基于模糊控制的配电网电压跌落补偿控制策略研究

郑文　张运波　纪秀

摘 要：文章介绍了用于配电网电压跌落补偿的动态电压恢复器（DVR）的基本结构，DVR对逆变器的控制要求，提出基于模糊控制的配电网电压跌落补偿控制策略。经仿真实验验证了其控制性能。

关键词：配电网电压跌落；动态电压恢复器；补偿；模糊控制

随着科技的发展与社会的进步，基于计算机和微处理器为控制核心的各种电力电子设备等敏感负荷，在电力系统负荷中所占比例呈增加的趋势，这些敏感负荷对电能质量的要求越来越高，它们对配电网的电压突變，比传统的设备更加敏感，甚至不能保证正常工作。电压突变是现代电能质量问题中的核心部分，它产生了日益严重的危害，受到了配电网及用户越来越多的关注。

1 动态电压恢复器的系统结构

电压凹陷（Voltage Sag）也称为电压瞬时跌落（Voltage Dip）。根据国际电气与电子工程师协会（IEEE）的定义，电压瞬间跌落是指电力基波电压有效值迅速下降到额定值的10%-90%，持续时间为10ms到几秒钟的电力现象。电压跌落通常以跌落幅值、持续时间和跌落电压的相角跃变来进行描述。

配电网动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer， DVR）是对电压进行补偿的电力电子装置，发生电压跌落时，DVR能在5ms内瞬间做出反应，进行快速补偿。

DVR（图中虚线部分）接入系统的方式如图1所示。其主电路包括储能装置、Delta逆变器、滤波器和串联注入变压器四个部分。Delta逆变器是DVR装置的核心，它接在电网与负载之间起调节电压源的作用。当配电网提供电压与敏感性负荷的需求不一致时（由检测模块实现），由逆变器产生电压来补偿用户侧电压的跌落，保证敏感负荷正常运行。

2 DVR对逆变器的控制要求

当系统电压发生跌落时，逆变器驱动功率模块，输出补偿电压，该电压与电网电压叠加，以保证负载侧电压正常，能够正常工作。逆变器控制策略的选取将会直接影响DVR装置的性能，工业领域常采用线性或者非线性控制方式。保证输出电压与电网电压同频率、同相位、同幅值，而且其输出应是失真度小的正弦波。一般的PID控制适用于线性系统，但DVR的逆变器本身就是非线性器件，对于系统数学模型不明确、参数不稳定的控制对象，线性控制方法有很大的局限性，而基于神经网络、模糊控制等的非线性控制方式则具有更好的适应性。

3 基于模糊控制的配电网电压跌落补偿控制策略

针对DVR装置非线性的特性，同时为了提高DVR控制系统的动态响应速度，改善负载调节特性以及稳定裕度，在DVR控制策略中应用模糊控制。模糊控制具有较强的鲁棒性，对参数变化、非线性因素等均不敏感，可以满足系统负载调节特性。文章提出了将模糊自适应PID控制策略应用于DVR装置的电压补偿模块。

模糊自适应PID控制器以工程人员控制经验总结出的控制规则为核心，基于系统目前的运行状态，由模糊推理、模糊判决、解模糊过程实现对被控对象的在线控制。它能自动调整PID参数Kp、Ki、Kd，实现对PID参数的最优配置，从而获得更强的适应性。建立一个双输入三输出的模糊控制器，其结构如图2所示，选取电网标准电压与敏感性负载电压的偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的两个输入，输出量为PID参数增量ΔKp、ΔKi、ΔKd。设定输入e和ec的模糊集合论域分别为[-1，1]、[-0.5，0.5]，设定输出的参数增量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集合论域分别为[-3，3]，[-3，3]，[-0.2，0.2]。系统输入输出语言变量均选取7个语言值，即：PB（正大）、PM（正中）、PS（正小）、ZO（零）、NS（负小）、NM（负中）、NB（负大）。选择各语言变量论域上用以描述模糊子集的隶属函数为正态分布函数，从而可以得到各模糊变量的赋值。

在DVR装置中，通过配电网电压跌落检测模块进行电压跌落的判断与检测，利用模糊控制算法对逆变器进行控制，实现对电压跌落的补偿，其仿真系统图如图3所示。

4 结束语

在Matlab环境下进行仿真实验表明，当电源电压0.05s时发生25%电压暂降，通过模糊自适应PID控制进行电压补偿，负载侧0.05s时电压补偿到暂降前电压的95%，0.06s时补偿为暂降前电压值，近1/4周期即实现完全补偿。模糊自适应PID控制的稳定性好，稳态误差小，响应速度快，对系统参数变化具有较好的鲁棒性。可见，将模糊控制应用于配电网电压跌落补偿控制是可行有效的。

作者简介：郑文（1972-），女，硕士，教授，主要从事电力系统及其自动化方面的研究。