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第2章基于瞬时功率平衡的模糊自适应PI直接电压控制策略研究2.1概述电压是电能质量的重要指标之一。常见的电压质量问题有电压偏差、电压波动和闪变三相电压不平衡、电压跌落和电压浪涌、短时电压中断、波形畸变等。引起以上电压质量问题的因数是多种多样的。电力系统在正常运行时，用电负荷和i系统运行方式经常发生变化，由此会引起电压发生变动，不可避免的出现了电压偏差。而电力系统中各种用电设备只有在电压为额定值时才具有最好的技术和经济指标，电压偏差会使设备效率降低、绝缘受损、使用寿命缩短，甚至导致“电压崩溃”，造成大面积停电。在离电源点较远的负荷中心，尤其是远距离馈电的农网，电压偏差更为严重。电力系统的电压波动和闪变主要是由具有冲击性功率的负荷引起的，如变频调速装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和轧钢机等。这些非线性、不平衡冲击性负荷在生产过程中有功和无功功率随机或周期性的大幅度变动，当其波动电流流过供电线路阻抗时产生变动的压降，导致同一电网上其它用户电压以相同的频率波动。这种电压幅值在一定范围内(通常为额定值的90%-110%)有规律或随机地变化，即称为电压波动。电压波动通常会引起许多电工设备不能正常工作，如影响电视画面质量、使电动机转速脉动、使电子仪器工作失常、使白炽灯光发生闪烁等等。由于一般用电设备对电压波动的敏感度远低于白炽灯，为此，选择人对白炽灯照度波动的主观视感，即“闪变”，作为衡量电压波动危害程度的评价指标。三相电压不平衡可以分为电力系统故障造成的不平衡和正常运行时的不平衡。电力系统故障造成的不平衡往往比正常运行时的不平衡严重。正常运行时的不平衡主要由电力系统中的不平衡负荷引起，尤其在大容量单相负载存在的场合，电压不平衡问题尤为严重。当电压不平衡较为严重时，就会影响某些设备的正常工作，如电机、电力电子装置等。电力系统中发生的故障还会引起电压跌落，电压跌落会对电压敏感设备造成严重危害。电压波形畸变主要由电网中的非线性负荷所致。由上可见，电压质量问题会给电力用户的用电设备带来不利影响，电力用户迫切需要合格的电力供应。同时电压质量问题还会对电网本身的安全、稳定运行构成威胁。为此，供电部门必须采用相应的电压质量控制技术和装备为用户提供优质的电能。另一方面，电力用户也可以通过装设电压质量调节装置来改善供电电压质量，保证电气设备的正常运行。传统的基于电容器和电抗器的电压质量调节装置存在诸如不能实现无功功率的连续调节、反应速度慢、体积庞大等固有的缺陷而无法满足现代电压质量控制技术的要求。近年来，基于电力电子技术的新型电压质量调节器(也称为“用户电力”装置)以其优良的性能受到了电力科技工作者的普遍关注。典型的代表有配电网静止同步补偿器(D-STATCOM、动态电压恢复器(DVR)和统一电能质量控制器(UPQC)。其中D-STATCOM属于并联补偿装置，DVR属于串联补偿装置，而UPQC属于混合型的补偿装置。但从装置的性价比、控制的复杂程度、装置实现的功能等角度出发对前述三种电压质量调节器进行比较，配电网静止同步补偿器具有明显的优势，因此也成为了目前“用户电力”技术领域中最为活跃的方向之一。配电网静止同步补偿器通过向(从)公共连接点(PCC)注入(吸收)满足要求的电流，能有效的改善电压偏差、三相电压不平衡、电压波动与闪变、电压跌落与浪涌、电压畸变等电能质量问题。本章重点论述D-STATCOM在配电网中维持公共连接点电压恒定、改善电压调整、抑制电压跌落与浪涌的相关控制技术，其它电压质量控制技术在后续章节中将有专门的论述。本章的主要内容包括:D-STATCOM补偿电压的基本原理。主要阐述D-STATCOM通过与电网交换无功功率实现电压补偿的原理，以达到维持公共连接点电压恒定的目的;基于瞬时功率平衡的D-STATCOM直接电压控制策研究。