基于模糊控制策略的UPQC及其MATLAB仿真

基于模糊控制策略的UPQC及其MATLAB仿真 基于模糊控制策略的UPQC及其MATLAB 仿真 第29卷第3期 V01.29No.3 济宁学院 JournalofJiningUniversity 2008年6月 Jun.20o8 文章编号:l0o4一l877(2008)03—002l—03 基于模糊控制策略的UPQC及其MATLAB仿真 李光叶,高庆争 (济宁学院物理系,山东曲阜273155) 摘要:针对电力系统的强非线性,强不稳定特性,在统一电能质量调节器(UPQC)中 引入了模糊控制策 略,理论分析和仿真结果均表明,该策略可以提高UPQC的稳定性和性能鲁棒性. 关键词:UPQC;模糊控制;MATLAB仿真 中图分类号:TM76文献标识码:A 1,引言 传统的UPQC控制方法有单周控制方法,无差拍控制 策略以及PI控制器等.无差拍控制策略是一种建立在精 确数学模型与严密推导之上的状态反馈控制,易受温度和 运行条件的影响,并且计算量较大,软件的编写复杂,不宜 实现计算机控制J.单周控制方法虽然在计算量方面有 了一定的改进,但是它要求电路参数必须精确,即积分器 的时问常数必须准确,并且在一个开关周期内电流基本保 持不变.当上述要求无法满足的时候,就会在电路中引入 电流直流分量.但事实上,由于实际电路存在偏差,老化, 时漂,温漂等因素;电源电流i.在一个开关周期内,只能 近似的认为不变,而实际上是时刻变化的,因此上述要求 很难精确实现. 传统的PI控制器由于其算法简单,可靠性高,被广泛 应用于UPQC的APF的控制中,但是PI控制属于线性控 制,鲁棒性差,很难适应于电力系统这样强非线性,强不确 定性的系统,从而导致其抗干扰能力差,影响系统可靠性 的提高.随着自动控制理论和技术的飞速发展,基于状态 变量描述的现代控制理论得到了广泛的应用,但依赖于系 统精确的数学模型,较难在电力系统中得到很好的控制效 果. 本文根据智能控制不需要精确的数学模型以及鲁棒 性强等特点,提出了基于模糊控制策略(FuzzyContro1)的 . UPQC.模糊控制不需要确切了解对象的数学模型,只需 根据人们由日常控制经验做出的一些控制规则进行控制, 于"模糊"中体现"精确",即其最大优点是不依赖于被控 对象的精确数学模型,能够克服非线性因素的影响,对调 节对象的参数变化具有较强的鲁棒性,动态响应好,可以 很好地抑制超调,比较适合于电力系统这种强非线性,强 不稳定性的系统.同时模糊控制还易于实现数字化.以 上这些特点使得模糊控制在UPQC研究领域具有广阔的 发展前景. 2,UPQC的模糊控制 日本学者Akagi于1996年提出了新的补偿装置系 统——统一电能质量调节器(UnifiedPowerQualityCon. troller,UPQC). 该装置的结构是由两个通过电容器耦合的背靠背电 压型变流器组成(如图1所示),一侧通过变压器串联入 电网,另一侧与电网并联.实际上即是,串联型有源电力 滤波器和并联型有源电力滤波器的组合,通过适当的补偿 控制策略,不但可以快速补偿供电电压中的骤升,骤降,波 动,闪变和各相电压的不平衡以及故障时的短时供电中 断,且能补偿负载产生的谐波和无功功率.与几年前相 比,UPQC在拓扑结构,补偿量检测及控制等方面得到了 广泛的研究,并有长足进展J. ?】一 从目前国内外的研究看,UPQC已经成为电能质量调 节领域的前沿.其相关技术和实验研究主要集中在日本, 德国和美国等少数发达国家,研究重点主要集中在内部机 收稿日期:20o8—04—03 作者简介:李光叶(1978一),男,山东新泰人,济宁学院物理系助教,硕士,主要研究方 向:电力,电子与电力传动. 一 21— 理分析上,并取得部分成果.模糊控制技术是一种由模糊 数学,计算机科学,人工智能,知识工程等多门科学领域相 互渗透,理论性很强的科学技术,实现这种模糊控制技术 的理论称之为"模糊控制理论".模糊控制是一种自动控 制系统,它是以模糊数学,模糊语言形式的知识和模糊逻 辑的规则推理为理论基础的数字控制系统. 图2所示为UPQC并联侧模糊控制结构.