基于FUZZY-PID與最優矢量控制的統一電能質量調節器并聯補償單元

鄭偉，拜潤卿，許睿穎，智勇，梁琛，崔劍

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

基于FUZZY-PID與最優矢量控制的統一電能質量調節器并聯補償單元

鄭偉1，拜潤卿1，許睿穎2，智勇1，梁琛1，崔劍3

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

針對傳統統一電能質量調節器(unified power quality conditioner，UPQC)并聯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方法對補償信號進行檢測，利用電流滯環最優矢量控制方法對并聯補償單元進行控制。將這2種方法結合來控制并聯補償單元，不僅省去矢量變換與低通濾波環節，提高了檢測精度，而且通過坐標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。最后經仿真分析和實驗驗證，表明了該方法的有效性和可行性。

統一電能質量調節器(UPQC);并聯補償單元;模糊PID;電流滯環最優矢量

0 引言

近年來，隨著我國工業化水平的提高，電力系統中的非線性負荷、沖擊負荷不斷增加。隨著電力電子變換裝置在電力系統中的廣泛應用，電網的諧波畸變越來越嚴重。另一方面，隨著各種復雜精密的，對電能質量要求較高的裝置的普及，對電能質量的要求越來越高。統一電能質量調節器(unified power quality conditioner，UPQC)能夠同時改善電壓和電流質量，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設計的一個關鍵環節是并聯側對補償電流的快速準確檢測和精確的控制跟蹤。傳統的補償信號檢測方法有基于瞬時無功理論的p-q法、ip-iq法以及同步坐標變換方法，算法中使用的矢量變換和低通濾波環節較復雜［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。傳統補償信號控制如滯環跟蹤控制方法，基于三角載波的脈沖寬度調制方法以及空間矢量控制方法，忽略了三相之間的關聯性，影響控制精度。采用電流滯環最優矢量控制，能夠有效地提高控制的實時性和補償精度。

本文首先對UPQC并聯補償單元的整體工作原理進行介紹［3］;然后分別對補償信號檢測與補償信號控制進行詳細研究;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并聯補償單元原理分析

并聯補償單元的控制目標是使電源電流is為基波正弦電流［4-5］。負載電流iL包含基波有功分量、基波無功分量和諧波分量，只要并聯變流器輸出電流為負載電流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］。并聯變流器輸出的電流信號即為補償電流ic。is、iL、ic之間的關系如式(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:

即并聯單元補償電流為負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進行補償信號檢測，采用電流滯環最優矢量控制方法對補償信號進行控制，原理圖如圖1所示。

如圖1所示，將輸出的負載電流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。采用電流滯環最優矢量控制得到可以使并聯變流器輸出電流近似指令電流i*c的驅動電壓uk。令得到的電壓uk作為并聯變流器的驅動電壓，從而并聯變流器輸出的實際電流ic追蹤指令信號i*c，進而補償負載電流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最優矢量的補償信號控制方法進行詳細介紹。

2 FUZZY-PID補償信號檢測

本文采用FUZZY-PID方法進行補償信號檢測，使用模糊推理的方法進行PID參數在線自整定，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調節器參數KP，KI，KD進行在線整定，以滿足不同的誤差e和誤差變化率ec對調節器參數的不同要求，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KP的作用在于加快系統的響應速度，調高調節精度，KP越大，響應速度越快，調節精度越高，但過大將產生超調，甚至導致系統不穩定。積分系數KI的作用在于消除系統穩態誤差，KI越大，靜態誤差消除越快，但過大會產生積分飽和而引發較大的超調。微分系數KD影響系統的動態特性，KD越大，越能抑制偏差變化，但過大會延長調節時間，降低抗干擾能力。因此，采用模糊推理的方法，對參數KP，KI，KD進行在線自整定，設計出參數模糊自整定PID調節器。

2.2 基于FUZZY-PID的UPQC補償信號檢測原理

給定一個標準正弦電壓ura，有:

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

將公式(2)、(5)代入公式(4)，有:

即:

由此可推得并聯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側補償信號進行檢測，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k;當積分器輸出小于0，控制k值減小。經過反復調整，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，由此得到并聯側補償電流的指令信號。

