動態(tài)電壓恢復(fù)器復(fù)合控制策略研究*

師 維

(海軍駐寶雞某軍事代表室 寶雞 721006)

動態(tài)電壓恢復(fù)器復(fù)合控制策略研究*

師 維

(海軍駐寶雞某軍事代表室 寶雞 721006)

動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)是保障電力系統(tǒng)電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)有效的可行方案。論文在研究動態(tài)電壓恢復(fù)器的電網(wǎng)電壓前饋控制加負(fù)載電壓與電容電流雙閉環(huán)反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制策略的基礎(chǔ)上,分析了反饋環(huán)節(jié)中基于滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法,雖然該方法使DVR有良好的動態(tài)性能以及負(fù)載適應(yīng)性能,但穩(wěn)態(tài)誤差較大?？紤]到重復(fù)控制的良好穩(wěn)態(tài)性能,本文提出一種將滑模變結(jié)構(gòu)與重復(fù)控制相結(jié)合的控制方法,仿真及實驗結(jié)果表明該方法穩(wěn)態(tài)誤差小,有效地彌補了滑模變結(jié)構(gòu)控制的不足。

動態(tài)電壓恢復(fù)器; 滑?？刂? 重復(fù)控制; 電壓跌落

Class Number TM76

1 引言

動態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)可對電網(wǎng)電壓進(jìn)行動態(tài)補償,解決電壓暫降、突升,以及系統(tǒng)電壓不對稱、畸變等電能質(zhì)量問題。

控制策略的合理選擇是保證DVR補償效果良好的重要條件。目前研究較多的控制策略包括前饋控制、反饋控制和雙前饋加反饋復(fù)合控制等線性控制方式[1]以及無差拍控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、空間矢量控制等非線性控制[2]。由于控制策略的合理與否往往直接影響DVR的補償速度和精度,因此對控制策略的研究是十分重要的。

開環(huán)控制雖然動態(tài)性能良好,但是穩(wěn)態(tài)誤差較大、負(fù)載適應(yīng)性較差、輸出波形有畸變和相移[3]。為減小靜態(tài)誤差,在工程應(yīng)用中多采用閉環(huán)控制器,并使用PID控制實現(xiàn)。但是逆變器等非線性器件使得PID控制抗干擾能力以及負(fù)載適應(yīng)能力變差。滑模變結(jié)構(gòu)控制方法是一種非線性控制,具有響應(yīng)迅速、對參數(shù)變化及擾動不敏感、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點[4]。但是單純的滑?？刂?狀態(tài)到達(dá)滑模面后抖振現(xiàn)象嚴(yán)重[5]。模糊滑模控制雖然很好地解決了抖振問題但是穩(wěn)態(tài)誤差依舊太大[6]。

本文基于串聯(lián)變壓器結(jié)構(gòu)的DVR系統(tǒng),在電網(wǎng)電壓前饋控制加負(fù)載電壓與電容電流雙閉環(huán)反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制的基礎(chǔ)上,提出一種DVR的滑模變控制結(jié)合重復(fù)控制的控制策略。并對其控制效果進(jìn)行了仿真研究。仿真實驗結(jié)果表明本方法動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能良好,具有較強(qiáng)的魯棒性與實時性。

2 串聯(lián)變壓器型DVR數(shù)學(xué)模型

三相DVR的基本電路結(jié)構(gòu)如由圖1所示[7],主電路采用全控型PWM逆變器構(gòu)成,各相通過隔離變壓器串聯(lián)接入電網(wǎng),為了減小系統(tǒng)損耗,工程應(yīng)用中常在隔離變壓器的二次側(cè)加裝旁路開關(guān),網(wǎng)側(cè)電壓處于正常范圍內(nèi)時,旁路開關(guān)閉合,此時DVR不運行,僅當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓異常時才打開旁路開關(guān)將DVR投入運行。

圖1 串聯(lián)變壓器型DVR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1可得單相電壓恢復(fù)器的狀態(tài)方程為

UL=UP+UD

(1)

if=ic+il

(2)

(3)

(4)

