王久和

（北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院 北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

1996年日本學(xué)者H.Akagi提出了電能質(zhì)量統(tǒng)一調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner，UPQC)的概念，將串聯(lián)有源電力濾波器(active power filter，APF)和并聯(lián)APF組合在一起形成UPQC。串聯(lián) APF、并聯(lián) APF分別由串聯(lián)逆變器(series inverter，SEIN)和并聯(lián)逆變器(shunt inverter，SHIN)實現(xiàn)，SEIN可實現(xiàn)對負(fù)載電壓或電源電流的補(bǔ)償、SHIN可實現(xiàn)對電源電流或負(fù)載電壓的補(bǔ)償，保證優(yōu)秀的負(fù)載電壓與電源電流品質(zhì)。雖然UPQC具有高成本、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與控制，但UPQC幾乎能夠全部抑制電能質(zhì)量(power quality，PQ)問題，成為改進(jìn)PQ最具吸引力的方案[1]。

因此，UPQC成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，并提出了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、補(bǔ)償量檢測及相應(yīng)的控制策略。按著UPQC中間直流環(huán)節(jié)是電容器還是電感器，UPQC有基于電壓源型逆變器和電流源型逆變器兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于基于電流源型逆變器的 UPQC具有較高的損失和成本，又不能采用多電平結(jié)構(gòu)，在工程中很少應(yīng)用。因此，基于電壓源型逆變器的三相 UPQC是UPQC的主要形式[1]。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償量檢測一定的情況下，UPQC的性能主要由控制策略決定。對此，本文對國內(nèi)外學(xué)者提出的各種不同的控制策略進(jìn)行論述，指出其優(yōu)點(diǎn)與不足，并提出克服目前控制策略不足的控制策略，為我國學(xué)者進(jìn)行高性能UPQC控制策略研究提供參考。

1 UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

UPQC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，串聯(lián)APF、并聯(lián)APF分別由SEIN和SHIN實現(xiàn)。圖1中SEIN視為受控電壓源，實現(xiàn)對負(fù)載電壓的補(bǔ)償，SHIN視為受控電流源，實現(xiàn)對電源電流的補(bǔ)償；公共電容器 Cdc用于連接兩個逆變器和維持恒定的自給直流電壓；LC濾波器為低通濾波器，抑制SEIN輸出電壓的高頻開關(guān)紋波；串聯(lián)變壓器用于將串聯(lián)逆變器接入電網(wǎng)，合適的匝數(shù)比可減少 SEIN的電流或電壓定額，uSR為串聯(lián)變壓器注入的補(bǔ)償電壓；并聯(lián)耦合電感器Lsh是SHIN和電源的接口，抑制SHIN輸出電流ish的紋波。關(guān)于UPQC的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳見文獻(xiàn)[1]。

圖1 UPQC的基本結(jié)構(gòu)Fig. 1 Basic structure of UPQC

2 UPQC控制策略

2.1 UPQC控制目標(biāo)及類別

對基于電壓源型逆變器的UPQC期望控制目標(biāo)為：1）通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償或調(diào)節(jié)，使電源能為負(fù)載提供穩(wěn)定的正弦電壓；2）為使電源免受或少受負(fù)載諧波、不平衡以及無功功率等的影響，需要使補(bǔ)償控制后的電源側(cè)電流為正弦電流。實現(xiàn)上述控制目標(biāo)有間接和直接兩種控制策略。

對于間接控制策略，SEIN被控制為一個受控電壓源，承擔(dān)電源電壓補(bǔ)償功能，使負(fù)載側(cè)電壓變?yōu)樵O(shè)定的正弦電壓；SHIN被控制為一個受控電流源，主要承擔(dān)負(fù)載電流補(bǔ)償功能，使電源側(cè)電流為正弦電流。間接控制策略需要檢測電源電壓及負(fù)載電流的擾動畸變等信息，獲得所需的補(bǔ)償量。從電源側(cè)看，對于負(fù)載電壓的控制和輸入功率因數(shù)的校正是間接的，故稱其為間接控制。UPQC間接控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對于直接控制，SEIN被控制為一個受控電流源，通過對電源側(cè)電流的控制，使電源側(cè)電流為正弦波；SHIN被控制為一個受控電壓源，使負(fù)載側(cè)電壓為正弦波。UPQC直接控制結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖2 UPQC間接控制結(jié)構(gòu)Fig. 2 Indirect control structure of UPQC

