試論交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變調(diào)節(jié)與控制

潘敏

【摘 要】本文主要研究基于STATCOM無功補(bǔ)償?shù)慕涣飨到y(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變調(diào)節(jié)與控制問題。采用直接電流控制[2]，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與滑?？刂葡嘟Y(jié)合的方法。通過建立控制對(duì)象的滑模等效控制器，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等效控制與切換控制以實(shí)現(xiàn)STATCOM自適應(yīng)控制。最后通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

【關(guān)鍵詞】交流系統(tǒng)；STATCOM；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；滑?？刂?/p>

0.引言

目前較為傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式是SVC，其原理就是為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康模秒娀t和TCR補(bǔ)償裝置，使其吸收的電流值和盡量的小，來達(dá)到抑制閃變的作用。由于補(bǔ)償容量會(huì)受到裝置本身的影響，所以在連續(xù)投切電容器組的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生非常多的諧波。電弧爐工作時(shí)，其電流往往會(huì)發(fā)生急劇的變化，SVC的感應(yīng)速度又比較慢，響應(yīng)速度和補(bǔ)償容量一會(huì)對(duì)閃變的抑制效果產(chǎn)生影響]。可以迅速反應(yīng)的STATCOM裝置，可以將無功功率穩(wěn)定迅速吸收，校正功率因數(shù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓。由于具有如此多的優(yōu)勢(shì)，STATCOM也正在成為新的研究的熱點(diǎn)。

由于STATCOM是一個(gè)非線性系統(tǒng)，其控制方法也相對(duì)復(fù)雜。然而PI控制參數(shù)難以確定，并且其對(duì)參數(shù)變化以及擾動(dòng)也非常敏感；而非線性魯棒控制設(shè)計(jì)過程非常復(fù)雜；相對(duì)而言，滑?？刂聘菀讓?shí)現(xiàn)，且對(duì)模型參數(shù)的變化和外部擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。實(shí)質(zhì)上，滑模控制是非線性控制的一個(gè)特殊的情況，不連續(xù)性的控制輸入是其非線性的一個(gè)表現(xiàn)，而在一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程是，是可以依據(jù)系統(tǒng)的不同狀態(tài)，可以做有目的性的并且不停的變化的控制輸入量，這樣以來可以令滑動(dòng)模態(tài)的狀態(tài)軌跡按照系統(tǒng)預(yù)定做軌跡運(yùn)動(dòng)。所以本文采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的方法設(shè)計(jì)STATCOM的無功補(bǔ)償控制策略。

1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

在STATCOM的控制中，應(yīng)用比較普遍和適用的方法是雙閉環(huán)電流控制方法，選擇內(nèi)外環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)指直流電壓環(huán)，通常采用形式比較固定的反饋PI控制，但是本文創(chuàng)新性地采用滑模控制來實(shí)現(xiàn)外環(huán)電壓指令的自適應(yīng)控制。內(nèi)環(huán)指的是無功電流環(huán)以及有功電流環(huán)，直流電壓外環(huán)的輸出作為有功電流控制的參考輸入。

1.1電壓環(huán)滑?？刂破?/p>

STATCOM的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中，D為逆變器的輸出一側(cè)線的電壓的有效值和直流一側(cè)的電壓的比值；δ為逆變器輸出側(cè)的電壓和系統(tǒng)電壓的相位差；i為dqo坐標(biāo)系之下STATCOM所吸收的這種有功電流；i為dqo坐標(biāo)系之下STATCOM所吸收的這類的無功電流；U為STATCOM直流一側(cè)的電壓；U為系統(tǒng)線的電壓的有效值；ω為系統(tǒng)電壓的基波角頻率；R為STATCOM有功損耗下的等效的電阻；L為STATCOM串聯(lián)電抗器的感抗值。

由于本文將電流環(huán)作為控制的重點(diǎn)，所以在電壓環(huán)只采用傳統(tǒng)滑?？刂频脑O(shè)計(jì)方案。取電壓跟蹤誤差為狀態(tài)變量：