US為電網(wǎng)系統(tǒng)電壓,ZS為系統(tǒng)側(cè)等效阻抗,UP為電網(wǎng)接入點電壓,UD為補償電壓,UIN為逆變器輸出電壓,UL為負(fù)載電壓,ZL為負(fù)載側(cè)等效阻抗,Cf為濾波電容,Lf為濾波電感,Rf為濾波電感回路的線路電阻與逆變器有功損耗等效電阻之和,il、ic、if分別為負(fù)載電流、濾波電容電流和濾波電感電流。

推導(dǎo)可得：

(5)

(6)

(7)

3 DVR的模糊滑?？刂破鞯脑O(shè)計

3.1 等效滑?？刂破鞯脑O(shè)計

對于DVR系統(tǒng),控制的目標(biāo)是使負(fù)載側(cè)電壓UL跟蹤給定參考電壓Uref,即輸出y跟蹤給定目標(biāo)yd=Uref。定義系統(tǒng)誤差以及轉(zhuǎn)換函數(shù)為

e=yd-y

(8)

(9)

(10)

將式(7)～式(8)代入式(10),整理后得：

(11)

(12)

3.2 滑模控制器的設(shè)計

為使系統(tǒng)在擾動下滿足滑?？蛇_(dá)條件,必須采用切換控制。為進(jìn)一步消除抖振的影響,可將切換控制器設(shè)計控制律設(shè)計為

(13)

式中

(14)

假設(shè)不確定擾動項有界,即|d|≤D,為消除不確定擾動的影響,則ε應(yīng)大于擾動項D,且k1>0。將切換控制器與等效滑?？刂破飨嘟Y(jié)合,可得滑模變結(jié)構(gòu)控制器為

u=ueq+usw

(15)

3.3 穩(wěn)定性證明

將式(15)代入式(11)有：

(16)

定義Lyapunov函數(shù):

(17)

則

(18)

由于各項參數(shù)均為正數(shù)。所以

(19)

從而證明了所設(shè)計的控制器在李亞諾普夫意義下穩(wěn)定。

為了保證系統(tǒng)在滑?？刂破鞯淖饔孟?能夠在任何初始狀態(tài)下運動到滑模面,加入切換控制usw可以克服干擾項的影響,提高系統(tǒng)對不確定擾動的魯棒性。

4 復(fù)合控制系統(tǒng)

4.1 重復(fù)控制基本原理

重復(fù)控制是能消除所有包含在穩(wěn)定閉環(huán)內(nèi)的周期性誤差的一種控制方案,其基本思想源于控制理論中的內(nèi)模原理[8],常用的重復(fù)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 常用的重復(fù)控制系統(tǒng)

4.2 重復(fù)控制器的參數(shù)設(shè)計

1)N的確定,前向通道上串聯(lián)的周期延時環(huán)節(jié)Z-N使控制動作延遲一個周期進(jìn)行,即:本周期檢測到的誤差信息在下一周期才開始影響控制量,使得系統(tǒng)下一周期的控制作用有一定的超前性。因為采樣頻率為4kHz,電網(wǎng)基波頻率為50Hz,所以N=4000/50=80。

2)Q(Z)的確定,只有當(dāng)Q(Z)=1是系統(tǒng)的靜態(tài)誤差才為零,但是系統(tǒng)穩(wěn)定又要求Q(Z)<1,故本文中Q(Z)取0.98。

4) 可調(diào)增益Kr的確定,Kr一般為小于1的正常數(shù)。Kr越小,穩(wěn)定誤差越大,Kr越大,誤差收斂速度越快,穩(wěn)態(tài)誤差越小[10],本文中Kr取0.8。

5) 超前環(huán)節(jié)ZK的確定,引入超前相位補償環(huán)節(jié)ZK的目的是補償相位的滯后,本文選擇K=6。

4.3 復(fù)合控制的實現(xiàn)

本文所提出的動態(tài)電壓器復(fù)合控制方法的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 復(fù)合控制原理框圖

5 系統(tǒng)仿真

5.1 系統(tǒng)建模

圖4 模糊滑模和重復(fù)控制系統(tǒng)仿真模型

5.2 仿真結(jié)果分析與比較

整個仿真過程中電壓從0.1s開始出現(xiàn)電壓暫降,0.2s恢復(fù)正常。分別對電壓暫降20%,30%,40%以及三相不平衡負(fù)載四種情況進(jìn)行仿真。本文中以電壓暫降30%,負(fù)載為阻感性為例。分別采用純PI控制,模糊滑?？刂浦貜?fù)以及本文對電壓暫降進(jìn)行補償,仿真波形圖如圖5所示。

