（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊pi控制方式的statcom应用研究.pdf

江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密。 学位论文作者签名：罗林 2 0 0 8 年6 月1 0 日 弩撩 指导教师签名： 智宏 郑宏j 2 0 0 8 年6 月1 0 日 江苏大学硕士学位论文 工具方面补充了f a c r s 技术研究的条件。例如电科院在动态物理模拟试验室 中建立了主要f a c r s 控制器的模型，同时也在分析应用程序中建立了他们的 模型库。清华大学和河南省电力局合作研制的我国首台新型f a c r s 控制器 2 0 m v a r 的s 1 瑚r c o m ，运行于河南的2 2 0 k v 电网，以提高其控制功率和控制 电压的能力，提高其稳定性能。电力部电力科学研究院和东北电业管理局及清 华大学等单位合作研制的5 0 0 k v 的t c s c 装置，将用于东北伊敏火电厂的出 口输电线上。哈尔滨工业大学和黑龙江省电业管理局合作的新型有源滤波器， 即g a p f ( g e n e r a l i z e d a c i v ep o w e rf i l t e r ) ，其工业阳极已通过了技术鉴定。上海 交通大学和上海市电力局合作研制了柔性化的短路电流限制器，以适应上海供 电网的实际需要。一些高等院校和研究部门还正在进行一些重要f a c t s 控制 器( 如t c p s t ，u p f c 等) 的结构、性能、控制和效能等的分析研究工作。 2 1 世纪是输电系统的“新时代”，它将依靠f a c r s 技术、先进的控制技术 和综合自动化技术的共同支撑。我国f a c r s 技术虽然在一些具有技术远见和 胆识的单位的支持下，已有了较好的开端，但和国外发展形势相比，尤其和我 国面临的巨大而艰巨的输电联网工程建设需要相比，仍需各方面的重视和努力。 这样才能使电力工程和全国统一的联合电力系统的形成在一开始的规划和设计 工作中，就能真正的立足在“新时代 先进技术的基础上。 1 1 3 无功补偿的必要性和补偿方法 无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的，无功的存在对 公用电网的影响主要有几个方面：无功功率的增加会使输电线路上总电流增大， 视在功率增大，从而使发电机、变压器等电气设备总容量增大，同时也使设备 及线路的损耗相应增大，线路压降增大。另外会使功率因数降低，设备的利用 率变小吲。 在实际应用中，要补偿的无功功率可由可控的无功电源提供，这类无功装 置常用于控制输电系统或配电网中某一点的电压及校正功率因数。这其中有两 种类型的问题。第一类问题是负荷补偿，即在电弧炉、轧机等大型的波动型负 荷处要求补偿无功，由于这类负荷一般都集中在厂矿内，并且是由同一网络端 供电的，因此，可就地补偿处理。另一类补偿是在负荷或电源受到扰动时维持 3 江苏大学硕士学位论文 输电线路某一点的电压，这时，负荷不再局限于某一处了，几个负荷区与发电 单位可能由一个输电网络联系在一起，补偿目的一般是用来提高交流电力系统 的稳定性，降低端电压的波动，有时亦用来限制大扰动之后出现的过电压，可 集中补偿。 下面介绍几种无功补偿的方法： 传统的无功调节设备有并联电容器和调相机，并联电容器是电网中用的最 多的一种专用的无功功率补偿设备。它的特点是价格便宜，易于安装维护，主 要用于控制负荷功率因数之用，也可用作无功功率补偿。它的缺点是当电压降 低时，特别是由于故障而电压降低时，系统需要电压支持，而并联电容器输出 无功功率却急剧下降，不能满足系统需要。调相机实质上是一种不带机械负载 的同步电动机，调节其励磁，即可以发出无功功率，又可以吸收无功功率，是 最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退到次要地 位。调相机的优点是：在系统发生故障引起电压降低时，同步调相机可提供电 压支持，还可以在短时间进行强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大好处。 它的主要缺点是投资大，运行维护复杂，机械损耗大，噪音大。 随着柔性交流输电( f a c r s ) 概念的提出，特别是电力电子技术得到长足发 展以后，静止无功补偿装置有了很好的发展。在工业界，静止无功补偿装置通 常是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，它包括晶闸管投切电容器( n y r i s t o r s w i t c h e dc 印a c i t o r ) 和晶闸管控制电抗器( 1 n b y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 以及两者 的混合装置( t s c t c r ) 等装置。下面主要介绍一下t c r 和t s c 的基本原理。 t c r 的电路原理图如图1 1 所示。 图1 1 t c r 电路原理图 在t c r 电路原理图中，控制元件是可控硅控制器，在图中表示为两个反并 4 江苏大学硕士学位论文 联的晶闸管s 1 和s 2 与一个电抗器l 相串联。