摘要:DSTATCOM采用直接電流控制方法來抑制由于波動(dòng)性負(fù)荷引起的電壓閃變時(shí)，其無功電流的跟蹤性能對(duì)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(shè)計(jì)控制器時(shí)參數(shù)整定的困難和電網(wǎng)參數(shù)動(dòng)態(tài)變動(dòng)的特性，提出利用模糊邏輯對(duì)PI控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，使得DSTATCOM具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性#65377;當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，DSTATCOM仍能很好的抑制電壓閃變#65377;數(shù)字仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的正確性和有效性#65377;

關(guān)鍵詞:配電靜止同步補(bǔ)償器(DSTATCOM);電壓波動(dòng)和閃變;模糊控制;PI控制

中圖分類號(hào):TM48文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1前言

電壓閃變是一種很嚴(yán)重的暫態(tài)電能質(zhì)量問題，主要由供電系統(tǒng)中的一些非線性波動(dòng)性負(fù)荷引起，它會(huì)對(duì)用電設(shè)備和電網(wǎng)本身造成不良影響，如不加以抑制會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作[1]#65377;基于電壓閃變危害的嚴(yán)重性，近年來不少科技工作者都投入到對(duì)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(yīng)慢，抑制效果不理想#65377;隨著電力電子技術(shù)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(yīng)用#65377;近年來有大量關(guān)于DSTATCOM用于電壓抑制閃變時(shí)的控制策略研究的文獻(xiàn)發(fā)表[3]，但真正在工程中得以應(yīng)用的大多采用PI控制#65377;考慮到常規(guī)PI控制在設(shè)計(jì)控制器時(shí)參數(shù)整定的困難以及實(shí)際電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)變動(dòng)特性對(duì)控制器性能的影響，本文提出了利用模糊控制對(duì)PI控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，使得當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)DSTATCOM仍能很好的抑制電壓閃變#65377;最后給出了模糊自適應(yīng)整定PI控制的數(shù)字仿真結(jié)果，驗(yàn)證了模糊PI控制器的自適應(yīng)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(shè)備特性#65380;提高供電能力#65380;采用補(bǔ)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(guān)器件的開關(guān)損耗，LP為變壓器漏感，vt為公共連接點(diǎn)處(PCC)電壓#65377;沖擊或波動(dòng)性負(fù)荷在工作中會(huì)從配電網(wǎng)中吸取隨時(shí)間周期性變化或近似周期性變化的無功功率#65377;它們?cè)趥鬏斁€路上會(huì)產(chǎn)生電壓閃變#65377;在公共連接點(diǎn)處安裝DSTATCOM裝置，因其具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，其發(fā)出的無功功率能動(dòng)態(tài)的跟隨負(fù)荷所需的無功功率，使得負(fù)荷所需的動(dòng)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(chǎn)生的電壓壓降也為零，公共連接點(diǎn)處的電壓就不會(huì)發(fā)生快速的波動(dòng)#65377;為使DSTATCOM裝置能有效的抑制由沖擊或波動(dòng)性負(fù)荷引起的電壓閃變，考慮供電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)時(shí)變特性，控制器必須具有很好的動(dòng)態(tài)性能和自適應(yīng)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(shè)計(jì)

3.1控制器工作原理

當(dāng)DSTATCOM采用直接電流控制時(shí)，在dqo坐標(biāo)系中，選擇d軸的方向?yàn)殡妷菏噶縱t的方向，可得DSTATCOM與系統(tǒng)交換的瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q分別為[5]:

從式(1)#65380;(2)可以看出，當(dāng)PCC電壓vt為恒定值時(shí)，DSTATCOM與系統(tǒng)交換的瞬時(shí)有功功率p和ipd成正比，而瞬時(shí)無功功率q與ipq成正比，因此控制DSTATCOM與系統(tǒng)交換的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率可以通過對(duì)ipd和ipq來實(shí)現(xiàn)，這樣便可實(shí)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(chǎn)生#65377;為使直流電容電壓在動(dòng)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(xì)討論的模糊自適應(yīng)整定PI(F-PI)控制(簡(jiǎn)稱模糊PI)，用來改善無功電流的跟隨特性，進(jìn)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(yīng)整定PI控制器設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊PI控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示#65377;

圖3 模糊自適應(yīng)整定PI控制器結(jié)構(gòu)圖[JZ)]

模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器主要應(yīng)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(guān)系:

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

模糊參數(shù)調(diào)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(gè)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?yàn)?這里的論域只表示區(qū)間范圍，不代表真實(shí)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(chǎng)調(diào)試和專家經(jīng)驗(yàn)所得#65377;當(dāng)偏差產(chǎn)生時(shí)，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(dāng)|e|較大，即e∈{NB，PB}時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能，保證KP較大，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)KI加以限制，通常取KI=0#65377;②當(dāng)|e|處于中等大小，即e∈{NM，PM}時(shí)，為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，KP應(yīng)取得小些，KI的取值要適當(dāng)#65377;

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

根據(jù)對(duì)象的實(shí)際特征和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出如下規(guī)則表如表1和表2所示，其中ΔKP#65380;ΔKI論域?yàn)?[-3，-2，-1，0，1，2，3]#65377;

表1ΔKP參數(shù)調(diào)整規(guī)則表

(3)解模糊

為求取最終精確量及計(jì)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(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理#65380;查表和運(yùn)算，完成對(duì)PID 參數(shù)的在線自校正#65377;

4仿真研究

為了驗(yàn)證模糊自適應(yīng)整定PI控制器的控制效果，利用Matlab對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了數(shù)字仿真#65377;仿真對(duì)象如圖1所示#65377;

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

圖5補(bǔ)償前PCC A相電壓/電流波形[JZ)]

圖5中，由于是感性負(fù)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(bǔ)償裝置時(shí)，隨著無功負(fù)荷的突變，負(fù)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(bǔ)償#65377;同時(shí)由于DSTATCOM的補(bǔ)償作用，隨著無功負(fù)荷的突變，電流/電壓始終維持在1pu.圖6補(bǔ)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(shí)的PCC電壓波形#65377;

圖7 補(bǔ)償前PCC 電壓波形[JZ)]

圖8采用PI補(bǔ)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(yàn)證模糊PI控制的自適應(yīng)性#65377;在仿真時(shí)將系統(tǒng)參數(shù)作隨機(jī)改動(dòng)#65377;圖10和圖11分別給出了仿真參數(shù)作隨機(jī)改動(dòng)后的采用常規(guī)PI控制和本文提出的模糊PI控制時(shí)的PCC電壓波形#65377; 圖9 采用模糊PI補(bǔ)償后PCC電壓波形

圖10 采用PI補(bǔ)償后PCC電壓波形

從圖10#65380;圖11可以看出，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，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(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性，適合于DSTATCOM用于抑制電壓閃變的控制#65377;

5結(jié)論

(1)DSTATCOM采用直接電流控制時(shí)不但能有效的抑制因波動(dòng)性負(fù)荷引起的電壓閃變，而且在抑制電壓閃變的同時(shí)能很好的補(bǔ)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(bǔ)償后PCC電壓波形PI控制相具有更強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性，適合于動(dòng)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(zhì)量; (3)本文的控制器設(shè)計(jì)是在認(rèn)為系統(tǒng)電壓三相對(duì)稱且無畸變#65380;負(fù)載電流不含諧波的情況下設(shè)計(jì)的，綜合考慮以上各種因數(shù)的DSTATCOM的控制器設(shè)計(jì)與工程應(yīng)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(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。