无串联变压器型DVR模糊控制策略研究

第40卷第2期 电力系统保护与控羽 V01．40No．2 兰Q!兰笙!旦!垒旦 呈21皇!璺z壁!翌!：型!!!!旦里塑垒竺2翌塑! !竺：!垒：兰Q!兰 无串联变压器型DVR模糊控制策略研究 王晶1， 徐玲玲1，徐爱亲2，徐幻南1 (1．浙江工业大学信息工程学院， 浙江杭州310023；2．丽水职业技术学院机电信息分院，浙江丽水323000) 摘要：对无串联变压器型DVR的控制策略进行研究。对无串联变压器型DVR的结构进行介绍，并推导得到相应的等效电 路和系统方程。采用dq法对电压暂降进行检测后，应用参数模糊自适应PID控制策略，实现了电压暂降的快速补偿。利用 z．N临界比例度法对PID参数进行整定，构造增量式模糊自整定PID的二维模糊控制器对整定后的参数进行调整并实现电压 补偿。通过仿真，将所述方法与PID控制、纯模糊控制、位置式参数模糊自整定PID控制的控制效果进行比较分析，结果表 明所提方法的有效性。 关键词：电能质量；动态电压恢复器；模糊控制；电压暂降 Studyoffuzzylogiccontrolfortransformerlessdynamicvoltagerestorer WANGJin91，XULing．1in91，XUAi'qin2，XUHuan-nanl (1．CollegeofInformationEngineering，ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310023，China； 2．BranchofMechanicalandElectricalInformation，LishuiVocationalandTechnicalCollege，Lishui323000：China) Abstract：Non。seriestransformordynamicvoltagerestorer(DVR)controlstrategyiSstudied．Thestructureofnon-series transformerDVRisintroduced．andthecorrespondingequivalentcircuitandthesystemequationsarederived．Byusingthedq methodtodetectthevoltagesag,thefuzzyparametersadaptivePIDcontrolstrategyisproposedtorealizethequickcompensationfor voltagesags．Z-NcrificalproportioningmethodisusedtoadjustthePIDparameter,andatwodimensionfuzzycontrollerfor incrementalfuzzyself-adjustingPIDisconstructedtoadjusttheparameterandcompensatethevoltagesag．Throughsimulation,a comparativeanalysisofcontrolresultsbetweentheproposedIncrementalFuzzyPIDcontrolandPID，Fuzzy,andPositionalFuzzy PIDisconducted．Theresultsshowthevalidityofthemethod． ThisworkissupposedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No．51147010)． Keywords：powerquality；DVR；fuzzycontrol；voltagesag 中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号： 1674．3415(2012)02—0056．05 0 引言 突d发性和暂态性，因此，控制策略的研究仍然是热i-yL ，i1、√．．-O 20世纪90年代以来，电能质量问成为研究 的重点，其中电压暂降成为影响电力负荷安全运行 最突出的问题【l】。动态电压恢复器(Dynamic VoltageRestorer，DVR)是目前解决电压暂降问题最 经济、有效的用户电力装置【2-31。 决定动态电压恢复器补偿效果的关键问题之一 是控制策略的实现。目前常用的控制方法包括前馈、 反馈和复合型控制等线性控制方式，以及人工智能、 模糊、无差拍、空间矢量等的非线性控制方式【4】。 由于电压暂降通常是由突发的短路电流引起，具有 基金项目：国家自然科学基金项目(51147010)：浙江工业 大学信息处理与自动化技术重中之重学科支持 文献【5】首次提出将模糊控制应用于DVR中。 它针对单相电压，将参考电压与实际电压的误差和 其误差的微分值输入到模糊控制器中替代传统的控 制方法。