源側(cè)電流檢測(cè)的DSTATCOM控制策略

劉驥， 魏新勞， 徐在德， 趙東旭， 孫冰

(1．哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080;2．東北電網(wǎng)有限公司，遼寧沈陽 110006)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，越來越多具有功率因數(shù)低、非線性、非對(duì)稱性或沖擊性等特點(diǎn)的工業(yè)用電設(shè)備或民用設(shè)備接入配電網(wǎng)中，這些負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成了嚴(yán)重的無功和諧波污染，使配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)電網(wǎng)電能質(zhì)量日益下降，因此對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行有效控制和合理的無功補(bǔ)償已勢(shì)在必行。

配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器(distribution static synchronous compensator，DSTATCOM)可以對(duì)電網(wǎng)諧波電流以及無功進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的凈化，因而配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器已經(jīng)成為解決電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的重要工具。

國(guó)內(nèi)的配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的電流檢測(cè)算法主要是采用ip－iq法［1－2］，也有些文獻(xiàn)研究了交叉矢量法［3］、d －q 矢量變換［4］等控制策略，但都需要檢測(cè)負(fù)載電流和補(bǔ)償輸出電流，精確計(jì)算補(bǔ)償量。

近年來，國(guó)內(nèi)也開始研究直接控制電源電流的控制策略，雖然給出了這種控制方法的基本原理，但都沒有給出該方法的詳細(xì)理論分析［5－6］，尤其是在PI參數(shù)選擇的方法原則以及理論依據(jù)方面尚未有文獻(xiàn)報(bào)道。

國(guó)外雖然對(duì)這種方法給出了主回路的結(jié)構(gòu)原理圖以及控制算法的原理推導(dǎo)，但是都沒有給出具體的 PI參數(shù)整定方法［7－8］。DSTATCOM 進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償時(shí)直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定性控制目前大多采用PI控制方式［9－10］，傳統(tǒng) PI控制其動(dòng)態(tài)性能差，響應(yīng)速度較慢，超調(diào)量較大，暫態(tài)過程中容易使電容擊穿。

針對(duì)上述情況，本為提出更為實(shí)用的基于源側(cè)電流檢測(cè)的控制策略，不需要對(duì)諧波和無功進(jìn)行檢測(cè)，采用直接控制電源電流的方式，硬件簡(jiǎn)單化，實(shí)時(shí)性提高，降低成本。同時(shí)為了克服傳統(tǒng)PI的缺點(diǎn)，本文直流側(cè)電容電壓的控制采用了自適應(yīng)模糊控制器，具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性。自適應(yīng)模糊PI控制器實(shí)現(xiàn)了PI參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整，進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)不確定因素的適應(yīng)性，它不依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

本文首先給出了源側(cè)電流直接控制的原理分析，并且在大量仿真的情況下總結(jié)了PI參數(shù)的選擇方法，通過對(duì)PI控制和自適應(yīng)模糊PI控制的直流側(cè)電容電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)的對(duì)比，分析采用自適應(yīng)模糊PI控制器的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。同時(shí)，論文對(duì)采用本文控制策略的DSTATCOM進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 DSTATCOM源側(cè)電流控制原理

本文提出的靜止同步補(bǔ)償器控制方案，采用直接控制電源電流的方式，與傳統(tǒng)的DSTATCOM系統(tǒng)相比不需要實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)臒o功量，因此省去了復(fù)雜的無功和諧波檢測(cè)單元和相應(yīng)的硬件電路，其主回路電路接線原理如圖1所示。

圖1DSTATCOM主回路原理圖Fig．1 Diagram of DSTATCOM main circuit

由圖1可知，靜止同步補(bǔ)償器的主回路主要是由功率開關(guān)電路，輸出電抗器，直流側(cè)電容組成。開關(guān)采用IGBT，平波電抗器起連接電網(wǎng)和抑制諧波的作用，變流器通過輸出電抗器與電網(wǎng)直接相連;直流側(cè)電容起儲(chǔ)能和穩(wěn)定直流電壓的作用。

設(shè)電源電流為is，負(fù)載電流為iL，則補(bǔ)償電流ic應(yīng)滿足

采用直接源側(cè)電流檢測(cè)的DSTATCOM基本控制原理如圖2所示。

圖2DSTATCOM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Scheme of DSTATCOM control system