其三相电路大多接成三角形，这 样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移 相范围9 0 。1 8 0 。当触发角等于9 0 。时，晶闸管全导通，导通角6 ；1 8 0 。，此时 电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式： 丑，：垦婴垡二墅盟 石 ( 1 1 ) 眈嗍。击 2 ) 6 ；2 加一口) ( 1 3 ) 可以看出，增大触发角即可增大补偿器的等效电抗，这样就会减小补偿电 流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器。所吸收的无 功分量，达到调整无功功率的效果。在工程实际中，单独的t c r 只能吸收无功 功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与t c r 配合 使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为t c r 与固定电容 器配合使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 与断路器投切电容器配合使用 的静止无功补偿器( t c r + m s c ) 。这种具有t c r 型的补偿器反应速度快，灵活 性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛，但频繁投切是其不可忽视 的缺点【矾。 为了解决t c r 与电容器组的频繁投切问题，t s c 装置应运而生。其单相 电路原理图如图1 2 所示。 图1 2t s c 电路原理图 5 江苏大学硕士学位论文 两个反并联的晶闸管s l 和s 2 只是将电容器c 并入电网或从电网中断开， 串联的小电抗器l 用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。t s c 用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般负荷对称网络采 用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都 采用电容器分组投切。电路总的导纳值可通过投入运行的并联电容器的数目来 调整，所以总的导纳值是分级变化的。t s c 补偿器可以很好的补偿系统所需的 无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。但t s c 对于抑 制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是 不够的，所以t s c 装置一般与电感相并联，其典型设备是t s c + t c r 补偿器。 这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感作相控细调。t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最 佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压 的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好 的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。 静止无功补偿器虽然有很多优点，但是它也因为调节不连续，响应速度慢 等原因很难满足系统运行方式快速变化时的需求，因此静止无功补偿装置还有 很大的改进余地。工业界把采用g 1 o 、i g b t 等元件的静止无功补偿器叫做先 进的静止无功发生器似d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ，简称a s v g ，国外称为 s 1 = f 蛆o m ) ，它的结构图如图1 3 。 a b c c 图1 3 s 1 ：f 咒o m 基本结构图 6 江苏大学硕士学位论文 数，从而减少分接头故障次数。除了具有上述诸多优点，s 可玎c o m 还可以抑 制电压闪变，提高系统暂态稳定水平。尽管u p f c ，t c s c 也具有调压和提高系 统暂态稳定的功能，但是由于造价太高，并且装置的故障容易引发系统故障， 因此对于这类串联式补偿装置，各国均保持谨慎态度。况且我国的功角稳定问 题已有多种成熟的措施予以解决，而对于目前潜在的电压稳定危险则尚嫌估计 不足、措施不力，靠大量低电压切负荷来对付电压崩溃只是不得己而为之，并 非积极的治本的办法。随着电力系统规模的不断扩大，系统发生故障的风险也 在增加，故障波及的范围也更大，因此对系统稳定性的要求也更高，而发展快 速响应的调节控制装置则是提高系统抗崩溃的有效手段。结合我国的国情和已 有的技术，发展s 伽o m 应是解决我国电压稳定问题的有效手段，并且也是 我国f a c r s 发展的主要方向。 1 2s t a t c o m 控制器目前研究现状 在研究s 毋玎c o m 的同时，s 毋玎c o m 的控制策略和控制器的设计也是研 究的一个焦点。