第第頁交流系統(tǒng)電壓波動和閃變調(diào)節(jié)與控制問題研究【摘要】研究了基于STATCOM無功補償?shù)慕涣飨到y(tǒng)電壓波動和閃變調(diào)節(jié)與控制問題，建立了STATCOM在d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，提出了基于直接電流控制策略的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑模控制方法。該控制方法采用電壓外環(huán)滑模控制和電流內(nèi)環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂频碾p環(huán)控制策略，克服了傳統(tǒng)PI控制不能自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)的缺點，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。在電壓波動和閃變惡劣條件下STATCOM能夠快速響應(yīng)、控制品質(zhì)好，交流系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作；控制性能比PID控制好。

【關(guān)鍵詞】交流系統(tǒng)；STATCOM；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；滑?？刂?/p>

0.引言

交流系統(tǒng)電壓波動和閃變問題嚴重威脅著系統(tǒng)的安全高效運行。靜止同步補償器（STATCOM）在交流系統(tǒng)電壓波動和閃變調(diào)節(jié)與控制中能有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功以解決電壓波動與閃變、三相電壓不平衡等電能質(zhì)量問題，從而吸引了大批研究學(xué)者的研究熱情，推動了該領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展與進步[1]。

目前較為傳統(tǒng)的補償方式是SVC，其原理就是為了實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?，而利用電弧爐和TCR補償裝置，使其吸收的電流值和盡量的小，來達到抑制閃變的作用[2]。由于補償容量會受到裝置本身的影響，所以在連續(xù)投切電容器組的時候會產(chǎn)生非常多的諧波。電弧爐工作時，其電流往往會發(fā)生急劇的變化，SVC的感應(yīng)速度又比較慢，響應(yīng)速度和補償容量一會對閃變的抑制效果產(chǎn)生影響[2]?？梢匝杆俜磻?yīng)的STATCOM裝置，可以將無功功率穩(wěn)定迅速吸收，校正功率因數(shù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓。由于具有如此多的優(yōu)勢，STATCOM也正在成為新的研究的熱點[3]。

由于STATCOM是一個非線性系統(tǒng)，其控制方法也相對復(fù)雜。使用PI控制，采用非線性魯棒控制。然而PI控制參數(shù)難以確定，并且其對參數(shù)變化以及擾動也非常敏感；而非線性魯棒控制設(shè)計過程非常復(fù)雜；相對而言，滑?？刂聘菀讓崿F(xiàn)，且對模型參數(shù)的變化和外部擾動具有較強的魯棒性。實質(zhì)上，滑?？刂剖欠蔷€性控制的一個特殊的情況，不連續(xù)性的控制輸入是其非線性的一個表現(xiàn)，而在一個動態(tài)的過程是，是可以依據(jù)系統(tǒng)的不同狀態(tài)，可以做有目的性的并且不停的變化的控制輸入量，這樣以來可以令滑動模態(tài)的狀態(tài)軌跡按照系統(tǒng)預(yù)定做軌跡運動。所以本文采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的方法設(shè)計STATCOM的無功補償控制策略。

本文主要研究基于STATCOM無功補償?shù)慕涣飨到y(tǒng)電壓波動和閃變調(diào)節(jié)與控制問題。采用直接電流控制[2]，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與滑?？刂葡嘟Y(jié)合的方法。通過建立控制對象的滑模等效控制器，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等效控制與切換控制以實現(xiàn)STATCOM自適應(yīng)控制。最后通過數(shù)值仿真驗證了所提出方法的有效性。

1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破髟O(shè)計

在STATCOM的控制中，應(yīng)用比較普遍和適用的方法是雙閉環(huán)電流控制方法，選擇內(nèi)外環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)指直流電壓環(huán)，通常采用形式比較固定的反饋PI控制，但是本文創(chuàng)新性地采用滑?？刂苼韺崿F(xiàn)外環(huán)電壓指令的自適應(yīng)控制。內(nèi)環(huán)指的是無功電流環(huán)以及有功電流環(huán)，直流電壓外環(huán)的輸出作為有功電流控制的參考輸入。本文針對的主要是內(nèi)環(huán)控制，即將有功電流和無功電流作為輸入。由于本文將電流環(huán)作為控制的重點，所以在電壓環(huán)只采用傳統(tǒng)滑?？刂频脑O(shè)計方案。本文利用RBF對切換增益進行估計，并利用切換增益消除干擾項，從而消除抖振，使得對負載干擾和參數(shù)變化具有很好的魯棒性。

