動態電壓恢復器復合控制策略研究*

師 維

(海軍駐寶雞某軍事代表室 寶雞 721006)

動態電壓恢復器復合控制策略研究*

師 維

(海軍駐寶雞某軍事代表室 寶雞 721006)

動態電壓恢復器(DVR)是保障電力系統電能質量經濟有效的可行方案。論文在研究動態電壓恢復器的電網電壓前饋控制加負載電壓與電容電流雙閉環反饋控制相結合的復合控制策略的基礎上,分析了反饋環節中基于滑模變結構的控制方法,雖然該方法使DVR有良好的動態性能以及負載適應性能,但穩態誤差較大。考慮到重復控制的良好穩態性能,本文提出一種將滑模變結構與重復控制相結合的控制方法,仿真及實驗結果表明該方法穩態誤差小,有效地彌補了滑模變結構控制的不足。

動態電壓恢復器; 滑模控制; 重復控制; 電壓跌落

Class Number TM76

1 引言

動態電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)可對電網電壓進行動態補償,解決電壓暫降、突升,以及系統電壓不對稱、畸變等電能質量問題。

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]以及無差拍控制、模糊控制、人工神經網絡控制、空間矢量控制等非線性控制[2]。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,因此對控制策略的研究是十分重要的。

開環控制雖然動態性能良好,但是穩態誤差較大、負載適應性較差、輸出波形有畸變和相移[3]。為減小靜態誤差,在工程應用中多采用閉環控制器,并使用PID控制實現。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、對參數變化及擾動不敏感、物理實現簡單等優點[4]。但是單純的滑模控制,狀態到達滑模面后抖振現象嚴重[5]。模糊滑模控制雖然很好地解決了抖振問題但是穩態誤差依舊太大[6]。

本文基于串聯變壓器結構的DVR系統,在電網電壓前饋控制加負載電壓與電容電流雙閉環反饋控制相結合的復合控制的基礎上,提出一種DVR的滑模變控制結合重復控制的控制策略。并對其控制效果進行了仿真研究。仿真實驗結果表明本方法動態與穩態性能良好,具有較強的魯棒性與實時性。

2 串聯變壓器型DVR數學模型

三相DVR的基本電路結構如由圖1所示[7],主電路采用全控型PWM逆變器構成,各相通過隔離變壓器串聯接入電網,為了減小系統損耗,工程應用中常在隔離變壓器的二次側加裝旁路開關,網側電壓處于正常范圍內時,旁路開關閉合,此時DVR不運行,僅當網側電壓異常時才打開旁路開關將DVR投入運行。

圖1 串聯變壓器型DVR系統結構

由圖1可得單相電壓恢復器的狀態方程為

UL=UP+UD

(1)

if=ic+il

(2)

(3)

(4)

US為電網系統電壓,ZS為系統側等效阻抗,UP為電網接入點電壓,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。

推導可得：

(5)

(6)

(7)

3 DVR的模糊滑模控制器的設計

3.1 等效滑模控制器的設計

對于DVR系統,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。定義系統誤差以及轉換函數為

e=yd-y

(8)

(9)

(10)

將式(7)～式(8)代入式(10),整理后得：

(11)

(12)

3.2 滑模控制器的設計

為使系統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

(13)

式中

(14)

假設不確定擾動項有界,即|d|≤D,為消除不確定擾動的影響,則ε應大于擾動項D,且k1>0。將切換控制器與等效滑模控制器相結合,可得滑模變結構控制器為

u=ueq+usw

(15)

3.3 穩定性證明

將式(15)代入式(11)有：

(16)

定義Lyapunov函數:

(17)

則

(18)

由于各項參數均為正數。所以

(19)

從而證明了所設計的控制器在李亞諾普夫意義下穩定。

為了保證系統在滑模控制器的作用下,能夠在任何初始狀態下運動到滑模面,加入切換控制usw可以克服干擾項的影響,提高系統對不確定擾動的魯棒性。

4 復合控制系統

4.1 重復控制基本原理

重復控制是能消除所有包含在穩定閉環內的周期性誤差的一種控制方案,其基本思想源于控制理論中的內模原理[8],常用的重復控制系統如圖2所示。

圖2 常用的重復控制系統

4.2 重復控制器的參數設計

1)N的確定,前向通道上串聯的周期延時環節Z-N使控制動作延遲一個周期進行,即:本周期檢測到的誤差信息在下一周期才開始影響控制量,使得系統下一周期的控制作用有一定的超前性。因為采樣頻率為4kHz,電網基波頻率為50Hz,所以N=4000/50=80。

2)Q(Z)的確定,只有當Q(Z)=1是系統的靜態誤差才為零,但是系統穩定又要求Q(Z)<1,故本文中Q(Z)取0.98。

4) 可調增益Kr的確定,Kr一般為小于1的正常數。Kr越小,穩定誤差越大,Kr越大,誤差收斂速度越快,穩態誤差越小[10],本文中Kr取0.8。

5) 超前環節ZK的確定,引入超前相位補償環節ZK的目的是補償相位的滯后,本文選擇K=6。

4.3 復合控制的實現

本文所提出的動態電壓器復合控制方法的原理結構如圖3所示。

圖3 復合控制原理框圖

5 系統仿真

5.1 系統建模

圖4 模糊滑模和重復控制系統仿真模型

5.2 仿真結果分析與比較

整個仿真過程中電壓從0.1s開始出現電壓暫降,0.2s恢復正常。分別對電壓暫降20%,30%,40%以及三相不平衡負載四種情況進行仿真。本文中以電壓暫降30%,負載為阻感性為例。分別采用純PI控制,模糊滑模控制重復以及本文對電壓暫降進行補償,仿真波形圖如圖5所示。

圖5 分別采用三種控制方法所得到的仿真波形圖

由仿真圖可知,采用PI控制,調節時間為30ms,超調量為3.6%,調節速度較慢且穩態誤差較大,負載電壓含有諧波成分,負載適應性較差。采用模糊滑模控制調節時間為12ms,超調量為7.0%,調節速度較快,負載適應性良好,穩態誤差較PI控制高。采用模糊滑模結合重復控制調節時間為2ms,超調量為2.0%,調節速度最快,穩態誤差較小。

6 結語

本文分析反饋環節中基于滑模變結構的控制方法,雖然該方法使DVR有良好的動態性能與負載適應性能,但穩態誤差較大。針對這一問題提出了一種DVR的滑模變控制結合重復控制的復合控制策略,其穩態性能顯著提高,并且負載適應性以及抗干擾能力較好。通過仿真實驗結果證實了本方法的有效性以及可實現性。

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A Novel Control Strategy of Dynamic Voltage Restorer

SHI Wei

(Navy Representative Office in Baoji, Baoji 721006)

Dynamic Voltage Restorer(DVR) is a practicable and economical way 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, sliding mode variable structure control in feedback control is analyzed. Although this control strategy has excellent dynamic performance as well as good anti-jamming capability, it has large static error. A novel control strategy based on sliding mode variable structure control combined with repetitive control is proposed. The simulation and test results show that the proposed strategy makes up the shortfall of fuzzy sliding mode variable structure control.

dynamic voltage restorer, sliding model control, repetitive control, voltage sag

2014年5月13日,

2014年6月27日 基金項目:國家自然科學基金(編號:51207164)資助。 作者簡介:師維,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:電能智能化控制

TM76

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.046