s t a t c o m 的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组 成。内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号，从而在变流器的输出 电流和无功指令之间建立一种线性的关系，外环控制器用于提供内环控制器所 需要的无功功率参考值。s t a r c o m 控制算法的设计一般都和无功电流的检测 紧密联系在一起的，从控制的角度来看，s 1 煳r c o m 的控制器设计方法大致集 中于以下几个方面： ( 1 ) 线性p i d 控制，自2 0 世纪8 0 年代初第一台实验性s m 玎c o m 投入电 网运行以来，所有己公开的实用装置的控制器设计都是采用经典控制理论p i d 或者引入线路功率的p s s 辅助方式来完成，或者进行局部改进的p l 控制。同 时有关理论也指出，这种控制方法在一定范围之内通过向系统提供有效的电压 支撑，可以维持接入点的电压基本不变。但是，这些基于线性化的控制手段限 制了该装置的应用范围，在大的干扰下，这种控制方式难以满足提高系统电压 稳定的要求。 ( 2 ) 最优控制，线性最优控制早在2 0 世纪7 0 年代初便被引入到电力系统控 制中是目前现代控制理论中应用最广泛的一项控制技术。有关论文印证了通过 9 江苏大学硕士学位论文 研究s 1 肖r c o m 与励磁控制器相配合可以设计出s r c o m 控制器，它能增加 系统的同步阻尼系数，有利于电压的稳定，但是由于这种控制器是针对局部线 性化模型来设计的，在强非线性的电力系统中的控制效果并不理想。 ( 3 ) 自适应控制，电力系统的自适应控制应用研究起始于2 0 世纪8 0 年代中 期，由于自适应控制的控制效果优于固定参数的控制器，能够在一定程度上弥 补经典p l d 控制过分依靠被控对象的数学模型的缺陷，因此很自然的就被引用 到s t a t c o m 的控制上，仿真表明，由它所控制的补偿器在较大的干扰下仍能 保持良好的阻尼特性，鲁棒性较强。但是同时也应该看到，这种控制算法的参 数在线辨识复杂程度较高，在实际应用中必须考虑计算速度的影响，同时滞后 的控制响应也影响控制精度。 ( 4 ) 微分几何控制，微分几何控制克服了传统的局部线性化方法固有的局限 性，控制器几乎对所有的运行点都起作用，正是认识到这一点，因此很早就被 应用到s 似r c o m 的控制之中。但是在进行微分几何控制器的设计的时候应该 认识到：由于微分几何控制要求系统参数必须确切可知的，而电力系统是一个 强耦合的非线性系统，其各种负载时时刻刻都在发生变化，因此在实际中这一 点是很难做到的；其次，微分几何控制对接入点的电压控制是不做考虑的，在 理论上也就无法保证接入点的电压具有良好的动态响应。 ( 5 ) 智能控制，近几十年来兴起的智能控制在很大程度上解决了由于控制对 象所具有的高度复杂性和不确定性而产生的控制方法应用上的困难。许多作者 提出了利用诸如神经元网络、模糊控制以及。这些综合智能控制方法( 如模糊逻 辑控制、人工神经网络控制、专家控制等) 不需要电力网络和s t a t c o m 的精确 数学模型，具有良好的鲁棒性，在一定程度上解决了由于电力系统强耦合的非 线性系统所带来的控制器设计上的难题。但是收敛速度慢是它们的一个很大的 缺点，难以满足实时性控制的要求。 1 3 本文主要研究内容 常规的p l 控制在其动态特性中存在超调量大，调节时间长，抗干扰能力差 等缺点，而作为智能控制分支之一的模糊控制，却具有鲁棒性强，易理解，操 作简单，响应快，易修正，不需要系统模型的特点，然而由于模糊控制器的输 1 0 江苏大学硕士学位论文 入一般为误差和误差的变化率，所以可以将它看作为p d 控制器，其动态特性 很好，可以平滑地达到稳态，而且上升时间，调节时间很短，但是其抗干扰效 果差，同时会产生静差。因此，为了增强抗扰动的能力和减小静差，本文采用 模糊控制和p l 调节器共同使用，不仅使系统响应迅速，暂态稳定极限提高，适 应性增强，而且具有满意的控制精度，易于实现数字控制，比传统的p l 控制具 有更好的控制效果，数字仿真验证了该控制方法的有效性和正确性。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 介绍s w 汀c o m 基本原理，并且建立s 1 瑚r c o m 动态模型。通过对稳 态、动态模型的理论分析得出了影响s t a t c o m 装置性能的几个主要参数。 ( 2 ) 根据模糊控制原理，将模糊控制和p l 控制结合形成模糊p l 控制策略， 这种控制策略可以根据系统要求，实时修改p l 参数，这样可以克服p l 参数难 以整定等缺点，从而有效提高s t a t c o m 性能。 ( 3 ) 设计模糊p i 控制方式的硬件电路和软件电路，在硬件电路中我们重点 设计了d s p 的控制器，因为这将直接影响s 1 ：f f 盯c o m 在系统中的性能，在软件 设计中，我们侧重在一个周期的系统流程图设计和p w m 波脉宽的计算，这些 都是影响模糊p i 控制策略实现的关键。 ( 4 ) 利用m 棚。a b 搭建仿真电路，比较p l 控制和模糊p l 控制下，st f | 叮c o m 补偿电网无功能力，提高系统暂态稳定极限，稳定接点电压的能力，以验证模 糊p l 控制方式的动态性，抗干扰和适应性优于p l 控制。 ( 5 ) 对全文工作进行总结并对下一步工作做出展望。 江苏大学硕士学位论文 1 ! 太0 r 上 1! 土 ff il _ j_ j v v v 、一 从 r 0 r j 1r 一 。 jio。jl 1r 1r r 正 p - l c 一- l - l一 工丁| 3 r1r 1r 一 。 o 。 上 图2 1 电压型桥式电路图2 2 电流型桥式电路 图2 1 中，l 为所串联的连接电抗器，c 为直流电容，电路中的器件可以 采用g r o ，1 g b t 或i g c t 等。图2 2 中的c 即为吸收过电压的电容器。实际上， 迄今投入实用的s 曰玎c o m 主电路大都采用电压型桥式电路，因此s 觚o m 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为主电路的动态无功补偿装置。对于 电压型逆变电路来说，输出电压是矩形波，含有较多的谐波，对电网和负载都 会产生不利的影响。为了减少谐波，目前所研究设计的s 眦o m 常常采用多 重逆变电路，即把几个矩形波组合起来，使之输出成为接近j 下弦波的波形。也 可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输 出电压向正弦波靠近。 s r c o m 正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换 成与电网同频率的交流侧输出电压。s t f 盯c o m 的工作原理图可以用图2 3 所 示。 系统 直 图2 3s 1 猢r c o m 工作原理图 图2 - 3 中k 为s 毋虹o m 的逆变器输出电压有效值，路为系统电压有效值。 s 1 = f 玎c o m 进行无功补偿的原理非常简单，即在理想状态下，控制与坛的电 1 4 江苏大学硕士学位论文 压差，以达到调节装置无功输出的目的。 用： 用： 当 蛞时，s 1 = f c 盯c o m 处与超前运行状态，发出无功功率，起电容器作 当 o 时，s t a t c o m 发出无功功率，起着电容器的作用； 当6 2 ) 阶对称b 样条基函数定义时，得到如下的关 系： 驴凳呐叶l ( 3 - 2 ) 其中y ，是第j 个输出集的中心，存在q 个模糊输出集，且规则信度由下式 定义： 勺2 ( 幺) ( 3 3 ) 即：在权值和相应的模糊规则置信向量之间存在一个可逆( i n v e f t i b l e ) 映射。 知识能以两者中的任何一种形式表示，而且在转换时没有信息丢失。权值与2 阶b 样条规则置信向量之间的可逆映射如图所示。 l j c 、 c s _ 一i l lj ，j ， 输出域y 图3 2 权与相应规则信度规则关系 这个过程可以被视为对权的模糊化和对单个规则置信向量的反模糊化。而 且当使用七q2 ) 阶对称b 样条函数时，在这个过程中没有信息丢失。 ( 4 ) 选择适当的关系生成方法和推理合成算法 设计模糊调节器需要选择合适的关系生成方法和推理合成算法。最通常的 比较简便的方法是m a m d 锄i 方法。模糊推理算法与模糊规则直接相关。它的复 杂性依赖于模糊规则语句中的模糊集的隶属函数的确定。选择一些简单的又能 江苏大学硕士学位论文 反映模糊推理结果的隶属函数可以大大简化模糊推理的计算过程。通常三角形 隶属函数、高斯隶属函数和梯形隶属函数是使用最多的隶属函数。 ( 5 ) 反模糊化 当推理过程的输出构成一个模糊输出集如( y ) 时，就有必要压缩其分布以 产生一个表达模糊系统输出的单值。这个过程称为反模糊化，其实现有多种方 法，其中最常用的方法是最大值平均和重力中心算法。这两种方法又可分别被 归为截断法和代数法两类。因为前者的输出值是在如( ) ，) 上具有最大隶属度的 值，它是基于对一段信息( 或至多几段信息的均值) 进行输出估计，故称为截断 法。后者使用输出分布中每一点上的标准权值分布进行输出估计，故称为代数 法。由于当输入变化时，规则之间有渐变的转移，因此，重力中心反模糊化算 法易于产生一个平滑的输出曲面 重力中心反模糊化算法过程的定义如下： h b y 由 灭势。矗两 t - y ( 3 3 ) 模糊输出曲面的形状由模糊输入集的形式决定。每一个权代表一个对特定 模糊输入集合的输出估计，对包含于相应规则信度向量中的信息进行反模糊化， 即可给出结果。对这些模糊系统的建模和归纳，依赖于所使用的模糊输入集的 形式和从输入表示中完全解耦。 3 2s t a t c o m 的控制方式 3 2 1 控制方式介绍 s 唧o m 作为快速补偿干扰性负荷对电网产生的不利影响的动态无功补 偿装置，它的控制策略、外闭环反馈控制量和调节器的选取原则上都与s v c 装 置一样。如控制策略的选择应根据补偿器要实现的功能和应用的场合，以决定 采用开环控制还是闭环控制；而外闭环反馈控制量和调节器的选取也应根据补 偿器要实现的功能，例如要实现改善电压调整的功能，控制系统即需采用系统 3 1 江苏大学硕士学位论文 3 2 2 电流直接和间接控制 ( 1 ) 电流直接控制 所谓电流的直接控制，就是采用跟踪型p w m 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p w m 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。