由圖2可知，采用直接控制電源電流的靜止同步補(bǔ)償器，補(bǔ)償電流設(shè)定值的幅值Im是由直流側(cè)電容電壓的設(shè)定值與實(shí)際值的差值ΔUC，通過PI控制器調(diào)節(jié)后獲得，補(bǔ)償電流設(shè)定值的頻率可通過檢測(cè)三相電源電壓，得到與系統(tǒng)電源Us同步的單位正弦信號(hào)就是PI控制器輸出的Im和系統(tǒng)電源相位相同的單位正弦信號(hào)的乘積，然后補(bǔ)償指令電流的設(shè)定值和電源電流的實(shí)際值is的差值Δis作為滯環(huán)比較的輸入信號(hào)。

在圖2中，三相電網(wǎng)電壓為

其中Um為電壓峰值。則單位三相正弦信號(hào)為

實(shí)際應(yīng)用中，單位三相正弦信號(hào)可由控制器CPU中斷子程序通過查表實(shí)現(xiàn)。

圖2中Im為反映系統(tǒng)有功變化的有功電流，即

2 PI參數(shù)選擇

直接控制電源電流方式的DSTATCOM，不需要檢測(cè)無功電流，因?yàn)樵贒STATCOM補(bǔ)償無功的時(shí)候，直流側(cè)電容和電網(wǎng)電流存在能量的交換。電容電壓和電容電流的動(dòng)態(tài)關(guān)系為

式中:u(0)為初始時(shí)刻的電壓;iC(t)為電容電流;uC(t)為電容電壓的實(shí)際值;UCref為設(shè)定電容電壓。則有

根據(jù)能量平衡，直流側(cè)電容充放電過程是由基波電流引起的，由式(6)可知通過PI調(diào)節(jié)后得到有功電流值Im為

對(duì)式(7)兩邊求導(dǎo)數(shù)，對(duì)于系統(tǒng)來說，有功電流都是常量，而Im為有功電流的幅值，所以此時(shí)Im為常數(shù)，因而求得導(dǎo)數(shù)為0，即

解得

式中A為常數(shù)。

當(dāng)t趨近于無窮大時(shí)，ΔuC無限趨近于零。由此可見，直接控制電源電流的DSTATCOM直流側(cè)電容電壓都能夠達(dá)到穩(wěn)定，所以證明了此種控制方案的可行性。

同時(shí)，從式(8)結(jié)果分析還可以得到:

1)當(dāng)ki/kp＜1時(shí)，根據(jù)式(8)可知，ΔuC趨近于0的時(shí)間變長(zhǎng)，衰減速度較慢，因而對(duì)于快速補(bǔ)償系統(tǒng)來說是不滿足要求的。

2)當(dāng)ki/kp＞1時(shí)，根據(jù)式(8)可知，ΔuC趨近于0的時(shí)間變短，衰減速度較快。理論上來說，ki/kp越大則衰減速度越快，但是因?yàn)槭芄β势骷_關(guān)速度以及采樣速度的限制，ki/kp也不能太大，如果太大會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

由式(7)可知直流側(cè)電容電壓的變化，直接影響到有功電流Im，其中

由式(9)的進(jìn)一步推斷可知在電容大小確定的情況下，電容電流的大小最終決定了有功電流Im，由此推斷電容電流和有功電流Im存在線性關(guān)系，即

按照上面的推斷，進(jìn)行了大量仿真，證明只要電容容量C和PI參數(shù)固定的情況下，在改變負(fù)載的情況下，電容電流都是隨著有功電流Im不斷變化，從而在仿真中不斷改變負(fù)載R、L值的情況下得到圖3，由圖3發(fā)現(xiàn)k'p的值除負(fù)載電流極大(即R、L值較小)情況下，基本上都在0.15～0.45之間，由此可知，k'p存在一定的線性關(guān)系。而k'p主要是PI參數(shù)中的k'p起作用，所以可以認(rèn)為kp=k'p，而積分系數(shù)ki可以消除靜態(tài)誤差，在本系統(tǒng)中ki的要求不是很嚴(yán)格，理論仿真研究發(fā)現(xiàn)，ki取值范圍在ki＜100的情況下都可以。

圖3 對(duì)于不同負(fù)載得到的k'p的值Fig．3 The value of k'pobtained form different load

由式(4)可得到有功電流的參考值、、，各相系統(tǒng)電流為isa、isb、isc，由此可得無功電流參考值為

而系統(tǒng)電流和直流側(cè)電壓形成了閉環(huán)控制，這樣通過PI調(diào)節(jié)之后可以得到較為準(zhǔn)確的有功參考電流。

3 改進(jìn)控制策略與模糊控制器設(shè)計(jì)

