電壓波動和閃變分析自適應控制研究

時云洪 張 龍 王 楠

（貴州電力設計研究院,貴陽 貴州 550002）

供電系統(tǒng)在我國現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，據(jù)統(tǒng)計，國家電網(wǎng)每年因電壓波動和閃變造成幾千萬的經(jīng)濟損失。因此，針對電壓波動與閃變的檢測，以及具體問題的處理需要強化，確保電網(wǎng)在運行期間的可靠性與安全性[1-3]。

自從靜止同步補償器（STATCOM）誕生以來，各國的工業(yè)以及科研單位都對其表現(xiàn)出濃厚的興趣，使其得到了飛速的發(fā)展以及應用，柔性交流輸電系統(tǒng)的核心是STATCOM，在電力系統(tǒng)中占據(jù)著重要位置[4]。在對輸電系統(tǒng)傳輸容量的提高上、在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的改進上、在功率振蕩問題的抑制上都具有很重要的作用。然而，STATCOM是一個非線性的而且強耦合的系統(tǒng)，而面對如此的非線性的控制對象且復雜化控制策略的設計。文獻[3-5]是使用PI控制，文獻[6]表現(xiàn)為非線性魯棒控制，把抑制功角、頻率振蕩，增強系統(tǒng)的阻尼作為控制目的。PI控制參數(shù)的控制難度較高，當參數(shù)發(fā)生變化或者出現(xiàn)擾動時比較敏感，并不是非線性魯棒控制，此類的方法因其復雜性也難以讓成熟設計人員學習掌握。相對而言，在非線性控制中有一類特殊情況是滑模變結構的控制方法，非線性的一個重要表現(xiàn)——不連續(xù)性的控制輸入在其中得以體現(xiàn)，針對系統(tǒng)的狀態(tài)不同，在動態(tài)控制期間，控制輸入量需有目的的控制輸入，這樣就可以在既定軌跡下，滑動模態(tài)進行軌跡運動。這種方法相比于非線性控制方法，具有良好的控制規(guī)律，魯棒性對于模型參數(shù)的變化和外部擾動來說較強，因此，STATCOM的無功補償控制設計策略，是建立在滑模變結構控制的方法基礎上的。

滑?？刂齐m然具有良好的控制性能，但是也會存在較多問題，比如固有的抖振問題，對于控制期間的穩(wěn)定與精準度有很大影響，從而實際應用中的性能有所降低。目前，學者們關注的重點是在除滑模變結構的抖振消除期間，如何利用好先進技術是關鍵所在，這個問題也是STATCOM系統(tǒng)高性能控制的研究重點。為實現(xiàn)滑?？刂婆c神經(jīng)網(wǎng)絡控制的有效結合，在實際應用中，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡技術的自學習能力，讓其在靠近任意非線性函數(shù)期間更加精確，確保應用效果。本文將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡控制與等效滑模控制相結合，以實現(xiàn)STATCOM系統(tǒng)高性能控制。為消除變結構控制存在的高頻抖動，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡-滑模等效控制方法，利用計算機仿真驗證其有效性及正確性。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡-滑模控制器設計

雙閉環(huán)電流控制方法在STATCOM控制中的應用比較廣泛，內外環(huán)控制結構是所選擇的方法。外環(huán)指直流電壓環(huán)，反饋PI控制是較常使用的方法，在對外環(huán)電壓指令的自適應控制的實現(xiàn)過程中，文章所選擇的方法為滑?？刂?。內環(huán)指的是無功電流環(huán)和有功電流環(huán)，有功電流控制的參考輸入為直流電壓外環(huán)。內環(huán)控制是文章所選擇的方式，輸入為有功電流和無功電流，具體的控制框圖如圖1所示。

圖1 STATCOM直接電流雙環(huán)控制原理

2 電壓環(huán)滑模控制器

根據(jù)STATCOM的數(shù)學模型可以改寫成空間狀態(tài)方程：

在公式2中，D、δ、id、iq、Ude、Us、ω、R、R分別為逆變器的輸出一側線的電壓的有效值和直流一側的電壓的比值、電壓和電網(wǎng)電壓的相位差、dqo坐標系下STATCOM所吸收的有功電流、STATCOM直流一側的電壓、STATCOM直流一側的電壓、電網(wǎng)線的電壓的有效值、電網(wǎng)電壓的基波角頻率、STATCOM有功損耗下的等效的電阻、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，所以在電壓環(huán)只采用傳統(tǒng)滑?？刂频脑O計方案。取電壓跟蹤誤差為狀態(tài)變量：

3 電流環(huán)滑模控制器

4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡控制

徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(RBF)的提出時間為于20世紀80年代末，J.Moody 和C.Daken 對這種神經(jīng)網(wǎng)絡進行了研究，發(fā)現(xiàn)具有單隱層的三層網(wǎng)絡結構，可以在任意精度下逼近任一連續(xù)函數(shù)。在對UI滑模抖振的問題進行有效改善與消除期間，需要對滑?？刂婆cRBF進行合理結合。文章在分析時，對切換增益進行估計時需使用RBF，干擾項的消除可以同切換增益完成，這樣就能對抖振進行消除，確保負載干擾和參數(shù)變化的魯棒性良好。

5 仿真實驗與結果分析

燈塔-堅基線系統(tǒng)電壓波動和閃變的抑制在實際工程中應用的可行性問題進行分析期間，為構建起燈塔-堅基線系統(tǒng)電壓波動和閃變抑制模型，需要在STATCOM基礎上合理使用MATLAB軟件，然后對神經(jīng)網(wǎng)絡-滑?？刂婆c傳統(tǒng)PID控制在電網(wǎng)電能質量控制方面的性能進行躲避。具體如圖2所示。

