CN107359627A - 基于模糊pi控制的三相不平衡补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于模糊PI控制的三相不平衡补偿装置；包括正序补偿网络、负序补偿网络和控制模块；正序补偿网络，将逆变器交流测电压源uc0(1)通过逆变器等效电阻R和串联电抗器L与系统侧电压源us相连；负序补偿网络，将逆变器交流测电压源uc0(2)与逆变器等效电阻R和串联电抗器L相连；采用正序控制与负序控制叠加控制，正序控制采用电流间接法控制正序控制，负序控制采用相位与调制比来控制负序电流和相位，其中PI控制模块采用模糊规则与模糊推理模块进行控制，实现配电网的无功补偿和三相负荷平衡。

Description

基于模糊PI控制的三相不平衡补偿装置
技术领域
本发明属于电路控制技术领域，尤其是一种基于模糊PI控制的三相不平衡补偿装置。
背景技术
随着现代电力电子设备等非线性负荷大量接入电网，使得配电网三相负荷不平衡；三相负荷不平衡会导致诸如电网电压、电流不平衡、电压波动及闪变、功率因数低、线路损耗等许多不良影响；严重缩短了设备的使用寿命，严重时将会导致电力设备不能正常工作；在申请号为201610634677.X中公开了一种三相不平衡智能补偿装置，包括信号采样单元、中央控制单元、正序负序补偿单元、零序补偿单元；其特征在于：所述的信号采样单元连接串联在电网上的电压采样单元和电流采样单元；所述的信号采样单元将从所述的电压采样单元和电流采样单元采样到的信息发送给所述的中央控制单元进行处理分析，所述的中央控制单元控制连接在电网中的所述的正序负序补偿单元和零序补偿单元；所述的正序负序补偿单元包括LCL滤波器和正负序IGBT逆变桥，所述的零序补偿单元包括曲折变压器T和零序IGBT逆变桥，能有效改善三相不平衡所引起的电能损耗和设备损害，有效补偿电网中存在的零序电流和负序电流，正序电流相间转移，使三相电流平衡，该发明虽然能实现快速调节的稳定性，但是其结构复杂，操作不便，需要消耗电能来提高稳定性和可靠性，因此需要提出一种采用模糊控制器的正、负序叠加补偿控制方法，实现配电网无功功率补偿和三相负荷平衡。其中，模糊PI控制器结合了模糊控制技术和PI控制器的优点，可以实时调整PI参数，具有良好的动态性能。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种基于模糊PI控制的三相不平衡补偿装置，采用静止同步补偿器并入电网来补偿配电网三相负荷不平衡和无功功率，静止同步补偿器采用模糊控制器的正、负序叠加补偿控制方法，正序控制实现配电网无功功率补偿，负序控制实现三相负荷不平衡，模糊PI控制器结合了模糊控制技术和PI控制器的优点，可以实时调整PI参数，具有良好的动态性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于模糊PI控制的三相不平衡补偿装置，包括正序补偿网络、负序补偿网络和控制模块；
正序补偿网络，将逆变器交流测电压源uc0(1)通过逆变器等效电阻R和串联电抗器L与系统侧电压源us相连，实现配电网无功功率补偿；
负序补偿网络，将逆变器交流测电压源uc0(2)与逆变器等效电阻R和串联电抗器L相连，实现三相负荷不平衡；
控制模块采用采用正序控制与负序控制叠加控制，正序控制首先利用无功功率QC的扰动值，通过模糊规则与推理模块以及PI控制器模块产生θ1控制信号，利用逆变器交流测基波电压信号udc0的扰动值，通过模糊规则与推理模块以及PI控制器模块产生控制信号，采用电流间接法控制正序控制；
负序控制首先利用逆变器交流测基波电流ic0的扰动值，通过模糊规则与推理模块以及PI控制器模块产生θ2控制信号，提取负荷电流iL的相位产生控制信号，采用相位与调制比来控制负序电流和相位，其中PI控制模块采用模糊规则与模糊推理模块进行控制，实现配电网的无功补偿和三相负荷平衡。
正、负序电流叠加补偿控制，无需增加硬件成本，能够有效补偿无功和维持三相负荷平衡。
模糊控制模块采用采用正序控制与负序控制叠加控制，正序控制采用电流间接法控制正序控制，负序控制采用相位与调制比来控制负序电流和相位。
PI控制模块采用模糊规则与模糊推理模块进行控制，模糊PI控制器结合了模糊控制技术和PI控制器的优点，能够实时调整PI参数，具有良好的动态性能。
本发明采用静止同步补偿器STATCOM(Static Synchronous Compensator),其响应速度快，稳定性好，对综合解决上述电能质量问题有良好的效果。STATCOM作为主电路，采用相关控制策略，来实现三相不平衡负荷以及无功功率的补偿。
