基于FUZZY-PID与最优矢量控制的统一电能质量调节器并联补偿单元

郑伟，拜润卿，许睿颖，智勇，梁琛，崔剑

(1.甘肃电力科学研究院，兰州市730050;2.天津大学，天津市300072; 3.甘肃省电力公司，兰州市730050)

基于FUZZY-PID与最优矢量控制的统一电能质量调节器并联补偿单元

郑伟1，拜润卿1，许睿颖2，智勇1，梁琛1，崔剑3

(1.甘肃电力科学研究院，兰州市730050;2.天津大学，天津市300072; 3.甘肃省电力公司，兰州市730050)

针对传统统一电能质量调节器(unified power quality conditioner，UPQC)并联补偿单元信号采集精度不高、控制方法存在相间耦合的问题，采用FUZZY-PID方法对补偿信号进行检测，利用电流滞环最优矢量控制方法对并联补偿单元进行控制。将这2种方法结合来控制并联补偿单元，不仅省去矢量变换与低通滤波环节，提高了检测精度，而且通过坐标变换解决了相间耦合问题，有效提高了控制的实时性和补偿精度。最后经仿真分析和实验验证，表明了该方法的有效性和可行性。

统一电能质量调节器(UPQC);并联补偿单元;模糊PID;电流滞环最优矢量

0 引言

近年来，随着我国工业化水平的提高，电力系统中的非线性负荷、冲击负荷不断增加。随着电力电子变换装置在电力系统中的广泛应用，电网的谐波畸变越来越严重。另一方面，随着各种复杂精密的，对电能质量要求较高的装置的普及，对电能质量的要求越来越高。统一电能质量调节器(unified power quality conditioner，UPQC)能够同时改善电压和电流质量，不但可以补偿谐波电流、无功、三相不平衡，而且可以补偿谐波电压，抑制电压跌落，提高供电可靠性，具有很大的实际研究价值［1］。UPQC设计的一个关键环节是并联侧对补偿电流的快速准确检测和精确的控制跟踪。传统的补偿信号检测方法有基于瞬时无功理论的p-q法、ip-iq法以及同步坐标变换方法，算法中使用的矢量变换和低通滤波环节较复杂［2］，检测精度不高，本文给出了FUZZY-PID检测算法，该算法简单、检测精度高、补偿效果好。传统补偿信号控制如滞环跟踪控制方法，基于三角载波的脉冲宽度调制方法以及空间矢量控制方法，忽略了三相之间的关联性，影响控制精度。采用电流滞环最优矢量控制，能够有效地提高控制的实时性和补偿精度。

本文首先对UPQC并联补偿单元的整体工作原理进行介绍［3］;然后分别对补偿信号检测与补偿信号控制进行详细研究;最后通过仿真和实验验证检测和控制方法的可行性和有效性。

1 UPQC并联补偿单元原理分析

并联补偿单元的控制目标是使电源电流is为基波正弦电流［4-5］。负载电流iL包含基波有功分量、基波无功分量和谐波分量，只要并联变流器输出电流为负载电流iL的基波无功分量和谐波分量之和，即可使电源电流is波形为基波正弦［6］。并联变流器输出的电流信号即为补偿电流ic。is、iL、ic之间的关系如式(1)所示:

其中:

式中:ip为基波有功电流;iq为基波无功电流;ih为谐波电流。

由式(1)、(2)可得:

即并联单元补偿电流为负载电流的基波无功电流和谐波电流之和。

本文采用模糊PID方法对UPQC进行补偿信号检测，采用电流滞环最优矢量控制方法对补偿信号进行控制，原理图如图1所示。

如图1所示，将输出的负载电流iL前馈作为控制器的输入量，通过基于FUZZY-PID方法的补偿信号检测算法检测到补偿信号的指令值i*c。采用电流滞环最优矢量控制得到可以使并联变流器输出电流近似指令电流i*c的驱动电压uk。令得到的电压uk作为并联变流器的驱动电压，从而并联变流器输出的实际电流ic追踪指令信号i*c，进而补偿负载电流iL中的谐波和无功成分，使电源电流is波形为基波正弦波。