圖3 UPQC直接控制結(jié)構(gòu)Fig. 3 Direct control structure of UPQC

2.2 UPQC間接控制策略

2.2.1 線性控制策略

在UPQC間接控制策略中，SEIN輸出與負(fù)載額定電壓和電網(wǎng)電壓實際值差值大小相等的電壓，以補(bǔ)償電源電壓中的負(fù)序、零序、諧波以及基波正序分量的波動部分，保證負(fù)載端電壓為與電網(wǎng)電壓基波正序分量同相的且具有額定電壓等級的正弦波；SHIN輸出負(fù)載電流實際值與負(fù)載基波正序有功分量差值大小相等的電流，補(bǔ)償負(fù)載電流中的負(fù)序、零序、諧波和無功分量，保證進(jìn)入電源電流為與電源電壓基波正序分量同相位的正弦波。基于線性控制理論或方法實施UPQC控制的策略為線性控制策略。無論是那種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制策略類似，本文以圖1中的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)論述UPQC控制策略。

1）基于PI及PR控制器的控制策略。

由于PI或PR控制器是根據(jù)實際值與控制目標(biāo)的偏差來產(chǎn)生控制量的，只要合理選擇 PI或PR控制器中增益使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定就能達(dá)到控制目標(biāo)。UPQC采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)采用電壓控制，內(nèi)環(huán)采用基于dq坐標(biāo)變換的電流解耦控制，外環(huán)和內(nèi)環(huán)均采用PI或PR控制器；對于文獻(xiàn)[2]電壓補(bǔ)償控制器采用的是交流電壓外環(huán)、電源電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)；電流補(bǔ)償控制器采用的是直流電壓外環(huán)、補(bǔ)償電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)。為更好的同時處理電源側(cè)電壓暫降、不平衡及畸變和負(fù)載側(cè)電流諧波，文獻(xiàn)[3]電壓補(bǔ)償控制器采用比例諧振(PR)和諧振(R)控制器，電流補(bǔ)償控制器采用 PI和三矢量PI控制器。

2）直接線性自適應(yīng)控制策略。

為更有效消除電流諧波、電壓暫降/暫升、電壓畸變及電壓不平衡，減少在線計算、增強(qiáng)對有界擾動的魯棒性、漸進(jìn)跟蹤誤差性能等，文獻(xiàn)[4]提出了 UPQC直接自適應(yīng)控制(direct adaptive control，DAC)策略。直接自適應(yīng)控制器由指令產(chǎn)生跟蹤器(command generator tracker，CGT)和DAC組成，CGT的輸出信號為負(fù)載電壓uL和電源電流is的期望值，并為與電源同頻率的額定幅值的正弦波。DAC計算自適應(yīng)控制律，使SHIN和 SEIN的實際輸出和參考信號之間跟蹤偏差接近0。

3）基于線性H∞優(yōu)化控制理論的控制策略。

H∞優(yōu)化控制理論是通過對所研究對象的某些閉環(huán)性能指標(biāo)的H∞范數(shù)優(yōu)化而獲得最優(yōu)(次優(yōu))控制器的一種控制理論。即對線性定常系統(tǒng)，設(shè)計真實有理函數(shù)控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，把干擾對可控輸出的影響最小歸結(jié)為使閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣 G(s)的 H∞范數(shù)最小，并滿足最優(yōu)性能指標(biāo)，稱為H∞最優(yōu)控制。文獻(xiàn)[5]研究了基于H∞模型匹配技術(shù)的 UPQC 串并聯(lián)逆變器統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制方法，設(shè)計了UPQC電壓、電流波形跟蹤補(bǔ)償H∞最優(yōu)控制器，提高了電壓、電流波形跟蹤補(bǔ)償?shù)目刂凭取Ｎ墨I(xiàn)[6]將模型參數(shù)的不確定性引入到狀態(tài)方程中，使得閉環(huán)系統(tǒng)對所允許的不確定性同時滿足H∞干擾抑制和最優(yōu)H2性能，把魯棒H2/H∞控制器的設(shè)計轉(zhuǎn)化為具有線性矩陣不等式的優(yōu)化問題，進(jìn)而推導(dǎo)出線性動態(tài)反饋控制器，使UPQC具有控制效果好、響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。

