基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法与流程

本发明属于电力电子与电力系统技术领域，具体涉及一种基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法。

背景技术：

作为电能质量控制的重要一环，无功功率补偿在提高供电和用电设备的安全可靠运行、提高功率因数、降低电路损耗、减少设备容量等许多方面作用非常明显。随着电力电子技术的发展，静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)日益受到学术界和工业界的重视，近年来取得重大技术突破。特别是三电平SVPWM的应用，使得三电平SVG输出电流谐波含量低、开关器件承受电压应力小、更适用于中高压场合，成为了研究的热点。

高性能控制策略是三电平SVG研究的一个热点问题。目前，在三电平SVG中，最常用的高性能控制策略是电压定向矢量控制策略(Voltage Oriented Control Strategy即VOC)。1983年，Akagi H教授提出了著名的瞬时功率理论(pq理论)，为新的电力电子变流器控制策略的产生提供了重要理论基础；20世纪80年代中期，日本的Takahashi I教授和德国鲁尔大学的Depenbrock M教授分别提出了圆形直接转矩控制方案和六边形直接转矩控制方案。1991年，Ohnishi T结合瞬时功率理论和直接转矩控制的思想提出了DPC策略，他将瞬时有功功率、无功功率用于PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)变流器闭环控制系统中，形成了直接功率控制策略(Direct Power Control Strategy即DPC策略)。自此以后，DPC策略被不断的发展，应用于各种电力电子变流器与各种应用环境中。

相对于VOC策略，DPC策略不需要旋转变换，它直接选择合适的矢量实现对瞬时功率的控制，从而具有算法简单、动态响应更好等优点。然而，由于三电平SVG的特殊性及矢量复杂性，DPC策略的应用远不如VOC策略广泛。进一步的研究发现，现有的三电平DPC策略在某些区域会引起瞬时有功功率的异常波动，这大大增加了系统输出电压、电流的THD(Total Harmonic Distortion，总谐波失真)值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法，该控制方法可在控制系统瞬时无功功率的同时，保持直流电容电压的稳定，且不会引起瞬时有功功率异常波动。

本发明所采用的技术方案是，基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法，采用电压型三电平中点钳位拓扑，具体按照以下步骤实施：

步骤1：采集拓扑电路交流侧电压u_a、u_b和电流i_a、i_b的瞬时值，计算得到系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q：

步骤2：应用模糊控制思想确定瞬时功率的滞环宽度H_p和H_q，从而确定有功功率偏差变量S_p和无功功率偏差变量S_q；

步骤3：采集直流侧下电容电压u_dc2，确定中点电压偏差变量S_n；

步骤4：根据确定的S_p、S_q和S_n，采用新型矢量选择法确定DPC策略的最终开关状态；

步骤5：根据步骤4中的开关状态，控制每相各开关器件的打开和关闭，使系统实际输出功率达到设定要求。

本发明的特点还在于：

步骤2中有功功率偏差变量S_p和无功功率偏差变量S_q具体为：

其中，x＝p,q，p^*由直流侧给定电压U_dc^*与反馈电压U_dc的差值经过PI控制器得到，q^*由系统设定，H_p为瞬时有功功率的滞环宽度，H_q为无功功率的滞环宽度。

滞环宽度H_p和H_q根据模糊控制思想来设定，具体设置过程为：

(a)确定系统实际瞬时功率与理论瞬时功率的偏差Δp和Δq，其中，Δp为瞬时有功功率理论值对实际值的偏差，Δq为瞬时无功功率理论值对实际值的偏差，它们满足：

(b)对Δp和Δq进行量化和限幅后变为-1到1之间的数，以此作为模糊控制器的输入；

(c)设计模糊控制器：模糊控制器的输入论域为[-1,-0.5,0,0.5,1]对应的模糊语言为{NB,NM,Z,PM,PB}，采用三角形隶属函数，模糊控制器的输出为三个滞环宽值，分别为H_x2、H_x1和H_x0，其中，x＝p,q；H_x2对应大环宽，H_x1对应中环宽，H_x0对应小环宽；输入输出规则对应关系为：当输入为NB和PB时，H_x＝H_x2，当输入为NM和PM时，H_x＝H_x1，当输入为Z时，H_x＝H_x0。

步骤3中确定中点电压偏差变量S_n公式为：

其中，u_dc2为系统直流侧下电容电压，H_n为中点电压的波动幅值，由系统设定。

步骤4具体为：

步骤4.1：根据S_p、S_q，进行候选矢量初选

①若

则要求矢量满足

②若

则要求矢量满足

③若

则要求矢量满足

④若

则要求矢量满足

其中，U为三相电源相电压有效值，u_rd和u_rq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影值，d轴对应有功电压，q轴对应无功电压；

步骤4.2：根据S_n的情况，对步骤4.1初选的候选矢量进行二次筛选

步骤4.2.1：根据公式(9)确定不同矢量对应的中点电流i_o，以流出为正：

i_o＝S_aci_a+S_bci_b (9)

