基于d-sacom的模糊自適應(yīng)pi控制策略研究

基于d-sacom的模糊自適應(yīng)pi控制策略研究

1基于模糊控制的pi控制器配電沉默同步補(bǔ)償裝置（d-statcom）是一個(gè)重要的用戶電源裝置（custik功率）。在配電網(wǎng)中，D-STATCOM能有效解決電壓波動(dòng)、電壓暫降、電壓不平衡、諧波污染等多種電能質(zhì)量問(wèn)題。因此成為當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。D-STATCOM通過(guò)與公共連接點(diǎn)的無(wú)功功率交換可以調(diào)節(jié)公共連接點(diǎn)的電壓，使之滿足電壓合格的要求。本文重點(diǎn)論述D-STATCOM用于維持接入點(diǎn)電壓為給定電壓值的控制策略。在電壓控制策略方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，文獻(xiàn)采用了電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的PI控制策略。但由于控制系統(tǒng)中嵌入了多個(gè)PI調(diào)節(jié)器，使得控制器的設(shè)計(jì)比較困難。文獻(xiàn)則通過(guò)建立D-STATCOM的狀態(tài)方程，應(yīng)用多變量控制理論設(shè)計(jì)D-STAT-COM的電壓控制器。其中文獻(xiàn)采用在工作點(diǎn)處近似線性化的方法，然而當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)控制器的性能會(huì)變差。文獻(xiàn)也存在類似的問(wèn)題。且上述方法均要求建立D-STATCOM的精確數(shù)學(xué)模型，這嚴(yán)重阻礙了以上控制策略的實(shí)際應(yīng)用。目前一些新的控制策略還在不斷涌現(xiàn)，但這些控制策略的控制算法復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、難以實(shí)現(xiàn)。因此研究尋求一種容易實(shí)現(xiàn)、性能優(yōu)良的控制策略具有重要的意義。模糊控制器是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型控制器，它不要求掌握受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。本文首先將基于瞬時(shí)功率平衡的直接電壓控制策略引入到D-STATCOM電壓控制系統(tǒng)，電壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。然后將模糊控制與PI控制器兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，將模糊控制應(yīng)用到PI控制器參數(shù)的調(diào)整。其基本思想是：將模糊控制與傳統(tǒng)的PI控制相結(jié)合，采用模糊控制方法使PI參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)性能要求自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)D-STATCOM控制系統(tǒng)良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。論文最后給出的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模糊自適應(yīng)PI控制策略算法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、性能優(yōu)良，滿足D-STATCOM電壓控制要求。2d-statcom數(shù)學(xué)模型的建立D-STATCOM接入系統(tǒng)的單相等效電路如圖1所示。圖中，配電系統(tǒng)用其戴維南等效電路表示，R、L分別為耦合變壓器的等效電阻和電感，Cdc為直流電容，RL+jXL為負(fù)載的等效阻抗，公共連接點(diǎn)電壓用u表示，D-STATCOM逆變器輸出電壓用e表示，i為D-STATCOM逆變器輸出電流，iL為負(fù)載電流。假設(shè)三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱，只考慮基波成分，在三相（a,b,c）靜止坐標(biāo)系中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律建立D-STATCOM的動(dòng)態(tài)方程，有引入d-q變換，可得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下D-STATCOM的電壓電流方程為式中ed,eq——同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中D-STATCOM逆變器輸出電壓的d、q分量id,iq——逆變器輸出電流的d、q分量派克變換矩陣為式中ω——電網(wǎng)電壓角頻率從式（2）可以看出，D-STATCOM系統(tǒng)中d-q軸電流不獨(dú)立，存在交叉耦合現(xiàn)象，即D-STATCOM逆變器輸出電壓的d、q分量的變化會(huì)同時(shí)影響到逆變器輸出電流d、q分量的變化。因此D-STATCOM系統(tǒng)（被控對(duì)象）是一個(gè)典型的耦合系統(tǒng)?？紤]到D-STATCOM電壓控制器的控制目標(biāo)是公共連接點(diǎn)電壓u和直流側(cè)電容電壓uC，因此在設(shè)計(jì)D-STATCOM電壓控制器時(shí)，必須同時(shí)考慮直流側(cè)電容電壓的控制。