靜止同步補(bǔ)償器的變參數(shù)自調(diào)整模糊ＰＩ控制研究

摘要：針對STATCOM的控制系統(tǒng)，引入了一種在全論域范圍內(nèi)帶用變參數(shù)自調(diào)整因子的模糊PI控制策略。仿真結(jié)果表明：采用該方法所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以有效地控制節(jié)點(diǎn)電壓，改善接入點(diǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且響應(yīng)快，精度高，魯棒性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：靜止同步補(bǔ)償器；變參數(shù)；自調(diào)整；模糊PI控制

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)36-2728-03

Study on STATCOM Based on Variable parameters and Self-adjusting and Fuzzy-PI Control

FU Lei， GUAN Wei-Guo

(Electronic Information Engineering College， Liaoning University of Technology， Jinzhou 121001， China)

Abstract: In this paper， a variable interval fuzzy control method with self-adjusting factor is proposed in the whole field， which is aimed at the control system of STATCOM. Simulation result indicates that node voltage are effectively controlled and the transient stability of power system is improved in the designed control system， besides response quickly， precision accuracy high， robust strong.

Key words: STATCOM; variable parameters; self-adjusting; fuzzy-PI

靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）是靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）家族中重要成員之一，它通過注入與補(bǔ)償電流大小相等、方向相反的電流工作來實(shí)現(xiàn)校正系統(tǒng)功率因數(shù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，大大提高了電力系統(tǒng)的安全[1-3]。關(guān)于STATCOM控制系統(tǒng)的研究是STATCOM研究的熱點(diǎn)之一，因此設(shè)計(jì)一個(gè)簡單而又控制性能優(yōu)越的控制系統(tǒng)，對靜止同步補(bǔ)償器的研究具有理論和實(shí)際意義。目前，對STATCOM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有傳統(tǒng)的比例-積分(PI)控制、非線性控制[5]、模糊控制、智能控制等。

本文設(shè)計(jì)了變參數(shù)自調(diào)整的模糊PI控制器，并將其應(yīng)用到STATCOM的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并對含有STATCOM的單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真研究，仿真結(jié)果表明它可在控制過程中根據(jù)誤差和誤差變化的大小自動(dòng)改變誤差、誤差變化的量化因子、比例系數(shù)和積分系數(shù)，達(dá)到改善控制效果的目的。

1 變參數(shù)自調(diào)整Fuzzy-PI的基本思想

模糊控制具有動(dòng)態(tài)特性好、魯棒性強(qiáng)、對參數(shù)變化及外界干擾具有良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，但穩(wěn)態(tài)精度較差，且在工作點(diǎn)附近容易產(chǎn)生極限振蕩。PI控制的動(dòng)態(tài)特性不如模糊控制，但靜態(tài)特性好，在工作點(diǎn)附近具有良好的控制性能。將模糊控制與PI控制結(jié)合起來組成模糊PI控制可以使系統(tǒng)性能得到改善，比傳統(tǒng)的PI控制有更好的控制效果，

因此，設(shè)計(jì)這樣一種模糊PI控制器，這種控制器以接點(diǎn)電壓誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻e和ec對PI參數(shù)整定的要求，對系統(tǒng)的各種不同的運(yùn)行情況具有更快的響應(yīng)速度與更強(qiáng)的適應(yīng)性。

2 模糊PI控制的結(jié)構(gòu)和原理[4]

目前，模糊PI控制器有多種結(jié)構(gòu)形式，工作原理一般是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本原理和方法，將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)總結(jié)成為IF THEN（條件 結(jié)果）形式的模糊規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫中，根據(jù)STATCOM的響應(yīng)情況，計(jì)算出采樣時(shí)刻的無功電流與給定量的偏差e和偏差變化率ec輸入控制器，運(yùn)用模糊推理進(jìn)行模糊運(yùn)算，實(shí)時(shí)調(diào)整PI參數(shù)，使PI控制器得到KP、KI參數(shù)的值，能夠適應(yīng)被控對象的變化，實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的最佳調(diào)整。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，參數(shù)比例系數(shù)KP、積分比例系數(shù)KI在不同的e和ec下的自調(diào)整需要滿足如下的原則：

1) 當(dāng)|e|較大時(shí)，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)有較好的快速跟蹤性能，應(yīng)取較大的KP，同時(shí)由于積分的作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，因而要對積分作用加以限制，通常取較小的KI值。

2) 當(dāng)|e|處于中等大小時(shí)，為減小系統(tǒng)的超調(diào)量，保證一定的響應(yīng)速度，KP應(yīng)適當(dāng)?shù)臏p小；同時(shí)KI的取值要大小適中。

3) 當(dāng)|e|較小時(shí)，為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，KP應(yīng)進(jìn)一步減小，KI的取值應(yīng)適當(dāng)。

3參數(shù)自整定模糊PI控制器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模糊PI控制器主要需要完成以下三個(gè)任務(wù)，即精確量的模糊化、模糊推理和反模糊化。

