动态电压恢复器复合控制策略研究*

师 维

(海军驻宝鸡某军事代表室 宝鸡 721006)

动态电压恢复器复合控制策略研究*

师 维

(海军驻宝鸡某军事代表室 宝鸡 721006)

动态电压恢复器(DVR)是保障电力系统电能质量经济有效的可行方案。论文在研究动态电压恢复器的电网电压前馈控制加负载电压与电容电流双闭环反馈控制相结合的复合控制策略的基础上,分析了反馈环节中基于滑模变结构的控制方法,虽然该方法使DVR有良好的动态性能以及负载适应性能,但稳态误差较大。考虑到重复控制的良好稳态性能,本文提出一种将滑模变结构与重复控制相结合的控制方法,仿真及实验结果表明该方法稳态误差小,有效地弥补了滑模变结构控制的不足。

动态电压恢复器; 滑模控制; 重复控制; 电压跌落

Class Number TM76

1 引言

动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)可对电网电压进行动态补偿,解决电压暂降、突升,以及系统电压不对称、畸变等电能质量问题。

控制策略的合理选择是保证DVR补偿效果良好的重要条件。目前研究较多的控制策略包括前馈控制、反馈控制和双前馈加反馈复合控制等线性控制方式[1]以及无差拍控制、模糊控制、人工神经网络控制、空间矢量控制等非线性控制[2]。由于控制策略的合理与否往往直接影响DVR的补偿速度和精度,因此对控制策略的研究是十分重要的。

开环控制虽然动态性能良好,但是稳态误差较大、负载适应性较差、输出波形有畸变和相移[3]。为减小静态误差,在工程应用中多采用闭环控制器,并使用PID控制实现。但是逆变器等非线性器件使得PID控制抗干扰能力以及负载适应能力变差。滑模变结构控制方法是一种非线性控制,具有响应迅速、对参数变化及扰动不敏感、物理实现简单等优点[4]。但是单纯的滑模控制,状态到达滑模面后抖振现象严重[5]。模糊滑模控制虽然很好地解决了抖振问题但是稳态误差依旧太大[6]。

本文基于串联变压器结构的DVR系统,在电网电压前馈控制加负载电压与电容电流双闭环反馈控制相结合的复合控制的基础上,提出一种DVR的滑模变控制结合重复控制的控制策略。并对其控制效果进行了仿真研究。仿真实验结果表明本方法动态与稳态性能良好,具有较强的鲁棒性与实时性。

2 串联变压器型DVR数学模型

三相DVR的基本电路结构如由图1所示[7],主电路采用全控型PWM逆变器构成,各相通过隔离变压器串联接入电网,为了减小系统损耗,工程应用中常在隔离变压器的二次侧加装旁路开关,网侧电压处于正常范围内时,旁路开关闭合,此时DVR不运行,仅当网侧电压异常时才打开旁路开关将DVR投入运行。

图1 串联变压器型DVR系统结构

由图1可得单相电压恢复器的状态方程为

UL=UP+UD

(1)

if=ic+il

(2)

(3)

(4)

US为电网系统电压,ZS为系统侧等效阻抗,UP为电网接入点电压,UD为补偿电压,UIN为逆变器输出电压,UL为负载电压,ZL为负载侧等效阻抗,Cf为滤波电容,Lf为滤波电感,Rf为滤波电感回路的线路电阻与逆变器有功损耗等效电阻之和,il、ic、if分别为负载电流、滤波电容电流和滤波电感电流。

推导可得：

(5)

(6)

(7)

3 DVR的模糊滑模控制器的设计

3.1 等效滑模控制器的设计

对于DVR系统,控制的目标是使负载侧电压UL跟踪给定参考电压Uref,即输出y跟踪给定目标yd=Uref。定义系统误差以及转换函数为

e=yd-y

(8)

(9)

(10)

将式(7)～式(8)代入式(10),整理后得：

(11)

(12)

3.2 滑模控制器的设计

为使系统在扰动下满足滑模可达条件,必须采用切换控制。为进一步消除抖振的影响,可将切换控制器设计控制律设计为

(13)

式中

(14)

假设不确定扰动项有界,即|d|≤D,为消除不确定扰动的影响,则ε应大于扰动项D,且k1>0。将切换控制器与等效滑模控制器相结合,可得滑模变结构控制器为

u=ueq+usw

(15)