根據(jù)D-STATCOM交/直流側(cè)瞬時(shí)功率平衡原理，可以得到直流側(cè)電容電壓方程為式中Rdc——直流側(cè)電容的等效損耗電阻udc——直流側(cè)電容電壓式（2）和式（3）即為d、q坐標(biāo)系中D-STATCOM的數(shù)學(xué)模型。從D-STATCOM的數(shù)學(xué)模型可以看出，對(duì)于d-q坐標(biāo)系下采用電流直接控制的D-STATCOM系統(tǒng)是一個(gè)兩輸入兩輸出的耦合非線性系統(tǒng)，這給D-STATCOM控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了難度。3pi控制器設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的D-STATCOM電壓控制器由內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩部分組成。外環(huán)控制器輸出的控制信號(hào)作為內(nèi)環(huán)控制器所需的無(wú)功和有功電流（或無(wú)功和有功功率）的參考值。圖2給出了d、q坐標(biāo)系中D-STATCOM電壓雙閉環(huán)控制器原理圖。在這種控制方法中，由于D-STATCOM逆變器輸出電流的參考值di*、qi*和反饋值id、iq在穩(wěn)態(tài)時(shí)均為直流信號(hào)，因此通過(guò)PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差的電流跟蹤控制。圖中的無(wú)功電流參考值來(lái)源于公共連接點(diǎn)電壓Upcc調(diào)節(jié)器的輸出，其目的是控制D-STATCOM與系統(tǒng)交換的無(wú)功功率，以達(dá)到補(bǔ)償電壓的目的。另外，由于在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)補(bǔ)償電流的時(shí)變性和系統(tǒng)存在的各種損耗，直流電壓將會(huì)產(chǎn)生大的波動(dòng)而使補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此必須通過(guò)裝置與交流系統(tǒng)的有功交換，控制直流側(cè)電容電壓在其正常范圍之內(nèi)，通常采用控制方法確定裝置應(yīng)從系統(tǒng)吸收的有功電流（或有功功率）參考值。因此在D-STATCOM的電壓控制器中采用了直流側(cè)電容電壓的閉環(huán)控制。直流側(cè)電容電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出形成有功電流參考值。從圖2中可以看出，D-STATCOM采用傳統(tǒng)的電壓雙閉環(huán)PI控制時(shí)，控制系統(tǒng)中嵌入了4個(gè)PI調(diào)節(jié)器，這些PI調(diào)節(jié)器之間的調(diào)節(jié)會(huì)相互影響，因此給控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)不當(dāng)有可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。另一方面，由于PI控制本質(zhì)上是一種線性控制，其參數(shù)的整定值具有一定局域性的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu)值。而D-STATCOM系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，因此傳統(tǒng)PI控制無(wú)法從根本上解決動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能之間、跟蹤設(shè)定值與抑制擾動(dòng)能力之間的矛盾。4分散式無(wú)功能平衡pi控制策略文獻(xiàn)從D-STATCOM系統(tǒng)中的功率交換關(guān)系出發(fā)，應(yīng)用瞬時(shí)功率理論建立了D-STATCOM系統(tǒng)中的瞬時(shí)功率平衡關(guān)系式，并推導(dǎo)出了D-STATCOM的無(wú)電流傳感器直接電壓控制新方法?；谒矔r(shí)功率平衡的D-STATCOM電壓控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。從控制器結(jié)構(gòu)圖中可以看出，D-STATCOM逆變器輸出電壓參考值無(wú)需經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)，而是由有功電流、無(wú)功電流參考值經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算計(jì)算得出，稱之為直接電壓控制。基于瞬時(shí)功率平衡的直接電壓PI控制策略與傳統(tǒng)PI控制策略相比較，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：省去了電流互感器和相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，降低了設(shè)備的成本，提高了設(shè)備可靠性；省去了電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，從而使控制器的設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)電壓外環(huán)/電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略簡(jiǎn)單。