STATCOM的基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联在电网上，通过适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值，或直接控制其交流侧输出的电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现三相不平衡负荷和动态无功补偿的目的。
STATCOM补偿控制方法采用模糊控制器的正、负序叠加补偿控制方法，包括正序补偿网络和负序补偿网络；正序补偿网络，将逆变器交流测电压源uc0(1)通过逆变器等效电阻R和串联电抗器L与系统侧电压源us相连，实现配电网无功功率补偿；负序补偿网络，将逆变器交流测电压源uc0(2)与逆变器等效电阻R和串联电抗器L相连，实现三相负荷不平衡；控制模块采用采用正序控制与负序控制叠加控制，正序控制采用电流间接法控制正序控制，负序控制采用相位与调制比来控制负序电流和相位，其中PI控制模块采用模糊规则与模糊推理模块进行控制，实现配电网的无功补偿和三相负荷平衡。
模糊控制模拟人的思维、推理和判断，能避开被控对象的具体数学模型，克服系统非线性因素的影响，但消除系统稳态误差能力比较差，难以达到较高的控制精度。PI控制器算法简单、控制精度高，其积分调节作用从理论上可以使系统的稳态误差为零。将模糊控制和PI控制相结合，既具有模糊控制的适应性强和灵活度高等优点，又具有PI控制精度高的特点。模糊控制的实现主要分为3个部分：模糊化、模糊规则和解模糊。为了提高配电网功率因数，需要补偿负荷产生的无功功率；因为不平衡负荷产生的负序电流分量通过STATCOM装置完全抵消，所以需要补偿无功功率为正序电流所对应的无功功率，采用电流间接控制法进行正序电流控制。实现无功功率的跟踪补偿和直流侧电容电压保持恒定。为了消除不平衡负荷产生的负序电流il(2)，需要控制逆变器产生对应的负序电流i0(2)。通过调节负序控制对应的相位φ和调制比θ2来调整STATCOM产生负序电流的幅值和相位，完全抵消不平衡负荷产生的负序电流il(2)，正序电压调制信号和负序电压调制信号相叠加后作为STATCOM输出电压调制信号，经三角载波调制后产生PWM驱动信号去控制IGBT模块，维持直流侧电容电压恒定，产生需要的无功功率和负序电流，实现配电网的无功补偿和三相负荷平衡。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描述：
图1为本发明装置的系统结构图；
图2为本发明装置的整体控制原理图；
图3为本发明装置模糊控制的变量隶属度函数；
图4为本发明的正序补偿网络结构图；
图5为本发明的负序补偿网络结构图；
图6为本发明正负序补偿控制网络的详细结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-6，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1-5所示，作为本发明的一个实施例，STATCOM装置主电路采用PWM电压源型变换器，通过串联电抗器接入电网。采取正、负序补偿电流叠加补偿控制方法，分别针对电网无功功率和三相负荷不平衡进行补偿；假设电源为理想三相电源，负荷为不平衡三相负荷。10kV配电系统为三相三线制系统，由于零序电流没有通路，所以采用对称分量法对电压和电流进行分解时，只存在正序分量和负序分量，没有零序分量，补偿系统只需要补偿负序电流分量，就可使得电网三相电流平衡。usa、usb、usc为系统电压，isa、isb、isc为系统电流，STATCOM逆变器交流侧基波电压ula、ulb、ulc，负荷电流ila、ilb、ilc，输出电流ia0、ib0、ic0，由基尔霍夫电流定律(KCL)可知il＝is+i0。为了实现STATCOM同时补偿电网无功功率和三相负荷不平衡，需要控制STATCOM逆变器交流侧基波电压正序分量，用于产生相应的正序电流，控制补偿系统无功功率，STATCOM补偿的无功功率为对于三相负荷不平衡系统，可将电源侧电流采用对称分量法进行分解，得到正序电流分量和负序电流分量，通过STATCOM装置补偿三相负荷不平衡，使得电网侧负荷是平衡的，需要控制STATCOM产生负序电流，STATCOM装置产生的负序电流为