靜止同步補(bǔ)償器的電容電壓穩(wěn)定性直接決定了補(bǔ)償?shù)男Ч?，因而直流?cè)電容電壓的穩(wěn)定性控制就顯得尤為突出，傳統(tǒng)上的普通PI調(diào)節(jié)控制電容電壓的穩(wěn)定，響應(yīng)速度較慢，動(dòng)態(tài)性能差。而自適應(yīng)模糊PI系統(tǒng)是以常規(guī)PI控制為基礎(chǔ)，采用模糊推理思想，將誤差e和誤差變化率eC作為模糊控制器的兩個(gè)輸入量，通過模糊控制器的輸出變量，利用模糊規(guī)則實(shí)時(shí)對(duì)PI參數(shù)實(shí)時(shí)修整，從而達(dá)到PI參數(shù)的最優(yōu)［11－12］。

對(duì)上述控制系統(tǒng)引入自適應(yīng)模糊控制環(huán)節(jié)，得到改進(jìn)的DSTATCOM控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的DSTATCOM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．4 Modified DSTATCOM control system

由圖4可知，將圖2所示原控制系統(tǒng)的直流側(cè)電容電壓的設(shè)定值與實(shí)際值的差值ΔUC引入自適應(yīng)模糊PI控制器調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，然后將自適應(yīng)模糊PI控制器輸出的Im與系統(tǒng)電源相位相同的單位正弦信號(hào)相乘得到補(bǔ)償指令電流的設(shè)定值，該值和電源電流的實(shí)際值is的差值Δis作為滯環(huán)比較的輸入信號(hào)進(jìn)行輸出控制。

根據(jù)模糊控制原理對(duì)比例、積分系數(shù)2個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，以滿足不同e和eC對(duì)控制參數(shù)的不同要求，而使控制輸出有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。首先根據(jù)前面分析確定k'p，k'i的值，此時(shí)然后通過模糊推理得到修正值Δkp，Δki，然后通過經(jīng)驗(yàn)值和修正值得到最優(yōu)kp和ki。圖4中的模糊推理環(huán)節(jié)展開后如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)PI參數(shù)的優(yōu)化。

設(shè)比例、積分系數(shù)kp、ki為

式中:k'p，k'i為系統(tǒng)的經(jīng)典 PI參數(shù)，Δk'p，Δk'i為模糊推理得到的調(diào)整值。根據(jù)PI的控制算式

圖5 自適應(yīng)模糊PI控制結(jié)構(gòu)Fig．5 Scheme of adaptive fuzzy PI control

設(shè)定輸入變量e和eC的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，并簡(jiǎn)記為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}7 種。同樣輸出變量kp、ki的模糊子集也為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。根據(jù)參數(shù)kp、ki對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響，可得出在不同的e和eC時(shí)，參數(shù)的整定原則:

1)當(dāng)|e|很大時(shí)，不論誤差變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出應(yīng)按最大(或最小)輸出，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對(duì)值以最大速度減小。同時(shí)為了防止積分飽和，此時(shí)應(yīng)取較大kp，較小的ki，其值可以取零。

2)當(dāng)|e|和|eC|為中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減小，kp，ki都不能取大，應(yīng)該較小的ki，kp的取值大小要適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3)|e|較小時(shí)，說明誤差的絕對(duì)值朝減小的方向變化，或者已達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí)可采取保持控制器輸出不變。

上述原則的模糊推理環(huán)節(jié)可以采用IF－THEN形式實(shí)現(xiàn)，可得 Δkp、Δki整定值:

當(dāng) E 分別為 NM、NS、Z、PS、PM、PB 時(shí)，kp、ki也各有7條規(guī)則共有49條規(guī)則。

圖6為自適應(yīng)模糊控制模塊仿真圖，其中K6、K7為ki、kp，K4、K5為模糊推理得到的修正值 Δkp、Δki，從而實(shí)時(shí)修整PI參數(shù)，其中K1、K2為兩個(gè)輸入變量的調(diào)節(jié)系數(shù)，可以根據(jù)輸入量范圍的變化，直接調(diào)節(jié)K1、K2的大小，這樣不需要在模糊模塊根據(jù)輸入變量的范圍重新確定e和eC的取值范圍，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