下面将分别对基于FUZZY-PID的补偿信号检测方法和基于电流滞环最优矢量的补偿信号控制方法进行详细介绍。

2 FUZZY-PID补偿信号检测

本文采用FUZZY-PID方法进行补偿信号检测，使用模糊推理的方法进行PID参数在线自整定，算法简单，提高了检测精度。

2.1 FUZZY-PID控制方法

FUZZY-PID方法是采用模糊推理方法对PID调节器参数KP，KI，KD进行在线整定，以满足不同的误差e和误差变化率ec对调节器参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的性能［7］。FUZZY-PID控制原理如图2所示。

比例系数KP的作用在于加快系统的响应速度，调高调节精度，KP越大，响应速度越快，调节精度越高，但过大将产生超调，甚至导致系统不稳定。积分系数KI的作用在于消除系统稳态误差，KI越大，静态误差消除越快，但过大会产生积分饱和而引发较大的超调。微分系数KD影响系统的动态特性，KD越大，越能抑制偏差变化，但过大会延长调节时间，降低抗干扰能力。因此，采用模糊推理的方法，对参数KP，KI，KD进行在线自整定，设计出参数模糊自整定PID调节器。

2.2 基于FUZZY-PID的UPQC补偿信号检测原理

给定一个标准正弦电压ura，有:

因为基波有功电流ip与标准正弦电压ura频率相位都相同，引入一个比例系数k［8］，令:

将公式(2)、(5)代入公式(4)，有:

即:

由此可推得并联补偿单元谐波电流的检测算法原理。

采用基于FUZZY-PID方法的信号检测算法对并联侧补偿信号进行检测，算法原理图如图3所示。

使用积分器计算的值，如果积分器输出大于0，通过模糊控制器增大比例系数k;当积分器输出小于0，控制k值减小。经过反复调整，积分器输出趋于0，电路输出为基波无功电流和谐波电流之和iq+ih，由此得到并联侧补偿电流的指令信号。

3 电流滞环最优矢量补偿控制

采用于FUZZY-PID方法的检测算法计算UPQC并联侧补偿指令电流i*c，控制变流器输出电流ic跟踪i*c，消除电源电流is中谐波和无功成分。为有效改善电网电流质量，需要实现并联变流器输出电流ic对指令电流i*c的精确跟踪。由于变流器的三相之间相互关联，而传统的电流滞环控制方法为三相独立控制，忽略了相间影响，控制时缺少相间配合，使得电流跟踪精度不够精确。由于电压空间矢量控制方法可以通过坐标变换消除相间影响，因此采用基于电压空间矢量的电流滞环控制方法，即电流滞环最优矢量控制方法进行控制，理论上可以提高电流的跟踪精度，有效改善电网电流质量。

3.1 电流滞环最优矢量控制

电流滞环最优矢量控制方法为与电压空间矢量控制方法结合的电流滞环控制［9］。空间矢量控制把三相变流器的输出电压在复平面上合称为电压空间矢量，通过8种不同的开关状态构成8个空间矢量uk(k=1，2，3)。其中u1～u6幅值均为2/3Udc，相邻两矢量之间相差，u、u位于坐标原点，幅值为0，07各端点的连线是一个正六边形。

为了消除相间影响，引入Clarke矢量变换，将物理量由abc坐标系变换到两相静止坐标系α-β下，并且使α轴与a轴重合。坐标变换后可得电源电流指令矢量为

由式(9)看出，电源电流指令矢量以角速度ω匀速旋转，其旋转轨迹是以为半径的圆。

引入电源电流误差矢量为δs:

误差越小，说明补偿效果越好。在电流滞环控制下，系统的控制目标反映到空间矢量是使is始终位于以i*s为中心的正六边形δi内，且该正六边形的三组对边分别垂直于abc坐标轴，对边距离为2 h(h为给定的滞环宽度)。正六边形δi随i*s旋转而旋转，但其对边与坐标轴的垂直关系保持不变。将指令输出电压矢量u*和电流误差矢量δi所在区域分别划分为6个扇区，分别记为Ⅰ～Ⅵ和①～⑥。电压电流矢量关系图如图4所示。