4）模型預(yù)測控制策略。

模型預(yù)測控制(model predictive control，MPC)是基于過程預(yù)測模型，綜合考慮系統(tǒng)動態(tài)性能、控制目標(biāo)和約束條件的在線優(yōu)化控制方法。MPC控制器的設(shè)計首先要建立能對過程進(jìn)行預(yù)測的模型(如狀態(tài)空間模型)，基于該模型和系統(tǒng)的性能目標(biāo)、約束限制等要求，構(gòu)造出一個最優(yōu)化控制問題；通常MPC 中構(gòu)建最優(yōu)化問題的基本方法是將模型中的表達(dá)式迭代展開預(yù)測出狀態(tài) x和輸出 y 等，然后根據(jù)控制目標(biāo)得到一個二次規(guī)劃問題。文獻(xiàn)[7-8]利用MPC對UPQC控制進(jìn)行了研究。MPC控制器使在周期性干擾d=[usiL]T情況下，UPQC輸出y=[uLis]T和期望參考y*=[u*Li*s]T之間誤差e最小，參考信號y*為50Hz純正弦波。外部輸入 d=[usiL]T的作用相當(dāng)于對系統(tǒng)施加了外部干擾，d通過Kalman濾波器I得到狀態(tài)矢量的估計ξw，狀態(tài)矢量ξw包括基波和諧波分量。ξw再通過參考Kalman濾波器II得到要跟蹤的輸出uL和is的期望參考值y*和ξd，結(jié)合ξw和ξd就得到狀態(tài)矢量x的完整估計ξ。MPC 控制器根據(jù)獲取的狀態(tài) x的估計ξ和誤差 e，可使UPQC獲得50Hz正弦uL和is，即有效補(bǔ)償諧波、抑制干擾。

2.2.2 非線性控制策略

1）重復(fù)控制策略。

重復(fù)控制(repetitive control，RC)來源于控制理論中的內(nèi)模原理，它將作用于系統(tǒng)外部信號的動力學(xué)模型植入控制器以構(gòu)成高精度反饋控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)周期不變的前提下重復(fù)控制器將上一周期的控制誤差應(yīng)用到當(dāng)前控制量的生成中，使其對周期性擾動具有良好的抑制能力。文獻(xiàn)[9-11]利用RC對UPQC控制進(jìn)行了研究，在補(bǔ)償電源電壓中的諧波電壓和非線性負(fù)載引起的電流諧波獲得了好的效果。為克服傳統(tǒng) RC的不足，文獻(xiàn)[10]提出了改進(jìn)的RC，改進(jìn)的RC的延時時間為基本周期的1/6，能夠改進(jìn)RC的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為

式中：Kr為 RC增益；z-N/6為延時器；zk為相位超前環(huán)節(jié)；Q(z)為濾波器傳遞函數(shù)。

由于RC利用負(fù)載擾動的周期性規(guī)律，“記憶”擾動發(fā)生的位置，有針對性地逐步修正，改善輸出波形，對周期性擾動具有良好的抑制能力;當(dāng)負(fù)載突變引起補(bǔ)償量變化時，PI控制器能夠及時調(diào)整，因此工程中常采用PI-RC控制策略，使UPQC獲得優(yōu)秀的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能。

2）單周控制策略。

單周控制(one-cycle control，OCC)策略的基本思想是在每個控制周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量的平均值與控制參考相等或成比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。單周控制的控制電路簡單，不需要參考信號，可在一個周期內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，且能有效抵制電源側(cè)的擾動。文獻(xiàn)[12-13]利用OCC策略對 UPQC控制進(jìn)行了研究，基于 OCC的SHIN可實現(xiàn) UPQC 中的電流控制，基于 OCC的SEIN可實現(xiàn)UPQC 中的電壓控制；能在一個開關(guān)周期內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)誤差且控制簡單，這使得其電壓與電流補(bǔ)償精度和速度都得到明顯提升。

