動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的Fuzzy-PID控制策略的研究

田華明， 劉毅力， 丁換換， 梁繼國(guó)

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

近年來(lái) ，隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，各種電能質(zhì)量問(wèn)題也日益突出。在各種電能質(zhì)量問(wèn)題當(dāng)中，電壓暫降是引起敏感電力設(shè)備不能正常工作的主要原因之一，通常認(rèn)為70%～90%的電能質(zhì)量問(wèn)題是由電壓暫降引起的[1]。而短路故障、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、變壓器勵(lì)磁是引起電壓暫降的三大主要原因。

作為改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題的電力電子裝置，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer,簡(jiǎn)稱(chēng)DVR)的主要功能是消除電壓暫降、暫升、閃變，以及電網(wǎng)的三相不平衡等問(wèn)題。DVR是目前解決電壓暫降問(wèn)題最經(jīng)濟(jì)、最有效的用戶(hù)電力裝置[2-3]。

控制策略的研究是DVR的研究熱點(diǎn)之一，因?yàn)榭刂撇呗栽谀撤N程度上決定了DVR的補(bǔ)償效果。目前主要控制方法有前饋控制、PID控制、Fuzzy控制等諸多線性和非線性控制。文獻(xiàn)[4]前饋控制具有穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，但僅采用前饋控制時(shí)，系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度較差，很難對(duì)指令量進(jìn)行完全跟蹤。文獻(xiàn)[5]提出傳統(tǒng)的PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，但是其只適用于能夠建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)當(dāng)中，所以PID控制具有一定的局限性。文獻(xiàn)[6]經(jīng)仿真試驗(yàn)研究后表明，單純的模糊控制并不能滿足控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差和負(fù)載適應(yīng)性等問(wèn)題上的設(shè)計(jì)要求。

Fuzzy-PID自調(diào)節(jié)控制(以下簡(jiǎn)稱(chēng)模糊PID控制)是傳統(tǒng)的PID控制與模糊控制相結(jié)合的產(chǎn)物，其既有傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，又兼有模糊控制器穩(wěn)定性好，適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]指出濾波電容并聯(lián)在負(fù)載側(cè)的單相DVR具有更好的濾波效果，因此本文在該拓?fù)涞幕A(chǔ)上提出模糊PID控制策略。

1 DVR結(jié)構(gòu)和基本原理

文中DVR直接采樣負(fù)載電壓作為電壓環(huán)的反饋輸入，將額定電壓311 V作為電壓環(huán)的給定，可以一直對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)負(fù)載電壓正常時(shí)，電壓環(huán)的給定和反饋大體一致，電壓環(huán)的偏差約為零，DVR輸出也基本為零，其損耗很小(可以忽略不計(jì))；當(dāng)負(fù)載電壓出現(xiàn)暫升或暫降時(shí)，采用本文的結(jié)構(gòu)不必去檢測(cè)負(fù)載電壓的突變，電壓的變化會(huì)使電壓環(huán)出現(xiàn)偏差，從而自動(dòng)去調(diào)節(jié)DVR的輸出和輸出負(fù)載所需的補(bǔ)償電壓，使負(fù)載電壓保持穩(wěn)定。其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

單相DVR的拓?fù)淙鐖D2所示。它主要由整流單元、儲(chǔ)能單元、逆變單元、串聯(lián)變壓器和濾波單元構(gòu)成。假設(shè)us為電源電壓，串聯(lián)變壓器的變比為1∶1，uo為負(fù)載電壓，ui為變壓器輸出側(cè)電壓，L為濾波電感，C為濾波電容，R為負(fù)載，is為逆變器輸出電流，ic為流過(guò)電容的電流，io為負(fù)載電流。

由圖2所示的單相動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器拓?fù)鋱D，根據(jù)歐姆定律和基爾霍夫定律可得該系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

(1)

(2)

聯(lián)立式(1)，式(2)，可得:

(3)

圖1 控制系統(tǒng)框圖

圖2 單相動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器拓?fù)涫疽鈭D

2 控制策略

文中逆變電路采用的是Fuzzy-PID控制策略。下面主要分兩部分介紹該控制算法。

2.1 電壓環(huán)反饋跟蹤控制

跟蹤控制方法在SPWM逆變器中較為常見(jiàn)。跟蹤控制方法主要包括三角波比較控制方式、滯環(huán)比較控制方式、雙重Δ跟蹤控制方式[8]等。由于三角波比較控制方式能夠使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率保持恒定且使得逆變器輸出電壓基波分量中含有較少的諧波，所以三角波比較控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。

論文中仿真采用三角波比較控制方式中的電壓環(huán)反饋跟蹤控制，設(shè)定三角波的頻率為10 kHz。單相的三角波控制方式結(jié)構(gòu)如圖3所示，三相同理。u*為電壓指令信號(hào)；u為電壓反饋信號(hào)；e為誤差信號(hào)；e*為誤差信號(hào)通過(guò)調(diào)節(jié)器后輸出的信號(hào)；ugate_1和ugate_2為互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)逆變器上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；uo為逆變器輸出的電壓基波分量。