1) 精確量的模糊化

本文將接點(diǎn)電壓誤差e和接點(diǎn)電壓誤差變化率ec作為輸入量，輸出量為PI參數(shù)的修正量ΔKP與ΔKI。將他們的變化范圍定義為模糊集上的論域，根據(jù)最大的變化范圍確定輸入e、ec和輸出ΔKP、ΔKI的論域空間均為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。

將輸入、輸出變量的語言值定義為7個(gè)模糊子集，相應(yīng)的語言變量是負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。隸屬度函數(shù)采用靈敏性強(qiáng)的高斯形函數(shù)。為增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，提高隸屬度函數(shù)的分辨率，可將零值附近的函數(shù)形狀取得更陡，隸屬度函數(shù)如圖2。

2) 模糊推理

模糊推理包括建立規(guī)則庫和進(jìn)行推理決策兩部分。確定模糊規(guī)則的中心原則是必須保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)、靜態(tài)特性達(dá)到最佳。

根據(jù)操作人員和專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)得到一系列的模糊控制規(guī)則表，見表1、表2：

由模糊規(guī)則控制表可將各個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則寫成條件語句的形式，即形如：

If e is Ai and ec is Bi， then KP is Ci， KI is Di;

其中Ai，Bi，Ci，Di是相應(yīng)支集上的模糊集合，i=1，2，…，m。

3) 反模糊化

反模糊化是語言表達(dá)的模糊量回到精確的數(shù)值，即根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度計(jì)算出的確定值。首先獲得摸個(gè)時(shí)刻的e和ec值，根據(jù)它們的隸屬度函數(shù)曲線得到隸屬度，再根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的推理計(jì)算，得出KP、KI各個(gè)語言值對應(yīng)的隸屬度，最后采用重心法進(jìn)行精確化的計(jì)算，就可得出KP、KI的修正值，代入下式進(jìn)行調(diào)整：

KP*[ei，eci]P+ΔKP'=ΔKP+ΔKP'

KI*[ei，eci]I+ΔKI'=ΔKI+ΔKI'

式中KP*、KI*為PI控制參數(shù)，ΔKP、ΔKI是模糊控制器的輸出。

在這里采用重心法來確定模糊推理的最終輸出值C(k)，即取模糊隸屬度函數(shù)曲線和橫坐標(biāo)圍成的面積的重心為模糊推理的最終輸出值：

在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過人、對模糊規(guī)則的結(jié)果處理、查表計(jì)算，完成對PI參數(shù)的在線調(diào)整，工作流程如圖3。

4 仿真研究

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的STATCOM參數(shù)自調(diào)整模糊PI控制系統(tǒng)對接入點(diǎn)母線的控制作用，進(jìn)行了仿真研究。仿真方案中，設(shè)定系統(tǒng)仿真參數(shù)：系統(tǒng)電壓380V；頻率：50Hz；工作電壓800V；SPWM載波頻率：10KHz；耦合變壓器和濾波電感等效為2mH、等效電阻為0.2Ω；接入點(diǎn)電壓控制器初始參數(shù)：KP=2.5、KI =95；圖4給出了t=100ms時(shí)突然加入了無功負(fù)荷時(shí)參數(shù)自調(diào)整模糊PI控制下接入點(diǎn)電壓曲線，圖5是PI控制下接入點(diǎn)電壓曲線。t=300ms時(shí)負(fù)荷恢復(fù)到原來的水平。可以看出，接入點(diǎn)電壓在突然加入負(fù)荷時(shí)采用變參數(shù)自調(diào)整模糊PI控制在較短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且超調(diào)量較小，能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖6與圖7給出了改動(dòng)參數(shù)后在兩種控制策略下接入點(diǎn)電壓的響應(yīng)曲線。改變STATCOM系統(tǒng)中的部分等效電氣參數(shù)，將耦合變壓器和濾波器電感等效電感改為5mH，等效電阻改為0.55 。可見，當(dāng)系統(tǒng)等效電氣參數(shù)變化時(shí)，常規(guī)PI控制方式不能做出反映來穩(wěn)定接點(diǎn)電壓，最終穩(wěn)定性遭到破壞，接入點(diǎn)電壓發(fā)生了振蕩。采用參數(shù)自調(diào)整模糊PI控制方式能迅速響應(yīng)，并使接入點(diǎn)電壓穩(wěn)定在1附近，表現(xiàn)出了很好的自適應(yīng)魯棒特性，可以得到較滿意的控制效果。

壓曲線

5 結(jié)論

本文將模糊控制與傳統(tǒng)的PI控制相結(jié)合來控制STATCOM ，這種控制方法可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行在線調(diào)整，因而具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，既有PI控制精度高又有模糊控制控制靈活的優(yōu)點(diǎn)。在電力系統(tǒng)這樣的變參數(shù)的非線性系統(tǒng)中，采用該方法對STATCOM進(jìn)行控制，可以提高STATCOM的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性，使接入點(diǎn)電壓快速的穩(wěn)定在額定值附近。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”