3.3 稳定性证明

将式(15)代入式(11)有：

(16)

定义Lyapunov函数:

(17)

则

(18)

由于各项参数均为正数。所以

(19)

从而证明了所设计的控制器在李亚诺普夫意义下稳定。

为了保证系统在滑模控制器的作用下,能够在任何初始状态下运动到滑模面,加入切换控制usw可以克服干扰项的影响,提高系统对不确定扰动的鲁棒性。

4 复合控制系统

4.1 重复控制基本原理

重复控制是能消除所有包含在稳定闭环内的周期性误差的一种控制方案,其基本思想源于控制理论中的内模原理[8],常用的重复控制系统如图2所示。

图2 常用的重复控制系统

4.2 重复控制器的参数设计

1)N的确定,前向通道上串联的周期延时环节Z-N使控制动作延迟一个周期进行,即:本周期检测到的误差信息在下一周期才开始影响控制量,使得系统下一周期的控制作用有一定的超前性。因为采样频率为4kHz,电网基波频率为50Hz,所以N=4000/50=80。

2)Q(Z)的确定,只有当Q(Z)=1是系统的静态误差才为零,但是系统稳定又要求Q(Z)<1,故本文中Q(Z)取0.98。

4) 可调增益Kr的确定,Kr一般为小于1的正常数。Kr越小,稳定误差越大,Kr越大,误差收敛速度越快,稳态误差越小[10],本文中Kr取0.8。

5) 超前环节ZK的确定,引入超前相位补偿环节ZK的目的是补偿相位的滞后,本文选择K=6。

4.3 复合控制的实现

本文所提出的动态电压器复合控制方法的原理结构如图3所示。

图3 复合控制原理框图

5 系统仿真

5.1 系统建模

图4 模糊滑模和重复控制系统仿真模型

5.2 仿真结果分析与比较

整个仿真过程中电压从0.1s开始出现电压暂降,0.2s恢复正常。分别对电压暂降20%,30%,40%以及三相不平衡负载四种情况进行仿真。本文中以电压暂降30%,负载为阻感性为例。分别采用纯PI控制,模糊滑模控制重复以及本文对电压暂降进行补偿,仿真波形图如图5所示。

图5 分别采用三种控制方法所得到的仿真波形图

由仿真图可知,采用PI控制,调节时间为30ms,超调量为3.6%,调节速度较慢且稳态误差较大,负载电压含有谐波成分,负载适应性较差。采用模糊滑模控制调节时间为12ms,超调量为7.0%,调节速度较快,负载适应性良好,稳态误差较PI控制高。采用模糊滑模结合重复控制调节时间为2ms,超调量为2.0%,调节速度最快,稳态误差较小。

6 结语

本文分析反馈环节中基于滑模变结构的控制方法,虽然该方法使DVR有良好的动态性能与负载适应性能,但稳态误差较大。针对这一问题提出了一种DVR的滑模变控制结合重复控制的复合控制策略,其稳态性能显著提高,并且负载适应性以及抗干扰能力较好。通过仿真实验结果证实了本方法的有效性以及可实现性。

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[2] 王树东,陈仕彬,孙红雨,等.动态电压恢复器控制策略的研究与仿真[J].电力系统及其自动化,2011,33(3):26-28.

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A Novel Control Strategy of Dynamic Voltage Restorer

SHI Wei

(Navy Representative Office in Baoji, Baoji 721006)

Dynamic Voltage Restorer(DVR) is a practicable and economical way to ensure the energy quality of power system. Under the study of the control strategy that combine grid voltage feed-forward control with the load voltage and capacitor current double closed-loop feedback control, sliding mode variable structure control in feedback control is analyzed. Although this control strategy has excellent dynamic performance as well as good anti-jamming capability, it has large static error. A novel control strategy based on sliding mode variable structure control combined with repetitive control is proposed. The simulation and test results show that the proposed strategy makes up the shortfall of fuzzy sliding mode variable structure control.

dynamic voltage restorer, sliding model control, repetitive control, voltage sag

2014年5月13日,

2014年6月27日 基金项目:国家自然科学基金(编号:51207164)资助。 作者简介:师维,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向:电能智能化控制

TM76

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.046