其原理如下，首先電壓指令信號(hào)與電壓反饋信號(hào)相比較得到誤差信號(hào)輸出，然后輸出的誤差信號(hào)e經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)得到e*，最后e*與三角載波相比較，生成能夠驅(qū)動(dòng)上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖3 三角波比較控制方式結(jié)構(gòu)框圖

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

圖4 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計(jì)模糊控制的目的是為了找出Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)與e和ec三者之間的模糊推理關(guān)系[10]。在系統(tǒng)運(yùn)行中不斷檢測(cè)e和ec，并以修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出，不斷修正系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)PID參數(shù)產(chǎn)生的偏差，為的是使系統(tǒng)中的被控對(duì)象具有較好的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的分析，采用電壓的偏差e及其偏差率ec作為模糊控制器的兩個(gè)輸入，而Kp、Ki、Kd作為模糊控制器的三個(gè)輸出。

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，分別得出四十九條模糊控制規(guī)則和e、ec、Kp、Ki、Kd的語(yǔ)言變量取值：{NB (負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)}；e和ec的模糊論域均取[-3,-2,-1,0,1,2,3]；Kp、Ki、Kd的模糊論域均取[-0.45,-0.3,-0.15,0,0.15,0.3,0.45]；隸屬度函數(shù)在NM、NS、ZO、PS、PM處選擇trimf (三角型)，在NB、PB處選擇gaussmf(高斯型)。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

仿真中DVR逆變器部分采用SPWM控制方式。在MATLAB/Simulink中分別建立模糊PID和PID仿真模型。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如下：電網(wǎng)側(cè)電壓311 V,頻率50 Hz，IGBT開(kāi)關(guān)頻率選取為f=2 kHz，串聯(lián)變壓器的變比為1∶1，敏感性阻感負(fù)載一和阻感負(fù)載二均為30 Ω，電感量為18.5 mH，電容為50 μF。設(shè)置系統(tǒng)0.05 s～0.1 s發(fā)生電壓暫降，暫降幅度為50%，持續(xù)時(shí)間為0.05 s，仿真結(jié)果如圖5～圖9所示。圖5為跌落后的電壓和參考電壓的波形圖；圖6為逆變器輸出電壓波形圖；圖7為鎖相環(huán)輸出波形圖；圖8和圖9分別為投入負(fù)載后負(fù)載電壓和負(fù)載電流波形圖。

圖5 跌落后電壓和參考電壓波形圖

圖6 逆變器輸出電壓波形圖

圖7 鎖相環(huán)輸出角度

圖8 閉合開(kāi)關(guān)后負(fù)載電壓波形圖

圖9 閉合開(kāi)關(guān)后負(fù)載電流波形圖

從圖6可以看出，PID控制逆變器輸出電壓波形會(huì)產(chǎn)生較大幅度的電壓尖峰，在逆變器輸出電壓的前后會(huì)有穩(wěn)態(tài)誤差；而模糊PID控制不僅能夠很好地抑制逆變器輸出前時(shí)刻的電壓尖峰，而且可以保持電壓環(huán)的給定和反饋基本一致，電壓環(huán)的偏差幾乎為零，DVR輸出基本為零。從圖7可以看出，模糊PID比PID能快速準(zhǔn)確地獲取到電網(wǎng)電壓分量的頻率和相位信息；在0.15 s時(shí)閉合開(kāi)關(guān)，投入負(fù)載二。由仿真圖8可知，在投入負(fù)載二時(shí)，負(fù)載電流幅值由10 A突變到20 A，但是負(fù)載電壓基本沒(méi)有波動(dòng)，維持在311 V左右；而在圖9中，在電壓發(fā)生暫降的前后，負(fù)載電壓和負(fù)載電流都產(chǎn)生了較大幅度的超調(diào)。

對(duì)補(bǔ)償后的電網(wǎng)電壓進(jìn)行FFT分析，可得頻譜圖如圖10所示。基波幅值約為307 V，與工程上當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)高于輸出電壓基波頻率且調(diào)制深度m≤1,可得U1m=mUd的關(guān)系式(U1m為基波電壓的u1幅值)，值得考慮的最高次諧波為4次，幅值為基波的0.21%?？梢?jiàn)，模糊PID自調(diào)節(jié)控制的諧波性能還是非常優(yōu)越的。

通過(guò)以上分析，基于Fuzzy-PID控制的DVR能夠很好地補(bǔ)償電網(wǎng)側(cè)電壓的暫降，控制效果好，穩(wěn)定性能強(qiáng)，超調(diào)量小。

圖10 雙極性SPWM單相逆變器m=0.5時(shí)的諧波分析圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文構(gòu)造了基于Fuzzy-PID自調(diào)節(jié)控制的DVR仿真，分別模擬了電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓暫降和敏感性負(fù)荷投入時(shí)電壓暫降的發(fā)生，通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性，仿真結(jié)果表明DVR具有良好的補(bǔ)償性能，電壓補(bǔ)償效果比較理想，使負(fù)載側(cè)電壓能夠得到很好的改善。