基于模糊控制的配電網(wǎng)電壓跌落補(bǔ)償控制策略研究

鄭文　張運(yùn)波　紀(jì)秀

摘 要：文章介紹了用于配電網(wǎng)電壓跌落補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）的基本結(jié)構(gòu)，DVR對(duì)逆變器的控制要求，提出基于模糊控制的配電網(wǎng)電壓跌落補(bǔ)償控制策略。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其控制性能。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)電壓跌落；動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器；補(bǔ)償；模糊控制

隨著科技的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，基于計(jì)算機(jī)和微處理器為控制核心的各種電力電子設(shè)備等敏感負(fù)荷，在電力系統(tǒng)負(fù)荷中所占比例呈增加的趨勢，這些敏感負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，它們對(duì)配電網(wǎng)的電壓突變，比傳統(tǒng)的設(shè)備更加敏感，甚至不能保證正常工作。電壓突變是現(xiàn)代電能質(zhì)量問題中的核心部分，它產(chǎn)生了日益嚴(yán)重的危害，受到了配電網(wǎng)及用戶越來越多的關(guān)注。

1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電壓凹陷（Voltage Sag）也稱為電壓瞬時(shí)跌落（Voltage Dip）。根據(jù)國際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的定義，電壓瞬間跌落是指電力基波電壓有效值迅速下降到額定值的10%-90%，持續(xù)時(shí)間為10ms到幾秒鐘的電力現(xiàn)象。電壓跌落通常以跌落幅值、持續(xù)時(shí)間和跌落電壓的相角躍變來進(jìn)行描述。

配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer， DVR）是對(duì)電壓進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娮友b置，發(fā)生電壓跌落時(shí)，DVR能在5ms內(nèi)瞬間做出反應(yīng)，進(jìn)行快速補(bǔ)償。

DVR（圖中虛線部分）接入系統(tǒng)的方式如圖1所示。其主電路包括儲(chǔ)能裝置、Delta逆變器、濾波器和串聯(lián)注入變壓器四個(gè)部分。Delta逆變器是DVR裝置的核心，它接在電網(wǎng)與負(fù)載之間起調(diào)節(jié)電壓源的作用。當(dāng)配電網(wǎng)提供電壓與敏感性負(fù)荷的需求不一致時(shí)（由檢測模塊實(shí)現(xiàn)），由逆變器產(chǎn)生電壓來補(bǔ)償用戶側(cè)電壓的跌落，保證敏感負(fù)荷正常運(yùn)行。

2 DVR對(duì)逆變器的控制要求

當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，逆變器驅(qū)動(dòng)功率模塊，輸出補(bǔ)償電壓，該電壓與電網(wǎng)電壓疊加，以保證負(fù)載側(cè)電壓正常，能夠正常工作。逆變器控制策略的選取將會(huì)直接影響DVR裝置的性能，工業(yè)領(lǐng)域常采用線性或者非線性控制方式。保證輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位、同幅值，而且其輸出應(yīng)是失真度小的正弦波。一般的PID控制適用于線性系統(tǒng)，但DVR的逆變器本身就是非線性器件，對(duì)于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不明確、參數(shù)不穩(wěn)定的控制對(duì)象，線性控制方法有很大的局限性，而基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等的非線性控制方式則具有更好的適應(yīng)性。

3 基于模糊控制的配電網(wǎng)電壓跌落補(bǔ)償控制策略

針對(duì)DVR裝置非線性的特性，同時(shí)為了提高DVR控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，改善負(fù)載調(diào)節(jié)特性以及穩(wěn)定裕度，在DVR控制策略中應(yīng)用模糊控制。模糊控制具有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)參數(shù)變化、非線性因素等均不敏感，可以滿足系統(tǒng)負(fù)載調(diào)節(jié)特性。文章提出了將模糊自適應(yīng)PID控制策略應(yīng)用于DVR裝置的電壓補(bǔ)償模塊。

模糊自適應(yīng)PID控制器以工程人員控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的控制規(guī)則為核心，基于系統(tǒng)目前的運(yùn)行狀態(tài)，由模糊推理、模糊判決、解模糊過程實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的在線控制。它能自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)Kp、Ki、Kd，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最優(yōu)配置，從而獲得更強(qiáng)的適應(yīng)性。建立一個(gè)雙輸入三輸出的模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，選取電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓與敏感性負(fù)載電壓的偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的兩個(gè)輸入，輸出量為PID參數(shù)增量ΔKp、ΔKi、ΔKd。設(shè)定輸入e和ec的模糊集合論域分別為[-1，1]、[-0.5，0.5]，設(shè)定輸出的參數(shù)增量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集合論域分別為[-3，3]，[-3，3]，[-0.2，0.2]。系統(tǒng)輸入輸出語言變量均選取7個(gè)語言值，即：PB（正大）、PM（正中）、PS（正?。O（零）、NS（負(fù)?。?、NM（負(fù)中）、NB（負(fù)大）。選擇各語言變量論域上用以描述模糊子集的隸屬函數(shù)為正態(tài)分布函數(shù)，從而可以得到各模糊變量的賦值。

在DVR裝置中，通過配電網(wǎng)電壓跌落檢測模塊進(jìn)行電壓跌落的判斷與檢測，利用模糊控制算法對(duì)逆變器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓跌落的補(bǔ)償，其仿真系統(tǒng)圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電源電壓0.05s時(shí)發(fā)生25%電壓暫降，通過模糊自適應(yīng)PID控制進(jìn)行電壓補(bǔ)償，負(fù)載側(cè)0.05s時(shí)電壓補(bǔ)償?shù)綍航登半妷旱?5%，0.06s時(shí)補(bǔ)償為暫降前電壓值，近1/4周期即實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。模糊自適應(yīng)PID控制的穩(wěn)定性好，穩(wěn)態(tài)誤差小，響應(yīng)速度快，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的魯棒性?？梢姡瑢⒛：刂茟?yīng)用于配電網(wǎng)電壓跌落補(bǔ)償控制是可行有效的。

作者簡介：鄭文（1972-），女，碩士，教授，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方面的研究。