图中i为 补偿量检测环节算出的电流补偿量,i为并联侧注入电网 图2UP0C并联憔糊控制结构图 的实际补偿电流.串联侧的模糊控制结构图与并联侧相 似 图2中模糊控制器的具体结构原理可用图3表示. 图中K表示偏差的量化因子,K表示偏差变化率的量化 图3模糊控制器结构原理图 因子,Ku表示输出控制量比例因子. 模糊控制器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 步骤如下: 1.精确量的模糊化处理 令偏差e的语言变量为E,偏差变化率e的语言变量 为E,输出I1的语言变量为U.对于上面三个语言变量, 采用"正大"(PB),"正中"(PM),"正小"(PS),"零" (O),"负小"(NS),"负中"(NM)和"负大"(NB)等7个 语言变量值构成一个模糊子集来描述.设定偏差,偏差变 化率和输出所取的模糊集的论域为{一6,一5,,4,一3,一 2,一1,0,1,2,3,4,5,6},但实际中三个变量的变化范围一 般不会在上述论域的范围内,这就需要进行转化,公式为: y=(一)(1), y(一丁( 式中X表示输入输出变量的实际值,a,b表示实际值 的上,下限.这个过程称为输入输出的量化.对应上述7 个语言变量值描述的模糊子集,在模糊论域[一6,6]上的 精确量可以用模糊子集表示,如E=一6可用NB表示;E =4可用PM表示等.量化值经模糊语言变量隶属度曲线 得到模糊量.本文采用三角形隶属度函数(如图4所 示). 鹫4输入输出变量的隶属度函数曲线 根据图4可得语言变量E,E和U的隶属度赋值表, 如表1所示.表中(X)为论域中各精确值隶属于各模糊 一 22一 语言值的程度. 表1输入输出变量的隶属度赋值表 .6.5?3.2.1123456 1O5 O5O5 语O5O5OO 由 舀OO51O5 值PSOO5l PMOOO51O.5 PBOOO51 2.模糊规则和模糊推理 模糊规则是基于手动控制策略,而手动控制策略又是 人们通过学习,试验以及长期经验积累而逐渐形成的,存 储在操作者头脑中的一种技术知识集合.建立模糊控制 规则的基本思想是:当偏差大或较大时,选择控制量以尽 快消除偏差为主;而当偏差较小时,选择控制量要注意防 止超调,以系统的稳定性为主要出发点. 结合图2在本文中具体模糊规则的建立过程如下:首 先考虑当偏差E为负的情况,当偏差E为负大时,且偏差 变化率E为负,这时注入电网的实际补偿电流i大于补 偿量检测环节算出的电流补偿量i,且偏差有继续增大 的趋势,为尽快消除已有的负大偏差并抑制偏差变大,输 出控制量U取负大,从而降低变流器的输出,减小电流i.; 当偏差为负而偏差变化率为正时,系统本身已有减少偏差 的趋势,为尽快消除偏差且又不超调,应取小的控制量. 当偏差为负小时,系统接近稳态,若偏差变化率为负时,选 取控制量为负中;若偏差变化为正时,系统本身有消除负 小偏差的趋势,选取控制量为正小.当偏差为负中时,即 介于负大和负小之间,控制量的选取也介于上述选取的控 制量. 偏差为正时与偏差为负时相类似,只是相应的符号需 要变化,不再赘述.基于上述的规则,可得到用于UPQC 系统的模糊控制规则表,如表2所示.模糊控制器中的模 糊推理采用Mamdani推理法. 表2模糊控制规则表 E( U NBNMZPSPMPB NBNBNBNMNMNSNsZ NMNMNSNSZPS NMNMNSNSZ ENMNRPSPM PSNSPSPSPM PMZP8PS矾IPB PBZP3州f?? 3.清晰化(解模糊) 本文设计的模糊控制器的解模糊方法采用重心法. ?)? "=c三一一一 n ?)f=l 并选取隶属度函数作为加权系数.判决结果可表述为: 式中;11为输出量模糊集U中的各元素;(I1;)为I1. 的隶属度. 此计算得到的控制量I1,还不能直接控制对象,还 必须将其转换到控制对象所能接受的实际论域中.为此 引入比例因子Ku,Ku×U即为最终的实际控制量U. 将上述步骤都设计完毕后,就可以根据语言变量E和 EC的论域量化等级,并基于上述的模糊控制规则表,采用 上述的模糊推理与解模糊的方法,得到一个模糊控制查询 表.由模糊控制器在线查询,构成了UPQC的模糊控制系 统.