SVG的模糊PI控制器研究

王 宏，徐洪濤，魏曉強，胡遠(yuǎn)婷，祁 峰

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司調(diào)控中心，哈爾濱 150090；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)基于可自關(guān)斷電力電子器件，能夠?qū)崿F(xiàn)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，從而可以在給定范圍內(nèi)實現(xiàn)平穩(wěn)的電壓控制，有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。隨著電力電子器件的快速發(fā)展，SVG的實際應(yīng)用越來越廣泛。在電力系統(tǒng)中對FACTS器件進行控制，應(yīng)用最多的是PI控制器，多年的實踐經(jīng)驗證明這種控制器具有足夠的魯棒性，因此在工程現(xiàn)場應(yīng)用十分廣泛。但由于被控對象有一定的非線性，并且被控對象的工況參數(shù)常常發(fā)生變化，因此要求PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)能夠隨著被控對象參數(shù)的變化以及工作條件、環(huán)境條件的改變而自動地做出相應(yīng)的調(diào)整，以保證閉環(huán)控制系統(tǒng)具有理想的設(shè)計性能指數(shù)[1]。

模糊PI控制系統(tǒng)適用于無法建立精確數(shù)學(xué)模型的場合，特別是電力系統(tǒng)這種非線性、時變、滯后的系統(tǒng)。它只需要對相關(guān)變量進行定性認(rèn)識，就可以建立模糊控制規(guī)則[2]。SVG的 PI控制器主要是針對節(jié)點潮流比較穩(wěn)定的情況，其PI參數(shù)一經(jīng)確定后無法隨著節(jié)點潮流的變化而調(diào)整。而實際上大多數(shù)系統(tǒng)都不同程度上存在非線性、時變性、有擾動等特性，隨著潮流甚至系統(tǒng)參數(shù)的變化，用整定好的PI參數(shù)設(shè)計的控制器很難達(dá)到理想的控制效果[3-4]。因此，設(shè)計一種SVG的模糊PI控制器,能夠縮短過渡過程時間，減小超調(diào)量，對提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定有著良好的效果，用于電流直接控制的可調(diào)節(jié)連接點電壓，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下實現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)誤差的電流跟蹤控制，其響應(yīng)速度和控制精度將有很大的提高。

1 模糊PI控制器的設(shè)計

模糊控制器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊增益調(diào)整PI控制器

SVG直流側(cè)電容電壓極易受到三相不對稱電流的影響，偏離設(shè)定值，交流側(cè)的SVG輸出電流的控制同樣容易受到擾動影響，采用模糊PI控制可有效地提高控制的魯棒性。

圖2 SVG直流側(cè)電容電壓模糊控制系統(tǒng)框圖

圖3 SVG交流側(cè)輸出電流模糊控制系統(tǒng)框圖

圖4 誤差的隸屬函數(shù)

圖5 誤差變化率的隸屬函數(shù)

圖6 誤差的隸屬函數(shù)

圖7 誤差變化率的隸屬函數(shù)

表1 Δkpd、Δkpc的模糊規(guī)則表

表2 Δkid、Δkic的模糊規(guī)則表

對表中得到的控制規(guī)則需要進行去模糊化處理，以得到實際的控制量。采取最大隸屬度方法進行去模糊化，即

u0=maxμu(u)，u∈U

(1)

圖8～圖11分別是PI控制參數(shù)的增量Δkpd、Δkid、Δkpc、Δkic的隸屬函數(shù)曲線，據(jù)此可以得到Δkpd、Δkid、Δkpc、Δkic的精確量。

圖8 Δkpd的隸屬函數(shù)

圖9 Δkid的隸屬函數(shù)

圖10 Δkpc的隸屬函數(shù)

圖11 Δkic的隸屬函數(shù)

2 直接電流型模糊PI控制

圖12為含有SVG的系統(tǒng)，變量如圖中標(biāo)注所示，SVG接在母線上。

圖12 帶SVG的單負(fù)荷系統(tǒng)

對SVG進行直接電流控制，需要確定SVG輸出電流的指令值。這個指令值可以由母線電壓的參考值Usr乘以一個比例系數(shù)后得到。因此，直接電流控制可以實現(xiàn)對母線電壓的反饋控制。如圖13所示，Idref、Iqref為由參考電壓計算出的電流指定值，采用電流直接控制后，SVG實際上已經(jīng)相當(dāng)于一個受控的電流源[5-6]。

圖13 母線電壓閉環(huán)控制

3 仿真及性能分析

對直接電流控制的SVG進行仿真實驗，在Simulink中搭建SVG的仿真電路如圖14所示。電源空載電壓10 kV，線路電阻R=0.002 Ω，電感L=0.008 H；負(fù)載電阻R=10 Ω，電感L=0.1 H。

圖15、圖16分別是相同進入穩(wěn)態(tài)時SVG接入點電壓(a相)和SVG的輸出電流(a相)波形，可以看出電壓、電流均沒有失真。圖17為穩(wěn)態(tài)時直流側(cè)電容電壓。

圖14 可調(diào)節(jié)連接點電壓的SVG仿真電路

圖15 接入點電壓波形圖

圖16 SVG的輸出電流波形圖

圖17 電容電壓峰值曲線

加入SVG的電壓峰值曲線如圖18所示，以標(biāo)幺值表示，設(shè)定參考值為1，圖中可以看出接入SVG后，接入點電壓峰值升高至1，高于未加SVG的系統(tǒng)電壓。表明采用模糊PI直接電流控制的SVG起到了調(diào)節(jié)電壓的作用。

圖18 穩(wěn)態(tài)時接入點電壓峰值曲線

4 結(jié) 語

研究并設(shè)計了基于模糊規(guī)則的SVG控制器，用于控制SVG連接點的電壓。分別對SVG直流側(cè)電容電壓及輸出的電流采用了閉環(huán)反饋控制，用模糊規(guī)則修訂了PI控制器的參數(shù)。從仿真結(jié)果來看，所提SVG控制器可以很好地維持系統(tǒng)的電壓。