基于FUZZY-PID與最優(yōu)矢量控制的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器并聯(lián)補償單元

鄭偉，拜潤卿，許睿穎，智勇，梁琛，崔劍

(1.甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州市730050;2.天津大學(xué)，天津市300072; 3.甘肅省電力公司，蘭州市730050)

基于FUZZY-PID與最優(yōu)矢量控制的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器并聯(lián)補償單元

鄭偉1，拜潤卿1，許睿穎2，智勇1，梁琛1，崔劍3

(1.甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州市730050;2.天津大學(xué)，天津市300072; 3.甘肅省電力公司，蘭州市730050)

針對傳統(tǒng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner，UPQC)并聯(lián)補償單元信號采集精度不高、控制方法存在相間耦合的問題，采用FUZZY-PID方法對補償信號進(jìn)行檢測，利用電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法對并聯(lián)補償單元進(jìn)行控制。將這2種方法結(jié)合來控制并聯(lián)補償單元，不僅省去矢量變換與低通濾波環(huán)節(jié)，提高了檢測精度，而且通過坐標(biāo)變換解決了相間耦合問題，有效提高了控制的實時性和補償精度。最后經(jīng)仿真分析和實驗驗證，表明了該方法的有效性和可行性。

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC);并聯(lián)補償單元;模糊PID;電流滯環(huán)最優(yōu)矢量

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)化水平的提高，電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷、沖擊負(fù)荷不斷增加。隨著電力電子變換裝置在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)的諧波畸變越來越嚴(yán)重。另一方面，隨著各種復(fù)雜精密的，對電能質(zhì)量要求較高的裝置的普及，對電能質(zhì)量的要求越來越高。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner，UPQC)能夠同時改善電壓和電流質(zhì)量，不但可以補償諧波電流、無功、三相不平衡，而且可以補償諧波電壓，抑制電壓跌落，提高供電可靠性，具有很大的實際研究價值［1］。UPQC設(shè)計的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是并聯(lián)側(cè)對補償電流的快速準(zhǔn)確檢測和精確的控制跟蹤。傳統(tǒng)的補償信號檢測方法有基于瞬時無功理論的p-q法、ip-iq法以及同步坐標(biāo)變換方法，算法中使用的矢量變換和低通濾波環(huán)節(jié)較復(fù)雜［2］，檢測精度不高，本文給出了FUZZY-PID檢測算法，該算法簡單、檢測精度高、補償效果好。傳統(tǒng)補償信號控制如滯環(huán)跟蹤控制方法，基于三角載波的脈沖寬度調(diào)制方法以及空間矢量控制方法，忽略了三相之間的關(guān)聯(lián)性，影響控制精度。采用電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制，能夠有效地提高控制的實時性和補償精度。

本文首先對UPQC并聯(lián)補償單元的整體工作原理進(jìn)行介紹［3］;然后分別對補償信號檢測與補償信號控制進(jìn)行詳細(xì)研究;最后通過仿真和實驗驗證檢測和控制方法的可行性和有效性。

1 UPQC并聯(lián)補償單元原理分析

并聯(lián)補償單元的控制目標(biāo)是使電源電流is為基波正弦電流［4-5］。負(fù)載電流iL包含基波有功分量、基波無功分量和諧波分量，只要并聯(lián)變流器輸出電流為負(fù)載電流iL的基波無功分量和諧波分量之和，即可使電源電流is波形為基波正弦［6］。并聯(lián)變流器輸出的電流信號即為補償電流ic。is、iL、ic之間的關(guān)系如式(1)所示:

其中:

式中:ip為基波有功電流;iq為基波無功電流;ih為諧波電流。

由式(1)、(2)可得:

即并聯(lián)單元補償電流為負(fù)載電流的基波無功電流和諧波電流之和。

本文采用模糊PID方法對UPQC進(jìn)行補償信號檢測，采用電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法對補償信號進(jìn)行控制，原理圖如圖1所示。