最后验证了该方法的有效性。文献【6】进一 步说明模糊控制能够根据系统电压的变化，自动调 整参数，从而大大降低获取系统动态和静态特征量 所付出的代价，具有较强的鲁棒性，但在稳态误差、 负载适应性等问题上，不能满足系统设计要求。 本文针对无串联变压器型[7]DVR，提出了增量 式模糊囟整定PID控制策略，利用Z-N临界比例度 法对PID参数进行整定，构造二维模糊控制器对整 定后的参数进行调整并实现电压补偿。最后，通过 大量的仿真实验，验证了该方法的有效性。 万方数据 王晶，等 无串联变压器型DVR模糊控制策略研究 1 DVR系统结构 无串联变压器型DVR系统结构如图1所示， 它由储能单元A、逆变单元B和滤波单元C三部分 构成。逆变单元是由三个单相H桥逆变器构成。 DVR进行补偿时的等效电路如图2所示。 图1 无串联变压器型DVR系统连接图 Fig．1Circuitdiagramofthetr舯sformerlessDVR 图2 DVR补偿等效电路图 Fig．2DVRequivalentdiagramduringcompensation 由图2可得如下状态方程 Vi。=厶d缶+墨if+VDⅦ ／f=ic+‘ (1) (2) 屯_Cf孥 (3) Zs=％vR+巧 (4) 其中：Cf是滤波单元的电容值；Rf和厶分别是滤波 单元的电阻值和电感值；vill、vs、1)l和Vow分别是 逆变电压、电源电压、负载电压和补偿电压；it和 if分别是负载电流和电感电流。 由上述状态方程可得其开环控制系统的方框 图如图3所示。 图3开环控制系统框图 Fig．3Open-loopcontrolsystemdiagram 其中岛为直流侧电压虼。。由图3可得其主回路开 环函数为： G∽2丽蒜 ㈣ 因为电阻值Rf较小可忽略，则其开环函数为： G俩夕=jLfCf$L2+1(6)． 2模糊控制实现 模糊控制在系统控制中不需要建立精确的数 学模型，且比其他非线性控制具有更好的鲁棒性能。 本文的模糊控制器以被控对象的目标值与反馈值的 误差e和误差变化率垂作为输入，用模糊推理的方 法进行在线调整PID的参数凰、K、砀，从而使被 控对象具有良好的动态性能和静态性能【8】。 2．1电压检测 采用dq变换法对三相电压进行幅值检测。将abc 三相电压变换到dq坐标系的关系式为 (7) 其中，C为变换矩阵： ，压厂_cos(耐+仍)一cos(耐—知／3楣)一00s(耐+2兀／孓岘)] 一V3|州以蛔)s逾(以勘／3坛)洲r．ot+27r／3+妒1)I (8) 可知，。Ud为三相电压基频分量的有效值。 2．2参数选择 在式(6)中，取滤波电感电容值厶为10mH， Cf为5mF，‰为300V。在Simulink中构建系统 模型，并按Z-N临界比例度整定方法【9’101得到临界 周期如为0．486s，如图4所示。 图4 Z-N临界比例度法整定输出波形 Fig．4OutputwaveformofZ-Ncriticalproportioningmethod 由表1中所示的Z-N经验公式，可得： 1●●●●●●●●j a b C ” 甜 “—．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L C= 1●●●●j d q ” 材—，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L 耋甚IIIv 万方数据 电力系统保护与控羽 舻0．72gi-2．96gd=0．044(9) 表1 Z-N临界比例度整定公式 Table1TuningformulaofZ-Ncriticalproportioningmetllod P 0·5如 ”0 PI o．45j≮(1／1．2)‰0 PID 0．6Kq，0．5岛 O．125％ 2．3模糊控制器 参数模糊白整定PID控制器可分为两类：位置 式和增量式。本文分别构建了增量式和位置式模糊 控制器，并对其进行了比较。文中以增量式参数模 糊自整定PID控制策略为重点，其构建的二维模糊 控制器如图5。建立一个双输入单输出的模糊控制 器，选取参考电压与负载电压的偏差e和偏差变化 率爸作为模糊控制器的两个输入，选取输入e和毒 的模糊集合论域分别为【一1，1】、[--0．5，0．5】，输出 的模糊集合论域为[_·0．2，0．2】，控制器的输入、输 出语言变量都取PL，PM，PS，Z，NS，NM，NL 七个模糊子集，其含义依次为正大、正中、正小、 零、负小、负中、负大。隶属函数分布如图6所示。 滴I袭卜呸副垂H蛩坐k _—————一l7“●L————]lmI—P，^P上·嚼一怂H则I丽磊磊『H凰竺～ 图5模糊控制器结构图 Fig．5StructureoffuzZycontroller 建立△≮、AKi、AKd对应的模糊控制规则，见 表2～表4。 