本文根据上述原理搭建了基于模糊控制的UPQC仿 真模型 喜恤 图5UPQC的仿真模型 3,UPQC的模糊控制仿真模型 仿真模型如图5(a)所示.图中三相计算补偿电流和 三相基波正弦电压可通过补偿量检测模块计算得到;而三 相实际补偿电流和三相电网电压可通过狈0量模块测得; PWM环节采用SPWM方法.图中的模糊控制器模块的内 部结构如图5(b)所示. 按照前述模糊控制器设计步骤,本文利用MATLAB 模糊控制工具箱设计了用于UPQC的模糊控制器,如图6 所示.隶属度函数采用如图3所示的三角形隶属度函数, 模糊控制规则如表2所示,模糊推理采用mamdani方法, 清晰化方法采用重心法. 图6MATLAJ3中构建的模糊控制器 4,实验结果及分析 图7所示为模糊控制下电网电压跌落的补偿波形,电 网电压在0.5s时刻发生跌落,从图中可以看出,电压跌落 仍能在一个周期内得到恢复,谐波含量在3.2%,虽略高 于在传统控制方法下的2%,但总的来说模糊控制已经能 满足要求.图8所示为并联侧逆变器出口的电容由1tLF 改为1.5jxF,电阻由1OQ改为15Q时,电流补偿效果的对 比.可以看出两个波形几乎一样,补偿性能基本没有受到 影响. 圈日(a)补偿届负载电压波形【b,C相负载电压FFT 图7模糊控制策略下电网电压跌落补偿效果及FFr分析 (a)逆变器出口侧的电容为lF,电阻为lOn (b,逆变器出口侧的电容为15tLF电阻为l5n 图8系统参数改爱时电流补偿效果对比 5,结论 本文对基于模糊控制策略的统一电能质量调节器进 行了详细的原理分析,并给出了仿真模型,通过原理分析 和仿真波形验证,在加入扰动后(实验中采用电压跌落), 电网电压能在一个周期内恢复,并且当电路参数发生变化 时补偿电流基本没有发生变化,可见该方法实时性较好, 且具有较强的抗干扰能力.因此模糊控制策略能很好的 适应电力系统的强非线性和强不稳定性. 参考文献: [1]陈超,电能质量综合补偿装置控制方法研究:[硕士学位 论文],天津:天津大学,2006. [2]刘曙光,魏俊民,竺志超,模糊控制技术[M],北京:中国 纺织出版社,2001,59,84. [3]Hirofumi,Akagi,Newtrendsinactivefiltersforpowercon— ditioning[J],IEEETransonIndustryApplication,1996, 32(6):1312,1322. [4]HideakiFujita,HirofumiAkagi,TI1eunifiedpowerquality conditioner:theintegrationofseriesandshunt—activefilters [JJ,IEEETransactionsonPowerElectronics,1998,13 (2):315,322. [5]朱鹏程,李勋,康勇等,统一电能质量控制器控制策略研 究[J],中国电机工程,2004,24(8):67,73. [6]HanB,BaeB,KimH,etal,Combinedoperationofunified powerqualityconditionerwithdistributedgeneration[J], IEEETransactionsonPowerDelivery:Acceptedforfuture publication,2005,PP(99):1,9. [7]王群,姚为正,刘进军,等.谐波源与有源电力滤波器的补 偿特性[J],中国电机工程,2001,21(2):1,4. (下转第26页) 一 23— 值最大来确定].表1给出了48种杂阶组合的最强共价键 上的共价电子对数和相应键距差AD可以发现有45 组键距差AD数量级都是10,,只有三组是10,,分别是 M处于13阶,Az处于4,5,6阶时.那么按照键距差最小的 原则,Az合金实际上可能存在的状态要在这三组中确 定,第18种组合键距差AD最小,只有0.130nm,为最稳 定的状态,而且此时对应强健n也较大,为0.47626,接近 最大值.说明原子之间结合牢固,合金相不易分解重构,有 利于相的稳定. 