3）滑?？刂撇呗浴?/p>

滑?？刂?sliding mode control，SMC)策略的基本思想首先是設(shè)計適當(dāng)?shù)那袚Q函數(shù)使得系統(tǒng)進(jìn)入滑動模運(yùn)動后具有良好的動態(tài)特性；其次是設(shè)計變結(jié)構(gòu)控制律使得系統(tǒng)在有限時間內(nèi)到達(dá)滑動模并保持在它上面運(yùn)動致穩(wěn)定的期望點(diǎn)。文獻(xiàn)[14-16]利用SMC策略對UPQC控制進(jìn)行了研究，SMC可實現(xiàn)抑制電流諧波、電源側(cè)的電壓暫降和暫升，小的直流電壓過調(diào)和少的恢復(fù)時間；繼而獲得了好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

4）反饋線性化控制策略。

反饋線性化(feedback linearization，F(xiàn)L)控制策略通過適當(dāng)?shù)姆蔷€性狀態(tài)和反饋變換，使系統(tǒng)實現(xiàn)狀態(tài)或輸入/輸出的精確線性化，從而將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)綜合問題轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的綜合問題。文獻(xiàn)[17-19]利用FL控制策略對UPQC控制進(jìn)行了研究，由于FL把非線性轉(zhuǎn)換成線性系統(tǒng)，利用線性控制理論進(jìn)行控制器設(shè)計，對突變的負(fù)載和輸入電壓變化具有快速的動態(tài)響應(yīng)；同時，可把負(fù)載電壓和電源電流調(diào)整到期望值，其穩(wěn)定性由線性控制理論的極點(diǎn)配置確定。無論是動態(tài)性能還是穩(wěn)態(tài)性能及穩(wěn)定性都獲得了比較滿意的效果。

5）無源控制策略。

無源控制(passivity based control，PBC)策略的基本思想：①首先尋求與被控制狀態(tài)變量或由狀態(tài)變量表征的被控量相關(guān)的能量存儲函數(shù)H(x)，同時確定出與系統(tǒng)期望平衡點(diǎn)x0相對應(yīng)的能量存儲函數(shù) H(x0)；②基于系統(tǒng)的模型和無源性，根據(jù)系統(tǒng)控制要求設(shè)計無源控制器，無源控制器必須保證 H(x)收斂于 H(x0)或 x0=argmin H(x)，即H(x)→H(x0)。為獲得優(yōu)秀的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能，無源控制器具有使 H(x)收斂于 H(x0)的速度和軌跡可控的能力。利用無源控制理論設(shè)計的系統(tǒng)無源控制器可實現(xiàn)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，無奇異點(diǎn)問題，對系統(tǒng)參數(shù)變化及外來攝動有較強(qiáng)的魯棒性。目前 UPQC無源控制包括時域無源控制[20-23]和多頻率無源控制[24-26]。時域無源控制是基于全時域的EL模型或PCHD模型，設(shè)計UPQC無源控制器；多頻率無源控制是建立多個不同頻率的時域的EL模型或PCHD模型，設(shè)計UPQC無源控制器。無源控制器是在保證UPQC穩(wěn)定的前提下，使is和uL接近正弦波。

除上述UPQC非線性控制策略外，還有無差拍控制(dead-beat control，DBC)策略[27]、滯環(huán)控制(hysteresis control，HC)策略[28]、反步控制(backstepping control，BC )策略[29]等。

2.2.3 智能控制策略

1）模糊控制策略。

模糊控制(fuzzy control，F(xiàn)C)系統(tǒng)是一種以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式表示知識，以模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字非線性控制統(tǒng)，核心部件為模糊控制器。文獻(xiàn)[30-31]利用FC對UPQC的控制進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明利用FC可更有效消除電壓與電流諧波，與PI控制策略相比，F(xiàn)C可使直流電壓的調(diào)整時間和上升/下降的百分比明顯減少，對參數(shù)變化更具魯棒性。

2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network，ANN)是一個由簡單處理單元構(gòu)成的規(guī)模宏大的并行分布式處理器?；?ANN控制的特點(diǎn)是它的信息處理并行機(jī)制可以解決控制系統(tǒng)中大規(guī)模的實時計算問題，且對復(fù)雜不確定問題具有自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力。文獻(xiàn)[32]利用ANN對UPQC的控制進(jìn)行了研究，利用不同的負(fù)載條件訓(xùn)練ANN控制器，輸出電壓、電容電流及負(fù)載電流為ANN的輸入，補(bǔ)償量為ANN的輸出，采用反向傳播訓(xùn)練ANN。當(dāng)ANN用于UPQC的并聯(lián)逆變器時，可改進(jìn)響應(yīng)時間。文獻(xiàn)[33]基于有效并行計算和在線學(xué)習(xí)能力的自適應(yīng)線性神經(jīng)元(adaptive linear neuron，ADALINE)研究了UPQC 控制問題，使UPQC可補(bǔ)償電源電壓諧波、暫降/暫升、負(fù)載電流諧波及負(fù)載無功功率。

