基于模糊滑模變結構控制的動態(tài)電壓恢復器控制策略

師 維，周衛(wèi)平，吳正國

(海軍工程大學電氣工程學院，湖北武漢 430033）

基于模糊滑模變結構控制的動態(tài)電壓恢復器控制策略

師 維，周衛(wèi)平，吳正國

(海軍工程大學電氣工程學院，湖北武漢 430033）

動態(tài)電壓恢復器(DVR）是保障電力系統(tǒng)電能質量經(jīng)濟有效的可行方案。本文在研究動態(tài)電壓恢復器的電網(wǎng)電壓前饋控制加負載電壓與電容電流雙閉環(huán)反饋控制相結合的復合控制策略的基礎上，分析反饋控制中傳統(tǒng)PI控制以及模糊控制的不足。經(jīng)過理論分析提出基于模糊滑模變結構的控制方法。仿真結果表明，該方法使DVR有良好的動靜態(tài)性能，并且較為理想地消除了傳統(tǒng)滑模變控制的抖動現(xiàn)象。

動態(tài)電壓恢復器;模糊控制;滑模控制;電壓跌落

0 引言

動態(tài)電壓恢復器 (Dynamic Voltage Restorer，DVR）可對電網(wǎng)電壓進行動態(tài)補償，解決電壓暫降、突升，以及系統(tǒng)電壓不對稱、畸變等問題。

控制策略的合理選擇是保證DVR補償效果良好的重要條件。目前研究較多的控制策略包括前饋控制、反饋控制和雙前饋加反饋復合控制等線性控制方式［1－2］以及無差拍控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制、空間矢量控制等非線性控制［3］。由于控制策略的合理與否往往直接影響DVR的補償速度和精度，因此控制策略的研究是一個熱點。

開環(huán)控制雖然動態(tài)性能良好，但是穩(wěn)態(tài)誤差較大、負載適應性較差、輸出波形有畸變和相移［4］。為減小靜態(tài)誤差，在工程應用中多采用閉環(huán)控制器，并使用PID控制實現(xiàn)。但是逆變器等非線性器件使得PID控制抗干擾能力以及負載適應能力變差。滑模變結構控制方法是一種非線性控制，具有響應迅速、對參數(shù)變化及擾動不敏感、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。但是單純的滑模控制，狀態(tài)到達滑模面后抖振現(xiàn)象嚴重［5］。

本文基于無串聯(lián)結構［6］的DVR系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓前饋控制加負載電壓與電容電流雙閉環(huán)反饋控制相結合的復合控制的基礎上，提出一種DVR的模糊滑模變的控制策略。并對其控制效果進行仿真研究。仿真結果表明，本方法有效的降低了抖振，動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能良好，具有較強的魯棒性與實時性。

1 無串聯(lián)變壓器型DVR數(shù)學模型

三單相橋構成的無串聯(lián)變壓器型DVR結構如圖1所示。3個單相橋可分別控制，控制方法靈活有效，可輸出正序、負序、零序補償電壓，可對對稱或不對稱故障進行補償。考慮到本文研究電網(wǎng)等級屬于低壓系統(tǒng)且負載對電壓穩(wěn)定性要求較高，故采用此種DVR拓撲結構。當DVR工作時，其單相等效電路圖如圖2所示。

圖1 無串聯(lián)變壓器型DVR系統(tǒng)結構Fig.1 Transformerless DVR system structure

圖2 無串聯(lián)變壓器型DVR單相等效電路圖Fig.2 Transformerless DVR single-phase equivalent circuit diagram

圖中，US為電網(wǎng)系統(tǒng)電壓;ZS為系統(tǒng)側等效阻抗;UP為電網(wǎng)接入點電壓;UD為補償電壓;UIN為逆變器輸出電壓;UL為負載電壓;ZL為負載側等效阻抗;Cf為濾波電容;Lf為濾波電感;Rf為濾波電感回路的線路電阻與逆變器有功損耗等效電阻之和;il，ic，if分別為負載電流、濾波電容電流和濾波電感電流。由圖2可得單相電壓恢復器的狀態(tài)方程為:

