多模型电压控制法

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引言

静止同步补偿器（STATCOM）可以有效补偿无功功率，维持接入点的电压稳定，从而达到改善电能质量的目的［1-3］。相比传统的静止无功补偿器（SVC），STATCOM具有更好的无功功率特性［4］和电压稳定特性［5］，近年来逐渐成为研究的热点。STATCOM的主要目标是通过无功补偿实现接入点电压的稳定［6］。为了达到这个目的，文献［7］采用双闭环PI控制器，该方法采用了电压外环和电流内环相结合的控制方法，通过PI调节器可以实现无稳态误差的无功电流跟踪控制，但必须设计多个PI控制器，结构复杂，难以实现。为此，文献［8］提出了一种基于瞬时功率平衡理论的STATCOM直接电压控制方法，该方法省去了双闭环控制中的电流内环，减少了PI控制器，使控制器的设计更为简单。然而，STATCOM具有非线性的特性，其等效参数在运行过程中会发生变化，仅依靠PI控制器难以满足电压控制的精度要求。为了适应其非线性特性，近年来，提出了多种智能控制方法，如模糊PI控制［9］、神经元自适应PI控制［10］、基于遗传算法的PI控制［11］以及粒子群优化PI控制［12］等。模糊PI控制和神经元自适应PI控制能够根据系统性能要求自动调整PI参数，但是模糊PI控制器的参数整定规则需要通过现场调试和专家经验获得，而神经元自适应PI控制则需要较长的时间来训练神经元。基于遗传算法的PI控制虽然能够获取PI参数，但是收敛较慢，运行时间较长。粒子群优化PI控制可以快速得到最优解，但是容易陷入局部最优。上述方法仅能够克服STATCOM的非线性特性，当冲击性负载发生变化，导致接入点电压的幅值发生变化时，采用上述方法难以使接入点电压达到稳定值，从而影响了电压的补偿精度。本文针对系统接入的冲击性负载的不确定性，提出了一种基于多模型PI的STATCOM直接电压控制方法。该方法根据系统接入冲击性负载后接入点电压幅值的降低范围，建立多个模型。对于每个模型预先设定好相应的直流电压PI控制器与交流电压PI控制器参数，然后根据瞬时检测到的电压降低幅值切换PI参数。仿真结果表明，基于多模型PI的控制方法在不同的冲击性负载下均能迅速地稳定接入点的电压，具有较快的速度和较高的精度，获得了满意的控制效果。

1基于瞬时无功功率理论的直接电压控制

方法STATCOM接入系统的单相电路图如图1所示。由图可知，STATCOM是由电压源逆变器以及与之对应的联接变压器和输出滤波器组成的。图中，Us、Rs、Ls分别为系统电压、线路电阻和电抗，Rf和Lf分别为联接变压器和输出滤波器的等效电阻和电抗，Cdc为直流侧的电容值，Upcc为接入点的电压值。下面基于瞬时无功功率理论采用直接电压控制方法，实现了dq坐标系中电流id、iq到电压ed、eq的转换。其中，Pe、Qe分别为逆变器输出的有功功率和无功功率；P0、Q0分别为流向配电系统及负荷的有功功率和无功功率；Pf、Qf分别为输出滤波器和联接变压器消耗的有功功率和无功功率（如图2所示）。根据功率平衡原理，逆变器输出功率应等于注入系统的功率和输出滤波器及联接变压器等效电阻、电抗与电容消耗的功率之和，即：

2基于多模型PI控制器的STATCOM

2.1根据接入点电压变化建立模型的基本原理接入点电压变化的主要原因是负载的变化，此外电源侧电压的波动也会导致接入点电压的变化。本文主要研究负载变化导致接入点电压的变化，并以此为模型划分的依据。当STATCOM接入系统时，单相等效电路如图3所示。其中，Uc为STATCOM的输出电压。从式（17）可以看出，接入点电压Upcc的幅值变化与系统电压Us、STATCOM输出电压Uc以及接入的冲击性负载Zli有关。当系统电压Us、STATCOM输出电压Uc不变时，冲击性负载Zli的变化可以导致接入点电压Upcc的变化，即冲击性负载Zli的大小决定了接入点电压Upcc的幅值降低的幅度。因此，要适应冲击性负载的变化，维持接入点电压Upcc的幅值保持恒定，可以通过调节STATCOM输出电压Uc的大小来实现。由此可以得到建立模型的基本原理就是根据接入点电压Upcc的幅值降低的大小来划分模型。对于Upcc降低较大的模型，采用较高的STATCOM输

