一种基于模糊PI和QPR的电网模拟器控制系统及其方法

一种基于模糊pi和qpr的电网模拟器控制系统及其方法
技术领域
1.本发明涉及电网模拟器控制技术领域，尤其是涉及一种基于模糊pi和qpr的电网模拟器控制系统及其方法。


背景技术：

2.在电网的实际运行过程中，电网会出现各种故障或异常状态。随着电力网络逐步扩大，电网在运行中产生故障在所难免，且具有随机性和不可控性，而随着新能源发电技术的发展，新能源发电并网的规模也在持续扩大，为保证电网的正常稳定运行，现有研究提出一种能够模拟电网故障环境、检测各种电气设备并网适应性的电网模拟器，在电网模拟器的实际应用中，则必须对电网模拟器进行相关控制，目前的控制策略主要有：
3.单闭环控制，该控制方式对输出端接非线性负载的扰动的抑制效果不佳，单闭环无法降低非线性被测设备的影响；
4.双闭环控制，能够有效提升单闭环系统的抗负载扰动性能，缺点是需要高带宽来抑制扰动，同时对控制的速度要求高；
5.多变量状态反馈控制，能够大大提升系统的动态效果，但建模时很难将负载动态特性考虑在内，可能在负载改变时存在不稳定现象，由于系统控制动态的计算量大，导致控制较为复杂；
6.重复控制，该控制模式下的逆变模块输出波形稳定，但对于负载的响应不够，对非周期性扰动无法抑制；
7.无差拍控制，动态响应快、波形畸变率小，在开关频率不高时仍能输出较高质量的波形，但对于整体系统建立的模型的精准度的要求很高，若建立的模型与实际存在较大的误差，则会引起输出振荡；
8.滑模变结构控制，滑模变结构具有较强的鲁棒性，但系统的采样以及滑模面的确定都会制约控制性能，同时也容易引起高频抖动。
9.上述控制方式不能同时提供较好的抗干扰能力以及响应速度，难以保证输出波形的质量。