以瞬时无功功率理论为理论依据，根据D-STATCOM系统中存在的瞬时功率平衡关系，推导出D-STATCOM输出电压指令的代数表达式，由此得出D-STATCOM的直接电压控制策略，并跟传统的电压外环/电流内环串级控制策略和前馈解耦控制策略进行比较分析;.D-STATCOM的模糊自适应PI(本文简称为Fuzzy-PI)控制策略研究。针对直接电压控制策略中控制器的性能受D-STATCOM系统等效电气参数影响较大的缺陷，为提高D-STATCOM电压控制器的自适应鲁棒性能，提出了基于瞬时功率平衡的D-STATCOM模糊自适应PI直接电压控制策略。.为了验证本章所提电压控制策略的正确性和有效性，对采用基于瞬时功率平衡的模糊自适应PI直接电压控制的D-STATCOM系统进行了仿真研究，在Matlab/simulink环境下建立了D-STATCOM系统的仿真模型，并给出了仿真结果。2.2D-STATCOM补偿电压的基本原理本文研究的D-STATCOM采用了电压型逆变器的主电路拓扑，如图2.1所示。它由下列几部分组成:电压支撑电容，其作用是为装置提供一个电压支撑;由大功率电力电子开关器件IGBT组成的电压源逆变器(VSI)，通过脉宽调制PWM技术控制电力电子开关的通断，将电容器上的直流电压变换为具有一定频率和幅值的交流电压耦合变压器或电抗器，一方面通过它将大功率变流装置与电力系统耦合在一起，另一方面还可以通过它将逆变器输出电压中的高次谐波滤除，使D-STATCOM的输出电压接近正弦波。图2.1D-STATCOM主电路的基本结构在阐述D-STATCOM补偿电压的基本原理之前，对如图2.1所示的D-STATCOM的基本工作原理做一个简单的介绍。2.2.1直接电流控制的D-STATCOM工作原理简单的说，D-STATCOM的基本工作原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。因为在电网电压值基本维持恒定时，对无功电流的控制也就是对无功功率的控制。由无功电流参考值调节D-STATCOM产生所需无功电流的具体控制方法，D-STATCOM的控制方法可以分为电流的直接控制和电流的间接控制。所谓电流的间接控制，就是将D-STATCOM看成一个等效的交流电压源，通过对D-STATCOM变流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制。这种方法多应用于较大容量的D-STATCOM的场合，因为容量较大时，一般无法像直接控制法那样对电流波形进行跟踪控制。此外，由于同样的原因，在大容量场合，D-STATCOM减少谐波也只能用多重化的技术，或者结合多电平技术，即使采用PWM技术，也是一个周波仅含几个PWM脉冲，而且一般与多重化方法相结合使用。所谓电流的直接控制，就是采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制。其中的跟踪型PWM控制技术可以采用滞环比较方式，也可以采用三角波比较方式。在D-STATCOM的电流直接控制方法中，也可以引入内变换或应用瞬时无功功率理论。图2.2给出了引入dq0坐标变换的电流直接控制方法。这种控制方法，由于其参考值式iq*、ip*和反馈值iq、ip在稳态时均为直流信号，因此通过PI调节器可以实现无稳态误差的电流跟踪控制。另外，由于在动态补偿时补偿电流的时变性和系统存在的各种损耗，直流电压将会产生大的波动而使补偿系统无法正常工作。因此必须通过装置与交流系统的有功交换，控制直流侧电容电压在其正常范围之内，通常采用控制方法确定装置应从系统吸收的有功电流(或有功功率)参考值。图2.2所示的直接电流控制方法中采用了直流侧电容电压的闭环控制。直流侧电容电压PI调节器的输出形成有功电流指令。图中，UC*为直流侧电容电压的指令值，通过对直流侧电容电压的PI调节，可以实现直流侧电容电压保持恒定。图2.2中所采用的电流跟踪控制方法为三角波比较方式。图2.2D-STATCOM中采用dq0变换的电流直接控制D-STATCOM采用电流直接控制方法后，其响应速度和控制精度将比间接控制法有很大的提高。