步骤4.2.2：根据各矢量对应的i_o的符号和实际的S_n值对可选矢量进行二次筛选

若S_n＝1，保留i_o>0对应的矢量，删除i_o<0对应的矢量；

若S_n＝0，保留i_o<0对应的矢量，删除i_o>0对应的矢量；

步骤4.3：以损耗为第一目标，以系统瞬时有功功率变化为第二目标筛选出最终矢量

步骤4.3.1：对步骤4.2得到的矢量进一步筛选，选择与参考电压矢量在同一扇区的矢量作为最终矢量，以此来减小系统的开关损耗，参考电压矢量V_ref的求解公式如式(11)所示：

步骤4.3.2：若步骤4.2的结果中不存在与V_ref同扇区的矢量，选择步骤4.2结果中与V_ref所在扇区邻近扇区的矢量作为最终矢量；

步骤4.3.3：如果步骤4.3.1或者步骤4.3.2中得到的矢量不唯一，采用公式(12)确定选择不同矢量后导致的瞬时有功功率的误差，选择误差最小的矢量为最终矢量

其中，Δp表示系统瞬时有功功率误差，p^*为系统的瞬时有功功率给定，在SVG系统中，p^*一般接近0；矢量V表示步骤4.3.1或者步骤4.3.2中得到的矢量，矢量I为系统电流矢量，其中i_a、i_b为交流侧三相电流的瞬时值，θ_v为矢量V与矢量I的夹角。

步骤5中控制每相各开关器件的打开和关闭具体为：

输出矢量表中包含三相的开关状态，若某相输出P状态，则该相的自上而下的第一、第二开关管开通，第三、第四开关管关断；若某相输出O状态，则该相的自上而下的第二、第三开关管开通，第一、第四开关管关断；若某相输出N状态，则该相的自上而下的第三、第四开关管开通，第一、第二开关管关断。

本发明的有益效果是：本发明基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法，系统瞬时有功功率异常波动消失，且瞬时无功功率的波动较小，同时，系统中点电压得到较好控制，最后，本发明方法对应的功率器件开关次数明显低于传统功率滞环控制对应的功率器件开关次数，可以有效的减小开关频率，从而减小开关损耗，同时在采样环节无需采样c相电压和电流，节省了一定的成本。

附图说明

图1是本发明直接功率控制方法中采用的电压型三电平中点钳位拓扑图；

图2是本发明直接功率控制方法的控制策略框图；

图3(a)是本发明直接功率控制方法中滞环宽度H_p的设置过程图；

图3(b)是本发明直接功率控制方法中滞环宽度H_q的设置过程图；

图4是本发明直接功率控制方法中采用的三角形隶属函数图；

图5是本发明直接功率控制方法中电压矢量分布图；

图6是图5对应的扇区划分图；

图7是传统电压型三电平SVG直接功率控制方法引起的系统瞬时功率异常波动和三相入网电流仿真图；

图8是本发明直接功率控制方法中的瞬时功率波动和三相入网电流仿真图；

图9是本发明直接功率控制方法中的直流电容电压波动仿真图；

图10是本发明直接功率控制方法与传统电压型三电平SVG直接功率控制方法的功率器件开关次数对比仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法，采用如图1所示的电压型三电平中点钳位拓扑，包括三相交流部分(包含三相交流源加三相交流平波电抗器)、电压型三电平中点钳位变流器主电路部分、电压传感器、电流传感器、AD转换芯片和数字处理器，其中，电压传感器检测交流部分相电压和直流侧各电容电压、电流传感器检测交流侧相电流，电压传感器和电流传感器通过AD转换芯片与数字处理器连接，数字处理器通过相应的驱动电路控制三电平SVG中各功率器件的开关。

本发明基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1：采集拓扑电路交流侧电压u_a、u_b和电流i_a、i_b的瞬时值，计算得到系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q：

步骤2：应用模糊控制思想确定瞬时功率的滞环宽度H_p和H_q，从而确定有功功率偏差变量S_p和无功功率偏差变量S_q：

其中，x＝p,q，p^*由直流侧给定电压U_dc^*与反馈电压U_dc的差值经过PI控制器得到，q^*由系统设定，H_p为瞬时有功功率的滞环宽度，H_q为无功功率的滞环宽度。

其中，滞环宽度H_p和H_q根据模糊控制思想来设定，具体设置过程为如图3(a)和图3(b)所示：

(a)确定系统实际瞬时功率与理论瞬时功率的偏差Δp和Δq，其中，Δp为瞬时有功功率理论值对实际值的偏差，Δq为瞬时无功功率理论值对实际值的偏差，它们满足：

(b)对Δp和Δq进行量化和限幅后变为-1到1之间的数，以此作为模糊控制器的输入(图3(a)和图3(b)中k₁、k₂分别为量化的系数)；

(c)设计模糊控制器：模糊控制器的输入论域为[-1,-0.5,0,0.5,1]对应的模糊语言为{NB,NM,Z,PM,PB}，采用三角形隶属函数，如图4所示，模糊控制器的输出为三个滞环宽值，分别为H_x2、H_x1和H_x0，其中，x＝p,q；H_x2对应大环宽，H_x1对应中环宽，H_x0对应小环宽；输入输出规则对应关系为：当输入为NB和PB时，H_x＝H_x2，当输入为NM和PM时，H_x＝H_x1，当输入为Z时，H_x＝H_x0。