技术实现要素：

10.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模糊pi和qpr的电网模拟器控制系统及其方法，以提高整个电网模拟器的抗干扰能力、动态响应速度及稳态性能。
11.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于模糊pi和qpr的电网模拟器控制系统，包括依次连接的直流电源模块、逆变模块、滤波器和负载，所述逆变模块的控制端连接至控制模块的输出端，所述控制模块的输入端分别与滤波器、负载相连接，所述控制模块基于电压外环模糊pi进行电压控制、基于电流内环qpr(quasi proportional resonant，准比例谐振)进行电流控制，以调制输出开关控制信号给逆变模块；
12.所述逆变模块根据开关控制信号，对直流电源模块输出的直流电进行逆变，输出得到交流故障测试波形。
13.进一步地，所述直流电源模块包括与电网输出端连接的整流单元，所述整流单元用于将电网输出端输出的三相交流电整流成直流电。
14.进一步地，所述滤波器具体为lc滤波器。
15.进一步地，所述控制模块包括电压比较单元、pi控制器、模糊控制器、电流比较单元、qpr控制器和信号发生器，所述电压比较单元分别与pi控制器、模糊控制器连接，所述模糊控制器连接至pi控制器，所述pi控制器通过电流比较单元连接至qpr控制器，所述qpr控制器连接至信号发生器，所述信号发生器与逆变模块的控制端连接，所述电压比较单元用于将负载电压或滤波器的电容电压与预设的参考电压进行比较，得到电压误差信号；
16.所述模糊控制器根据电压误差信号，输出相应的pi控制参数增量给pi控制器；
17.所述pi控制器根据电压误差信号和pi控制参数，输出电流内环标准电流；
18.所述电流比较单元用于将电流内环标准电流与滤波器的电感电流进行比较，得到电流调节信号；
19.所述qpr控制器用于无静差跟踪电流调节信号，得到电流控制信号；
20.所述信号发生器用于对电流控制信号进行调制，以得到对应的开关控制信号。
21.进一步地，所述电压比较单元通过电压采样单元连接至滤波器与负载之间，所述电压采样单元用于采集负载电压或滤波器的电容电压。
22.进一步地，所述电流比较单元通过电流采样单元与滤波器的电感连接，所述电流采样单元用于采集滤波器的电感电流。
23.进一步地，所述开关控制信号具体为spwm控制信号。
24.进一步地，所述电压比较单元通过微分单元连接至模糊控制器。
25.进一步地，所述pi控制参数增量包括比例控制参数增量和积分控制参数增量。
26.一种基于模糊pi和qpr的电网模拟器控制方法，包括以下步骤：
27.s1、实时采集负载电压或滤波器的电容电压；
28.s2、控制模块将实时采集的负载电压或电容电压与预设的参考电压进行比较，得到电压误差信号；
29.s3、控制模块对电压误差信号进行模糊pi控制，一方面自动更新pi控制参数，另一方面生成电流内环的标准电流；
30.s4、实时采集滤波器的电感电流，控制模块将电流内环的标准电流与实时采集的电感电流进行比较，得到电流调节信号；
31.s5、控制模块对电流调节信号依次进行无静差跟踪和波形调制，以得到对应的开关控制信号；
32.s6、逆变模块根据开关控制信号，相应改变逆变模块内部开关的工作状态，以对直流电源模块输出的直流电进行逆变，输出得到交流故障测试波形。
33.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
34.一、本发明将电网模拟器中逆变模块的控制端与控制模块连接、控制模块分别与滤波器和负载连接，结合预设的参考电压、实时采集的负载电压或电容电压，以及实时实时采集的电感电流，利用控制模块基于电压外环模糊pi进行电压控制、基于电流内环qpr进行
电流控制，以调制输出开关控制信号给逆变模块，使得电网模拟器中逆变模块能够输出高质量的交流故障测试波形。
35.二、本发明中控制模块基于电压外环模糊pi进行电压控制，将pi控制器与模糊控制器相结合，利用模糊控制器能够实时调节pi控制参数，当系统收到小扰动时，电压外环的模糊pi控制会利用模糊控制，自动更新pi控制参数增量，再加上pi控制器中原有pi控制参数进行电压外环控制，本发明利用电压外环模糊pi进行电压控制、电流内环准比例谐振进行电流控制，两者之间相互配合，并结合模糊控制的自适应进行pi参数的实时调节，能够解决原有pi控制参数固定、无法实时调节优化的问题，由此可有效增强系统的抗干扰能力和响应速度。
附图说明
36.图1为本发明的系统结构示意图；
37.图2为实施例中电网模拟器的结构示意图；
38.图3为实施例中电网模拟器控制策略框架图；
39.图4为实施例中pi模糊控制与qpr控制连接示意图；
40.图5为本发明的方法流程示意图；
41.图6为实施例中电压外环电流内环控制结构示意图；
42.图中标记说明：1、直流电源模块，101、整流单元，2、逆变模块，3、滤波器，4、负载，5、控制模块，501、电压比较单元，502、pi控制器，503、模糊控制器，504、电流比较单元，505、qpr控制器，506、信号发生器。
具体实施方式
43.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
44.实施例
45.如图1～图3所示，一种基于模糊pi和qpr的电网模拟器控制系统，包括依次连接的直流电源模块1、逆变模块2、滤波器3和负载4，直流电源模块1包括与电网输出端连接的整流单元101，整流单元101用于将电网输出端输出的三相交流电整流成直流电，逆变模块2的控制端连接至控制模块5的输出端，控制模块5的输入端分别与滤波器3、负载4相连接，滤波器3具体为lc滤波器，控制模块5基于电压外环模糊pi进行电压控制、基于电流内环qpr进行电流控制，以调制输出开关控制信号给逆变模块；
