閆娜，魏磊，姜寧，趙剛

（國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西 西安 710065）

采用模糊控制的鏈?zhǔn)綗o功補(bǔ)償器均壓策略

閆娜，魏磊，姜寧，趙剛

（國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西 西安 710065）

為了平衡鏈?zhǔn)綗o功補(bǔ)償器（STATCOM）各H橋模塊的電容電壓，可采用硬件和軟件均壓2種方法，由于前者增加了裝置的成本和設(shè)計(jì)難度，因此提出一種采用模糊控制的鏈?zhǔn)綗o功補(bǔ)償器均壓軟件策略。通過分析鏈?zhǔn)絊TATCOM的基本工作原理，給出直流側(cè)電容電壓的整體控制；之后利用調(diào)制波與子模塊電容電壓充放電之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)一種基于模糊方法的調(diào)制波直接控制策略。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方法的可行性及優(yōu)越性。

鏈?zhǔn)綗o功補(bǔ)償器；模糊；均壓

無功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)節(jié)能降耗和改善電壓質(zhì)量的重要措施之一，基于電力電子技術(shù)的靜止無功補(bǔ)償設(shè)備，由于其動態(tài)連續(xù)補(bǔ)償、響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。低壓系統(tǒng)常采用二電平或三電平的電路拓?fù)洌邏合到y(tǒng)則廣泛使用基于H橋模塊的多電平結(jié)構(gòu)［3-4］。

由于鏈?zhǔn)綗o功補(bǔ)償器（STATCOM）每個H橋模塊的直流側(cè)存在彼此獨(dú)立的電容，加之每個模塊存在各種不同的損耗，使得各個模塊的電容電壓出現(xiàn)不平衡問題，導(dǎo)致STATCOM輸出電壓和電流出現(xiàn)畸變，影響補(bǔ)償效果，如果不加以控制，會進(jìn)一步加劇各H橋的直流電容電壓偏差，嚴(yán)重影響系統(tǒng)控制效果［5-7］。

文獻(xiàn)［8］采用脈沖循環(huán)排序的方法，在每個工頻周期，根據(jù)電容電壓的大小完成不同寬度脈沖的分配。這類方法無需增加硬件投入，原理簡單，但控制時間相對較長，在短時間內(nèi)的控制效果較差。文獻(xiàn)［9］在d-q坐標(biāo)系下完成有功功率、無功功率的解耦，對各H橋輸出的電容電壓單獨(dú)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而達(dá)到了平衡直流側(cè)電容電壓的目的。但這種方法的運(yùn)算量很大，對控制器的處理速度要求較高。

針對以上問題，本文提出一種采用模糊控制的鏈?zhǔn)綗o功補(bǔ)償器均壓軟件策略，通過模糊控制器對調(diào)制波的直接控制來平衡直流側(cè)電容電壓，以最大限度減少處理器壓力，提高電容電壓平衡控制效果，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了所提控制策略的優(yōu)越性。

1 鏈?zhǔn)絊TATCOM無功補(bǔ)償原理

所采用的鏈?zhǔn)絊TATCOM主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鏈?zhǔn)絊TATCOM主電路Fig.1 Main circuit of the cascade STATCOM

圖1中，usa,usb,usc為三相電網(wǎng)電壓；isa,isb,isc為三相電網(wǎng)電流；uca,ucb,ucc為STATCOM三相輸出電壓；ica,icb,icc為STATCOM補(bǔ)償電流；iaL,ibL,icL為三相負(fù)載電流；udc_an,udc_bn,udc_cn為各相H橋直流側(cè)電容電壓；R為線路及電抗器內(nèi)部損耗的等效電阻；L為平波電抗器及線路的等效電感。在對級聯(lián)型STATCOM建模前，先做出以下假設(shè)：1）電網(wǎng)電壓三相對稱且為無畸變的正弦波；2）三相電路對稱，等效阻抗相同；3）各個H橋模塊參數(shù)完全一致。

根據(jù)圖1所示，由基爾霍夫電流定律可以得到：

式（1）為鏈?zhǔn)絊TATCOM在三相靜止abc坐標(biāo)系下的方程，經(jīng)坐標(biāo)變換后，將其從三相靜止坐標(biāo)系下變換成兩項(xiàng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的常微分方程，可以得到：

由瞬時無功功率理論，電網(wǎng)與STATCOM交換的有功功率和無功功率分別為

因?yàn)槿軸和電網(wǎng)電壓合成矢量重合，在三相對稱系統(tǒng)中有：

將式（4）代入式（3）中得：

通過坐標(biāo)變換，可以將靜止坐標(biāo)系下變化的參數(shù)ia，ib和ic變換成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下面的直流量id，iq，方便設(shè)計(jì)無靜差控制器，且id和iq分別表示系統(tǒng)的有功電流和無功電流，通過控制它們，就可以控制有功功率和無功功率。