s 毋玎c o m 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，s 1 a t c o m 实 际上已经相当于一个受控的直流源，若仍用等效交流电压源的概念来分析 s r c o m 的工作原理就不那么确切了，但是直接控制法由于是对电流瞬时值 的跟踪控制，因而要求主电路电力半导体器件有较高的开关频率，这对于较大 容量的s 可盯c o m 目前是难以做到。 ( 2 ) 电流间接控制 所谓间接控制，就是按照前面所述s 1 c o m 的工作原理，将s r c o m 当作交流电压源来看待，通过s 1 = f 盯c o m 变流器所产生交流电压基波的相位和 幅值的控制，来间接控制s t a t c o m 的交流侧电流，在6 角绝对值不致太大的 范围内，6 与厶接近为线性的正比关系，因此可以通过6 来控制s 础0 m 吸 收的无功电流。 q v 图3 - 3s 1 肖r c o m 控制模型 在这里，对无功电流大小的检测也有多种方法，其中以d q 0 坐标变换法( 也 称p a r k 变换，或旋转矢量坐标变换) 和基于瞬时无功功率理论的i p - i q 检测法。 3 3 模糊p i 控制方案设计 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通 常采用二维模糊控制器的结构形式。而这类控制器都是以系统误差e 和误差变 江苏大学硕士学位论文 化e c 输入语言变量，因此它具有类似于常规p l d 控制器的作用，由线性控制 理论可知，采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，但无法消 除静态误差。为了改善模糊控制器的静态性能，通常在模糊控制器中引人模糊 积分。在p l d 控制器中，微分作用主要是针对具有大惯性的被控对象，改善其 动态性能，稳定性增加，但对扰动敏感，抑制外扰能力减弱，在s 可玎c o m 中 由于对基频信号进行调制，引进了高频干扰，不益采用p i d 控制，因此在本文 采f u z z y p i 控制器。 3 3 1s t a t c o m 装置中f u z 巧p i 控制器结构。 图3 4s 砑0 m 的f u z z y p l 控制器结构 首先根据模糊数学的理论和方法，将操作人员的调整经验和技术知识总结 成为l f ( 条件) t h e n ( 结果) 形式的模糊规则，并把这些模糊规则及相关信息( 如初 始的p i 参数1 存入仿真模块中。根据s 1 a t c o m 响应情况，计算出采样时刻无 功电流与其给定量的偏差e 及变化率p c 输入控制器，运用模糊推理，进行模糊 运算，即可得到该时刻的越，必。实现p l 参数的最佳调整，如图3 4 所示。 f u z z v p l 控制器主要由模糊化、模糊推理、去模糊化3 部分组成。 3 3 2 ，f l l z z ) r - p i 控制器的设计 常规p i 控制器作用可用以下的位置算式描述 刮酬+ 专弘) ) 式中：i ( n ) ，e ( n ) 表示第n 个采样时刻控制器输出( 控制量) 和输入( 偏差) o 表示采样周期 ( 3 5 ) 江苏大学硕士学位论文 硒一表不积分时i 司常数。 k p 一表示比例增益。 由上式可以得到控制器输出第n 个周期时刻的控制量i ( n ) 和第( n 一1 ) 个周 期时刻i ( n - 1 ) 之间的增量为： f o ) - f o ) 一f o 一1 ) l 七p p 0 ) 一p o 一1 ) + 仃艇) e 研) ) ( 3 6 ) 这是一个增量算式，它只与前n 次采样值有关，计算量少而实时性强。但 它与模拟p i 控制器一样，存在参数修改不方便、更不能进行调整等缺点。如果 能实现p i 控制器的参数在线整定，那么就进一步完善了p i 控制器自适应性能。 f u z z y - p i 控制器利用模糊规则实时在线整定p i 控制器的2 个修正参数斌p ， 战实现对s t a t c o m 的优化控制。f u z z y p l 控制器的设计由以下几步来完成： ( 1 ) 输入输出变量论域的离散化 e ，e c ，斌p ，战都是实数域上的连续变量，e 【一1 0 ，1 0 】，e c 【一8 ，8 】，崛 【- 1 ，1 】，馘【- o 6 ，0 6 】将e 变换到离散论域x = 6 ，- 5 ，一4 ，一3 ，- 2 ，- 1 ，0 ，1 ， 2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 上，将将e c 变换到离散论域y = 【- 6 ，- 5 ，一4 ，- 3 ，- 2 ，- 1 ，0 ，1 ， 2 ，3 ，4 ，5 ，6 上，将从p 变换到离散论域z = 一6 ，- 5 ，- 4 ，- 3 ，一2 ，- 1 ，0 ，1 ， 2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 上，将馘变换到离散论域m = - 6 ，- 5 ，- 4 ，- 3 ，2 ，- 1 ，o ，1 ， 2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 上，得到离散论域上的输入输出变量e ，巳，触p + ，酏。 ( 2 ) 定义模糊集合及其隶属度函数表 对p 。定义七个模糊集合e 1 ，e 2 e 7 ，分别代表p l ( 正大) ，p m ( 正中) ， p s ( 正小) ，z ( 零) ，n s ( 负小) ，n m ( 负中) ，n l ( 负大) 。对乞定义七个 模糊集合蝇，哑峨，分别代表p l ，p m ，p s ，z ，n s ，n m ，n l 。对放p 定义七个模糊集合纰，必鹋，分别代表p l ，p m ，p s ，z ，n s ，n m ，n l 。 对酏。定义七个模糊集合m ，必鹋，分别代表p l ，p m ，p s ，z ，n s ，n m ， n l 。对应模糊集合分别定义隶属度函数，如表3 2 ，3 - 3 所示。 江苏大学硕士学位论文 表3 - 4 衅的隶属函数 隶属度 k i 的论域 一6543210123456 p i ( p l ) 00000o00000 20 t1 模 p 2 ( p i ) 00ooo0000 2o 8l0 8 0 2 糊 p 3 ( p s ) 0o000000 810 8 0 200 集( z ) 000000 510 50000o p 5 ( n s ) 0 00 20 810 8 0000000 口 p 6 ( 肌) 0 2 0 81o 8 o 20oo0000o p t ( 地) 10 70 2o0000000o0 表3 5m 的隶属函数 隶属度 k i 的论域 一65- 432一l0l23456 i l ( p l ) 000 0 o0 0 0 o0 0 20 7 l 模 1 2 ( p i ) 000o00 0 0o 2 0 810 80 2 糊 1 3 ( p s ) 0oo000 o 0 81o 8 0 20 0 集1 4 ( z ) 000 0 00 5 1 0 50o0o 0 1 5 ( n s ) o00 2 0 810 8oo00oo0口 1 6 ( ) 0 2 0 8lo 8 0 200o0o000 i t ( 札) 10 70 20000000000 ( 3 ) 参数整定规则的确定及模糊推理 表3 - 6 从p 参数调整规则表 衫， n bn m n so p sp mp b n n bp bp bp mp mp sp s0 n mp bp bp mp mp soo n s p mp m p mp son sn m op mp sp son sn mn m p sp sp son sn sn mn m p moon sn mn mn mn 8 p bon sn sn mn mn bn b 江苏大学硕士学位论文 糊单点，这时的输入是模糊矢量e 一n o o 】和蚯暑【1 o 0 】，可求出输出 模糊矢量p ： p = 陋e ) 。r ( 3 8 ) a p 中中隶属度最大对应的从，即为此时的输出。用同样的方法，对每对 输入，都可以求出相应的输出，将它们整理成模糊控制表，如表3 - 8 ，3 9 所示。 表3 - 8 龇。的模糊控制表 k p e 一6543210l23456 一665653332l0000 5 6 56533 3 21 o 000 46 5 65 3332 1o o 0 0 355554442一ll一111 26565331o 023 33 事 1656533lo一22333 e c0 6565310135656 133320o一1335656 2333l0o一11 35 65 6 311l00o一1225- 555 哇0001123335656 50001123335555 6o001113335_ 5一s一6 ( 5 ) p i 参数的计算 控制表可离线算出，在实时控制时得到e 和先变换成离散量p 和p 。，查 表得到峨和憾，在求得对应得啦和战，因此p i 控制器的参数由下式 计算得出： k 2 k p + 巧，k = k ：+ k( 3 9 ) 江苏大学硕士学位论文 表3 9 酏的模糊控制表 1 r i t e 一654321o1 2 34 56 一66 5 554 3 3 2 1o000 巧一55_ s一453321o00o 一4656533221一l000 35 55 5 4442 1 l1 1 1 26564331002334 一l一655533一l0l2344 囊 e co 一6565310l35656 l一433200一l134 5 56 24431o01235656 31120o01225555 40001122345656 50 001l233 4 55 55 60o01l23334566 3 4 本章小结 本章具体论述了模糊p i 控制器的原理和设计步骤，从中我们可以看出， 模糊p i 控制方法可以根据系统要求，实时修改p l 参数，这样可以克服p i 参数 难以整定等缺点，从而有效提高s m 盯c o m 动态无功补偿，提高系统暂态极限 和稳定接点电压的能力，在第五章的仿真中可以得到验证。 江苏大学硕士学位论文 4 1 4d s p 控制器 控制器是s 1 瑚r c o m 装置的重要组成部分，它直接控制了s t a t c o m 的运 行。由于s 1 = f f 玎c o m 控制环节计算量大，流程复杂，精度要求高，所以控制器 和脉冲发生器的性能及所采用的控制方案是s 伽o m 补偿效果的决定性因 素，它们的性能将直接影响s 1 瑚r c o m 。