46.逆变模块2则根据开关控制信号，对直流电源模块1输出的直流电进行逆变，输出得到交流故障测试波形。
47.其中，控制模块5包括电压比较单元501、pi控制器502、模糊控制器503、电流比较单元504、qpr控制器505和信号发生器506，如图4所示，电压比较单元501与pi控制器502直接连接，电压比较单元501通过微分单元(du/dt)与模糊控制器503连接，模糊控制器503连接至pi控制器502，pi控制器502通过电流比较单元504连接至qpr控制器505，qpr控制器505连接至信号发生器506，信号发生器506与逆变模块2的控制端连接，电压比较单元501用于将负载4电压或滤波器3的电容电压与预设的参考电压进行比较，得到电压误差信号；
48.模糊控制器503根据电压误差信号，输出相应的pi控制参数增量(包括比例控制参
数增量
△
k
p
和积分控制参数增量
△
k
i
)给pi控制器502；
49.pi控制器502根据电压误差信号和pi控制参数，输出电流内环标准电流；
50.电流比较单元504用于将电流内环标准电流与滤波器3的电感电流进行比较，得到电流调节信号；
51.qpr控制器505用于无静差跟踪电流调节信号，得到电流控制信号；
52.信号发生器506用于对电流控制信号进行调制，以得到对应的开关控制信号，本实施例中，该开关控制信号具体为spwm控制信号。
53.本实施例中，电压比较单元501通过电压采样单元(比如电压传感器)连接至滤波器3与负载4之间，电压采样单元用于采集负载4电压或滤波器3的电容电压；
54.电流比较单元504通过电流采样单元与滤波器3的电感连接，电流采样单元用于采集滤波器3的电感电流。
55.将上述系统应用于实际，具体的控制过程如图5和图6所示，包括以下步骤：
56.s1、实时采集负载电压u
o
或滤波器的电容电压u
c
；
57.s2、控制模块将实时采集的负载电压u
o
或电容电压u
c
与预设的参考电压u
ref
进行比较，得到电压误差信号；
58.s3、控制模块对电压误差信号进行模糊pi控制，一方面自动更新pi控制参数，另一方面生成电流内环的标准电流i
ref
；
59.s4、实时采集滤波器的电感电流i
l
，控制模块将电流内环的标准电流i
ref
与实时采集的电感电流i
l
进行比较，得到电流调节信号；
60.s5、控制模块对电流调节信号依次进行无静差跟踪和波形调制，以得到对应的开关控制信号；
61.s6、逆变模块根据开关控制信号，相应改变逆变模块内部开关的工作状态，以对直流电源模块输出的直流电进行逆变，输出得到交流故障测试波形。
62.综上所述，本发明针对现有的电网模拟器进行控制，主要是对其中的逆变模块进行控制，整个控制系统包括电源部分、整流部分、逆变部分、滤波器部分和负载部分。电源部分是将电网产生的交流电能存储起来，并且与整流部分连接；整流部分是将三相交流电通过电力电子设备进行整流，将三相交流电整流成直流电；逆变部分是通过控制策略加上电力电子设备进行变换，变换成所需的模拟的各种故障波形，以便进行后续的测试研究；滤波部分是将由于使用电力电子设备产生的各种高频谐波滤除掉，只保留所需基频和低频部分；负载主要是电力系统中的各种负载。考虑到本发明的主要发明在于逆变控制部分，所以主要在于逆变控制的控制策略，在原有控制的基础上，进行一定的改进，将现有的控制策略的缺点进行修正，从而达到更好的控制效果、提高电网模拟器的动态响应速度和稳态性能。现有的控制策略虽然可以进行控制达到一定效果，但是由于系统在运行过程中，总会受到干扰。原有设计的控制参数，将不再是最优参数，因扰动使得运行偏离原有的轨迹，本发明采用可以实时调节参数的控制理论，与现有控制相结合，达到适时调节参数的目的，即使运行的系统收到扰动也可以在实时调节后，快速恢复到最佳运行状态，从而提高系统的抗干扰能力、动态响应速度和稳态性能。
63.在具体控制过程中，首先通过电压采样(电压传感器)将采集的负载电压或者电容电压与设置好的标称参考电压进行比较，得到误差信号，此误差信号经过模糊pi控制，即电
压外环控制，得到电流内环的标准电流；然后再和电感电流进行比较、无静差跟踪和波形调制，以生成控制逆变模块中开关功率器件的信号(即spwm控制信号)。如此往复循环，当系统收到小扰动时，电压外环的模糊pi控制会利用模糊控制，自动更新参数增量，再加上原有pi的参数进行电压外环控制，此控制策略利用电压外环模糊pi进行电压控制、电流内环准比例谐振进行电流控制，两者之间相互配合，并结合模糊控制的自适应进行pi参数的实时调节，能够解决原有pi控制参数固定、无法实时调节的问题，有效增强系统的抗干扰能力和响应速度。
64.本发明利用模糊控制不需要精准模型和具有自适应能力的特点，设计了一种基于模糊pi和qpr的电网模拟器控制策略，作为一种新型的复合控制策略，不同于以往的控制策略，可以根据系统的变化进行优化参数，让系统始终运行于最佳的状态，从而达到所要求波形的输出。模糊控制本身的特点，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。在实际应用中，将模糊控制，与pi控制理论结合起来，发挥各自的长处，从而获得理想的控制效果。现有的pi控制策略不能进行实时调节参数，使得系统扰动后，便不能处于最佳参数运行的状态，影响波形的输出。而本发明将pi与模糊结合起来，解决了控制系统参数不能自我调节的缺点，控制效果较原有的控制策略具有明显的提高。这种思想不仅可以与应用于此文所设计的控制系统，还可以迁移到其他控制领域。系统受干扰时影响原有系统的影响，控制系统可以根据系统的变化进行实时的参数调节优化整个控制过程。