盡管如此，基于瞬時(shí)無(wú)功功率平衡的PI控制仍然難以克服傳統(tǒng)PI控制器存在的不足（有功電流與無(wú)功電流之間有耦合作用），且控制器的性能受R、L的影響。因此很有必要在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的研究。5模糊自適應(yīng)pi控制器的設(shè)計(jì)由前面的論述可知，D-STATCOM控制器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于被控對(duì)象本身的復(fù)雜性。另外，我們?cè)诮-STATCOM的數(shù)學(xué)模型時(shí)，忽略了很多特殊情況，如電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱、畸變、功率開關(guān)器件的損耗等，因此式（2）和式（3）所描述的D-STATCOM的數(shù)學(xué)模型也只是一個(gè)理想條件下的數(shù)學(xué)模型，是一個(gè)不夠精確的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)以上原因以及傳統(tǒng)PI控制策略的不足，本文將模糊控制應(yīng)用到PI控制器參數(shù)的調(diào)整，并結(jié)合基于瞬時(shí)功率平衡的直接電壓控制設(shè)計(jì)D-STATCOM的電壓控制系統(tǒng)。其基本思想是：將模糊控制與傳統(tǒng)的PI控制相結(jié)合，采用模糊控制方法使PI參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)性能要求自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)D-STATCOM控制系統(tǒng)良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。對(duì)圖3中的D-STATCOM公共連接點(diǎn)電壓的控制和直流側(cè)電容電壓的控制均采用模糊自適應(yīng)PI(Fuzzy-PI）控制，以改善電壓控制性能。下面以公共連接點(diǎn)電壓控制為例給出模糊自適應(yīng)PI控制器的設(shè)計(jì)方法與過(guò)程。直流側(cè)電容電壓的控制與此類似。5.1模糊控制pi參數(shù)的應(yīng)用本文采用的模糊自適應(yīng)PI控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論和方法，將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)總結(jié)為IF（條件）THEN（結(jié)果）形式的模糊規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息（初始的PI參數(shù)）存入計(jì)算機(jī)中。D-STATCOM的模糊自適應(yīng)PI控制器輸入是D-STATCOM接入點(diǎn)電壓參考值與實(shí)際值的偏差e以及接入點(diǎn)電壓參考值與實(shí)際值的偏差變化趨勢(shì)?e，令e=U*pcc-Upcc，?e=?(U*pcc-Upcc)，運(yùn)用模糊推理進(jìn)行模糊運(yùn)算，便可得到該時(shí)刻的?KP和?KI，實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的最佳調(diào)整。即式中K′P,KI′——當(dāng)前控制器整定值，其預(yù)整定值采用Ziegler-Nichols方法求解5.2ziegerr-nichols方法在設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)PI控制器時(shí)，首先采用Ziegler-Nichols方法求解K′P和KI′，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的預(yù)整定。Ziegler-Nichols方法是目前普遍采用的能直接求得PID控制器參數(shù)的方法之一。步驟：先置K′P=KI′=0，再增加K′P，直至系統(tǒng)振蕩，記下該臨界狀態(tài)K′P的值為Kcr，振蕩周期為Tcr。此時(shí)，可確定控制器參數(shù)為K′P=0.45Kcr,KI′=0.83Tcr。當(dāng)K′P和KI′確定后，按照模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。5.2.1隸屬度函數(shù)根據(jù)最大的變化范圍確定輸入e、?e和輸出?KP、?KI相應(yīng)的論域空間均為[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]。在論域內(nèi)分別定義輸入和輸出的參考模糊集為E、?E和?KP、?KI。將輸入、輸出變量均分為7個(gè)語(yǔ)言值，即{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，隸屬度函數(shù)采用靈敏性強(qiáng)的高斯函數(shù)。為增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，提高隸屬度函數(shù)的分辨率，可將在零值附近的函數(shù)形狀取得更陡，隸屬度函數(shù)如圖5所示。5.2.2kp、ki控制規(guī)則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。