忽略交流线路电阻，由图1可得:

式中:u*为补偿指令电流矢量i*c对应的并联变流器输出指令电压矢量。

由公式(12)、(13)可得，

由式(14)可得，可以通过电压空间矢量控制选择合适的变流器输出电压uk，使矢量dδi/dt较小且与矢量δi方向相反。从而将误差矢量δi控制在一个很小的区域内，即实现控制变流器输出电流ic跟踪i*，电源电流近似为基波正弦。得到电流滞环最优矢

c量控制的原理图如图5所示。

首先，要对δi区域做出判断。将电源电流指令i*sa、i*sb、i*sc与实际电源电流isa、isb、isc通过3组滞环比较器，得到相应的比较状态值Ca、Cb、Cc。δi与Ca、Cb、Cc的关系如表1所示。

对电压矢量u*做区域判断:u*正六边形的3条对角线分别对应于u*ab=0、u*bc=0、u*ca=0的情况，如图5所示;可以将给定变流器指令输出电压矢量u*在坐标轴上分解得到三相相电压u*a、u*b、u*c。

根据公式(15)求得u*ab、u*bc、u*ca，根据u*ab、u*bc、u*ca在Ⅰ～Ⅵ这6个扇区的正负情况可判断u*所在区域，如表2所示。

最后判断电压矢量u*区域。确定了指令输出电压矢量及电源电流误差矢量δi后，由式(14)分析可知，需要选择一个适当的电压空间矢量uk，使电源电流误差矢量变化率dδi/dt与电流误差矢量δi方向始终相反。dδi/dt与uk的关系如图6所示。即当δi有变大趋势时，控制dδi/dt及时减小以阻止δi变大，反之亦然。将电流误差矢量δi限制在一个很小的区域内。

由式(14)和图6可得u*的区域判断表如表3所示。

3.2 与传统电流滞环控制方法的比较

由式(9)可看出，结合电压空间矢量方法的电流滞环最优矢量控制方法，考虑了相间耦合的影响，采用坐标变换将物理量变换到两相静止坐标系中，从而消除相间影响［10-11］。该方法可实现三相桥臂间的关联控制，避免各相独立控制中的无效开关过程及电流的失控现象，从而改善电流跟踪性能，达到改善电流质量的目的。

4 仿真分析

采用Matlab/Simulink对FUZZY-PID补偿量检测算法和电流滞环最优矢量控制方法进行仿真，其中电网电源采用三相可编程电源，三相对称，额定相电压有效值为220 V，基波频率为50 Hz;非线性负载采用三相不可控整流桥接30 Ω电阻，滞环比较的宽度是负载侧电流有效值的10%。仿真输出电流波形图如图7所示。

由图7可以看出，采用电流滞环最优矢量控制方法，补偿后电源电流基本为正弦波形，验证了电流滞环最优矢量控制方法的正确性。

5 实验验证

实验电路具体参数为:三相电源相电压为220 V，负载为三相全控整流桥串接35 Ω电阻和2 mH电感，电网电压跌落至180 V。

经过UPQC补偿，对电源电压跌落时负载电流谐波对电源电流的影响进行观察。实验波形及结果如图8所示。

从图8可以看出，当电网跌落时，采用FUZZYPID方法与电流滞环最优矢量控制方法检测和控制补偿电流，可以同时改善电网电流质量，使其波形为正弦波，从而验证了本文提出的并联补偿单元检测和控制方法的有效性和可行性。

6 结论

UPQC并联补偿单元的功能是对电网电流中的谐波和无功分量进行补偿，其功能的实现包括补偿量的检测和控制2个关键环节。本文通过对并联补偿单元检测和控制环节算法的研究，得到以下结论:

(1)采用基于FUZZY-PID的补偿信号检测方法实现了UPQC并联补偿单元对补偿信号的检测，简化了算法，提高了检测精度;

(2)采用电流滞环最优矢量控制方法实现了对补偿信号的控制，通过坐标变换消除了相间影响，提高了控制精度。

［1］刘桂英，粟时平.并联型有源电力滤波器控制方法与仿真［J］.电力建设，2012，33(7):1-6.

