燕山大學(xué) 會(huì)議

基于變論域模糊PID控制的SVC對(duì)改善多機(jī)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定

的研究林弘，楊偉（南京理工大學(xué)動(dòng)力學(xué)院江蘇南京210094）摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的靜止無功補(bǔ)償器的控制方法對(duì)維持節(jié)點(diǎn)電壓的不足之處，本文提出了基于變論域的模糊PID的控制方法，該方法是將傳統(tǒng)的PID控制和模糊控制結(jié)合，使之具有模糊控制靈活，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有PID控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，利用MATLAB軟件對(duì)三機(jī)電力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果表明，與常規(guī)的PID控制相比，變論域的模糊PID控制能夠有效的減小系統(tǒng)超調(diào)，提高節(jié)點(diǎn)電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：多機(jī)系統(tǒng)；模糊PID；靜止無功補(bǔ)償器（SVC）；暫態(tài)穩(wěn)定；數(shù)值仿真0引言靜止無功補(bǔ)償器（staticvarcompensator,SVC）［1-2］由于能夠提供連續(xù)變化的感性和容性無功功率，在給定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電壓控制，多年來被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。作為電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓支撐的重要手段，設(shè)計(jì)出高性能的SVC控制器已經(jīng)成為電力系統(tǒng)工作者的一個(gè)研究重點(diǎn)。在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量采用的控制方法是常規(guī)的PID控制，由于許多被控對(duì)象受負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)易發(fā)生改變，常規(guī)的PID控制往往不能起到很好的控制效果。模糊控制是一種典型的智能控制被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域中，它可以不依賴被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，能夠克服不確定因素帶來的影響，能使系統(tǒng)具有很好的魯棒性⑶；模糊PID是以傳統(tǒng)的PID控制為基礎(chǔ)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件，操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，然后根據(jù)實(shí)際情況，運(yùn)用模糊推理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。文獻(xiàn)［4］利用SIMULINK工具箱建立了SVC模型，在兩機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行了仿真，但控制效果一般。文獻(xiàn)［5］利用SIMULINK工具箱給出了SVC詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，并利用模糊PID控制方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊仿真。文獻(xiàn)［6］提出了將模糊控制和變結(jié)構(gòu)控制現(xiàn)結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了SVC對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的控制，但只是針對(duì)單機(jī)系統(tǒng)。由于電力系統(tǒng)受擾動(dòng)后參數(shù)變化大的特征，本文提出基于變論域的模糊PID控制方法，使所選論域隨著系統(tǒng)參數(shù)變化范圍的變化而改變，通過matlab數(shù)值仿真，仿真結(jié)果表明該方法能夠大大的提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型典型的3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)如圖1所示，圖中安裝了靜止無功發(fā)生器（SVC）。圖1含SVC的多機(jī)系統(tǒng)Fig.1multi-machinewithSVC如果以常規(guī)PID控制方式控制SVC，其控制模型如圖2所示。圖2SVC控制模型Fig.2SVCcontrolmodel則SVC的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可以描述為:

和ec值之間模糊關(guān)系:TOC\o"1-5"\h\z與=—(-x+u-u)dtT1 ‘° '1~=—[一x+kx+b3(一x+U一u)]<dt T 2 b1 T 1i。 idX3=—(—x+B+x)

dt T 3 TCR0 2B2 =B<BITCRmin 3TCRTCRmax此時(shí)，SVC向節(jié)點(diǎn)i發(fā)出的無功功率為：Q=u2B同步發(fā)電機(jī)采用三階實(shí)用模型，發(fā)電機(jī)模型可