2.2STATCOM输出电压Uc与PI控制器参数的关系STATCOM输出电压Uc的调节可以通过调整P控制器参数来实现。直流侧电容电压参考值U*dc与实际测量值Udc的误差经过直流电压PI控制器调节后形成有功电流信号id，接入点电压参考值U*pcc与实际测量值Upcc的误差经交流电压PI控制器调节后形成无功电流信号iq，即可由式（19）和（20）表示：由此可见，调节直流电压PI控制器参数Kpd、Kid和交流电压PI控制器参数Kpq、Kiq，可以起到调节有功电流信号id和无功电流信号iq的作用，从而达到调节STATCOM输出电压Uc的目的。因此，对于不同的冲击性负载Zli，即不同的接入点电压Upcc的降低幅值，可以采用不同的直流电压PI控制器参数与交流电压PI控制器参数，使接入点电压Upcc保持稳定。当系统各元件参数确定时，便可以根据接入点电压Upcc的变化，对划分的每个模型来确定相应的直流电压PI控制器参数和交流电压PI控制器参数。

2.3多模型PI控制器根据2.1和2.2节的分析，可以得到多模型PI控制策略见图6。其中虚框部分为多模型PI控制器。对于STATCOM的电压控制，首先根据系统接入不同冲击性负载后接入点电压Upcc的降低幅值大小，将系统划分为多个模型Mi（i=1，2，…，n），然后对于每个模型分别设计直流电压PI控制器PIdi（i=1，2，…，n）与交流电压PI控制器PIqi，使PIdi与PIqi在对应的Mi中具有良好的控制效果。STATCOM系统运行时，根据检测到的Upcc的降低幅值，切换到对应的控制器PIdi与PIqi，以达到理想的控制效果，使接入点电压Upcc保持稳定。模型划分情况见表1。

3仿真研究

为了验证基于多模型PI的STATCOM控制策略在不同的冲击性负载下都具有良好的接入点电压恢复速度和精度，本文将其与传统的PI控制策略进行比较。利用MATLAB／Simulink对STATCOM系统进行了仿真研究。仿真电路的参数如下：系统电压Us＝220V，系统频率f＝50Hz，线路电感Ls＝2.25mH，线路电阻Rs＝0.85Ω，输出滤波器等效电感Lf＝2.5mH，输出滤波器等效电阻Rf＝0.01Ω，输出滤波器等效电容Cf＝5μF，直流侧电容Cdc＝8000μF，直流侧电容电压Udc＝350V，调制三角波频率fs＝10kHz，接入点额定电压最大值Upcc＝120V，直流侧电容电压参考值Ud*c＝330V，接入点电压参考值Up*cc＝130V。a.当接入点电压Upcc幅值降低较小，需要较小的STATCOM输出电压Uc时，可以采用较大的id值和较小的iq值，即采用较大的直流电压PI控制器的参数Kpd、Kid，而采用较小的交流电压PI控制器的参数Kpq、Kiq；b.当接入点电压Upcc幅值降低较大，需要较大的STATCOM输出电压Uc时，可以采用较小的id值和较大的iq值，即采用较小的直流电压PI控制器的参数Kpd、Kid，而采用较大的交流电压PI控制器的参数Kpq、Kiq。因此根据上述PI参数整定规则，可以得出各模型所对应的PI参数如表2所示。仿真中所采用的传统PI控制方法的PI参数与表2中电压跌落幅值在（5%～10%）Upcc时参数一致。仿真中的STATCOM均在0.03s时投入使用，图中的纵轴均为Upcc的标幺值。图7给出了0~0.12s的时段内，接入冲击性负载后电压降低5.8%时，2种方法的补偿效果图。可见，由于传统PI控制和多模型PI控制均采用同一组PI参数，因此补偿效果一致，都能使接入点电压在一个周期内恢复到1p.u.。图8和图9分别给出了在0~0.12s的时段内，接入冲击性负载后电压跌落12%和16.5%时，2种方法的补偿效果图。可以看出，随着冲击性负载的变化，传统PI控制已经无法适应，未能使接入点电压恢复到1p.u.，并且电压在1.5个周期后才能达到稳定；而采用本文提出的多模型PI控制后，由于采用了与模型相适应的PI参数，使STATCOM输出电压提高，接入点电压在一个周期内恢复到1p.u.附近，既满足了速度的要求，同时也满足了精度的要求。表3给出了电压降低到不同幅值时，2种方法的电压恢复能力比较。可见，传统PI控制没能达到恢复接入点电压的目标，且随着电压降低深度的增加，电压恢复能力逐渐降低；而采用多模型PI控制后，尽管电压降低深度逐渐增加，但是STATCOM维持接入点电压的能力却没有降低，电压降低始终维持在标幺值的3%以内，具有良好的电压控制性能。

4结论

针对STATCOM在稳定接入点电压时传统PI控制方法的不足，提出了基于多模型PI的STATCOM直接电压控制方法。该方法既保留了PI控制器结构简单、计算时间短的优点，又利用多模型的控制方法，实现了控制器对于不同冲击性负载的适应。通过仿真研究，在接入点电压补偿的速度和精度方面，对传统PI控制方法和多模型PI的控制方法进行了比较分析，发现在多模型PI控制下，对于不同的冲击性负载，STATCOM均能够快速准确地补偿接入点电压，使其降低幅值稳定在3%以内，从而证明了多模型PI控制的有效性和优越性。