［2］丁菊霞，张华俊，张秀峰.基于平均值理论的无锁相环三相电路谐波电流检测方法［J］.电测与仪表，2010，47(553):43-47.

［3］唐春东.统一电能质量控制器电压电流综合检测方法的研究［J］.现代电子技术，2011，34(8):174-176.

［4］Khadkikar V.Enhancing electric power quality using UPQC［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(5):2284-2297.

［5］Jindal A，GhoshA，JoshiA.Interlineunifiedpowerquality conditioner［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22(1): 364-372.

［6］党存禄，甘玲丽，张晓英，等.三相四线制下UPQC的研究［J］.电力系统及其自动化，2010，32(3):51-53.

［7］赵永娟，孙华东.基于Matlab的模糊PID控制器的设计和仿真［J］.微计算机信息，2009，25(1-1):48-50.

［8］沈虹.UPQC电流谐波与电压跌落补偿技术研究［D］.天津:天津大学，2009.

［9］郭自勇，周有庆，刘宏超，等.一种基于电压空间矢量的有源滤波器滞环电流控制新方法［J］.中国电机工程学报，2007，27(1): 112-117.

［10］吴秋艳，王宏华.统一电能质量调节器并联侧APF谐波检测技术［J］.电力电子技术，2012，46(1):66-69.

［11］Khadkikar V，Chandra A.A new control philosophy for a unified power quality conditioner(UPQC)to coordinate load-reactive power demand between shunt and series inverters［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23(4):2522-2534.

(编辑:张媛媛)

Parallel Compensation Unit of Unified Power Quality Conditioner Based on FUZZY-PID and Optimal Vector Control

ZHENG Wei1，BAI Runqing1，XU Ruiying2，ZHI Yong1，LIANG Chen1，CUI Jian3
(1.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，China; 2.Tianjin University，Tianjin 300072，China;3.Gansu Electric Power Company，Lanzhou 730050，China)

The parallel compensation unit of traditional unified power quality conditioner(UPQC)has the problems of low signal acquisition accuracy and phase-to-phase coupling of control method.Aiming at the problems，the compensation signal detection method based on FUZZY-PID control and the current hysteresis optimal vector control method were used for parallel compensation unit.These methods can improve the detection accuracy through saving vector transformation and lowpass filter，resolve the phases coupling problem with coordinate transformation，and effectively improve the real-time performance of control and the accuracy of compensation.Finally，the feasibility and validity of the method were verified through simulation analysis and experiments.

unified power quality conditioner(UPQC);parallel compensation unit;FUZZY-PID;current hysteresis optimal vector

TM 76

A

1000－7229(2014)01－0068－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.013［HT］

2013-07-21

2013-09-17

郑伟(1973)，男，教授级高工，主要从事电能质量及柔性交流输电技术的研究工作，E-mail:zhengwei@dky.gs.sgcc.com.cn;

拜润卿(1984)，男，工学硕士，工程师，主要从事电能质量与柔性交流输电技术的研究工作，E-mail:652808534@qq.com;

许睿颖(1990)，女，工学硕士，本文通讯作者，主要研究方向为电能质量，E-mail:xuruiying11@126.com;

智勇(1972)，男，本科，高级工程师，主要从事电能质量与柔性交流输电技术的研究工作，E-mail:zhiyong@dky.gs.sgcc.com.cn;

梁琛(1985)，男，工学硕士，工程师，主要从事电能质量与柔性交流输电技术的研究工作，E-mail:cafe2000@163.com;

崔剑(1979)，男，本科，工程师，主要从事电能质量与柔性交流输电技术的研究工作，E-mail:cuijian@gs.sgcc.com.cn。