2 DVR的模糊滑模控制器的設計

2.1 等效滑模控制器的設計

對于DVR系統(tǒng)，控制的目標是使負載側電壓UL跟蹤給定參考電壓Uref，即輸出y跟蹤給定目標yd=Uref。定義系統(tǒng)誤差以及轉換函數(shù)為:

2.2 滑模控制器的設計

為使系統(tǒng)在擾動下滿足滑模可達條件，必須采用切換控制。為進一步消除抖振的影響，可將切換控制器設計控制律設計為:

2.3 穩(wěn)定性證明

將式(15）代入式(11）有:

從而證明了所設計的控制器在李亞諾普夫意義下穩(wěn)定。

2.4 模糊控制器的設計

模糊控制器的應用是為了減小滑模變結構控制的抖振。當系統(tǒng)在滑模面上運動時，即當切換函數(shù)s(t）為0，模糊控制器為等效控制ueq，而當系統(tǒng)在滑模面外運動時，即當切換函數(shù)s(t）不為0時，為保證系統(tǒng)在有效時間內到達滑模面，模糊控制器為加入了切換控制的傳統(tǒng)滑模變結構控制器ueq+usw。所采用的模糊控制規(guī)則如下［6］:

通過調節(jié)隸屬度函數(shù)μNZ(s）來實現(xiàn)消除抖振。本文所設計的模糊輸入輸出隸屬度函數(shù)如圖3所示。

圖3 模糊輸入輸出隸屬度函數(shù)Fig.3 Distribution of input and outputmembership functions

為保證系統(tǒng)在模糊滑模控制器的作用下，能夠在任何初始狀態(tài)下運動到滑模面，加入切換控制usw可以克服干擾項的影響，提高系統(tǒng)對不確定擾動的魯棒性，在此階段，系統(tǒng)的動態(tài)性能取決于切換函數(shù)參數(shù)，與干擾以及系統(tǒng)參數(shù)無關;當系統(tǒng)運動到滑模面后，模糊控制器使得切換控制作用消失，系統(tǒng)由等效控制作用到達平衡運行點。

3 系統(tǒng)仿真

3.1 系統(tǒng)建模

本文利用Matlab/Simulink仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真。單相復合控制系統(tǒng)仿真模型搭建如圖4所示。動態(tài)電壓恢復器系統(tǒng)參數(shù)設置分別為:電網(wǎng)電壓幅值為×220 V，基波頻率為50 Hz，濾波電感為1 mH，濾波電容為200μF，濾波電阻為0.01Ω，蓄電池電壓為400 V，PWM發(fā)生器的載波頻率為4 kHz。

圖4 模糊滑模控制系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Fuzzy slidingmode variable structure control simulationmodel

3.2 仿真結果分析與比較

整個仿真過程中電壓從0.1 s開始出現(xiàn)電壓暫降，0.2 s恢復正常。分別對電壓暫降20%，30%，40%以及三相不平衡負載4種情況進行仿真。本文中以電壓暫降30%，負載為阻感性為例。

圖5和圖6分別為使用傳統(tǒng)等效滑模控制的位置跟蹤誤差與模糊滑模控制的位置跟蹤誤差。

圖5 傳統(tǒng)等效滑模控制的位置跟蹤誤差Fig.5 The position tracking error of traditional sliding model control

圖6 模糊滑模控制的位置跟蹤誤差Fig.6 The position tracking error of fuzzy slidingmode variable structure control

圖7和圖8分別為使用傳統(tǒng)等效滑模控制的控制輸入信號與模糊滑模控制的控制輸入信號。

由圖5～圖8可見，采用基于等效控制的模糊滑模控制可以有效地消除抖振，跟蹤效果較為理想。

分別采用純PI控制、模糊PI控制以及模糊滑模控制對電壓暫降進行補償，仿真波形圖如圖9所示。

圖7 傳統(tǒng)等效滑模控制的控制輸入信號Fig.7 The input control signal of traditional slidingmodel control

圖8 模糊滑模控制的控制輸入信號Fig.8 The input control signal of fuzzy slidingmode variable structure control