如圖1所示，將輸出的負(fù)載電流iL前饋作為控制器的輸入量，通過基于FUZZY-PID方法的補償信號檢測算法檢測到補償信號的指令值i*c。采用電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制得到可以使并聯(lián)變流器輸出電流近似指令電流i*c的驅(qū)動電壓uk。令得到的電壓uk作為并聯(lián)變流器的驅(qū)動電壓，從而并聯(lián)變流器輸出的實際電流ic追蹤指令信號i*c，進(jìn)而補償負(fù)載電流iL中的諧波和無功成分，使電源電流is波形為基波正弦波。

下面將分別對基于FUZZY-PID的補償信號檢測方法和基于電流滯環(huán)最優(yōu)矢量的補償信號控制方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 FUZZY-PID補償信號檢測

本文采用FUZZY-PID方法進(jìn)行補償信號檢測，使用模糊推理的方法進(jìn)行PID參數(shù)在線自整定，算法簡單，提高了檢測精度。

2.1 FUZZY-PID控制方法

FUZZY-PID方法是采用模糊推理方法對PID調(diào)節(jié)器參數(shù)KP，KI，KD進(jìn)行在線整定，以滿足不同的誤差e和誤差變化率ec對調(diào)節(jié)器參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的性能［7］。FUZZY-PID控制原理如圖2所示。

比例系數(shù)KP的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，調(diào)高調(diào)節(jié)精度，KP越大，響應(yīng)速度越快，調(diào)節(jié)精度越高，但過大將產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分系數(shù)KI的作用在于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，KI越大，靜態(tài)誤差消除越快，但過大會產(chǎn)生積分飽和而引發(fā)較大的超調(diào)。微分系數(shù)KD影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，KD越大，越能抑制偏差變化，但過大會延長調(diào)節(jié)時間，降低抗干擾能力。因此，采用模糊推理的方法，對參數(shù)KP，KI，KD進(jìn)行在線自整定，設(shè)計出參數(shù)模糊自整定PID調(diào)節(jié)器。

2.2 基于FUZZY-PID的UPQC補償信號檢測原理

給定一個標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓ura，有:

因為基波有功電流ip與標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓ura頻率相位都相同，引入一個比例系數(shù)k［8］，令:

將公式(2)、(5)代入公式(4)，有:

即:

由此可推得并聯(lián)補償單元諧波電流的檢測算法原理。

采用基于FUZZY-PID方法的信號檢測算法對并聯(lián)側(cè)補償信號進(jìn)行檢測，算法原理圖如圖3所示。

使用積分器計算的值，如果積分器輸出大于0，通過模糊控制器增大比例系數(shù)k;當(dāng)積分器輸出小于0，控制k值減小。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，積分器輸出趨于0，電路輸出為基波無功電流和諧波電流之和iq+ih，由此得到并聯(lián)側(cè)補償電流的指令信號。

3 電流滯環(huán)最優(yōu)矢量補償控制

采用于FUZZY-PID方法的檢測算法計算UPQC并聯(lián)側(cè)補償指令電流i*c，控制變流器輸出電流ic跟蹤i*c，消除電源電流is中諧波和無功成分。為有效改善電網(wǎng)電流質(zhì)量，需要實現(xiàn)并聯(lián)變流器輸出電流ic對指令電流i*c的精確跟蹤。由于變流器的三相之間相互關(guān)聯(lián)，而傳統(tǒng)的電流滯環(huán)控制方法為三相獨立控制，忽略了相間影響，控制時缺少相間配合，使得電流跟蹤精度不夠精確。由于電壓空間矢量控制方法可以通過坐標(biāo)變換消除相間影響，因此采用基于電壓空間矢量的電流滯環(huán)控制方法，即電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法進(jìn)行控制，理論上可以提高電流的跟蹤精度，有效改善電網(wǎng)電流質(zhì)量。

3.1 電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制

電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法為與電壓空間矢量控制方法結(jié)合的電流滯環(huán)控制［9］?？臻g矢量控制把三相變流器的輸出電壓在復(fù)平面上合稱為電壓空間矢量，通過8種不同的開關(guān)狀態(tài)構(gòu)成8個空間矢量uk(k=1，2，3)。其中u1～u6幅值均為2/3Udc，相鄰兩矢量之間相差，u、u位于坐標(biāo)原點，幅值為0，07各端點的連線是一個正六邊形。