圖5 分別采用三種控制方法所得到的仿真波形圖

由仿真圖可知,采用PI控制,調(diào)節(jié)時間為30ms,超調(diào)量為3.6%,調(diào)節(jié)速度較慢且穩(wěn)態(tài)誤差較大,負(fù)載電壓含有諧波成分,負(fù)載適應(yīng)性較差。采用模糊滑?？刂普{(diào)節(jié)時間為12ms,超調(diào)量為7.0%,調(diào)節(jié)速度較快,負(fù)載適應(yīng)性良好,穩(wěn)態(tài)誤差較PI控制高。采用模糊滑模結(jié)合重復(fù)控制調(diào)節(jié)時間為2ms,超調(diào)量為2.0%,調(diào)節(jié)速度最快,穩(wěn)態(tài)誤差較小。

6 結(jié)語

本文分析反饋環(huán)節(jié)中基于滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法,雖然該方法使DVR有良好的動態(tài)性能與負(fù)載適應(yīng)性能,但穩(wěn)態(tài)誤差較大。針對這一問題提出了一種DVR的滑模變控制結(jié)合重復(fù)控制的復(fù)合控制策略,其穩(wěn)態(tài)性能顯著提高,并且負(fù)載適應(yīng)性以及抗干擾能力較好。通過仿真實驗結(jié)果證實了本方法的有效性以及可實現(xiàn)性。

[1] 王智勇,吳正國,周衛(wèi)平.基于無差拍控制的線電壓檢測動態(tài)電壓恢復(fù)器[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(19):106-112

[2] 王樹東,陳仕彬,孫紅雨,等.動態(tài)電壓恢復(fù)器控制策略的研究與仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動化,2011,33(3):26-28.

[3] Ghosh A, Ledwich G. Compensation of distribution system voltage using DVR[J]. IEEE Trans on Power Delivery,2002,17(4):1030-1036.

[4] Nielsen John Godsk, Newman Michael, Nielsen Hans, et al. Control and Testing of a Dynamic Voltage Restorer at Medium Voltage Level[J]. IEEE Trans on power Electronics,2004,19(3):806-813.

[5] 高為炳.變結(jié)構(gòu)控制的理論及設(shè)計方法[M].北京:科學(xué)出版社,1996:112-121.

[6] Sedaaghi M, Wu Q H. Weighted Morphological Filter[J]. IEEE Electronics Letters,1998,34(16):1561-1566.

[7] Jidong Wang, Kun Liu, Guanqing Yang. Simulation of Voltage Sag Detection Method Based on DQ Transformation[C]//Lecture Notes in Electrical Engineering,2011,1:1039-1046.

[8] Santoso S, Powers E, Grady M. Power Quality Assessment via Wavelet Transform Analysis[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,1996,11(2):924-930.

[9] Rubens A, Antonio C, Guilherme G. Voltage Sags Compensation Using a Superconducting Flywheel Energy Storage System[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2005,15(2):2265-2268.

[10] Hassenzahl W. Applications of Superconductivity to Electric Power Systems[J]. IEEE Power Engineering Review,2000,20(5):4-7.

A Novel Control Strategy of Dynamic Voltage Restorer

SHI Wei

(Navy Representative Office in Baoji, Baoji 721006)

Dynamic Voltage Restorer(DVR) is a practicable and economical way to ensure the energy quality of power system. Under the study of the control strategy that combine grid voltage feed-forward control with the load voltage and capacitor current double closed-loop feedback control, sliding mode variable structure control in feedback control is analyzed. Although this control strategy has excellent dynamic performance as well as good anti-jamming capability, it has large static error. A novel control strategy based on sliding mode variable structure control combined with repetitive control is proposed. The simulation and test results show that the proposed strategy makes up the shortfall of fuzzy sliding mode variable structure control.

dynamic voltage restorer, sliding model control, repetitive control, voltage sag

2014年5月13日,

2014年6月27日 基金項目:國家自然科學(xué)基金(編號:51207164)資助。 作者簡介:師維,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:電能智能化控制

TM76

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.046