关键字 |
| 电能质量(PQ)、静态同步补偿器(STATCOM)、同步参考系理论(SRF理论)、滞后带电流控制器(HBCC)、模糊逻辑控制器(FLC)、差分进化算法(DE)和总谐波失真(THD) |
介绍 |
| 非线性负载广泛应用于工业、商业、家庭应用，产生谐波。这些谐波将影响电力系统的性能，并将改变电流波形的形状，从正弦波到非正弦波。由非线性负载产生的谐波电流通过公共耦合点(PCC)注入配电系统。这些扰动(谐波)是许多问题的根源，并影响连接到电源的电气设备。为了减轻这些谐波，并联的STATCOM被使用。 |
| 在这项工作中，集中在时域谐波电流的识别与SRF理论。采用比例加积分控制器对回路进行控制。PI控制器参数调优，保持直流电容电压恒定。本文对常规PI控制器与模糊PI控制器进行了比较，并利用差分进化算法对PI参数进行了优化，最后采用滞后带电流控制器(HBCC)控制电压源逆变器的开关。 |
文献调查 |
| 在配电系统中，非线性负荷是谐波失真的主要来源。目前电力系统主要采用由调谐LC滤波器和高通滤波器组成的无源并联滤波器来抑制谐波。但分流式无源滤波器存在谐振问题，需要固定补偿。为了克服无源滤波器的缺点，采用了FACTS控制器STATCOM。STATCOM的概念是由Gyugyi在1976年提出的。STATCOM是一种并联的静态无功补偿器，它的电容或感应输出电流可以不受交流系统电压的控制。采用STATCOM技术通过注入补偿电流来改善系统电能质量。STATCOM的性能主要基于参考电流产生策略、电流控制技术、功率逆变器拓扑结构。STATCOM设计的重要任务之一是在连接到逆变器的电容器上保持恒定的直流电压。这是必要的，因为与逆变器的可控开关相关的导通和开关功率损失会导致能量损失，这往往会降低直流电容器上的电压值。 Generally, PI controller is used to control the DC bus voltage [4]. The PI controller based approach requires precise linear mathematical model which is difficult to obtain. Also, it fails to perform satisfactorily under parameter variations, non-linearity, and load disturbances. The necessity of using intelligent tools in power quality analysis is increasing day by day to enhance power quality in the utility. Fuzzy Logic Controller (FLC) was proposed by Professor Lotfi Zadeh in 1965 has generated a great deal of Interest in various applications and has been introduced in the power electronics field [5]. The research work is further extended to the optimization of Kp, Ki parameters of PI controller using Differential Evolution Algorithm (DE) to maintain constant DC capacitor voltage. Storn and Price in 1997 introduced Differential Evolution (DE) which has proved to be an effective algorithm amongst the best known direct search approaches for nonlinear, non-differentiable objective functions. [9] |