3 電流滯環最優矢量補償控制

采用于FUZZY-PID方法的檢測算法計算UPQC并聯側補償指令電流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。為有效改善電網電流質量，需要實現并聯變流器輸出電流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聯，而傳統的電流滯環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控制方法，即電流滯環最優矢量控制方法進行控制，理論上可以提高電流的跟蹤精度，有效改善電網電流質量。

3.1 電流滯環最優矢量控制

電流滯環最優矢量控制方法為與電壓空間矢量控制方法結合的電流滯環控制［9］?？臻g矢量控制把三相變流器的輸出電壓在復平面上合稱為電壓空間矢量，通過8種不同的開關狀態構成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坐標系變換到兩相靜止坐標系α-β下，并且使α軸與a軸重合。坐標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，其旋轉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。在電流滯環控制下，系統的控制目標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，且該正六邊形的三組對邊分別垂直于abc坐標軸，對邊距離為2 h(h為給定的滯環寬度)。正六邊形δi隨i*s旋轉而旋轉，但其對邊與坐標軸的垂直關系保持不變。將指令輸出電壓矢量u*和電流誤差矢量δi所在區域分別劃分為6個扇區，分別記為Ⅰ～Ⅵ和①～⑥。電壓電流矢量關系圖如圖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對應的并聯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域內，即實現控制變流器輸出電流ic跟蹤i*，電源電流近似為基波正弦。得到電流滯環最優矢

c量控制的原理圖如圖5所示。

首先，要對δi區域做出判斷。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組滯環比較器，得到相應的比較狀態值Ca、Cb、Cc。δi與Ca、Cb、Cc的關系如表1所示。

對電壓矢量u*做區域判斷:u*正六邊形的3條對角線分別對應于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*在坐標軸上分解得到三相相電壓u*a、u*b、u*c。

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

最后判斷電壓矢量u*區域。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，需要選擇一個適當的電壓空間矢量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的關系如圖6所示。即當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域內。

由式(14)和圖6可得u*的區域判斷表如表3所示。

3.2 與傳統電流滯環控制方法的比較

由式(9)可看出，結合電壓空間矢量方法的電流滯環最優矢量控制方法，考慮了相間耦合的影響，采用坐標變換將物理量變換到兩相靜止坐標系中，從而消除相間影響［10-11］。該方法可實現三相橋臂間的關聯控制，避免各相獨立控制中的無效開關過程及電流的失控現象，從而改善電流跟蹤性能，達到改善電流質量的目的。

4 仿真分析

采用Matlab/Simulink對FUZZY-PID補償量檢測算法和電流滯環最優矢量控制方法進行仿真，其中電網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;非線性負載采用三相不可控整流橋接30 Ω電阻，滯環比較的寬度是負載側電流有效值的10%。仿真輸出電流波形圖如圖7所示。

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

5 實驗驗證

實驗電路具體參數為:三相電源相電壓為220 V，負載為三相全控整流橋串接35 Ω電阻和2 mH電感，電網電壓跌落至180 V。

經過UPQC補償，對電源電壓跌落時負載電流諧波對電源電流的影響進行觀察。實驗波形及結果如圖8所示。

從圖8可以看出，當電網跌落時，采用FUZZYPID方法與電流滯環最優矢量控制方法檢測和控制補償電流，可以同時改善電網電流質量，使其波形為正弦波，從而驗證了本文提出的并聯補償單元檢測和控制方法的有效性和可行性。

6 結論

UPQC并聯補償單元的功能是對電網電流中的諧波和無功分量進行補償，其功能的實現包括補償量的檢測和控制2個關鍵環節。本文通過對并聯補償單元檢測和控制環節算法的研究，得到以下結論:

(1)采用基于FUZZY-PID的補償信號檢測方法實現了UPQC并聯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)采用電流滯環最優矢量控制方法實現了對補償信號的控制，通過坐標變換消除了相間影響，提高了控制精度。

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(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，主要從事電能質量及柔性交流輸電技術的研究工作，E-mail:zhengwei@dky.gs.sgcc.com.cn;

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

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

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

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

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