由仿真圖可知，采用PI控制，調節(jié)時間為30 ms，超調量為3.6%，調節(jié)速度較慢且穩(wěn)態(tài)誤差較大，負載電壓含有諧波成分，負載適應性較差。采用模糊PI控制，調節(jié)時間為12 ms，超調量為7.2%，調節(jié)速度較快，穩(wěn)態(tài)誤差較小。采用模糊滑模控制調節(jié)時間為2 ms，超調量為1.9%，調節(jié)速度最快，穩(wěn)態(tài)誤差較模糊PI控制高，但在可接受范圍，并且負載適應性良好。

圖9 三種控制方法所得到的仿真波形圖Fig.9 The simulation waveform of three different control

3 結語

本文分析了電壓前饋加雙閉環(huán)反饋控制中，反饋環(huán)常用PI控制負載適應性差，抗干擾能力較差;而采用模糊控制PI控制穩(wěn)態(tài)誤差較大，負載適應性也有待提高;單純采用傳統(tǒng)的滑模變結構控制器，又會產(chǎn)生較大的抖振，工程上不可接受。針對這些問題提出了一種DVR的模糊滑模變的控制策略，其動態(tài)性能顯著提高，并且很好地消除了抖振現(xiàn)象，并且負載適應性以及抗干擾能力較好。通過仿真實驗證實了本方法的有效性以及可實現(xiàn)性。

［1］王智勇，吳正國，周衛(wèi)平.基于無差拍控制的線電壓檢測動態(tài)電壓恢復器［J］.電網(wǎng)技術，2009，33(19）:106－112.

WANG Zhi-yong，WU Zheng-guo，ZHOU Wei-ping.A deadbeat control based dynamic voltage restorer with line voltage detection［J］.Power System Technology，2009，33(19）:106－122.

［2］黃本潤，夏立，周衛(wèi)平，等.線電壓補償型動態(tài)電壓恢復器的雙前饋加反饋控制策略［J］.電力自動化設備，2011，31(10）:61 －64.

HUANG Ben-run，XIA Li，ZHOU Wei-ping，et al.Double feedforward plus feedback control strategy based on line voltage compensation for dynamic voltage restorer［J］.Electric Power Automation Equipment，2011，31(10）:61－64.

［3］王晶，徐愛親，翁國慶，等.動態(tài)電壓恢復器控制策略研究綜述［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(1）:145－151.

WANG Jing，XU Ai-qin，WENG Guo-qing，et al.A survey on control strategy of DVR［J］.Power System Protection and Control，2010，38(1）:145 －151.

［4］LEDWICHG G A.Compensation of distribution system voltage using DVR［J］.IEEE Trans on Power Dlivery，2002，17(4）:1030 －1036.

［5］高為炳.變結構控制的理論及設計方法［M］.北京:科學出版社，1996.

GAOWei-bing.The theory and design methods of sliding model control［M］.Beijing:Science Press，1996.

［6］姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器［M］.北京:科學出版社，2005.

JIANG Qi-rong，ZHAO Dong-yuan，CHEN Jian-ye.Active power filter［M］.Beijing:Science Press，2005.

A novel control strategy of dynam ic voltage restorer based on fuzzy sliding mode variable structure control

SHIWei，ZHOUWei-ping，WU Zheng-guo
(College of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Dynamic voltage restorer(DVR）is a practicable and economicalway to ensure the energy quality of power system.Under the study of the control strategy that combine grid voltage feed-forward control with the load voltage and capacitor current double closed-loop feedback control，the traditional proportion integration(PI）controller and fuzzy controller in feedback control is analyzed，a novel control strategy based on fuzzy sliding mode variable structure control is proposed.The theoretical analysis and the simulation results show that the proposed control strategy has excellent dynamic and static performance，eliminates the buffeting problem in traditional slidingmodel control.

dynamic voltage restorer;fuzzy control;slidingmodel control;voltage sag

TP18

A

1672－7649(2014）04－0082－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.016

2013－03－12;

2013－05－06

國家自然科學基金資助項目(51207164）

師維(1988－），男，碩士研究生，研究方向為電能智能化控制。