基于UPFC的模糊PI自整定控制策略研究

申楊帆 劉建業(yè)

（河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊050018）

0 引言

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）在線路中具有非常強大而靈活的電壓調(diào)節(jié)、串聯(lián)補償和移相的能力。UPFC裝置所采取的控制策略非常多，如雙環(huán)PI解耦控制、交叉解耦控制、模糊控制等。本文對UPFC并聯(lián)側(cè)采取雙環(huán)PI解耦控制，UPFC的串聯(lián)側(cè)主要功能是根據(jù)系統(tǒng)裝置的容量，快速調(diào)節(jié)線路中的有功和無功潮流。然后，利用Matlab軟件建立所采用的控制策略的模型，進行仿真驗證。

1 UPFC的結(jié)構(gòu)及其原理

UPFC結(jié)構(gòu)及其原理如圖1所示，它主要由并聯(lián)和串聯(lián)兩個電壓源型變流器構(gòu)成，并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)通過一個直流電容相連。并聯(lián)側(cè)VSC1通過一個耦合變壓器Tsh與線路相連，串聯(lián)側(cè)VSC2通過一個交接變壓器Tse和線路相連。

圖1 UPFC結(jié)構(gòu)及其原理圖

串聯(lián)變流器通過變壓器Tse向線路提供一個與輸電線路串聯(lián)的補償電壓，串聯(lián)變流器與輸電線路既交換有功功率，也交換無功功率。在不計UPFC自身功率損耗的情形下，UPFC控制裝置從線路中吸收的有功功率等于向線路中提供的有功功率，以維持整個系統(tǒng)的平衡。直流母線上是沒有無功功率流動的，所以串聯(lián)和并聯(lián)換流器之間也就沒有無功功率的交換。

2 UPFC的模糊PI自整定控制策略

本文所采用的這種模糊PI自整定控制策略是模糊控制和PI控制相結(jié)合的一種控制策略，這種控制策略既可以使系統(tǒng)具備PI控制策略簡單、無靜差的優(yōu)點，也可以達到很強的魯棒性和抗干擾能力。圖2是模糊PI自整定控制器的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 模糊PI自整定控制器結(jié)構(gòu)圖

3 UPFC系統(tǒng)控制策略

3.1 VSC1控制策略

UPFC并聯(lián)側(cè)VSC1的主要作用是通過發(fā)出或吸收無功功率來維持接入點交流母線的電壓，以及維持直流側(cè)電容兩端電壓。變流器VSC1采用的控制策略是雙環(huán)PI解耦控制，在傳統(tǒng)的PI控制策略上，電容電壓直接引入直流負載電流作為前饋控制，這種方式的反饋參數(shù)容易獲取，并且有利于串聯(lián)換流器和并聯(lián)換流器的單獨設(shè)計和運行。

圖3是UPFC并聯(lián)側(cè)變流器的電路模型。

并聯(lián)變流器主電路開關(guān)器件由二極管和IGBT反并聯(lián)組成一個三相橋式逆變結(jié)構(gòu)，根據(jù)基爾霍夫定律，并聯(lián)變流器電壓狀態(tài)方程為：

圖3 UPFC并聯(lián)變流器電路模型

直流側(cè)電壓方程為：

因為在逆變橋中同一橋臂兩個開關(guān)管不能同時導(dǎo)通，所以其開關(guān)Si的值為0或1。值為1時，i相上橋臂導(dǎo)通；值為0時，i相下橋臂導(dǎo)通。其中，i=a，b，c。

根據(jù)Clark變換和Park變換，由三相靜止坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)，得到dq坐標(biāo)方程為：

式中，w為該系統(tǒng)中的角頻率。

3.2 VSC2控制策略

UPFC串聯(lián)側(cè)VSC2換流器作用是在裝置的容量范圍內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)的需要調(diào)節(jié)所在線路中的有功和無功潮流，以維持系統(tǒng)的平衡。所采用的控制策略是一種模糊PI自整定控制策略。在該控制策略中需要首先得到準確值PL、QL與參考值PLref、QLref相比較的誤差，然后進行PI控制，對數(shù)據(jù)進行在線修改，通過模糊控制得出ΔKp、ΔTi，經(jīng)PI控制得出Vf、Ve，最后得出所需要的VSC2的調(diào)制比和觸發(fā)角θse、mse。

3.3 模糊PI自整定控制策略的實現(xiàn)過程

在k時刻時，通過模糊PI自整定控制器1的輸入得到所需要的誤差和誤差變化率，即：

所設(shè)計的模糊PI自整定控制策略的模糊集合論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，模糊子集為負大（NB）、負中（NM）、負小（NS）、零（ZE）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。其中模糊控制器的輸出模糊論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，因為在模糊控制器中需要把變量進行分檔，所以需要運用隸屬度函數(shù)進行操作，即：

模糊規(guī)則的制定和模糊規(guī)則表的推導(dǎo)由文獻[4]給出。輸出比例因子的選取也非常重要，是由模糊PI自整定控制器的模糊輸出ΔKP和ΔTI分別除以Kup和Kui得到的，即：

4 仿真分析

本文通過軟件Matlab進行仿真驗證，搭建了UPFC主電路仿真以及控制策略的模型，對其可行性進行了研究。

4.1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)的仿真參數(shù)為：大電網(wǎng)電壓有效值為380 V，最大值為537 V，直流電容兩端電壓為600 V，電容為0.005 F，線路中的點電抗為0.06 H；串聯(lián)側(cè)模糊PI自整定控制器中的參數(shù)為Kp1=12，Ti1=0.001 2，Kp2=30，Ti2=0.002；量化因子為Ke=Kec=0.001；輸出的比例因子為Kup1=0.1，Kui1=0.000 5，Kup2=0.5，Kui2=0.000 2。

4.2 仿真結(jié)果分析

通過對搭建的模型進行運行調(diào)試，使其達到所需要的要求，下面對線路中補償電壓幅值進行分析。

由圖4可以看出補償電壓的幅值在0.05 s時是0 V，因為當(dāng)時UPFC裝置剛接入整個電路中，然后0.05～0.35 s之間補償電壓幅值波動比較大，最大達到了270 V，0.35 s之后補償電壓維持穩(wěn)定狀態(tài)，保持在230 V左右，由此可以看出系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 補償電壓Use幅值

因為直流電容兩端電壓給定的是600 V，由圖5可以看出直流電容兩端電壓在整個過程中維持在600 V左右，波動較小，整個系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

圖5 直流電容兩端電壓

5 結(jié)語

本文針對UPFC應(yīng)用了模糊PI自整定控制策略，并對其進行了仿真驗證，證明了該控制策略的可行性。該控制策略具有很好的魯棒性，能更好地抑制故障所造成的系統(tǒng)振蕩，線路中的補償電壓Use和直流電容值達到了預(yù)期目標(biāo)，實現(xiàn)了快速控制潮流的效果。