該模型是根據(jù)實際的工程線路原型進行設計與建模的。模型主要由220 kV電源、220 kV/110 kV變壓器、35 km線路、STATCOM本體以及STATCOM控制器等模塊組成。STATCOM是由GTO構造而成，容量為3 Mvar，這樣就可以對10千伏配電系統(tǒng)進行有效調節(jié)。配電系統(tǒng)的負載容量一個是3 MVA，另一個是1 MVA。電源母線電壓恒定，標幺值、低壓母線電壓分別為1.08、10 kV；STATCOM裝置參數(shù)(標幺值)R、L、C、Vs、ω的值分別為0.1、0.15、0.8、1.0、314。

在上述分析下，可以得知在維持直流側電壓有名值的恒定時，通過穩(wěn)定運行下的時STATCOM來進行調節(jié)。當電源產(chǎn)生電壓之后，高于或者低于系統(tǒng)電壓、STATCOM生成(或吸收)無功功率。電源電壓大小、變壓器漏電抗會對無功功率的數(shù)量產(chǎn)生影響。系統(tǒng)性能仿真的開展是建立在神經(jīng)網(wǎng)絡-滑模自適應控制基礎之上的，進而實現(xiàn)對電流的有效控制。

圖2 基于STATCOM無功補償?shù)妮旊娋€路

在220 kV母線電壓突變與閃變視域下，通過仿真實驗對STATCOM控制系統(tǒng)的動態(tài)響應性能問題進行分析。系統(tǒng)仿真時間為1 s，電網(wǎng)電壓會在0.3 s時發(fā)生變化，會從1 pu升高到1.05 pu，然后在持續(xù)0.1 s之后，在0.4 s時，系統(tǒng)電壓又下降到0.95 pu，繼而在0.5 s時突增到1.08 pu；在0.6 s時，系統(tǒng)電壓會上升到1 pu。通過整個過程的反應來看，電網(wǎng)電壓的波動情況可以在整個仿真過程顯示。通過這樣的方式，對STATCOM系統(tǒng)對電網(wǎng)的調節(jié)作用進行檢驗?？刂破鲄?shù)：滑模控制電壓環(huán)c1、ε、k的值分別為0.5、0.1、2；電流環(huán)c1、η的值分別為0.75、0.8；1-12-1結構為RBF網(wǎng)絡采用的結構，基函數(shù)參數(shù)c、σ的值分別為1.3、2.5。動態(tài)響應如圖3、圖4所示。

圖3 STATCOM交流側單相電壓/電流波形

圖4 STATCOM直流側電壓調制波形

從上面的圖形中可以觀察出，STATCOM在電網(wǎng)電源電壓突變時，反應速度較快，對STATCOM功率的輸出情況調整是通過交流側電流的控制實現(xiàn)的，這樣就可以在控制期間，對功率變化情況進行調節(jié)，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定運行。分析圖5、圖6，能發(fā)現(xiàn)在STATCOM靜止無功補償調的基礎上，電源輸出電壓的波動比較頻繁，但是電網(wǎng)無功能夠迅速補償?shù)絽⒖贾噶钏?，為負載提供穩(wěn)定優(yōu)質的電能。

圖5 電網(wǎng)無功控制性能

圖6 STATCOM有功與無功補償

圖7 負載消耗的有功與無功

為了深入研究電網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)響應，圖7給出了負載消耗的有功與無功功率。負載消耗的有功與無功功率在電網(wǎng)電源電壓突變情況下，也會發(fā)生變化，這時反應速度比較快，STATCOM直流側可以通過對放電與吸收電的作用來對電網(wǎng)電壓波動情況進行調節(jié)，從而對電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定情況進行抑制，純電阻態(tài)和純電感態(tài)之間在STATCOM直流側的不斷循環(huán)下，可以滿足負載有功與無功功率穩(wěn)定性的目的。

傳統(tǒng)的PID控制方法，相比于本文的方法，也就是滑?？刂品椒ㄏ鄬β浜笠恍趯ID控制仿真測試期間，是建立在同等實驗參數(shù)設置基礎上的?？刂破鲄?shù)電壓環(huán)、電壓環(huán)的值分別為35、1 000；電流環(huán)、的值分別為5、20。具體圖8～10所示。

圖8 STATCOM交流側單相電壓/電流波形

圖9 STATCOM有功與無功補償

圖10 負載消耗的有功與無功

在本文的對比分析下，可以看出神經(jīng)網(wǎng)絡-滑?？刂品椒▋?yōu)勢明顯，整體性能要好于傳統(tǒng)的PID控制法。所以，神經(jīng)網(wǎng)絡-滑?？刂圃趯嶋H應用中具有良好的控制效果。

通過本文的研究可以得出：相比于傳統(tǒng)的PID控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡-滑模控制器可以對系統(tǒng)無功功率進行補償，具有較強的學習能力、適應能力，控制效果更好。電網(wǎng)電壓波動的補償，可以在神經(jīng)網(wǎng)絡-滑?？刂破飨嘛@現(xiàn)出來，確保STATCOM系統(tǒng)的控制效果良好。

6 小結

非線性控制是STATCOM無功補償系統(tǒng)的一個主要表現(xiàn)，且相比于傳統(tǒng)的控制器效果更好。為確保系統(tǒng)控制性能，需要通過神經(jīng)網(wǎng)絡-滑?？刂破鞯臉嫿ㄅc應用達到效果。本文的創(chuàng)新點為電壓與電流環(huán)控制期間，可以合理應用滑?？刂破?。在對性能進行實驗期間，是通過MATLAB仿真平臺完成的，并在研究后可以得出，STATCOM無功補償系統(tǒng)可以得到神經(jīng)網(wǎng)絡-滑模控制器的有效控制，為確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，提供優(yōu)質電能，需要實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。