單電流檢測(cè)配網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的改進(jìn)控制策略

劉 驥，徐在德，高巖濤，黃 玲

（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.大慶電業(yè)局，黑龍江 大慶 163464）

0 引言

靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）是一種并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜嵝越涣鬏旊娤到y(tǒng)（FACTS）裝置，它能夠發(fā)出或吸收無(wú)功功率，用于配電網(wǎng)的STATCOM通常又稱為配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（DSTATCOM），其可以對(duì)電網(wǎng)諧波以及無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的凈化，因而DSTATCOM已經(jīng)成為解決電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的重要裝置。

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]、d-q 矢量變換[3-5]等控制策略，但都要檢測(cè)負(fù)載和補(bǔ)償電流，精確計(jì)算補(bǔ)償量。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開始研究電源電流的直接控制策略，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[6-7]，尤其是在PI參數(shù)選擇的方法原則以及理論依據(jù)方面尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。

目前大多DSTATCOM都要進(jìn)行諧波和無(wú)功的檢測(cè)，并以此作為補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定性的控制目前大多采用PI控制方式[8-10]，傳統(tǒng)PI控制的動(dòng)態(tài)性能差，響應(yīng)速度較慢，超調(diào)量較大，暫態(tài)過(guò)程中容易擊穿電容。

針對(duì)上述情況，本文提出更實(shí)用的控制方式，不需要對(duì)諧波和無(wú)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，提高實(shí)時(shí)性，降低成本。同時(shí)為了克服傳統(tǒng)PI的缺點(diǎn)，本文采用了自適應(yīng)模糊控制器來(lái)控制直流側(cè)電容電壓，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。本文通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明采用無(wú)諧波和無(wú)功檢測(cè)單元的直接控制電源電流的方式，同樣能達(dá)到理想的補(bǔ)償效果。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)行了動(dòng)態(tài)的對(duì)比，結(jié)果表明采用自適應(yīng)模糊PI控制器，系統(tǒng)的超調(diào)更小，響應(yīng)速度更快。

1 直接控制電流的DSTATCOM原理

與傳統(tǒng)的DSTATCOM系統(tǒng)相比，本文提出的DSTATCOM控制方案省去了復(fù)雜的諧波和無(wú)功的檢測(cè)單元以及相應(yīng)的硬件電路。其主回路原理圖如圖1所示。

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

由圖1可以知道，DSTATCOM的主回路主要是由逆變橋、直流側(cè)電容、耦合電感組成。目前大多數(shù)DSTATCOM都需要檢測(cè)諧波和無(wú)功電流，將檢測(cè)的結(jié)果作為補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)，然后通過(guò)DSTATCOM提供補(bǔ)償電流ic，消除流入電網(wǎng)的無(wú)功和諧波電流[11-13]。

DSTATCOM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中，采用直接控制電源電流的DSTATCOM，補(bǔ)償電流設(shè)定值i*s的幅值Im是由直流側(cè)電容電壓設(shè)定值與實(shí)際值之差ΔUC通過(guò)自適應(yīng)模糊PI控制器調(diào)節(jié)后獲得的，然后將自適應(yīng)模糊PI控制器輸出Im分別與系統(tǒng)各相電源同相位的單位正弦信號(hào)相乘作為補(bǔ)償電流的參考瞬時(shí)值i*s，i*s和電源電流實(shí)際值is的差值Δis作為滯環(huán)比較的輸入信號(hào)。

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

2 自適應(yīng)模糊PI控制

DSTATCOM電容電壓的穩(wěn)定性直接決定了DSTATCOM的補(bǔ)償效果，因而直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定性就顯得尤為重要，而傳統(tǒng)采用的是普通PI調(diào)節(jié)來(lái)控制電容電壓的穩(wěn)定，響應(yīng)速度較慢，動(dòng)態(tài)性能差[14]。

自適應(yīng)模糊PI控制如圖3所示。其系統(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2個(gè)輸入量，通過(guò)模糊控制器輸出變量，利用模糊規(guī)則對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而達(dá)到 PI參數(shù)的最優(yōu)[15-16]。