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。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。(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的取值可以適當(dāng)增大。(3）當(dāng)e取較小，e∈{NS,0,PS}時(shí)，為使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，KP應(yīng)進(jìn)一步減小，KI應(yīng)取適當(dāng)值，并隨e減小而增大，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。同時(shí)考慮?e的因素，當(dāng)?e和e的變化方向相同時(shí)，輸出向偏離穩(wěn)定值方向變化，應(yīng)適當(dāng)增大KP，反之適當(dāng)減小KP。根據(jù)對(duì)象的實(shí)際特征和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出?KP、?KI的控制規(guī)則見(jiàn)表1和表2。對(duì)輸入的e和?e，在取得相應(yīng)的語(yǔ)言值后，根據(jù)整定規(guī)則表，并經(jīng)公式法模糊決策，分別得出兩個(gè)修正參數(shù)?KP、?KI的模糊量。5.2.3糊化過(guò)程及控制器設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)上述模糊推理后，由Fuzzy-PI控制器整定的兩個(gè)修正參數(shù)要進(jìn)行去模糊化，并取得精確量，以計(jì)算輸出控制量。去模糊化有最大隸屬度法及重心法等多種方法。本文控制器采用重心法求取輸出量的精確值。根據(jù)KP=K′P+?KP,KI=KI′+?KI可得KP、KI在線運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)參數(shù)的在線自整定。上述模糊自適應(yīng)PI控制策略用DSP器件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、工作穩(wěn)定可靠，適合于實(shí)際D-STATCOM裝置控制器的開發(fā)。6模糊自適應(yīng)pi控制策略的動(dòng)態(tài)特性為了證明本文所采用的D-STATCOM模糊自適應(yīng)PI電壓控制策略的有效性和可行性，對(duì)傳統(tǒng)的電壓外環(huán)/電流內(nèi)環(huán)PI控制策略和本文所采用的基于瞬時(shí)功率平衡的直接電壓模糊自適應(yīng)PI電壓控制策略進(jìn)行了數(shù)字仿真研究。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)電壓：380V；頻率：50Hz；直流側(cè)電容：2200μF；工作電壓：800V;SPWM載波頻率：10kHz；耦合變壓器和濾波電感等效電感為：3mH、等效電阻為0.2?；公共連接點(diǎn)電壓控制器初始參數(shù)：KP=2、KI=100；直流側(cè)電容電壓控制器初始參數(shù)：KP=0.8、KI=80。為了驗(yàn)證控制器的動(dòng)態(tài)性能和自適應(yīng)性能，仿真過(guò)程中通過(guò)無(wú)功負(fù)荷的投切來(lái)模擬公共連接點(diǎn)電壓的跌落現(xiàn)象，通過(guò)改變D-STATCOM系統(tǒng)中的部分等效電氣參數(shù)來(lái)模擬系統(tǒng)工作狀態(tài)的變化。圖6給出了在t=0.2s時(shí)突加無(wú)功負(fù)荷情況時(shí)兩種控制策略下公共連接點(diǎn)電壓的響應(yīng)曲線（標(biāo)幺值），在t=0.4s時(shí)，負(fù)荷恢復(fù)到原來(lái)的水平。從圖6中可以看出，模糊自適應(yīng)PI控制比傳統(tǒng)的PI控制具有更好的動(dòng)態(tài)性能，采用模糊自適應(yīng)PI控制時(shí)，比傳統(tǒng)的PI控制具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間。圖7給出的是兩種控制策略下直流側(cè)電容電壓波形。從圖7中可以看出，當(dāng)突加的無(wú)功負(fù)荷引起公共連接點(diǎn)電壓下降時(shí)，D-STATCOM控制系統(tǒng)試圖通過(guò)調(diào)節(jié)注入系統(tǒng)的無(wú)功電流來(lái)維持其恒定，但由于有功電流和無(wú)功電流的耦合作用，所以采用傳統(tǒng)PI控制策略時(shí)，直流側(cè)電容電壓（跟有功電流相關(guān)）也會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，體現(xiàn)出了這種耦合作用。而采用模糊自適應(yīng)PI控制策略時(shí)，直流側(cè)電容電壓波動(dòng)較小，可見(jiàn)，采用模糊自適應(yīng)PI控制策略可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)有功/無(wú)功的解耦控制。為了驗(yàn)證模糊自適應(yīng)PI控制策略的自適應(yīng)性能，在仿真模型中將耦合變壓器和濾波電感等效電感改為5mH，等效電阻改為0.5?。圖8a給出了改動(dòng)參數(shù)后兩種控制策略下公共連接點(diǎn)電壓的響應(yīng)曲線，圖8b給出了直流側(cè)電容電壓