為了消除相間影響，引入Clarke矢量變換，將物理量由abc坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系α-β下，并且使α軸與a軸重合。坐標(biāo)變換后可得電源電流指令矢量為

由式(9)看出，電源電流指令矢量以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)軌跡是以為半徑的圓。

引入電源電流誤差矢量為δs:

誤差越小，說明補償效果越好。在電流滯環(huán)控制下，系統(tǒng)的控制目標(biāo)反映到空間矢量是使is始終位于以i*s為中心的正六邊形δi內(nèi)，且該正六邊形的三組對邊分別垂直于abc坐標(biāo)軸，對邊距離為2 h(h為給定的滯環(huán)寬度)。正六邊形δi隨i*s旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，但其對邊與坐標(biāo)軸的垂直關(guān)系保持不變。將指令輸出電壓矢量u*和電流誤差矢量δi所在區(qū)域分別劃分為6個扇區(qū)，分別記為Ⅰ～Ⅵ和①～⑥。電壓電流矢量關(guān)系圖如圖4所示。

忽略交流線路電阻，由圖1可得:

式中:u*為補償指令電流矢量i*c對應(yīng)的并聯(lián)變流器輸出指令電壓矢量。

由公式(12)、(13)可得，

由式(14)可得，可以通過電壓空間矢量控制選擇合適的變流器輸出電壓uk，使矢量dδi/dt較小且與矢量δi方向相反。從而將誤差矢量δi控制在一個很小的區(qū)域內(nèi)，即實現(xiàn)控制變流器輸出電流ic跟蹤i*，電源電流近似為基波正弦。得到電流滯環(huán)最優(yōu)矢

c量控制的原理圖如圖5所示。

首先，要對δi區(qū)域做出判斷。將電源電流指令i*sa、i*sb、i*sc與實際電源電流isa、isb、isc通過3組滯環(huán)比較器，得到相應(yīng)的比較狀態(tài)值Ca、Cb、Cc。δi與Ca、Cb、Cc的關(guān)系如表1所示。

對電壓矢量u*做區(qū)域判斷:u*正六邊形的3條對角線分別對應(yīng)于u*ab=0、u*bc=0、u*ca=0的情況，如圖5所示;可以將給定變流器指令輸出電壓矢量u*在坐標(biāo)軸上分解得到三相相電壓u*a、u*b、u*c。

根據(jù)公式(15)求得u*ab、u*bc、u*ca，根據(jù)u*ab、u*bc、u*ca在Ⅰ～Ⅵ這6個扇區(qū)的正負(fù)情況可判斷u*所在區(qū)域，如表2所示。

最后判斷電壓矢量u*區(qū)域。確定了指令輸出電壓矢量及電源電流誤差矢量δi后，由式(14)分析可知，需要選擇一個適當(dāng)?shù)碾妷嚎臻g矢量uk，使電源電流誤差矢量變化率dδi/dt與電流誤差矢量δi方向始終相反。dδi/dt與uk的關(guān)系如圖6所示。即當(dāng)δi有變大趨勢時，控制dδi/dt及時減小以阻止δi變大，反之亦然。將電流誤差矢量δi限制在一個很小的區(qū)域內(nèi)。

由式(14)和圖6可得u*的區(qū)域判斷表如表3所示。

3.2 與傳統(tǒng)電流滯環(huán)控制方法的比較

由式(9)可看出，結(jié)合電壓空間矢量方法的電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法，考慮了相間耦合的影響，采用坐標(biāo)變換將物理量變換到兩相靜止坐標(biāo)系中，從而消除相間影響［10-11］。該方法可實現(xiàn)三相橋臂間的關(guān)聯(lián)控制，避免各相獨立控制中的無效開關(guān)過程及電流的失控現(xiàn)象，從而改善電流跟蹤性能，達(dá)到改善電流質(zhì)量的目的。

