动态电压恢复器的Fuzzy-PID控制策略的研究

2018-07-31田华明刘毅力丁换换梁继国

电气自动化 2018年2期

田华明，刘毅力，丁换换，梁继国

(西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048)

0 引言

近年来，随着电力电子设备的广泛应用，各种电能质量问题也日益突出。在各种电能质量问题当中，电压暂降是引起敏感电力设备不能正常工作的主要原因之一，通常认为70%～90%的电能质量问题是由电压暂降引起的[1]。而短路故障、感应电动机启动、变压器励磁是引起电压暂降的三大主要原因。

作为改善配电网电能质量问题的电力电子装置，动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,简称DVR)的主要功能是消除电压暂降、暂升、闪变，以及电网的三相不平衡等问题。DVR是目前解决电压暂降问题最经济、最有效的用户电力装置[2-3]。

控制策略的研究是DVR的研究热点之一，因为控制策略在某种程度上决定了DVR的补偿效果。目前主要控制方法有前馈控制、PID控制、Fuzzy控制等诸多线性和非线性控制。文献[4]前馈控制具有稳定性高的优点，但仅采用前馈控制时，系统的控制准确度较差，很难对指令量进行完全跟踪。文献[5]提出传统的PID控制具有结构简单，稳定性高，可靠性好等优点，但是其只适用于能够建立精确数学模型的确定性系统当中，所以PID控制具有一定的局限性。文献[6]经仿真试验研究后表明，单纯的模糊控制并不能满足控制系统在稳态误差和负载适应性等问题上的设计要求。

Fuzzy-PID自调节控制(以下简称模糊PID控制)是传统的PID控制与模糊控制相结合的产物，其既有传统PID控制器结构简单，控制精度高等优点，又兼有模糊控制器稳定性好，适用性强等优点。文献[7]指出滤波电容并联在负载侧的单相DVR具有更好的滤波效果，因此本文在该拓扑的基础上提出模糊PID控制策略。

1 DVR结构和基本原理

文中DVR直接采样负载电压作为电压环的反馈输入，将额定电压311 V作为电压环的给定，可以一直对负载电压进行补偿。当负载电压正常时，电压环的给定和反馈大体一致，电压环的偏差约为零，DVR输出也基本为零，其损耗很小(可以忽略不计)；当负载电压出现暂升或暂降时，采用本文的结构不必去检测负载电压的突变，电压的变化会使电压环出现偏差，从而自动去调节DVR的输出和输出负载所需的补偿电压，使负载电压保持稳定。其控制系统框图如图1所示。

单相DVR的拓扑如图2所示。它主要由整流单元、储能单元、逆变单元、串联变压器和滤波单元构成。假设us为电源电压，串联变压器的变比为1∶1，uo为负载电压，ui为变压器输出侧电压，L为滤波电感，C为滤波电容，R为负载，is为逆变器输出电流，ic为流过电容的电流，io为负载电流。

由图2所示的单相动态电压恢复器拓扑图，根据欧姆定律和基尔霍夫定律可得该系统的状态方程：

(1)

(2)

联立式(1)，式(2)，可得:

(3)

图1 控制系统框图

图2 单相动态电压恢复器拓扑示意图

2 控制策略

文中逆变电路采用的是Fuzzy-PID控制策略。下面主要分两部分介绍该控制算法。

2.1 电压环反馈跟踪控制

跟踪控制方法在SPWM逆变器中较为常见。跟踪控制方法主要包括三角波比较控制方式、滞环比较控制方式、双重Δ跟踪控制方式[8]等。由于三角波比较控制方式能够使开关管的开关频率保持恒定且使得逆变器输出电压基波分量中含有较少的谐波，所以三角波比较控制方式得到了广泛的应用。

论文中仿真采用三角波比较控制方式中的电压环反馈跟踪控制，设定三角波的频率为10 kHz。单相的三角波控制方式结构如图3所示，三相同理。u*为电压指令信号；u为电压反馈信号；e为误差信号；e*为误差信号通过调节器后输出的信号；ugate_1和ugate_2为互补的驱动逆变器上下桥臂的驱动信号；uo为逆变器输出的电压基波分量。

其原理如下，首先电压指令信号与电压反馈信号相比较得到误差信号输出，然后输出的误差信号e经过调节器的调节得到e*，最后e*与三角载波相比较，生成能够驱动上下桥臂的驱动信号。

图3 三角波比较控制方式结构框图

2.2 模糊控制器设计

图4 模糊控制系统结构框图

设计模糊控制的目的是为了找出Kp、Ki、Kd三个参数与e和ec三者之间的模糊推理关系[10]。在系统运行中不断检测e和ec，并以修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd为输出，不断修正系统运行时PID参数产生的偏差，为的是使系统中的被控对象具有较好的静态性能和动态性能。根据对系统的分析，采用电压的偏差e及其偏差率ec作为模糊控制器的两个输入，而Kp、Ki、Kd作为模糊控制器的三个输出。

根据实际工程经验，分别得出四十九条模糊控制规则和e、ec、Kp、Ki、Kd的语言变量取值：{NB (负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)}；e和ec的模糊论域均取[-3,-2,-1,0,1,2,3]；Kp、Ki、Kd的模糊论域均取[-0.45,-0.3,-0.15,0,0.15,0.3,0.45]；隶属度函数在NM、NS、ZO、PS、PM处选择trimf (三角型)，在NB、PB处选择gaussmf(高斯型)。

3 系统仿真结果分析

仿真中DVR逆变器部分采用SPWM控制方式。在MATLAB/Simulink中分别建立模糊PID和PID仿真模型。系统仿真参数设置如下：电网侧电压311 V,频率50 Hz，IGBT开关频率选取为f=2 kHz，串联变压器的变比为1∶1，敏感性阻感负载一和阻感负载二均为30 Ω，电感量为18.5 mH，电容为50 μF。设置系统0.05 s～0.1 s发生电压暂降，暂降幅度为50%，持续时间为0.05 s，仿真结果如图5～图9所示。图5为跌落后的电压和参考电压的波形图；图6为逆变器输出电压波形图；图7为锁相环输出波形图；图8和图9分别为投入负载后负载电压和负载电流波形图。

图5 跌落后电压和参考电压波形图

图6 逆变器输出电压波形图

图7 锁相环输出角度

图8 闭合开关后负载电压波形图

图9 闭合开关后负载电流波形图

从图6可以看出，PID控制逆变器输出电压波形会产生较大幅度的电压尖峰，在逆变器输出电压的前后会有稳态误差；而模糊PID控制不仅能够很好地抑制逆变器输出前时刻的电压尖峰，而且可以保持电压环的给定和反馈基本一致，电压环的偏差几乎为零，DVR输出基本为零。从图7可以看出，模糊PID比PID能快速准确地获取到电网电压分量的频率和相位信息；在0.15 s时闭合开关，投入负载二。由仿真图8可知，在投入负载二时，负载电流幅值由10 A突变到20 A，但是负载电压基本没有波动，维持在311 V左右；而在图9中，在电压发生暂降的前后，负载电压和负载电流都产生了较大幅度的超调。

对补偿后的电网电压进行FFT分析，可得频谱图如图10所示。基波幅值约为307 V，与工程上当载波频率远高于输出电压基波频率且调制深度m≤1,可得U1m=mUd的关系式(U1m为基波电压的u1幅值)，值得考虑的最高次谐波为4次，幅值为基波的0.21%。可见，模糊PID自调节控制的谐波性能还是非常优越的。

通过以上分析，基于Fuzzy-PID控制的DVR能够很好地补偿电网侧电压的暂降，控制效果好，稳定性能强，超调量小。