表2 AKp对应的模糊控制规则表 Table2 TheruletableofAKp 毒 8 NLNlVlNS Z PS PM PL 表3 Agi对应的模糊控制规则表 Table3 TheruletableofAKi —o．10-o．08_0．06_o．04_o．02o．∞o．020．04O．艏0．080．10 (c)毛 图6输入输出隶属函数分布曲线 Fig．6Distributioncurveofinputandoutputmembe枷p function 万方数据 王晶，等 无串联变压器型DVR模糊控制策略研究 ．59． 表4△岛对应的模糊控制规则裹 里坐!!兰卫堡巴望堂坦皇!些 e 经以上步骤本文建立的模糊控制器的输入输出 关系如阔7所示。 (。Jx．符B口自 图7模糊推理输入输出曲面视图 Fig．7Surfaceviewofinputandoutput 图中所示曲线整体比较光滑，说明本文建立的 模糊控制器的参数选择适当。 3系统仿真 3．1仿真系统 利用Matlab／Simulink中建立仿真系统，如图8 所示。其中参数设置为：电源电压为400V，频率 为50Hz，带阻感性敏感负荷，电阻为35Q，电感 为3．2H。 ．=厅一，萄 l巴兰|润。”⋯图8仿真系统图Fig．8Diagramofthesimulationsystem 其中增量式参数模糊自整定PID控制系统模型 如图9所示。 围9增量式参数模糊自整定PID控制系统图 Fig．9DiagramoffuzzyPIDcontroller 3．2结果与比较 电压在0．05S时发生电压哲降，持续时间为0．05 S。在30％、40％、60％电压暂降和带三相不平衡负 载四种情况下分别进行系统仿真。文中以30％电压 暂降仿真波形为例，图lO为四种控制方法效果图， 其中(a)为PID控制、(b)为纯模糊控制、(c)为 位置式、(d)为增量式模糊白整定PID，最后四种 控制方法仿真结果比较见表4。 ——，里唑dJfd—c竺堕竖———————一110}，、，，一，’九．-r1 n，4九、．．"，、d o5KX i，xr I X。1 r i i×Xj i i：，×t×H 00，i／5／，r。．／Ijr一／ r。／!／E-／：io／j|j一{_0斟、_××，xZ f，＼：，XX×、，』＼Xl X f，J 1o[’⋯“。。⋯j。～。。。、。7。。1 n)HD控制 口I I I X i×I‘lY丫，rl’～v7Xi“(×W }，＼‘。¨f＼，-』 、”／、·、 ，7＼，’，14j r＼、／、。| ∥{爿{』|．‘沆。L|一j‘／，|“』，j|／ (的纯模栩拉村 儿一z{宝№ⅢⅢ札札 一附一z z l宝ⅢⅢⅢ眦 ～ {￡一l￡鸭z№邯ⅢⅢ， 一 z一Ⅲ12 l￡z懈ⅢⅢ 一 l宝一ⅢⅢⅢ12 z№Ⅲ Ⅲ一阢儿蹦州鸭z z№一儿儿附附鸭胳z 。一札Ⅲ№z 12蹦儿 j乓JS ；喜』S 万方数据 ．60． 电力系统保护与控制 ．1．0 喜篙 S_0．5 —1．0 j 1．0 甚0．5 留一罂 一1．0 sourcesidevoltage 0．05 0．10 0．15 O．00 O．05 0．10 0．15 ，坛 (c)位置式模糊PID控制 Om O．05 O．10 O．15 loadsidevoltage P^一’，Ⅵ¨” ，，，、，、，、卜，、，1、，、，’¨^，、一一九1 掰lYYYZ Y掌’jYYi Y XY!×yfYY V姻 l，，、一j¨7＼一、／、JI，／l‘、，、／l+、、j1¨、H一＼nj_ }li I×Iy I X l I×《II l y I X 11 I Z引 、j+?¨¨』。、一～⋯j?～jj。、，，j一?ja L．．。，，，，．，．．．．．．．．．．．．．。．．．。。．。．。。．．．．．，．．．—。 一——J0m 0．05 0．10 0．15 f，s (d)增量式模糊HD控制 图1030％电压暂降仿真波形 Fig．10Simulationresultsof30％sag 由仿真结果可知，参数模糊自整定PID控制稳 定性和稳态误差方面都比较理想，增量式比位置式 动态性能更好，响应速度更快，稳态误差也更小。 增量式模糊PID与PID控制在动态响应速度和 最大超调量方面控制效果相当，调节时间都比PID 控制短，系统参数变化时，模糊PID比Pm控制效 果更好，具有更好的鲁棒性。 表5四种控制方法仿真结果比较 Tab．5Comparisonofsimulationresultsoffourfuzzycontrol methods 4结论 (1)构造了增量式模糊自整定PID控制的无 串联变压器型DVR，通过仿真验证本文方法的有效 性。 (2)与PID控制、纯模糊控制、位置式参数 模糊自整定PID控制方法进行比较。结果表明本文 所述方法能发挥PID和模糊控制两者的优点，对 DVR系统的适应性强、调节时间短、超调小，特别 是在系统参数发生改变时同样可获得令人满意的控 制效果，能很好地适应系统参数的变化。 参考文献 [1]BotlmM．