當(dāng)|e|較大時(shí)，七應(yīng)較大而kd應(yīng)較小，這樣可以使系統(tǒng)響應(yīng)加快，并令k=0以免出現(xiàn)過大的超調(diào)；當(dāng)|e|中等時(shí)，k應(yīng)較小，使超調(diào)較小，k和k的取值應(yīng)適當(dāng)；當(dāng)|e|較小時(shí)，k和k應(yīng)較大，使系統(tǒng)具有較用以下微分代數(shù)方程描述:好的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)，kd應(yīng)適當(dāng)，避免在平衡點(diǎn)附式（2）中u=E'—XIqiqididi5=①一①i0①D=—0-P一-T(①一①)Mim.iMi0,E11=—- E十qiT'qiT'd0id0i，P=EI—(Xei一X，Vfi)I；diu廣X"①—TTPM藥i1.①(2)qiqi diqidiqidi di壓；P為原動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率，P=const.。E，為發(fā)電機(jī)q軸暫態(tài)電勢(shì)；T，為d軸暫態(tài)短路時(shí)間常d0近出現(xiàn)振蕩；根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)，我們得到整定的控制表:1）k的模糊規(guī)則表\ecNMNSZEPSpPMPBe\NBNBPBPBPMPMPSZEZENMPBPBPMPSPSZENSNSPMPMPMPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNMNBPB―ZE—_ZE——NM——NM——NM——NB—NB_，表1kp的模糊規(guī)則表Table.1Thefuzzycontrolrulestableofk2）k的模糊規(guī)則表數(shù)；Vf為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出電壓。2變論域模糊PID控制器的設(shè)計(jì)變論域的模糊PID控制器以誤差e和誤差的偏差ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)的整定要求，變論域模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。表2k.的模糊規(guī)則表Table.2Thefuzzycontrolrulestableofk\ecNMNSZEPSPMPBe\NBNBNBNBNMNMNSZEZENMNBNBNMNSNSZEZENSNBNMNSNSZEPSPSZENMNMNSZEPSPMPMPSNMNSZEPSPSPMPBPMZEZEPSPSPMPBPB—PB——ZE——ZE——BM——PM——EM——PB——PB—3）七的模糊規(guī)則表圖3變論域模糊PID結(jié)構(gòu)框圖Fig.3BlockdiagramofvariableuniversefuzzyPIDPID參數(shù)自整定是要找出PID的3個(gè)參數(shù)與e