步骤3：采集直流侧下电容电压u_dc2，确定中点电压偏差变量S_n：

其中，u_dc2为系统直流侧下电容电压，H_n为中点电压的波动幅值(实际中点电压波动范围为(U_dc/2-H_n,U_dc/2+H_n))，由系统设定。

步骤4：根据确定的S_p、S_q和S_n，采用新型矢量选择法确定DPC策略的最终开关状态

步骤4.1：根据S_p、S_q，进行候选矢量初选

初选时根据S_p、S_q的具体情况，采用公式(5)、(6)、(7)、(8)选择满足初选条件(功率变化条件)的合适矢量(具体的矢量分布图如图5所示，对应的扇区划分如图6所示)。

①若

则要求矢量满足

②若

则要求矢量满足

③若

则要求矢量满足

④若

则要求矢量满足

其中，U为三相电源相电压有效值，u_rd和u_rq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影值，d轴对应有功电压，q轴对应无功电压；

步骤4.2：根据S_n的情况，对步骤4.1初选的候选矢量进行二次筛选

步骤4.2.1：根据公式(9)确定不同矢量对应的中点电流i_o，以流出为正：

i_o＝S_aci_a+S_bci_b (9)

步骤4.2.2：根据各矢量对应的i_o的符号和实际的S_n值对可选矢量进行二次筛选

若S_n＝1，保留i_o>0对应的矢量，删除i_o<0对应的矢量；

若S_n＝0，保留i_o<0对应的矢量，删除i_o>0对应的矢量；

步骤4.3：以损耗为第一目标，以系统瞬时有功功率变化为第二目标筛选出最终矢量

步骤4.3.1：对步骤4.2得到的矢量进一步筛选，选择与参考电压矢量在同一扇区的矢量作为最终矢量，以此来减小系统的开关损耗，参考电压矢量V_ref的求解公式如式(11)所示：

步骤4.3.2：若步骤4.2的结果中不存在与V_ref同扇区的矢量，选择步骤4.2结果中与V_ref所在扇区邻近扇区的矢量作为最终矢量；

步骤4.3.3：如果步骤4.3.1或者步骤4.3.2中得到的矢量不唯一，采用公式(12)确定选择不同矢量后导致的瞬时有功功率的误差，选择误差最小的矢量为最终矢量

其中，Δp表示系统瞬时有功功率误差，p^*为系统的瞬时有功功率给定，在SVG系统中，p^*一般接近0；矢量V表示步骤4.3.1或者步骤4.3.2中得到的矢量，矢量I为系统电流矢量，其中i_a、i_b为交流侧三相电流的瞬时值，θ_v为矢量V与矢量I的夹角。

步骤5：根据步骤4中的开关状态，控制每相各开关器件的打开和关闭，使系统实际输出功率达到设定要求，具体为：

输出矢量表中包含三相的开关状态，以PON为例，则a相输出P状态，b相输出O状态，c相输出N状态。若某相输出P状态，则该相的自上而下的第一、第二开关管开通，第三、第四开关管关断，若某相输出O状态，则该相的自上而下的第二、第三开关管开通，第一、第四开关管关断，若某相输出N状态，则该相的自上而下的第三、第四开关管开通，第一、第二开关管关断。

在Matlab/Simulink软件对图1所示系统进行仿真，设定基本参数如表1所示：

表1电压型三电平SVG DPC仿真参数

利用Matlab/Simulink软件，根据表1中仿真参数，分别采用传统直接功率控制策略和本发明基于模糊控制的直接功率控制方法得到的仿真结果图(图7-10)。其中，图7是传统电压型三电平SVG直接功率控制方法引起的系统瞬时功率异常波动和三相入网电流仿真图；图8是本发明一种基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法中的瞬时功率波动和三相入网电流仿真图；图9是本发明一种基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法中的直流电容电压波动仿真图；图10是本发明一种基于模糊控制的三电平静止无功发生器直接功率控制方法与传统电压型三电平SVG直接功率控制方法的功率器件开关次数对比仿真图。

对比四个仿真图可以发现，传统直接功率控制策略将导致系统瞬时有功功率的异常波动，且瞬时无功功率的波动范围也较大，当采用本发明提出的基于模糊控制的三电平SVG直接功率控制方法后，系统瞬时有功功率异常波动消失，且瞬时无功功率的波动较小，同时，系统中点电压得到较好控制，最后，本发明方法对应的功率器件开关次数明显低于传统功率滞环控制对应的功率器件开关次数，可以有效的减小开关频率，从而减小开关损耗。