圖3 自適應(yīng)模糊PI控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of adaptive fuzzy PI controller

根據(jù)模糊控制原理對(duì)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，而使對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定k*p、k*i的值，其次通過(guò)模糊推理得到修正值Δkp、Δki，然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值和修正值得到最優(yōu)kp和ki。

設(shè)

根據(jù)圖3實(shí)現(xiàn)了對(duì)PI參數(shù)的優(yōu)化，PI的控制算式如下：

圖4為自適應(yīng)模糊控制仿真圖。其中，K6、K7為式（1）中的 ki、kp，為經(jīng)驗(yàn)值確定的 PI參數(shù)；K4、K5 為模糊推理得到的修正值Δkp、Δki，從而實(shí)時(shí)修正PI參數(shù)；K1、K2為2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4 Simulink自適應(yīng)模糊控制仿真圖Fig.4 Simulink-based simulation of adaptive fuzzy control

3 三相不平衡時(shí)DSTATCOM

電力系統(tǒng)正常不平衡是由系統(tǒng)三相負(fù)載不對(duì)稱引起的，由此產(chǎn)生的不平衡電流對(duì)系統(tǒng)的影響很大，而傳統(tǒng)的瞬時(shí)對(duì)稱分量變化是將任意一組不對(duì)稱的三相分量分解為3組對(duì)稱的相量。對(duì)于三相不對(duì)稱性負(fù)載，根據(jù)瞬時(shí)對(duì)稱分量分解，可分解為各次電流的正序、負(fù)序和零序?qū)ΨQ分量。針對(duì)傳統(tǒng)方法的復(fù)雜性，本文采用直接控制電源電流方式的DSTATCOM對(duì)三相三線系統(tǒng)在不平衡情況下進(jìn)行了補(bǔ)償。由于本系統(tǒng)采用的是三相三線結(jié)構(gòu)，在負(fù)載不平衡時(shí)，零序電流無(wú)法通過(guò)，因此在分析的時(shí)候忽略零序電流對(duì)系統(tǒng)的影響。

直接控制電源電流方式不需要檢測(cè)無(wú)功電流，因?yàn)樵贒STATCOM進(jìn)行濾波和補(bǔ)償無(wú)功時(shí)，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具有下面的動(dòng)態(tài)關(guān)系：

根據(jù)能量的平衡，直流側(cè)電容充放電過(guò)程都是基波電流引起的，由此可知，直流側(cè)電容的有功電流設(shè)為i（t），通過(guò)自適應(yīng)模糊PI調(diào)節(jié)后得到有功電流值Im。

系統(tǒng)電流和直流側(cè)電壓形成了閉環(huán)控制，這樣通過(guò)PI控制后可以得到較準(zhǔn)確的有功參考電流i*s，按圖2原理得到補(bǔ)償無(wú)功電流參考值i*q。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述分析，對(duì)采用直接控制電源電流方式的DSTATCOM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=3300 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 A，負(fù)載側(cè)Rdc=10 Ω，Ldc=10 mH，Rab=5 Ω。

系統(tǒng)在 t=0.05 s時(shí)投入 DSTATCOM，圖 5（a）為投入前A相的電壓、電流曲線，圖5（b）為投入后A相的電壓、電流波形。通過(guò)對(duì)比可知，采用直接控制電源電流方式，諧波和無(wú)功補(bǔ)償效果非常理想。

圖5 電源電流控制的DSTATCOM的A相補(bǔ)償效果Fig.5 Compensation waveforms of DSTATCOM based on source current control for phase A

圖6（a）為采用普通PI控制的DSTATCOM A相電流的過(guò)渡曲線，圖6（b）為采用自適應(yīng)模糊PI控制的DSTATCOM A相電流的過(guò)渡曲線。由曲線對(duì)比可知，采用自適應(yīng)模糊PI控制電流大概需要4個(gè)工頻周期可以達(dá)到穩(wěn)定，采用PI控制電流大概需要8個(gè)工頻周期才可以達(dá)到穩(wěn)定。