2.仿真實驗與結(jié)果分析

為了探討交流系統(tǒng)電壓波動和閃變的抑制在實際工程中應(yīng)用的可行性，利用科學(xué)研究軟件MATLAB建立了的基于STATCOM的交流系統(tǒng)電壓波動和閃變抑制模型，并對比了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂婆c傳統(tǒng)PID控制在系統(tǒng)電能質(zhì)量控制方面的性能。

在穩(wěn)態(tài)運行時STATCOM調(diào)節(jié)無功電流來維持直流側(cè)電壓有名值的恒定。如果電源產(chǎn)生的電壓高或低于系統(tǒng)電壓、STATCOM生成（或吸收）無功功率。無功功率的數(shù)量取決于電源電壓大小和變壓器漏電抗。本節(jié)采用上述基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑模自適應(yīng)控制的直接電流控制策略進行系統(tǒng)性能仿真。

當(dāng)系統(tǒng)電源電壓突變時，STATCOM迅速反應(yīng)，通過控制交流側(cè)電流來調(diào)整STATCOM功率輸出，以補償交流系統(tǒng)的功率變化，從而達到調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的目的。在STATCOM靜止無功補償調(diào)節(jié)作用下，雖然電源輸出電壓出現(xiàn)了較為頻繁的波動，但是系統(tǒng)電壓能夠平穩(wěn)的保持在額定值上面，為負載提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電能。

進一步，為了深入研究交流系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，STATCOM直流側(cè)直流電壓波形，STATCOM無功調(diào)節(jié)波形。當(dāng)系統(tǒng)電源電壓突變時，STATCOM直流側(cè)迅速反應(yīng)，通過放電與吸收電能來調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓波動；為了抑制電源電壓波動造成系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定的情況，STATCOM大量吸收/釋放無功功率，能量通過直流側(cè)在純電阻態(tài)和純電感態(tài)之間不斷循環(huán)，繼而實現(xiàn)了交流系統(tǒng)的無功功率補償，達到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的目的。

對比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂品椒ê蛡鹘y(tǒng)PID控制方法的控制性能后發(fā)現(xiàn)，在0.1s系統(tǒng)電壓從標(biāo)識值1pu突然降低到0.975pu時，STATCOM迅速釋放補償電能到系統(tǒng)，以平穩(wěn)系統(tǒng)負載電壓；而在0.2s系統(tǒng)電壓波動到1.025pu時，STATCOM迅速吸收系統(tǒng)電能并存儲到直流側(cè)電容原件，從而抑制系統(tǒng)電壓飆升。接著在后來的電壓波動當(dāng)中，STATCOM通過不斷的能量吸收與釋放來為負載提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電能。同時，傳統(tǒng)的PID控制的能量吸收與釋放的持續(xù)時間與快速性不如滑?？刂啤Ｒ虼?，本文所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑模控制具有更好的控制品質(zhì)。

從以上仿真結(jié)果可見，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破骱蛡鹘y(tǒng)PID控制器均能在系統(tǒng)參考指令時變情況下有效補償系統(tǒng)無功功率。但是，由于采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強化學(xué)習(xí)，以及滑?？刂频淖赃m應(yīng)能力，所設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂凭哂斜葌鹘y(tǒng)PID控制器更快的反應(yīng)速度與更優(yōu)的控制效果。所設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破髂軌蛴行аa償系統(tǒng)電壓波動，實現(xiàn)STATCOM系統(tǒng)的高性能控制，且控制性能比傳統(tǒng)PID控制器好。

3.結(jié)論

STATCOM無功補償系統(tǒng)是一個復(fù)雜非線性的控制對象，利用傳統(tǒng)的PID控制器很難得到理想的控制性能。為了提高控制系統(tǒng)控制性能，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破?。創(chuàng)新點在于利用滑?？刂破鲗λ欧到y(tǒng)電壓與電流環(huán)進行控制，并在電流環(huán)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制來優(yōu)化滑?？刂坡桑瑥亩_到消除滑模抖振問題，實現(xiàn)STATCOM系統(tǒng)高精度控制。最后通過MATLAB仿真平臺進行了實驗測試研究，結(jié)果表明所設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破髂軌蛴行Э刂芐TATCOM無功補償系統(tǒng)，保證系統(tǒng)即使在較頻繁電壓波動與閃變情況下穩(wěn)定工作，為負載提供優(yōu)質(zhì)電能，保證交流系統(tǒng)高效可靠運行。■

【參考文獻】

[1]張秀峰，連級三，高仕斌.基于三相變四相變壓器的新型同相牽引供電系統(tǒng)[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26（15）：19-23.

[2]劉玉雷，解大，張延尺.靜止無功補償器用于抑制廠用電系統(tǒng)電壓