3）基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化的控制策略。

多目標(biāo)粒子群優(yōu)化(multi-objective particle swarm optimization，MOPSO)是基于種群的多點(diǎn)搜索技術(shù)，是模仿鳥群和魚群的社會行為。把MOPSO和其他控制策略融合在一起，可進(jìn)一步提高UPQC的控制性能。

文獻(xiàn)[34]提出基于PSO的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的UPQC控制策略，該策略可抑制具有相位跳躍的不平衡電壓暫降，且具有最小的有功功率注入。實際約束為串聯(lián)逆變器注入電壓限制、相位跳躍抑制及注入的電壓相位角。利用PSO找到滿足上述約束條件的使有功功率注入最小的目標(biāo)函數(shù)，自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理利用PSO數(shù)據(jù)對不同的電壓暫降情況在線實現(xiàn)有功功率注入最小。文獻(xiàn)[35]根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及約束，利用 MOPSO 找到了UPQC 狀態(tài)反饋控制器的最優(yōu)控制增益，實現(xiàn)狀態(tài)矩陣特征值最大左移和增大阻尼比。與基于LQR的反饋控制器相比，基于PSO的反饋控制器在補(bǔ)償后更能減少電壓與電流的總諧波畸變率。

2.3 UPQC直接控制策略

UPQC直接控制策略控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。串聯(lián)逆變器直接輸出正弦交流電流，并聯(lián)逆變器直接輸出正弦交流電壓，均根據(jù)補(bǔ)償量由控制器實現(xiàn)。采用的控制器均為PI、PID或PD控制器，只不過是在不同坐標(biāo)系下實現(xiàn)的。

2.3.1 基于PID的控制策略

文獻(xiàn)[36-38]采用 PI或 PID控制器對 UPQC實施了直接控制。SEIN用于直流電壓及交流電流的控制，有兩種控制方案：①dq軸控制方案，即外環(huán)采用直流電壓環(huán)，實現(xiàn)直流電壓的控制；內(nèi)環(huán)為dq坐標(biāo)系下的交叉解耦電流環(huán)，實現(xiàn)對交流電流的控制，電壓環(huán)控制器為PI控制器，電流環(huán)采用PI控制器[36]或PID控制器[37]；②三相獨(dú)立控制方案，即外環(huán)仍采用直流電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為三個獨(dú)立的電流環(huán)，外環(huán)仍采用PI控制器，內(nèi)環(huán)采用大積分作用的PI控制器。

對于 SHIN的 dq控制方案均為交流電壓外環(huán)，交流電流內(nèi)環(huán)，均為交叉解耦控制，控制器均為 PI控制器[36-38]。也可采用三相獨(dú)立控制方案[38]，電壓外環(huán)采用 PI控制器，電流內(nèi)環(huán)采用PD控制器。

2.3.2 基于p-q-r理論的控制策略

文獻(xiàn)[39-40]基于改進(jìn)的 p-q-r 理論，提出了在 p、q、r 軸上的SEIN帶狀態(tài)解耦及補(bǔ)償電壓前饋的電源電流控制方案，以及 p、q、r 軸上的并聯(lián)逆變器帶負(fù)載電流前饋的雙閉環(huán)控制方案。SEIN直流電壓外環(huán)采用PI控制器，交流電流內(nèi)環(huán)采用交叉解耦控制，控制器采用PID控制器；SHIN交流電壓外環(huán)、交流電流內(nèi)環(huán)均采用交叉解耦控制，控制器均采用PI控制器。

2.3.3 完全直接控制策略

針對現(xiàn)有的基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq的UPQC模型中存在雙環(huán)強(qiáng)耦合特性，文獻(xiàn)[41-42]通過增加1次從dq到αβ的變換實現(xiàn)完全解耦。