由于STATCOM裝置直流電容電壓的變化主要由交換的有功功率決定，即由有功電流id來決定，由STATCOM裝置的數(shù)學(xué)模型可推導(dǎo)出：

式中：δ為STATCOM輸出電壓與電網(wǎng)電壓間的相位差。

同時，具有裝備特色的課程資源建設(shè)研究也能改進(jìn)教學(xué)手段，改變機(jī)械制造相關(guān)課程中民用零件事例較多的現(xiàn)狀，增加裝備中零件制造工藝的討論與介紹，貼近學(xué)員專業(yè)，增強(qiáng)對各專業(yè)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。為有效提高老師教學(xué)效果，我們將繼續(xù)努力探索，進(jìn)行課程資源庫的建設(shè)。

因?yàn)棣暮苄?，故式?）可近似為

由式（7）可知，通過對STATCOM裝置有功電流的控制就能夠穩(wěn)定裝置的總體直流側(cè)電壓，可以通過PI控制器實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓總體平衡控制，具體如圖2所示。圖2中，為直流側(cè)電容電壓參考值；PI控制器的輸出作為電流環(huán)有功電流id的指令信號；無功電流參考值由系統(tǒng)直接給定，與實(shí)際的無功電流iq做差之后送入電流控制器，進(jìn)而生成所需要的調(diào)制信號，，，經(jīng)過PWM調(diào)制后生成所需要的PWM觸發(fā)脈沖。

圖2 鏈?zhǔn)絊TATCOM整體控制框圖Fig.2 Overall control of the cascade STATCOM

2 調(diào)制波直接均壓控制策略

圖2所示的整體控制策略僅能維持鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)直流側(cè)電壓，并未考慮各個H橋子模塊電容電壓是否平衡。對于級聯(lián)STATCOM目前已有的直流側(cè)均壓策略，主要分為硬件均壓和軟件均壓2種。考慮到采用硬件均壓策略會增加裝置的成本以及設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時現(xiàn)有軟件均壓方法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜［10-11］，因此本文提出一種基于模糊方法的鏈?zhǔn)絊TATCOM調(diào)制波直接均壓控制策略，具體如圖3所示。為控制每個功率模塊的直流側(cè)電壓等于該相平均直流電壓值，實(shí)現(xiàn)相內(nèi)直流側(cè)電容電壓平衡控制，本文在載波移相PWM調(diào)制（CPS-PWM）的基礎(chǔ)上，根據(jù)直流側(cè)電容瞬時充放電的情況，判斷某一時刻模塊單元的開關(guān)狀態(tài)的調(diào)整方向，通過上下平移每個功率模塊單元的調(diào)制波，最終實(shí)現(xiàn)相內(nèi)直流電壓平衡控制。

圖3 所設(shè)計(jì)鏈?zhǔn)絊TATCOM控制框圖Fig.3 Proposed control of the cascade STATCOM

具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

2）將上述有功電流給定值和無功電流給定值分別與STATCOM主電路實(shí)際吸收的無功電流和有功電流的偏差送入電流控制器，由此獲得STATCOM主電路的三相基準(zhǔn)調(diào)制信號uca，ucb和ucc；

3）利用整體控制獲得直流側(cè)電容電壓的實(shí)時信息，與平均電壓信息做比較后，送入模糊控制器，進(jìn)而獲得對應(yīng)H橋模塊的附加調(diào)制信號?ucai，?ucbi，?ucci。

模糊控制器的實(shí)現(xiàn)方式如下：

1）利用仿真工具M(jìn)atlab完成模糊控制器設(shè)計(jì)，利用大量的數(shù)據(jù)測試完成不同?Udci取值范圍內(nèi)對應(yīng)的最佳?ucki（k=a，b，c）；

2）將上述最佳?ucki（k=a，b，c）以表格形式存儲于裝置級微處理器中，以最大限度提高響應(yīng)速度，簡化控制程序。

模糊控制器設(shè)定的模糊控制規(guī)則為：①當(dāng)?Udci＞0，H橋模塊的直流電容電壓Udci小于給定值，需要增加附加調(diào)制信號來增加電容充電時間；②當(dāng)?Udci＜0，H橋模塊的直流電容電壓Udci大于給定值，需要減少附加調(diào)制信號來增加電容放電時間；③在上述2種情況下，?Udci越大，附加調(diào)制信號增加/減少的值越大，以提高直流電容電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)的速度；?Udci越小，附加調(diào)制信號增加/減少的值越小，直至系統(tǒng)完全到達(dá)穩(wěn)態(tài)，即?ucai=0，?ucbi=0，?ucci=0；④將基準(zhǔn)調(diào)制信號和附加調(diào)制信號相加后得到調(diào)制信號，從而完成基于模糊控制的鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電容均壓。

這種電壓平衡控制算法與其他方法相比，存在以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：①本算法無需添加任何附加電路；②本算法中每個模塊單元的開關(guān)頻率一致，有利于散熱均衡，延長裝置整體的壽命；③本算法無論從控制結(jié)構(gòu)上還是參數(shù)調(diào)試上都較為簡單，并且性能穩(wěn)定。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)對比