圖6 自適應(yīng)模糊控制仿真圖Fig．6 Adaptive fuzzy control block

4 仿真驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，對(duì)采用直接控制電源電流方式的靜止同步補(bǔ)償器在Matlab/SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行了仿真，其中仿真系統(tǒng)的基本參數(shù)為:系統(tǒng)電源電壓為us=220 V;直流側(cè)電容C=3 300 μF;電容電壓的設(shè)定值為UCref=750 V;滯環(huán)比較器的環(huán)寬為1.0 A;負(fù)載側(cè)R=1 Ω;L=2 mH;kp=0.2;ki=5.0。

系統(tǒng)在t=0.02 s時(shí)投入靜止同步補(bǔ)償器，圖7(a)為投入前A相的電壓電流曲線，圖7(b)為投入靜止同步補(bǔ)償器后的A相的電壓電流波形，通過對(duì)比可知，采用直接控制電源電流方式的DSTATCOM，無功補(bǔ)償效果非常理想。

圖7 電源電流控制的DSTATCOM的A相補(bǔ)償結(jié)果Fig．7 Compensated results for A phase of DSTATCOM using source current control

圖8為投入靜止同步補(bǔ)償器的三相電源電流和補(bǔ)償電流過渡曲線，由曲線可知，電流沒有大的波動(dòng)，并且在投入后系統(tǒng)穩(wěn)定速度較快。

圖8 電源電流控制的DSTATCOM過渡過程曲線Fig．8 Transient curves for three-phase of DSTATCOM using source current control

圖9為直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)曲線，由圖可知，采用一般PI調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定到額定電壓值750 V大概需要0.5 s，超調(diào)量大概在50 V左右，采用自適應(yīng)模糊PI調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定到額定電壓值750 V大概需要0.2 s，超調(diào)量大概在20 V左右，并且基本上沒有超調(diào)，電壓波動(dòng)不大，由此對(duì)比可知采用自適應(yīng)模糊PI控制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量變小。

圖9 兩種控制方式下初始時(shí)刻電容電壓的過渡過程Fig．9 Initial transition curves of capacitor voltage for two control mode

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證此種控制方案的可行性，按圖1結(jié)構(gòu)原理開發(fā)了一套針對(duì)此種控制方案的DSTATCOM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)其無功補(bǔ)償效果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置:系統(tǒng)直流側(cè)電容C=3 300 μF;電容電壓的設(shè)定值為UCref=120 V;負(fù)載L=13.8 mH;R=5.6 Ω;PI設(shè)定參數(shù)為kp=0.2;ki=5.0，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別采用FLUKE 434電能質(zhì)量分析儀和TDS3014B示波器測(cè)量，如圖10、圖11所示。

由圖10(a)和圖10(b)的對(duì)比可知此種方法在實(shí)際實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中也是可行的，完全滿足要求。通過功率因數(shù)補(bǔ)償前后的對(duì)比可知，補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.8，含有較多的無功，補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.99，補(bǔ)償了無功，并且基本上沒有諧波產(chǎn)生。

圖11為投入DSTATCOM后直流側(cè)電容電壓的過渡過程，通過曲線可知，系統(tǒng)經(jīng)過約0.8 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)，之后電容電壓一直比較穩(wěn)定。

圖10 電源電流控制的DSTATCOM的A相補(bǔ)償試驗(yàn)Fig．10 Testing results for A phase of DSTATCOM using source current control

圖11 直流側(cè)電容電壓測(cè)試曲線Fig．11 Test curve of capacitor voltage

6 結(jié)論

本文提出了一種單獨(dú)控制電源側(cè)電流的補(bǔ)償控制算法，并對(duì)直流側(cè)穩(wěn)壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了控制直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定的PI參數(shù)整定詳細(xì)過程，從本文理論研究與試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

1)理論分析與試驗(yàn)表明，采用不檢測(cè)無功電流而單獨(dú)控制電源側(cè)電流的控制模式，同樣能達(dá)到理想的補(bǔ)償效果，而且控制軟件硬件實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單;

2)電流控制策略的PI參數(shù)整定過程可應(yīng)用到實(shí)際裝置中確定控制器比例、積分系數(shù)，具有理論參考價(jià)值;

3)對(duì)傳統(tǒng)PI控制和自適應(yīng)模糊PI控制的直流側(cè)電容電壓進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的對(duì)比，表明采用自適應(yīng)模糊PI控制器，系統(tǒng)的超調(diào)更小，響應(yīng)速度更快。

通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明采用該控制策略后，DSTATCOM的直流側(cè)電壓控制穩(wěn)定，電源側(cè)功率因數(shù)可達(dá)0.99。

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