在此基礎(chǔ)上提出了基于兩相同步旋轉(zhuǎn) dq坐標(biāo)系的UPQC完全解耦的新型直接控制策略。控制過程變得更加簡捷，也有利于UPQC 的參數(shù)計算和設(shè)定，繼而可提高控制性能。

3 UPQC控制策略分析

3.1 間接和直接控制策略比較

在工程實際中，UPQC多采用間接控制策略。間接控制策略需要檢測電網(wǎng)電壓及負(fù)載電流的擾動畸變等信息，獲得電源電流和負(fù)載電壓所需的補(bǔ)償量，再通過控制器控制SEIN和SHIN，使負(fù)載電壓及電源電流接近正弦波。間接控制有多種控制策略，都是從不同角度改進(jìn)了UPQC的控制性能。另外，當(dāng)電源斷電時，SHIN需從電流源模式變?yōu)殡妷涸茨Ｊ?，?dǎo)致控制上的困難。

對于直接控制策略，SHIN視為電壓源，有很小的阻抗，因此負(fù)載的諧波和電網(wǎng)的諧波電流都流入并聯(lián)逆變器支路。對于負(fù)載無功和不平衡，SEIN作為正弦電流源運(yùn)行，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦且功率因數(shù)為 1，由于電流源對于諧波電壓具有很大的阻抗，因此電網(wǎng)的諧波電壓被阻斷而不影響負(fù)載端電壓。采用該控制策略，在電網(wǎng)斷電或恢復(fù)供電時，不存在工作模式的切換，因為SHIN始終受控為正弦電壓源。由于電源側(cè)電流被補(bǔ)償為正弦，因此無功電流和諧波電流仍然由SHIN提供。直接控制方案更加直觀，概念更清晰，在系統(tǒng)參數(shù)變化時能更快適應(yīng)， 因此具有一定的優(yōu)勢。由于直接控制策略中的控制器為多個PI控制器的參數(shù)調(diào)整和協(xié)調(diào)控制難度大，難以使UPQC獲得優(yōu)秀的動態(tài)及靜態(tài)性能。

3.2 各種控制策略優(yōu)缺點(diǎn)

3.2.1 線性控制策略

1）基于PID類控制器控制策略。

PID控制器不用被控對象的精確模型，只用控制目標(biāo)與對象實際行為之間誤差來產(chǎn)生消除此誤差的控制策略。由于PID 控制技術(shù)是立足于誤差來減少誤差的過程控制原理，它在UPQC間接和直接控制策略中得到應(yīng)用。PID類控制器具有消除靜差、簡潔易于工程實現(xiàn)的。由于D物理不可實現(xiàn)，只能近似實現(xiàn)；I誤差積分反饋的引入，使閉環(huán)變得遲鈍，容易產(chǎn)生振蕩；PID控制器的參數(shù)可由線性控制理論的方法予以確定，當(dāng)采用多環(huán)多個PID控制器時，參數(shù)確定比較困難，且難使UPQC獲得優(yōu)秀的性能。

2）直接線性自適應(yīng)控制策略。

直接線性自適應(yīng)控制策略優(yōu)點(diǎn)為通過在線修正自己的特性以適應(yīng)對象的變化，能夠有效解決模型不精確和模型變化所帶來的魯棒性問題。其缺點(diǎn)為數(shù)學(xué)模型的建立和運(yùn)算比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)不易實現(xiàn)；進(jìn)行校正需要一定時間，主要適于漸變和實時性不高的過程。

3）基于線性H∞優(yōu)化控制理論的控制策略。

基于線性 H∞優(yōu)化控制理論的控制策略不但可對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，控制精度高，而且還可滿足魯棒性要求；不但有明確的物理意義，而且還有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。它以擾動輸入至評價信號的傳遞函數(shù)矩陣的H∞范數(shù)作為性能指標(biāo)，由H∞范數(shù)最小來設(shè)計出反饋控制器，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且干擾對系統(tǒng)的影響最小。不足為：①H∞控制只能在允許的攝動范圍內(nèi)保證魯棒穩(wěn)定性；②基于模型匹配的設(shè)計理論與狀態(tài)反饋和動態(tài)輸出反饋設(shè)計理論之間的關(guān)系有待于進(jìn)一步探討。