由于模型攝動(dòng)以及環(huán)境因素干擾，可能造成滑模面波動(dòng)，故采用切換控制器來抑制。切換控制器形式如下：

可見所設(shè)計(jì)的滑?？刂破鳚M是穩(wěn)定的。

1.3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

本文利用RBF對(duì)切換增益進(jìn)行估計(jì)，并利用切換增益消除干擾項(xiàng)，從而消除抖振，使得對(duì)負(fù)載干擾和參數(shù)變化具有很好的魯棒性[9]。

RBF滑?？刂破餍问饺缦拢?/p>

2.仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了探討交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變的抑制在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性，利用科學(xué)研究軟件MATLAB建立了的基于STATCOM的交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變抑制模型，并對(duì)比了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂婆c傳統(tǒng)PID控制在系統(tǒng)電能質(zhì)量控制方面的性能。

該模型由電源、負(fù)載、STATCOM本體、STATCOM控制器等模塊組成。由GTO構(gòu)造的STATCOM容量為10Mvar，用來調(diào)節(jié)110千伏交流系統(tǒng)。交流系統(tǒng)的負(fù)載容量一個(gè)是30MVA，另一個(gè)是20MVA。STATCOM裝置參數(shù)（標(biāo)幺值）：R=0.1，L=0.15，C=0.8，Vs=1.0，ω=314。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)STATCOM調(diào)節(jié)無功電流來維持直流側(cè)電壓有名值的恒定。如果電源產(chǎn)生的電壓高或低于系統(tǒng)電壓、STATCOM生成（或吸收）無功功率。無功功率的數(shù)量取決于電源電壓大小和變壓器漏電抗。本節(jié)采用上述基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑模自適應(yīng)控制的直接電流控制策略進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真。仿真實(shí)驗(yàn)中模擬了系統(tǒng)電壓突變情況下STATCOM控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。系統(tǒng)仿真時(shí)間為0.8s，在0.1s時(shí)系統(tǒng)電壓從標(biāo)識(shí)值1pu突然降低到0.975pu，經(jīng)過0.1s 的持續(xù)時(shí)間，系統(tǒng)電壓在0.2s時(shí)又回升到1.025pu，繼而在0.3s時(shí)回落到0.965pu；隨后系統(tǒng)電壓在0.5s恢復(fù)到正常值1pu，經(jīng)過0.1s后再次波動(dòng)到1.045pu，0.1s后系統(tǒng)回復(fù)平靜。可見，整個(gè)仿真過程充分體現(xiàn)了系統(tǒng)電壓的波動(dòng)過程，以期檢驗(yàn)STATCOM系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。仿真結(jié)果可見，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破骱蛡鹘y(tǒng)PID控制器均能在系統(tǒng)參考指令時(shí)變情況下有效補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率。但是，由于采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)，以及滑?？刂频淖赃m應(yīng)能力，所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑模控制具有比傳統(tǒng)PID控制器更快的反應(yīng)速度與更優(yōu)的控制效果。

3.結(jié)論

STATCOM無功補(bǔ)償系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜非線性的控制對(duì)象，利用傳統(tǒng)的PID控制器很難得到理想的控制性能。為了提高控制系統(tǒng)控制性能，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破鳌?chuàng)新點(diǎn)在于利用滑?？刂破鲗?duì)伺服系統(tǒng)電壓與電流環(huán)進(jìn)行控制，并在電流環(huán)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制來優(yōu)化滑?？刂坡桑瑥亩_(dá)到消除滑模抖振問題，實(shí)現(xiàn)STATCOM系統(tǒng)高精度控制。最后通過MATLAB仿真平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破髂軌蛴行Э刂芐TATCOM無功補(bǔ)償系統(tǒng)，保證系統(tǒng)即使在較頻繁電壓波動(dòng)與閃變情況下穩(wěn)定工作，為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能，保證交流系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張秀峰，連級(jí)三，高仕斌.基于三相變四相變壓器的新型同相牽引供電系統(tǒng)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（15）：19-23.