表3與的模糊規(guī)則表Table.3Thefuzzycontrolrulestableofkd

\ecNMNSZEPSPMPBeNB\ecNMNSZEPSPMPBeNBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZENSZENSNMNMNSNSZEZEZENSNSNSNSNSZEPSZEZEZEZEZEZEZEPMPBNSPSPSPSPSPB―PB——-JIB——PM——PM——PM——PS——PS——PB—將系統(tǒng)世差；和誤差變化ec變化范圍定義為模糊集上的論域，即e,ec={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}其模糊子集為e,ec={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大；建立各模糊子集的隸屬度函數(shù)，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計(jì)算：k=k'+{e,ec}p p iipk=k'+{e,ec} （3）iiiiik=k'+{e,ec}ddiid通過上式，可以得到每次PID參數(shù)的修正值。由于電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后，系統(tǒng)的參數(shù)在擾動(dòng)前后變化較大，如果將模糊控制器的輸入?yún)?shù)的圖4角速度的偏差Fig.4angularvelocitydeviation-0005時(shí)閭通圖5角速度的偏差變化率-0005時(shí)閭通Fig.5thechangerateofangularvelocitydeviation對(duì)上述三機(jī)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，系統(tǒng)在0時(shí)刻出現(xiàn)三相短路故障，在0.08秒后切除，從圖4，圖5可以看出，短路故障的前后，角速度的偏差和角速度的變化率的變化范圍比較大，在1s前，角速度的偏差和角速度的變化率的變化幅度較大，而在1s后，兩者的變化幅值都較小，所以作為模糊PID控制的輸入，有必要對(duì)它們?cè)诓煌瑫r(shí)段選擇不同的論域，即在不同的時(shí)間段模糊PID中的參數(shù)k,k取值隨著控制器輸入量變化范圍的變化而變化，以獲得更好的控制效果。5仿真分析基于變論域的模糊PID控制的程序如圖6所示:變論域模糊PID程序入口輸出結(jié)果，仿真結(jié)束由模糊推理得出PID參變化量的模糊值，并清晰獲取控制器輸入變量，確定論域大小，將輸入變量模初始化，確定輸入變量的隸屬度函數(shù)表及輸出輸出隸屬度函數(shù)回到主程序得出實(shí)際PID控制器的參數(shù)變論域模糊PID程序入口輸出結(jié)果，仿真結(jié)束由模糊推理得出PID參變化量的模糊值，并清晰獲取控制器輸入變量，確定論域大小，將輸入變量模初始化，確定輸入變量的隸屬度函數(shù)表及輸出輸出隸屬度函數(shù)回到主程序得出實(shí)際PID控制器的參數(shù)Fig.6FlowchartofvariableuniversefuzzyPIDcontrol以上述3機(jī)9節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)作為仿真對(duì)象，具體仿真參數(shù)詳見文獻(xiàn)［刀，穩(wěn)態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)5的電壓為0.99956（pu）。（1）在0時(shí)刻，系統(tǒng)出現(xiàn)三相短路故障，0.08秒后切除故障，仿真結(jié)果見圖7。圖7節(jié)點(diǎn)5電壓曲線（1）Fig.7Voltagecurvesofnode5（1）（2）在0時(shí)刻節(jié)點(diǎn)7發(fā)生三相短路，0.18s后故障自動(dòng)消失，仿真結(jié)果如圖8所示圖8節(jié)點(diǎn)5電壓曲線（2）Fig.8VOltagecurvesofnode5（2）從仿真波形圖7,圖8上可以看得到，本文提出的變論域模糊PID控制方法能夠明顯的抑制系統(tǒng)超調(diào)，并在短路切除后的也能提高節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定。6結(jié)論在典型的含SVC的3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊PID控制方法對(duì)SVC改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行研究，針對(duì)實(shí)際的電力系統(tǒng)，提出了變論域模糊PID的控制方法，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，通過matlab數(shù)值仿真，仿真結(jié)果說明該方法能夠大大的減小系統(tǒng)超調(diào)，提高節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)：[1]王娟，吉晏平.FACTS裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)Edition）,2007,21（10）:108-111.⑵王樹文，王晶，王坤.靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,39（4）：31-34.WANGShu-wen，WANGJing，WANGKun.SummaryofflexibleACtransmissionsystem[J].JournalofNortheastAgriculturalUniversity，2008，39（4）：31-34.閆坤，張廣棟.模糊PID同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,28（4）：23-26.YANKun，ZHANGGuang-dong.DesignofsynchronousgeneratorexcitationcontrollerbasedonfizzyPIDarithmetic[J].JournalofNanchangInstituteofTechnology，2009,28（4）：23-26.李紅川，閆廣新，黃耀德.新型靜止無功補(bǔ)償器（SVC）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].新疆電力技術(shù)，2009（3）：18-19.LIHong-chuan,YANGuang-xin,HUANGYao-de.Applicationofanew-styleastaticvarcompensatorinpowersystem[J].XinjiangElectricPowerTechnology,2009（3）：18-19.楊翊君，劉建華，吳義方.模糊PID控制在SVC中的應(yīng)用分析[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2009,24（2）：84-88.YANGYi-hua,LIUJian-hua,WUYi-fang.ApplicationandananalysisoffuzzyPIDcontrolinstaticvarcompensator[J].Journalofelectricpowerscienceandtechnology,2009,24（2）：84-88.劉瑞葉，劉寶柱.SVC的模糊變結(jié)構(gòu)控制對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].繼電器，2001,29（6）：13-15.LIURui-ye,LIUBao-zhu.TheimpactoffuzzyvariablestructurecontrolofSVConthepowersystemstability[J].Relay,2001,29（6）：13-15.王錫凡，方萬良，杜正春現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析[M].科學(xué)出版社，2003.WANGXi-far,FANGWan-liangDUZheng-chun.ModernPowerSystemAnalysis[M].SciencePress，2003.作者簡介：林弘（1986-）,男，江蘇常州人，漢族，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。Email:HYPERLIN