圖6 電源電流控制的DSTATCOM的A相過(guò)渡過(guò)程Fig.6 Transient waveforms of DSTATCOM based on source current control for phase A

圖7（a）為投入DSTATCOM前的三相電流曲線，可明顯地看出，三相存在嚴(yán)重的不平衡現(xiàn)象且含有大量諧波；圖7（b）為投入DSTATCOM后的波形，通過(guò)對(duì)比可知，采用直接控制電源電流方式的DSTATCOM可以使三相系統(tǒng)電流實(shí)現(xiàn)平衡，并且可以補(bǔ)償無(wú)功，濾除諧波；圖7（c）為DSTATCOM提供的補(bǔ)償電流。

圖8（a）、（b）為投入 DSTATCOM 后 2 種控制方式下的A相電流過(guò)渡過(guò)程曲線，圖8（c）為將1.0 mH耦合電感減小為0.4 mH后的三相過(guò)渡過(guò)程波形，可見暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間明顯縮短，可以控制在1個(gè)周期內(nèi)。

圖7 電源電流控制的DSTATCOM三相補(bǔ)償效果Fig.7 Three-phase compensation waveforms of DSTATCOM based on source current control

圖8 電源電流控制的DSTATCOM的過(guò)渡過(guò)程Fig.8 Three-phase transient waveforms of DSTATCOM based on source current control

由圖2的DSTATCOM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，投入的一瞬間，電容電壓設(shè)定值和實(shí)際值之間的差值ΔUC為0，所以經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后的電流Im也為0，此時(shí)系統(tǒng)電流的設(shè)定值i*s也就為0，由式（6）可以明顯看出，此時(shí)滯環(huán)比較的輸入為系統(tǒng)實(shí)際電流is自身作差，所以造成系統(tǒng)電流瞬間為0的現(xiàn)象，如圖8（b）0.05 s投入起始時(shí)刻的波形所示；但是伴隨著電容的放電，PI調(diào)節(jié)后的電流Im逐漸增加，此時(shí)i*s也逐漸增加，從而使系統(tǒng)電流逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定。

圖9為直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)曲線?？芍捎闷胀≒I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；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0.1 s，并且基本上沒有超調(diào)，電壓波動(dòng)不大，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。

圖9 2種控制方式下初始時(shí)刻電容電壓的過(guò)渡過(guò)程Fig.9 Transition process of initial capacitor voltage under two control modes

為了驗(yàn)證所提控制方案的可行性，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(wú)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=3300μF，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，分別采用FLUKE 434電能質(zhì)量分析儀和TDS3014B示波器進(jìn)行電壓、電流測(cè)量，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 電源電流控制的DSTATCOM的A相補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of DSTATCOM with source current control for phase A

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

由圖10（a）和（b）的對(duì)比可知該方法在實(shí)際實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中也是可行的，完全滿足要求。通過(guò)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(wú)功，補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.99，補(bǔ)償了無(wú)功，并且基本沒有諧波產(chǎn)生。

圖11為投入DSTATCOM后直流側(cè)電容電壓的過(guò)渡過(guò)程?？芍?，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)約0.8 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)，之后電容電壓一直比較穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)DSTATCOM復(fù)雜的諧波和無(wú)功檢測(cè)單元，本文采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的直接控制電源電流的DSTATCOM，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明采用不檢測(cè)無(wú)功和諧波電流、單獨(dú)控制電源側(cè)電流的控制模式同樣能達(dá)到濾除諧波、補(bǔ)償無(wú)功的目的，而且控制軟件硬件實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單；通過(guò)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)對(duì)比，結(jié)果表明采用自適應(yīng)模糊PI控制器，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，魯棒性強(qiáng)，特別是在三相不平衡的條件下，可以較準(zhǔn)確地對(duì)三相進(jìn)行補(bǔ)償，使三相達(dá)到平衡狀態(tài)，并且使系統(tǒng)迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析，同時(shí)證明采用該控制策略后，DSTATCOM具有較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。