差增大#65377;具體方法如下:

①當|e|較大，即e∈{NB，PB}時，為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能，保證KP較大，同時為避免系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調，應對KI加以限制，通常取KI=0#65377;②當|e|處于中等大小，即e∈{NM，PM}時，為避免系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調，KP應取得小些，KI的取值要適當#65377;

③當|e|取較小，e∈{NS，0，PS}時，為使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)性能，KP#65380;KI應取適當值#65377;

根據(jù)對象的實際特征和調試經驗，總結出如下規(guī)則表如表1和表2所示，其中ΔKP#65380;ΔKI論域為:[-3，-2，-1，0，1，2，3]#65377;

表1ΔKP參數(shù)調整規(guī)則表

(3)解模糊

為求取最終精確量及計算輸出控制量，解模糊采用重心法#65377;

根據(jù)公式(4)可得KP#65380;KI:

在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結果處理#65380;查表和運算，完成對PID 參數(shù)的在線自校正#65377;

4仿真研究

為了驗證模糊自適應整定PI控制器的控制效果，利用Matlab對所設計的控制器進行了數(shù)字仿真#65377;仿真對象如圖1所示#65377;

圖5#65380;圖6分別給出了DSTATCOM投運前后，PCC A相電壓/電流波形#65377;

圖5補償前PCC A相電壓/電流波形[JZ)]

圖5中，由于是感性負荷，電壓波形超前電流波形一定的角度#65377;從圖可知，未加入無功補償裝置時，隨著無功負荷的突變，負荷電流增加，電壓下降#65377;投入DSTATCOM后的電壓/電流波形如圖6所示，電壓與電流波形之間的相位差為零，功率因數(shù)也得到了很好的補償#65377;同時由于DSTATCOM的補償作用，隨著無功負荷的突變，電流/電壓始終維持在1pu.圖6補償后PCC A相電壓/電流波形[JZ)]

圖7給出了DSTSTCOM投入前PCC的電壓波形，圖8和圖9分別為采用常規(guī)PI控制和本文提出的模糊PI控制時的PCC電壓波形#65377;

圖7 補償前PCC 電壓波形[JZ)]

圖8采用PI補償后PCC電壓波形[JZ)]

從圖中可以看出，在投入DSTATCOM后，不管是采用常規(guī)的PI控制還是本文提出的模糊PI控制，電壓閃變都得到了有效的抑制#65377;這說明在固定參數(shù)條件下，通過不斷試湊PI控制器的參數(shù)，常規(guī)PI控制器與模糊PI控制器具有差不多的控制性能#65377;

為了驗證模糊PI控制的自適應性#65377;在仿真時將系統(tǒng)參數(shù)作隨機改動#65377;圖10和圖11分別給出了仿真參數(shù)作隨機改動后的采用常規(guī)PI控制和本文提出的模糊PI控制時的PCC電壓波形#65377; 圖9 采用模糊PI補償后PCC電壓波形

圖10 采用PI補償后PCC電壓波形

從圖10#65380;圖11可以看出，當系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，采用模糊PI控制的DSTATCOM比常規(guī)PI控制的DSTATCOM仍有很好的抑制電壓閃變的性能好得多#65377;表明模糊PI控制具有很強的自適應性和魯棒性，適合于DSTATCOM用于抑制電壓閃變的控制#65377;

5結論

(1)DSTATCOM采用直接電流控制時不但能有效的抑制因波動性負荷引起的電壓閃變，而且在抑制電壓閃變的同時能很好的補償無功功率提高功率因數(shù);

(2)采用模糊PI控制的DSTATCOM比常規(guī) 圖11采用模糊PI補償后PCC電壓波形PI控制相具有更強的自適應性和魯棒性，適合于動態(tài)變化的電力系統(tǒng)，能更好的抑制電壓閃變，改善電壓質量; (3)本文的控制器設計是在認為系統(tǒng)電壓三相對稱且無畸變#65380;負載電流不含諧波的情況下設計的，綜合考慮以上各種因數(shù)的DSTATCOM的控制器設計與工程應用將是下一步研究要解決的問題#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。