系统配置 |
| 在MATLAB/SIMULINK中使用Sim电源系统工具箱开发了一个3 φ、415V、50Hz供电的STATCOM。A. STATCOM的设计参数:STATCOM由三相6脉冲电压源逆变器组成。直流母线电容、直流母线电压和输入滤波器电感的设计如下(i)直流电容器电压(Vdc ref): |
| 在无功补偿的基础上，滤波系统的直流母线电压相对于PCC处的交流相位电压峰值至少有2倍的升压。 |
 (1） |
| (ii)直流母线电容器(Vdc): |
| 滤波器直流母线的能量存储能力应足以承受由负载扰动引起的扰动。滤波器的直流母线电容(Vdc)可由下式得到: |
 （2） |
| 哪里ΔEdc是储存在电容中的能量变化率 |
| (iii)输入滤波器电感(L): |
| 在有源电力滤波器中使用的电感可以平滑来自电压源逆变器的波纹。这些电感的设计信息与载波信号频率和滤波器电流的滞后带宽。 |
| 通过在PCC和逆变极点应用KVL |
 （3） |
| 其中Vf是逆变器的PWM电压的瞬时值是极点，Vs是PCC的瞬时电压 |
控制策略 |
| A) SRF理论: |
| 同步参考系理论是基于时域的参考电流产生技术中的一种方法。该理论的重要特点是计算简单，只涉及代数计算。d-q变换输出信号取决于负载电流(基频和谐波频率分量)和锁相环的性能。锁相环电路为同步提供sinθ和cosθ。它在稳态或瞬态以及一般电压和电流波形下执行操作。从三相abc平稳系到直轴(d)和二次轴(q)旋转坐标系[2]的参考系变换公式。利用Park 's变换和Clarke 's变换对有源分量和无功分量进行解耦(4)。利用Park 's变换将三相分量转换为等效的两相分量，简化了计算复杂度(5)。 |
| 同步参考系控制器的框图如图2所示。 |
 （4） |
 (5) |
 (6） |
当 分别为Dq帧上负载电流的直流分量和交流分量。由式(6)可知，dq负载电流由两项组成。高通滤波器(HPF)用于分离dq负载电流(iLd, iLq)中的谐波分量，取基波的一半作为高通滤波器频率的截止频率。[3] |
 (7） |
 （8） |
| 最后，通过逆Park和逆Clarke变换，将谐波分量转换回三个相量，如式(7)和式(8)所示，作为滞环电流控制器的参考信号，产生栅极脉冲给逆变器。 |
| B) PI控制器: |
| PI控制器由比例项(KP)和积分项(Ki)组成。比例值决定了对误差的反应，积分决定了基于最近误差之和的反应。根据式(8)生成有源滤波器控制的参考电流，将PI控制器在有源滤波器直流母线电压处的输出视为满足注入要求的电流(iloss)。 |
 （9) |
在那里, 为第n个采样瞬间参考直流电压(Vdc*)与感知直流电压(Vdc)之间的误差。KP和Ki为直流母线电压PI控制器的比例增益和积分增益。PI控制器的位置如图3[4]所示。 |
| C)模糊逻辑控制器: |
| 模糊逻辑控制器(FLC)的概念是由Lotfi Zadeh教授在1965年提出的，最初是作为一种处理数据的方式，允许部分集隶属度而不是脆隶属度。不久之后，它被证明是许多控制系统应用的绝佳选择。 |
| 模糊控制是基于一种叫做模糊逻辑的逻辑系统。它在精神上比经典逻辑系统更接近人类思维和自然语言。如今，模糊控制器几乎应用于工业、电力系统和科学的各个领域。其中之一是谐波电流和无功功率补偿控制[5]。 |
| a)模糊化:就像代数变量以数字为值一样，语言变量以单词或句子为值。它所能取的值的集合称为项集。术语集中的每个值都是定义在基变量之上的模糊变量。Lofti Zadeh提出了语言或模糊变量的概念。在控制系统中，参考和输出之间的误差可以标记为零(ZE)、正小(PS)、负小(NS)、正中(PM)、负中(NM)、正大(PB)、负大(NB)。将数值变量(实数)转换为语言变量(模糊数)的过程称为模糊化。模糊逻辑控制系统的隶属度函数如图5所示。这个图显示了两个输入，误差(E)，它的变化(ΔE)和一个输出。 |
| b)去模糊化:FLC的规则根据现实世界的要求在语言变量(模糊数)中生成所需的输出。可用于去模糊化的选择有很多。将一个模糊集转换为一个单一的清晰值称为去模糊化。最后，通过使用得到了清晰的输出 |