4 仿真分析

采用Matlab/Simulink對FUZZY-PID補償量檢測算法和電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法進(jìn)行仿真，其中電網(wǎng)電源采用三相可編程電源，三相對稱，額定相電壓有效值為220 V，基波頻率為50 Hz;非線性負(fù)載采用三相不可控整流橋接30 Ω電阻，滯環(huán)比較的寬度是負(fù)載側(cè)電流有效值的10%。仿真輸出電流波形圖如圖7所示。

由圖7可以看出，采用電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法，補償后電源電流基本為正弦波形，驗證了電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法的正確性。

5 實驗驗證

實驗電路具體參數(shù)為:三相電源相電壓為220 V，負(fù)載為三相全控整流橋串接35 Ω電阻和2 mH電感，電網(wǎng)電壓跌落至180 V。

經(jīng)過UPQC補償，對電源電壓跌落時負(fù)載電流諧波對電源電流的影響進(jìn)行觀察。實驗波形及結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，當(dāng)電網(wǎng)跌落時，采用FUZZYPID方法與電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法檢測和控制補償電流，可以同時改善電網(wǎng)電流質(zhì)量，使其波形為正弦波，從而驗證了本文提出的并聯(lián)補償單元檢測和控制方法的有效性和可行性。

6 結(jié)論

UPQC并聯(lián)補償單元的功能是對電網(wǎng)電流中的諧波和無功分量進(jìn)行補償，其功能的實現(xiàn)包括補償量的檢測和控制2個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過對并聯(lián)補償單元檢測和控制環(huán)節(jié)算法的研究，得到以下結(jié)論:

(1)采用基于FUZZY-PID的補償信號檢測方法實現(xiàn)了UPQC并聯(lián)補償單元對補償信號的檢測，簡化了算法，提高了檢測精度;

(2)采用電流滯環(huán)最優(yōu)矢量控制方法實現(xiàn)了對補償信號的控制，通過坐標(biāo)變換消除了相間影響，提高了控制精度。

［1］劉桂英，粟時平.并聯(lián)型有源電力濾波器控制方法與仿真［J］.電力建設(shè)，2012，33(7):1-6.

［2］丁菊霞，張華俊，張秀峰.基于平均值理論的無鎖相環(huán)三相電路諧波電流檢測方法［J］.電測與儀表，2010，47(553):43-47.

［3］唐春東.統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器電壓電流綜合檢測方法的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，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］黨存祿，甘玲麗，張曉英，等.三相四線制下UPQC的研究［J］.電力系統(tǒng)及其自動化，2010，32(3):51-53.

［7］趙永娟，孫華東.基于Matlab的模糊PID控制器的設(shè)計和仿真［J］.微計算機信息，2009，25(1-1):48-50.

［8］沈虹.UPQC電流諧波與電壓跌落補償技術(shù)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2009.

［9］郭自勇，周有慶，劉宏超，等.一種基于電壓空間矢量的有源濾波器滯環(huán)電流控制新方法［J］.中國電機工程學(xué)報，2007，27(1): 112-117.

［10］吳秋艷，王宏華.統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器并聯(lián)側(cè)APF諧波檢測技術(shù)［J］.電力電子技術(shù)，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.

(編輯:張媛媛)

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

鄭偉(1973)，男，教授級高工，主要從事電能質(zhì)量及柔性交流輸電技術(shù)的研究工作，E-mail:zhengwei@dky.gs.sgcc.com.cn;

拜潤卿(1984)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事電能質(zhì)量與柔性交流輸電技術(shù)的研究工作，E-mail:652808534@qq.com;

許睿穎(1990)，女，工學(xué)碩士，本文通訊作者，主要研究方向為電能質(zhì)量，E-mail:xuruiying11@126.com;

智勇(1972)，男，本科，高級工程師，主要從事電能質(zhì)量與柔性交流輸電技術(shù)的研究工作，E-mail:zhiyong@dky.gs.sgcc.com.cn;

梁琛(1985)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事電能質(zhì)量與柔性交流輸電技術(shù)的研究工作，E-mail:cafe2000@163.com;

崔劍(1979)，男，本科，工程師，主要從事電能質(zhì)量與柔性交流輸電技術(shù)的研究工作，E-mail:cuijian@gs.sgcc.com.cn。