Understandingpowerqual时problems：voltage sagmdinterruptions[J]．Wiley-IEEEPress，2000． [2]McGranaghanM、F．RoeRgerWC．Theeconomicsof custompower[C】／／TransmissionandDistribution ConferenceandExposition,2003IEEEPES，2003(3)： 944．948． [3]王智勇，吴正国，周卫平．直接电容接入动态电压恢 复器研究[J】．电力系统保护与控制，2009，37(17)： 89．94． WANGZhi—yong，WUZheng-guo，ZHOUWei-ping． Studyonthedynamicvoltagerestorerswithcapacitor direct-coupled[J]．PowerSystemProtectionandControl， 2009，37(17)：89-94． [4]王晶，徐爱亲，翁国庆，等．动态电压恢复器控制策略 研究综述【J】．电力系统保护与控制，。2010，38(1)： 145．151． WANGring，XUAi—qin,WENGGuo—qing,eta1．A surveyoncontrolstrategyofDVR[J]．PowerSystem ProtectionandControl，2010，38(1)：145-151． [5]JuradoF'ValveRrdeM．Operationofthedynamicvoltage 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基于序分量法的V～接线牵引变压器实用快速短路计算方法 ．65． 够简单快捷地求解这种不对称系统故障的方法，该 计算方法模型简单，与现行电力系统故障分析理论 基础相统一，充分利用了对称序分量法处理不对称 故障的特性，得出了相关故障的序分量图及计算公 式。结合算例与基于相分量模型的故障计算方法∞1 进行比较，验证了此方法的有效性和实用性。与现 行基于序分量的输电网故障计算程序相结合，可以 方便的利用现有整定计算程序中的复杂故障进行快 速计算，形成了一种广泛实用的短路计算方法。 参考文献 ， [1]刘淼，石东源，杨雄平．计及电气化铁路两相交流供 电系统不对称性的输电网实用故障计算方法．比较研究 [J]．继电器，2007，35(8)：21．26． LIUMiao，SHIDong-yuan，YANGXiong—ping． Comparisonoffaultcalculationmethodsfortransmission networkconsideringunsymmetricaltwo-phaserailway powersupplysystem[J]．Relay,2007，35(8)：21-26． [2]张晓薇，李振国．电气化铁路接入电力系统220kV和 l10kV供电电压等级的研究[J]．电力系统保护与控制， 2008，36(17)：13—15． ZHANGXiao-wei，LIZhen-guo．Researchonpower supplywith220kVand110kVintractionsubstationsof electricrailways[J]．Power．SystemProtectionand Control，2008，36(17)：13-15． [3]邱长文．三相v／v接牵引变压器在工程设计中的应用 【J】．华东交通大学学报，2005，22(5)：100．106． QIUChang-wen．Theapplicationofthree-phaseNN connectedtractiontransformerinengineeringdesign[J]． JournalofEastChinaJiaotongUniversity,2005，22(5)： 100．106． [4]韩祯祥．电力系统分析[M】．4版．杭州：浙江大学出 版社，2009． 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XU Ling-ling， XU Ai-qin， XU Huan-nan 作者单位： 王晶,徐玲玲,徐幻南,WANG Jing,XU Ling-ling,XU Huan-nan(浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州 ,310023)， 徐爱亲,XU Ai-qin(丽水职业技术学院机电信息分院,浙江丽水,323000) 刊名： 电力系统保护与控制 英文刊名： Power System Protection and Control 年，卷(期)： 2012,40(2) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jdq201202011.aspx