| 输出= ΣAi* xi / ΣAi (10) |
| c)规则库:规则库存储规则求值器所需的语言控制规则(决策逻辑，其规则集的制定对提高系统性能起着关键作用[6][7] |
| D)混合pi-fuzzy控制器: |
| 混合控制器的目标是利用PI和模糊控制器的最佳属性来提供一个比PI或模糊控制器产生更好响应的控制器。传统PI控制器的跟踪能力与模糊逻辑控制器有两个主要的区别。PI和模糊控制器都对稳态或缓慢变化的操作条件产生相当好的跟踪。然而，当任何操作条件发生阶跃变化时，例如可能发生在设定点或负载中，PI控制器往往会表现出一些超调或振荡。在相同的操作条件下，模糊控制器减少了超调量和振荡程度。虽然模糊控制器本身具有较慢的响应速度，但在相同的操作条件下，它减小了超调量和振荡程度。我们的愿望是，通过结合这两个控制器，可以得到PI控制器的快速响应，同时消除可能与它相关的超调。[8] |
| E)磁滞带电流技术: |
| 迟滞带用于控制负载电流和确定逆变器门的开关信号。电压源逆变器电流控制方法具有稳定性好、响应快、精度高、操作简单、固有电流峰值限制和负载参数变化独立性等特点。 |
| 当载波信号经过iref和iact的误差信号时发生切换。将载波信号与iref和iact的误差信号进行比较，实现如下所示的PWM开关规律: |
| 如果(iact) < (ia* + hb)支腿上开关为OFF，下开关为ON |
| 如果(iact) > (ira*+ hb)腿的上开关为ON，下开关为OFF [5] |
| F)差异进化: |
| Storm和Price在1997年引入了微分进化(DE)，这被证明是最著名的非线性、不可微目标函数直接搜索方法之一的有效算法。DE算法是一种基于种群的随机优化算法。它通过结合个体和同一种群中的其他个体来创建新的候选解决方案。DE通过将两个总体向量之间的加权差加到第三个总体向量上来生成新的参数向量。只有当候选对象具有更好的适应度值时，它才会替换父节点。DE是一种有效、快速、简单、鲁棒、固有并行、控制参数少、调优需求小的算法。 |
| 第一步的population初始化，第一代的第i个参数向量(PV’s)中的第k个参数可由 |
 （11） |
在哪里 分别是KTH参数的下界和上界，rand(0,1)是(0,1)内的随机标量。 |
| 其次，进行突变的概念如下所示 |
 （12） |
| 其中子脚本r1,r2, r3表示随机选择的pv，使得r1≠r2≠r3≠i。S是用户定义的常数，称为步长。它控制微分变化的尺度，通常选择在0≤s≤1的范围内。DE背后的主要思想是一个生成试验pv的方案。它处理交叉动作。 |
 （13） |
其中上标k表示试验PV的第k个分量，randi k是一个随机标量，使0≤randi k≤1,Jrand是一个随机选择的整数，使1≤Jrand≤d, Jrand为每个向量选择一次，并确保 从v Vi,G+1中获得至少一个参数。DE控制参数CR称为交叉率，由用户自定义，通常在0 < CR < 1的范围内。从候选对象中选出最优的，重建新一代，最后进行评估和选择[7-8]。简而言之，DE操作包括四个阶段，如图8所示。[9] |
仿真结果 |
| 本节介绍了不同控制器的比较，即PI控制器、模糊PI控制器、基于PI的差分进化(PI- de)进行了比较，并说明了每种控制器的源电流总谐波失真。考虑三相非线性负载(二极管整流器)进行仿真，利用SRF理论估算参考补偿电流，Matlab仿真电路如图10所示。 |
| 在table.2表3列出A相源电流的THD，系统模型的设计参数如下 |
| 无滤波器时，源电流的THD值为29.76%，如图14所示。采用STATCOM PI控制器，源电流的THD降低到3.10%，如图14所示。使用STATCOM FUZZY-PI控制器，源电流的THD说明降低到2.37%。采用STATCOM PI-DE优化后的控制器，使Kp和Ki范围为(0,1)，CR=0.9, F=0.5，源电流降至1.30%时THD的收敛性如图14所示。对此的Dc Link电压如图12所示，考虑10个种群进行评估。PI-DE优化算法进行了70次迭代，并给出了仿真的收敛性评价。 |