在Matlab/Simulink中搭建三相鏈?zhǔn)絊TATCOM模型，分別建立傳統(tǒng)控制策略（即根據(jù)調(diào)制波直接均壓）和所提出的基于模糊方法的調(diào)制波直接均壓策略模型。主電路參數(shù)為：電源相電壓峰值311V，等效電阻0.34 Ω，等效電感5 mH，直流側(cè)電容 2 000 μF，開關(guān)頻率1 kHz，仿真步長50 μs。采用5個H橋子模塊，設(shè)置各H橋子模塊電容電壓參考值為200 V。

采用2種控制策略的鏈?zhǔn)絊TATCOM的仿真波形如圖4所示，無功電流參考值為30 A。圖4a為傳統(tǒng)控制下的交流側(cè)電流波形，電流諧波總畸變率（THD）為5.7%。圖4b為所提控制下的交流側(cè)電流波形，電流諧波總畸變率（THD）為2.6%，較傳統(tǒng)控制降低了54%，在0.3 s將控制策略由傳統(tǒng)控制切換為所提控制。圖4c為2種控制下的直流側(cè)電壓波形，該電壓為各相電壓的平均值。可以看出，直流側(cè)電容電壓存在2倍頻波動，這是由于直流側(cè)電容電壓的充放電引起的，其中傳統(tǒng)控制下直流側(cè)電壓的波動范圍達(dá)到55 V；當(dāng)采用所設(shè)計(jì)控制策略后，直流側(cè)電壓波動范圍降低到10 V以內(nèi)，電壓控制精度較傳統(tǒng)控制提高了將近82%。

圖4 仿真對比Fig.4 Simulation comparisons

為了驗(yàn)證所提控制策略的暫態(tài)特性，在0.4 s時令無功電流參考值由30 A變?yōu)?5 A，仿真波形如圖5所示。圖5a為所提控制下的交流側(cè)電流波形，在無功電流給定發(fā)生變化時，在5 ms內(nèi)快速跟蹤給定，可見，所提控制能夠有效保證裝置的無功補(bǔ)償能力；圖5b為a相5個子模塊電壓波形，各子模塊之間的最大電壓偏差不超過5 V，且在無功電流給定發(fā)生變化時也能保證直流側(cè)各子模塊電壓的穩(wěn)定性，可見，所提控制策略能夠有效平衡各子模塊電壓。

圖5 所提控制下的暫態(tài)仿真波形Fig.5 Transient simulation waveforms of the proposed control

通過以上仿真結(jié)果可以看出，所提控制策略能夠更為有效地平衡各H橋電容電壓，且能保證系統(tǒng)電流質(zhì)量。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方法的性能，在鏈?zhǔn)絊TATCOM實(shí)驗(yàn)平臺中開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致。

無功電流參考值設(shè)置為10 A，圖6a為傳統(tǒng)控制下交流側(cè)相電壓、電流及鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置側(cè)相電壓波形，交流側(cè)電流THD為6.2%；圖6b為所提控制下系統(tǒng)交流側(cè)相電壓及電流波形，電流波形質(zhì)量明顯提高，其THD僅為3.4%；圖6c為采用2種控制策略下的直流側(cè)電壓波形，采用傳統(tǒng)控制時直流側(cè)電壓波動范圍達(dá)到63 V，采用所設(shè)計(jì)控制策略后，直流側(cè)電壓波動范圍減少到42 V，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制策略的優(yōu)越性。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experiment results

4 結(jié)論

本文通過分析鏈?zhǔn)絊TATCOM的無功補(bǔ)償原理，建立了鏈?zhǔn)絊TATCOM的整體控制框圖。為了進(jìn)一步平衡子模塊電容電壓，提出了一種基于模糊方法的調(diào)制波直接控制策略，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)均壓方法的優(yōu)越性，為無功補(bǔ)償裝置在電力系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

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DC Voltage Balancing Method of the Cascade Static Synchronous Compensator Based on the Fuzzy Control

YAN Na，WEI Lei，JIANG Ning，ZHAO Gang
（State Grid Shaanxi Economic Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi，China）

At present，there are two main methods like software and hardware to balance the DC side voltage of the cascade static synchronous compensator（STATCOM）.The hardware method will increase the complexity of the design and the cost of the device.Therefore，a direct fuzzy based modulation wave control was proposed for the cascade STATCOMtobalancetheDCsidevoltage.ByanalyzingthebasicprincipleofthecascadeSTATCOM，theoverallcontrol strategy of the DC capacitor voltage was firstly given.Then，a direct control strategy of the modulation wave was designed based on fuzzy method utilizing the relationship of the modulated wave and capacitor voltage discharge of the submodule.Thefeasibilityandsuperiorityoftheproposedcontrolstrategyareverifiedbythesimulationandexperiment.

cascade-static synchronous compensator（STATCOM）；fuzzy；DC voltage balancing

TM461

A

10.19457/j.1001-2095.20171012

閆娜（1987-），女，碩士，工程師，Email：793978713@qq.com

2016-10-20

修改稿日期：2017-04-12