4结论 1型有序衍生结构M.Az在一级近似下可能存在的 价电子组态有48种,当采用合金化或热处理等手段处理 时,合金相的原子由空间向其他杂阶迁移,结构保持不变, 但是微观电子的变化必然影响宏观力学性能,这为合金的 设计和改性提供了可能..Az合金最稳定的状态是:的 杂阶为A:13,Az的杂阶为A:4. 参考文献: [1]孙岩,刘瑞岩.NiA1基金属间化合物的研究进展[J].材料 导报.2003.7.10—12 [2]张瑞林.固体与分子经验电子理论[M].长春:吉林,科学 技术出版社,1993,1—90. [3]刘志林.合金价电子结构与成分设计[M].长春:吉林科 学技术出版社,1990,1—29. [4]刘志林,孙振国,李志林.余氏理论和程氏理论在合金研 究中的应用[J].自然科学进展,1998,8(2):150. [5]LiuZhilin,SunZhengguoandLiZhilin.Progressinnatural science,1998,8(2):134. [6]杨锐.界面在多相金属间化合物合金形变过程中的应用 [J].金属,1997.1. [7]范润华,刘冰,孙戈红.化学计量成分NiA1合金的价电子 结构[J].山东大学(工学版).2004.2.vo134.No1. [8]高英俊,李云雯.A1一Mg—Si合金的价电子结构分析 [J].湖南文理学院(自然科学版)2003.12.Vol15.4 (责任编辑程杰) ValenceelectronstructureofNi3AI LIUDan (Departmentofphysics,JiningUniversity,Qufu273155,Shandong) Abstract:ValenceElectronstructures(YES)ofL12orderedNi3A1aretheoreticallyinvestig atedbasedonthe EmpiricalElectronTheoryofSolidsandMoleculars(EET).Thereare48EETatomstatestomeetthecriterion thatbondlengthdifferenceislessthan0.005nmforeachstate.Themoststablestate,withthesh ortestbond length,isachievedwhenNiatomisinA:13hybridlevel,andA1in4hybridleve1. Keywords:NiA1intermetallic;empiricalelectrontheoryofsolidsandmoleculars;valenceel ectronstructure (上接第23页) [8]阮立飞,张万峰.三相并联有源滤波器的模型与 控制[J],电气传动,2002,32(3):36,38. [9]何娜,武健,徐殿国,模糊控制理论及其在有源电 力滤波器中应用的综述[J],电气传动,2006,36 (7):3,6. [10]裴玮,统一电能质量调节器控制方法研究:[硕 士学位论文],天津;天津大学,2005. (责任编辑程杰) TheUPQCBasedonFuzzyControlMethodandItsSimulationbyMATLAB LIGuangye,GaoQingzheng (Departmentofphysics,JiningLhiversity,Qufu273155,Shandong) Abstract:AfuzzycontrolmethodisusedonUPQCinordertosolvethestronginstabilityandstr ongnonlineari— tyinthepowersystem.Boththetheoreticalanalysisandthesimulatedresultprovedthatthefuz zycontrol methodcanimprovethestabilityandrobustness. Keywords:UPQC,FuzzyControl,MatLabsimulation 一 26—