结论 |
| 本文利用SRF理论产生参考电流来控制STATCOM, STATCOM用不同类型的控制器来补偿无功电流和谐波电流。对比分析了常规PI控制器、模糊PI控制器和差分进化PI控制器，结果表明DE优化在谐波抑制和无功补偿方面有较好的效果。通过所有PI、模糊PI和差分进化控制器，直流母线电压保持恒定等于参考电压。结果表明，这些鲁棒非线性控制比传统控制效果更好。利用MALAB/SIMULINK电力系统工具箱软件对基于SRF的STATCOM进行了成功的仿真。 |
|
表格一览 |
|
|
|
数字一览 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
图10 |
 |
 |
 |
 |
| 图11 |
图12 |
图13 |
图14 |
|
|
参考文献 |
- N.G.Hingorani和l.g yyugyi，了解事实:柔性交流传输系统的概念和技术，IEEE出版社，1999。
- Jeeva S. Pridaaa, P Tamizharasi和J. Baskaran，“基于并联有源滤波器的同步参考帧策略的实现”IEEE。
- 2011.
- María伊莎贝尔Milanés蒙特罗，会员，IEEE, Enrique Romero Cadaval，成员，IEEE和Fermín Barrero González成员，“三相四线制系统中并联有源电力滤波器控制策略的比较”IEEE电力电子学报VOL.22, NO. 1。1.，IEEE JANUARY 2007
- Karuppanan P和KamalaKanta Mahapatra ' PLL与PI, PID和模糊逻辑控制器的分流有源电力线路调节器' ieee PEDES-电力电子，驱动和能源系统国际会议-在印度理工学院德里2010年。
- R. Belaidia, A. Haddouchea, H. Guendouza '基于模糊逻辑控制器的三相并联有源电力滤波器在不平衡市电电压下补偿谐波和无功功率' Elsevier Energy Procedia 18 530 -70。, 2012年。
- Karuppanan P和KamalaKanta Mahapatra“用于改善电能质量的模糊逻辑控制有源电力线调节器”，能源转换技术进展国际会议，第177-181页。, ICAECT2010。
- Karuppanan P, Kamala Kanta Mahapatra ' PI与基于模糊逻辑控制器的APLC补偿谐波和无功功率'的过程。控制、通信与动力工程会议第45-49页。,2010年。
- danya K Panicker, Ms. Remya Mol混合pi -模糊控制器的无刷直流电机转速控制IOSR电气电子工程学报(IOSR- jeee) e-ISSN: 2278-1676, p-ISSN: 2320-3331，第8卷，第6期，PP 33- 43,2013年11月- 12月。
- Storn R, price k(1997)差分进化-连续空间上全局优化的一个简单而特殊的启发式。[J] .， 2001。
|
菜单
(1）
（2）
（3）
（4）
(5)
(6）
分别为Dq帧上负载电流的直流分量和交流分量。由式(6)可知，dq负载电流由两项组成。高通滤波器(HPF)用于分离dq负载电流(iLd, iLq)中的谐波分量，取基波的一半作为高通滤波器频率的截止频率。[3]
(7）
（8）
（9)
为第n个采样瞬间参考直流电压(Vdc*)与感知直流电压(Vdc)之间的误差。KP和Ki为直流母线电压PI控制器的比例增益和积分增益。PI控制器的位置如图3[4]所示。
（11）
分别是KTH参数的下界和上界，rand(0,1)是(0,1)内的随机标量。
（12）
（13）
从v Vi,G+1中获得至少一个参数。DE控制参数CR称为交叉率，由用户自定义，通常在0 < CR < 1的范围内。从候选对象中选出最优的，重建新一代，最后进行评估和选择[7-8]。简而言之，DE操作包括四个阶段，如图8所示。[9]