采取正序控制环和负序控制环叠加控制，其中PI控制采用模糊控制，实现无功电流和三相负荷不平衡的同时补偿，为了提高配电网功率因数，需要补偿负荷产生的无功功率；因为不平衡负荷产生的负序电流分量通过STATCOM装置完全抵消，所以需要补偿无功功率为正序电流所对应的无功功率。为了消除不平衡负荷产生的负序电流，需要控制逆变器产生所对应的负序电流。正序电压调制信号和负序电压调制信号相叠加后作为STATCOM输出电压调制信号，经三角载波调制后产生PWM驱动信号去控制IGBT模块，维持直流侧电容电压恒定，产生需要的无功功率和负序电流，实现配电网的无功补偿和三相负荷平衡。
如图6所示，进一步的作为本发明的优化实施方式，本次设计需要3个模糊控制器，分别用在无功控制环、电压控制环、电流控制环，无功控制环变化率为ec＝de/dt，电压控制环的模糊控制器输入为e＝Uref-Udc0，变化率为ec＝de/dt，电流控制环e＝i0-il，变化率为ec＝de/dt。
为了便于控制，电压控制环、电流控制环、无功控制环输入和输出的基本论域均取为[-6,6]；无功控制环输入的量化因子和比例因子分别为0.018和0.5，ec输入的量化因子和比例因子分别为2.4×10-8和1；电压控制环输入的量化因子和比例因子分别为0.03和0.5，ec输入的量化因子和比例因子分别为7.5×10-10和1。电流控制环输入的量化因子和比例因子分别为0.015和0.5，ec输入的量化因子和比例因子分别为8×10-10和1。则模糊控制器输入输出变量的基本均在模糊集合{-6，-4，-2，0，2，4，6}范围内，相应的语言变量集合为{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(0)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。模糊规则是进行模糊推理的前提，一条模糊规则通常由“IF A,THEN B”两部分组成，A是模糊规则的前提，B是模糊规则的结论。基于模糊规则表的模糊控制规则为IF e and ec THEN kp and IF eand ec THEN ki具体含义为：如果e取NB(负大)，ec取NB(负大)，则kp取PB(正大)，ki取NB(负大)；其他情况类似，总共49条规则。推理方法采用Mamdani法。模糊推理得到的结果是模糊值，不能直接用于被控对象，需要先进行解模糊化。面积中心法(Centroid)是最常用的解模糊方法，采用隶属函数μ0表示的模糊输出电流、电压、无功经解模糊化后的控制量表达式分别为
Centroid(I)＝∫μ0(i)idi/∫μ0(i)di，Centroid(U)＝∫μ0(u)udu/∫μ0(u)du，
Centroid(Q)＝∫μ0(Q)QdQ/∫μ0(Q)dQ
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于模糊PI控制的三相不平衡补偿装置，包括正序补偿网络、负序补偿网络和控制模块；
正序补偿网络，将逆变器交流测电压源uc0(1)通过逆变器等效电阻R和串联电抗器L与系统侧电压源us相连，实现配电网无功功率补偿；
负序补偿网络，将逆变器交流测电压源uc0(2)与逆变器等效电阻R和串联电抗器L相连，实现三相负荷不平衡；
控制模块采用采用正序控制与负序控制叠加控制，正序控制首先利用无功功率QC的扰动值，通过模糊规则与推理模块以及PI控制器模块产生θ1控制信号，利用逆变器交流测基波电压信号udc0的扰动值，通过模糊规则与推理模块以及PI控制器模块产生控制信号，采用电流间接法控制正序控制；
负序控制首先利用逆变器交流测基波电流ic0的扰动值，通过模糊规则与推理模块以及PI控制器模块产生θ2控制信号，提取负荷电流iL的相位产生控制信号，采用相位与调制比来控制负序电流和相位，其中PI控制模块采用模糊规则与模糊推理模块进行控制，实现配电网的无功补偿和三相负荷平衡。
2.如权利要求1所述的基于模糊PI控制的三相不平衡补偿装置，其特征在于：正、负序电流叠加补偿控制，无需增加硬件成本，能够有效补偿无功和维持三相负荷平衡。
3.如权利要求2所述的基于模糊PI控制的三相不平衡补偿装置，其特征在于：模糊控制模块采用采用正序控制与负序控制叠加控制，正序控制采用电流间接法控制正序控制，负序控制采用相位与调制比来控制负序电流和相位。
4.如权利要求3所述的基于模糊PI控制的三相不平衡补偿装置，其特征在于： PI控制模块采用模糊规则与模糊推理模块进行控制，模糊PI控制器结合了模糊控制技术和PI控制器的优点，能够实时调整PI参数，具有良好的动态性能。
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