4）模型預(yù)測控制策略。

MPC策略具有控制效果好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效地克服過程的不確定性、非線性和并聯(lián)性，并能方便的處理過程被控變量和操縱變量中的各種約束。具有適用于多輸入多輸出系統(tǒng)、考慮系統(tǒng)約束條件、在線優(yōu)化計算不復(fù)雜等特點(diǎn)。

由于 MPC在每一時刻的滾動優(yōu)化中，不是面對一個已有的、根據(jù)實際優(yōu)化要求和約束條件確定的在線優(yōu)化問題，而需要把在線優(yōu)化的內(nèi)容結(jié)合控制律一并綜合設(shè)計，則導(dǎo)致物理意義不明確，難以與應(yīng)用實踐相聯(lián)系。另外，大量人為約束的加入，雖然對系統(tǒng)性能保證是必要的， 但同時也極大地增加了優(yōu)化求解的計算量， 特別對魯棒預(yù)測控制問題， 由于所附加的LMI 條件不但與優(yōu)化時域相關(guān)， 而且與系統(tǒng)不確定性隨時域延伸的各種可能性有關(guān)， LMI 的數(shù)目將會急劇增長，對在線計算量的影響更為突出。

3.2.2 非線性控制策略

1）重復(fù)控制策略。

重復(fù)控制優(yōu)點(diǎn)為可克服死區(qū)、非線性負(fù)載等周期性干擾引起的輸出波形周期性畸變；可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差， 控制魯棒性強(qiáng)，且數(shù)字實現(xiàn)容易。其缺點(diǎn)為：①要求擾動信號是時間的周期函數(shù)，但系統(tǒng)的實際運(yùn)行是周期波動的，直接應(yīng)用重復(fù)控制的效果并不理想；②由于重復(fù)控制延時一個工頻周期的控制特點(diǎn)，使得單獨(dú)使用重復(fù)控制的高頻逆變器動態(tài)特性極差，無法滿足高頻逆變器的指標(biāo)要求；③由于延遲因子的存在，在干擾出現(xiàn)的一個基波周期內(nèi)，系統(tǒng)對干擾不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，控制的實時性差，動態(tài)響應(yīng)速度慢。

2）單周控制策略。

單周控制策略優(yōu)點(diǎn)為能在一個周期內(nèi)抵制電源側(cè)的擾動，消除靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差，動態(tài)響應(yīng)快，能減小畸變和抑制電源干擾，對輸入擾動抑制能力強(qiáng)；其缺點(diǎn)為需要快速復(fù)位的積分電路，硬件電路較復(fù)雜；對開關(guān)誤差校正能力有限，存在穩(wěn)態(tài)誤差，精度欠佳；對負(fù)載擾動抑制能力差，負(fù)載動態(tài)響應(yīng)慢。

3）滑?？刂撇呗浴?/p>

SMC策略具有對模型不確定和對外界擾動不變化及魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)的控制方法，其優(yōu)點(diǎn)為幾乎不依賴于模型，對參數(shù)變化和外部擾動不敏感，魯棒性好，抗干擾能力強(qiáng)；對系統(tǒng)模型精度要求不高，控制規(guī)律簡單，實現(xiàn)容易。其缺點(diǎn)為開關(guān)頻率不固定，輸出紋波較大，對濾波器設(shè)計要求較高；頻繁高速的開關(guān)切換會帶來高頻抖動，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)。

4）反饋線性化控制策略。

反饋線性化控制策略主要優(yōu)點(diǎn)為把非線性系統(tǒng)利用微分同胚變換轉(zhuǎn)化成線性系統(tǒng)，利用線性控制理論方法設(shè)計控制器，可使系統(tǒng)快速響應(yīng)，進(jìn)而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。其缺點(diǎn)為控制器設(shè)計復(fù)雜；解耦矩陣、反饋控制律復(fù)雜，導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜，需要高速DSP；解耦矩陣可能存在奇異性。

5）無源控制策略。

UPQC的PBC策略優(yōu)點(diǎn)：基于無源控制模型(如歐拉朗日模型)和無源性，利用阻尼注入設(shè)計的控制器對系統(tǒng)參數(shù)變化及外來攝動有較強(qiáng)魯棒性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)；具有全局穩(wěn)定性，無奇異點(diǎn)；由于利用能量函數(shù)收斂到期望能量函數(shù)達(dá)到控制目標(biāo)的，無超調(diào)及振蕩現(xiàn)象。由于收斂到期望平衡點(diǎn)時，收斂速度非常慢，導(dǎo)致有小的誤差存在。