例如，脉冲发生器输出脉冲最小分度 的精度不够时会使无功调节不够光滑，对系统造成一定的冲击；脉冲对称度或相 对相位不精确时，则会导致装置输出电流谐波含量增加；由于s t a t c o m 时间常 数很小( 一般小于1 0 m s ) ，控制器的运算速度和精度更是直接关系到整个系统运 行的性能。以前基于单片机的脉冲发生装置由于处理器指令执行时间太长，必 然难以保证脉冲精度，受相位抖动的影响也较显著。由于d s p 快速的运算能力 ( 1 m s 3 2 0 f 2 4 0 指令执行时间为5 0 l l s ) ，以及其强大的片内外设功能( 3 个通用定 时器、全比较单元，可产生6 路带死区的p w m 波、单比较单元，可产生3 路 p w m 波1 ，使得我们能实现高精度的脉冲发生和控制功能。所以在研制的装置 中，采用t m s 3 2 0 f 2 4 系列的d s p 芯片实现控制和发出脉冲的功能，提高了运 算速度1 1 1 】。 ( 1 ) 控制器的硬件结构 冗余控制系统作为现代电力控制系统的一部分在不断地发展，其作用也越 来越重要。冗余技术主要是通过增加冗余资源来换取可靠性，即利用冗余资源 将故障影响掩盖起来，以保证系统的主要功能正常运行，从而提高整个系统 的可靠性。+ 1 5 0 k v a f 基于i g b t 模块的s r c o m 装置在控制系统硬件结构设 计时采用双c p u 方案实现冗余控制。在正常工作时，c p u l 作为主控计算机是 整个控制系统的核心，实现诸如采样数据的计算、逻辑控制、发出六路p w m 驱动信号以及和其它设备进行通讯等一系列控制功能：c p u 2 作为冗余计算机， 接收信号并进行控制计算，但不输出控制信号。之所以这样工作是因为在系统 启动时，通过程序设置使c p u l 首先得到主控令牌信号，获得了对整个系统的 制权，c p u 2 没有得到主控令牌信号，只能处于冗余工作方式。在系统工作期 间，c p u l 与c p u 2 通过自动切换电路交换相互的故障检测信号及其他相关信 号。c p u 2 同时监听c p u 2 的故障检测信号及其他相关信号，以确定冗余计算 机是否处于正常工作状态，一旦监听到c p u 2 不正常，c p u l 将发出一故障信 4 3 江苏大学硕士学位论文 息送到诊断显示装置；同时c p u 2 也对c p u l 进行监视，一旦发现c p u l 不正 常，c p u 2 将获得控制权，即主控令牌，c p u 2 将担负组织整个系统的控制。整 个控制系统功能模块的划分如图4 3 所示。 图4 3控制系统功能模块划分结构图 在控制系统硬件结构设计中，选用了如下主要元器件【3 7 4 1 1 数字信号处理器( d s p l m s 3 2 0 f 2 4 0 ) d s p 由于其运算速度快，精度高，且带p w m 输出，用作主控制器。下面 将详细介绍。单片机( i n t e l 8 0 c 1 9 6 ) 由于要往上位机发送大量的数据，占用d s p 的耗时，影响实时控制，于是采用l n t e 璩0 c 1 9 6 专门处理与其它设备的通讯 和键盘接口。8 0 c 1 9 6 通过双口r a m 与d s p 交换数据。 采样芯片( m a x l 2 5 ) m a x l 2 5 采样速度快达3 u s 一路，能采8 路交流量，同时能采4 路，并且 采样位数1 4 位，满足系统精度要求。 p i i l 处理器 作为上位机监控，主要完成任务：系统电压，电流，无功在线显示：给定参数 输入( 电压，电流) ；p i 预整定参数调节；声光报警等。 在线可编程芯片 d s p 本身带了5 1 4 字节的r a m ，不够系统要求，因此扩展了1 2 8 k 删 对m a x l 2 5 和删的读写控制没有采用传统的译码电路和时序电路形式，而 江苏大学硕士学位论文 是采用了先进的在线可编程技术，选用i a r r l c e 的主i s p l s i1 0 1 6 芯片。 ( 2 ) 该控制器的特点及功能 与以往的控制器如发电机励磁调节器相比，s t a t c o m 控制器具有以下特 点： ( a ) 强大的控制能力 以往的控制器只能部分地控制一次设备的行为，如励磁调节器只能控制发 电机的无功功率而对有功功率控制作用较小。在正常情况下s r c o m 控制器 则可以完全控制s 1 ：气k o m 的电流。 ( b ) 快的控制速度 由于s t a t c o m 装置本身响应时间很小，因此对其控制器快速性要求较高。 以往的励磁调节器其反应时间在几十毫秒已经较快了，对于s 1 = f | 盯c o m 控制器 其反应时间必须在1 毫秒左右。 该控制器主要具有以下功能： 1 ，产生触发脉冲 产生一定规律的触发脉冲，经门极驱动电路放大后去控制i g b t 的导通和 关断，使s t f 町c o m 能产生正确的阶梯波电压。 2 ，同步脉冲发出功能 根据从电网取回的同步脉冲，产生出与电网电压同步的脉冲信号，使 s 1 = f 盯c o m 产生的阶梯波电压与电网电压保持同步，从而使s r c o m 能正确 地并网运行。 3 ，控制s 1 a t c o m 行为 这包括控制s t a t c o m 阶梯波电压与电网电压的相角，从而能准确地控制 s t f 盯c o m 的无功功率输出。 