在这种控制方法下，D-STATCOM实际上已经相当于一个受控的电流源。直接控制法由于是对电流瞬时值的跟踪控制，因而要求主电路功率开关器件有较高的开关频率，这对于较大容量的D-STATCOM目前是难以做到的。2.2.2D-STATCOM补偿电压的基本原理D-STATCOM在配电网中有多种补偿功能，如补偿电压、补偿谐波、补偿三相不平衡等，根据补偿目的和使用场合的不同，D-STATCOM的补偿原理和控制方法也有所区别。本节论述D-STATCOM用于补偿电压时的基本原理，有关补偿谐波和三相不平衡补偿的内容将在第4章中予以论述。当由于某种原因(有可能是系统侧，也有可能是负载侧)引起公共连接点电压变动时，D-STATCOM通过与系统连续、动态、快速的交换无功功率可以使公共连接点电压维持恒定，有效的改善电压调整、抑制电压偏差、电压波动和电压跌落。下面以图2.3所示的负荷和补偿系统为例说明D-STATCOM补偿电压的基本原理图2.3中，Us为电源电压，Upcc为公共供电点电压，Is、Il和Ic。分别为电源电流、负载电流和D-STATCOM的补偿电流。Zs为线路和变压器的等效阻抗，Sl为负载的视在功率。由图知，当没有D-STATCOM补偿时，负载电流在线路和变压器等效阻抗上产生的压降△U为从式(2.5)中可以看出，如果以公共连接点电压Upcc作为参考电压矢量，负载电流在线路和变压器等效阻抗上产生的压降△U有两部分组成，即与Upcc相位一致的ΔVR和与Upcc正交的ΔVx，其矢量图如图2.4所示。由图2.4知，公共连接点电压Upcc的幅值和相位跟负载电流的幅值和相位相Upcc之间的相角差比较小时，ΔVx很小，可以忽略，此时负载电流在线路和变压器等效l阻抗上产生的压降△U也可表示为显然，当负荷的无功功率发生变化时，则用户端电压也会发生变动。因此很有必要采用D-STATCOM对变化的无功功率进行补偿。由矢量图可知，通过控制D-STATCOM的输出电流Ic可以使公共连接点电压和电源电压在幅值上相等，即|Upcc|=|Us|,但两者存在相位差。这样便实现了电压补偿的目的。以上讨论D-STATCOM的补偿原理时，只是针对负荷无功功率引起的压降，当供电电压本身就存在偏差或者电网中发生故障引起了电压变动时，其补偿原理跟上述的补偿原理相似，本质上也是通过D-STATCOM与系统交换无功功率来实现的。2.3同步坐标系中D-STATCOM的数学模型D-STATCOM接入系统的单相等效电路如图2.6所示。图中，配电系统用其戴维南等效电路表示，R,L分别为连接电抗器的等效电阻和电感，C为直流电容，RL+JXL为负载的等效阻抗，公共连接点电压用Upcc表示，其瞬时值为u。D-STATCOM逆变器输出电压用e表示，i为D-STATCOM逆变器输出电流，iL为负载电流。下面利用如图2.6所示的D-STATCOM接入系统的单相等效电路来建立同步坐标系中D-STATCOM的数学模型。假设三相电网电压是平衡的，且只考虑基波成分，在三相(a,b,c)静止坐标系中，根据基尔霍夫电压定律建立D-STATCOM的动态方程，有从式(2.10)和图2.7可以看出，D-STATCOM系统中d-q轴电流不独立，存在交叉耦合现象，即D-STATCOM逆变器输出电压的d,q分量的变化会同时影响到逆变器输出电流d,q分量的变化。因此，D-STATCOM系统(被控对象)是一个典型的耦合系统。考虑到D-STATCOM电压控制器的控制对象是公共连接点电压Upcc和直流侧电容电压Uc，因此在设计D-STATCOM电压控制器时，除了控制公共连接点电压外，还必须要同时考虑直流侧电容电压的控制。根据D-STATCOM交/直流侧瞬时功率平衡原理，可以得到直流侧电容电压方程为式中，Rc为直流侧电容的等效损耗电阻，Uc为直流侧电容电压。式(2.10)和式(2.12)即为同步坐标系中D-STATCOM的数学模型。从D-STATCOM的数学模型可以看出，对于同步坐标系下采用电流直接控制的D-STATCOM系