3.2.3 智能控制策略

1）模糊控制策略。

模糊控制不需要對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的魯棒性，尤其適合于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制。但存在穩(wěn)態(tài)誤差，在工作點(diǎn)附近容易引起小范圍振蕩。模糊控制要取得較好的控制效果，必須具有較完善的控制規(guī)則，在實際工程中有時難以總結(jié)出較完整的經(jīng)驗，且對象動態(tài)特性發(fā)生變化或受到隨機(jī)干擾的影響時模糊控制的效果都會變化。

2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制優(yōu)點(diǎn)為具有并行處理、自組織學(xué)習(xí)、非線性映射、魯棒性及容錯性等能力；只需通過一定的 I/O樣本來訓(xùn)練，可逼近任意對象的動態(tài)特性；不需復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)，也不需要對象模型，可用于復(fù)雜的控制對象。缺點(diǎn)為計算復(fù)雜，計算量大，實時性較差；穩(wěn)定性分析較困難，收斂性不能保證，可能陷入局部最優(yōu)，甚至發(fā)散。

3）基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化控制策略。

PSO是一種隨機(jī)的并行優(yōu)化算法，其計算法簡單，容易實現(xiàn)，且不要求被優(yōu)化函數(shù)具有可微、可導(dǎo)、連續(xù)等性質(zhì)，收斂速度較快的優(yōu)點(diǎn)。因此，可與其他控制策略融合，形成更有效的控制策略。其不足為：①由早熟收斂陷入的局部最優(yōu)問題；②合理選擇慣性權(quán)重ω和學(xué)習(xí)因子c1、c2，使得算法能快速收斂而又不會陷入局部最優(yōu)難度大。

3.3 各種控制策略優(yōu)化組合

從控制角度看，UPQC需要保證穩(wěn)定的前提下，提高動態(tài)及靜態(tài)性能。由于UPQC常為非正弦量及不平衡的，要求控制器必須有優(yōu)秀的跟蹤性能。本文論述的線性控制策略、非線性控制策略及智能控制策略，每一個控制策略都不能實現(xiàn)UPQC所有控制要求。因此，發(fā)揮各策略的優(yōu)勢，多種控制策略融合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高UPQC控制性能。

3.3.1 無源混合控制器策略

由于PBC策略可保證UPQC的穩(wěn)定性，因此，需研究無源控制為主、其他控制策略為輔的混合控制策略，其他控制策略的選擇可根據(jù)UPQC工作的外部環(huán)境、控制方式及控制要求確定。如PBC+PI(PI用于消除靜差)、PBC+PSO(PSO用于優(yōu)化阻尼注入)等，實現(xiàn)具有較好的寬頻帶幅頻特性且跟蹤穩(wěn)定無靜差、魯棒性強(qiáng)的混合無源控制器。

3.3.2 多種控制器融合研究

由于大部分UPQC線性控制策略還是非線性控制策略都需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型，由于數(shù)學(xué)模型的建立是在一定假設(shè)及參數(shù)確定情況下建立的，在實際工程中數(shù)學(xué)模型具有不確定性，亦影響UPQC控制效果。因此，需要研究不依賴數(shù)學(xué)模型的控制策略與依賴數(shù)學(xué)模型控制策略的融合，如模糊、PSO和反饋線性化控制的融合；或多個同類控制策略的融合，如模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制融合、反饋線性化和滑模控制的融合。通過合理的融合，可提高UPQC的綜合控制性能。

4 結(jié)論

本文按UPQC的間接控制策略和直接控制策略，綜述了國內(nèi)外UPQC線性控制、非線性及智能控制策略研究的基本思想，并分析了各種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。為克服當(dāng)前UPQC各種控制策略的不足，充分發(fā)揮各種控制策略的優(yōu)勢，提出了無源混合控制策略和多種控制策略融合的新思路，新的思路可保證穩(wěn)定的前提下，提高動態(tài)及靜態(tài)性能，為我國學(xué)者研究高性能UPQC控制提供參考。