4 ，高层保护功能 由于一般情况下s 卫盯c o m 控制器可以完全控制s 1 = f c 玎c o m 的电流，因此 必须要有保护功能s 麟o m 控制器的保护功能是一种高层次的保护，当 s r c o m 运行在过载或其他不正常状态下，而电流又没有超过保护动作的整 定值，控制器应通过保护功能使st f f 玎c o m 回到正常工作状态，避免s 1 = f 玎c o m 低层保护动作，从而使s 1 = f 町c o m 能连续地正常工作。 江苏大学硕士学位论文 5 ，控制器自我容错功能 一旦控制器自身有些元件出现错误，控制器应能立即发现并报警，同时不 能使装置退出运行，故障修复后，可很容易地恢复。 6 ，操作简单可靠，便于现场使用。 4 2s t a 丁c o m 软件设计 4 2 1 装置软件模块结构 装置软件的模块构成如图4 4 图4 _ 4系统软件模块功能划分结构图 整个软件模块包括下位机软件模块和上位机软件模块，系统下位机的软件 采用d s p 编程c c 2 0 0 0 ，其具有强大的功能，是实现高精度，高速度算法的关 键所在，系统上位机的软件采用b o r l a n d 公司的可视化软件做为d e l p h i 做为工 具，在w i n d o w s 环境下开发完成的，下位机软件模块。 4 2 2 下位机软件模块包括： ( 1 ) 过零测定模块 在此模块中实现同步信号过零点的采样。为了保证s 1 = a t c o m 输出电压与 系统同步，必须测定电网电压过零点，作为采样的起始信号。d s p 事件管理器 具备强大的功能，利用其捕获单元可捕获输人引脚上的跳变信号( 信号上升沿或 江苏大学硕士学位论文 下降沿) ，从而使得过零点的捕获实现起来比单片机容易的多。 ( 2 ) 采样模块 在此模块中实现对电网数据的实时采样。根据p w m 波计算要求，采样周 期定为1 5 6 u s ，频率为工频的1 2 8 倍，也就是说载波频率到达1 2 8 5 0 = 6 也： 左右，载波频率如此高可以减少输出的谐波成分。 ( 3 ) 滤波模块 在此模块中采用非递归型数字滤波器滤掉采样的毛刺信号。这一功能模块 中需要完成的运算量比较大。非递归数字滤波器是将输人信号和滤波器的单位 冲激响应作卷积和而实现的一类滤波器，它可以完全滤除掉信号中频率为基波 频率整数倍的各种成分。该滤波方法可按式( 4 1 ) 实现： y o t 2 磊 互气。互一_ i ( 4 1 ) 其中，t 为采样间隔， i ) 为带通滤波器的单位冲激响应。 该滤波器有正弦型和余弦两种，在st f f 叮c o m 装置中我们采用余弦型带通 滤波器，一个工频周期内采用1 2 8 点，则z = ( 2 0 1 2 8 ) m s ，即在一个工频周期 ( 2 0 i l l s ) 内分成1 2 8 个间隔为3 6 0 。1 2 8 ，各系数为0 0 s ( 3 6 0 。1 2 8 ) 。其中h ( 1 2 8 r ) 和h ( 0 t s ) 是不连续点，取1 2 ，该滤波器滤波效果好，但运算量大，需要通过查 表实现。 ( 4 ) 计算模块 计算模块包括以下子程序 ( a ) 交流量的检测( 电压、电流的有效值，无功功率等) s 豇叮c o m 起到良好补偿效果的首要条件是根据装置具体功能的据要，准 确、实时地检测计算出无功信号，并根据参考值产生相应的脉冲信号去控制主 电路的开关器件。需要检测的变量包括系统变量( 如三相系统的电压、电流) 和 装置的有关变童( 如逆变器输出的补偿电流、直流侧电容电压等) 。这些检测信 号和给定( 参考) 输人量将被进行适当的处理，以获得良好的稳态和动态性能。 本文所研究的s r c o m 拟采用建立在三相四线制电路基础上的基于瞬时 无功功率理论的i p i q 检测法，当不考虑三相系统不平衡时，只需检测无功电流， 4 7 江苏大学硕士学位论文 则只需将图4 - 5 中的i q 进行反变换即可。但电力系统经常运行在不平衡状态下， 所以s t f f 玎c o m 需要滤除三相不平衡系统中的所有有害电流，包括无功电流、 谐波电流和负序、零序电流，故在检测回路中应断开，无功电流i q 的计算通道。 检测原理图如图4 5 所示 图中 图4 - 5s t a t c o m 有害电流捡测原理图 - 历 1一三一1 22 o 一鱼一鱼 22 c 2 ( 兰三二：) i c 0 s w f s l nw fj ( 4 2 ) ( 4 3 ) 在i p - i q 法中，为了消除电压畸变对检测的影响，采用锁像环p l l 和正余弦 发生器来获得与a 相电压同相位的正余弦信号。s i n 埘和c o s w t 在不对称三相电 路中，负载电流瞬时值用i a ，i b ，i c 表示，它包括正序，负序和零序电流分量： 之一屯+ 乞+ 屯一2 - 【l 蛳+ ) + 乞s 撕+ ) + k 蛳+ ) 】 7 ( 4 4 ) 。1 1 6 + 2 6 + 0 0 6 2 j 丑l s i i l + 一1 射) + l 蛳+ + 1 打) + k 蛳+ ) 】 百 ( 4 5 ) 江苏大学硕士学位论文 l c2 1 1 c + 0 2 c + o c t 2 罗h 蛳+ + 1 撕) + l 蛳+ 一1 射) + k s 嘶删+ ) 】 7 ( 4 6 ) 将三相电流变换到口，相 阶层 1一三一1 22 o 鱼一鱼 22 一 匝