CN110912142A - 一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，具体包括：根据无触点稳压装置结构，制定无触点稳压装置控制策略；根据所述控制策略进行控制系统设计，得到初步输入电压与切换信号之间的关系；利用模糊隶属度算法优化所述初步输入电压与切换信号之间的关系，得到精确的输入电压与切换信号之间的关系；根据精确的输入电源与切换信号之间的关系，自动切换控制系统，完成所述无触点稳压装置的自动稳压工作。本发明的有益效果是：在不改变装置结构及相关器件的情况下，从无触点稳压装置切换规则的角度出发，采用模糊隶属度算法对切换规则进行优化，提高了装置的稳压效果与可靠性。

Description

一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法。

背景技术

目前大部分对无触点补偿式交流稳压器设计均只是对其结构以及器件的优化，如交流开关器件与结构的优化，电网与补偿回路隔离措施的优化。部分涉及到切换系统设计也仅是根据装置输入输出电压状态与补偿电压的能力罗列出了切换系统的切换规则。这样的考虑能够提高装置的稳压效果与可靠性，但其优化往往伴随着成本的提高，且电压控制精度仍不尽如人意。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的不足，提供一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，对某无触点补偿式交流稳压器的结构及工作原理进行分析，从中推导出切换规则，并利用模糊隶属度函数对其切换规则进行了优化。

本发明所采用的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，具体包括：

S101：根据无触点稳压装置的结构，制定无触点稳压装置控制策略；

S102：根据所述控制策略，设计无触点稳压装置控制切换系统，得到初步的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系；

S103：利用模糊隶属度算法优化所述初步输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，得到精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系；

S104：根据精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，自动切换控制系统，完成所述无触点稳压装置的自动稳压工作。

进一步地，所述无触点稳压装置结构具体包括：三相调压装置E_A、E_B、E_C；其中每一相都由三个不同变比的调压变压器T₁、T₂、T₃及每一相各自的晶闸管组件TH_SCR1、TH_SCR2、TH_SCR3，装置总开关K_S、旁路开关K_BP、调压变压器高压侧熔断器FU和装置监控系统组成；所述晶闸管组件TH_SCR1、TH_SCR2和TH_SCR3均由反并联晶闸管TH₁、TH₂、TH₃、TH₄、反并联晶闸管各自的阻容吸收模块RC₁、RC₂、RC₃、RC₄组成的H桥、高压侧短路晶闸管TH_S、阻容吸收模块RC_S和短路功率电阻R_S组成。

进一步地，步骤S101中，所述控制策略，具体为：所述无触点稳压装置全程对输入电压以及输出电压进行检测，当其输入电压u_IN处于调压稳压工作范围内0.6pu～0.95pu或者1.05pu～1.4pu时，所述无触点稳压装置才开始进行调压工作；所述pu，指以所述无触点稳压装置输出电压的额定值U_N为基准值，即所述无触点稳压装置的输出电压额定值为1pu。

进一步地，所述无触点稳压装置控制切换系统，根据所述输入电压u_IN的值，确定所述无触点稳压装置补偿回路的取能位置，然后通过查表，确定一个能将输出电压u_L补偿到允许输出电压范围0.95pu～1.05pu内的补偿率，再对所述无触点稳压装置进行控制。

进一步地，步骤S104中，根据精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，完成所述无触点稳压装置的自动稳压工作，具体为：根据输入电压u_IN得到切换信号σ；再根据切换信号σ调整相应的开关动作或者相应反并联晶闸管投切，从而改变所述无触点稳压装置补偿回路的取能位置以及补偿率；所述无触点稳压装置补偿回路的取能位置，闭合装置总开关K_S之后，通过所述旁路开关K_BP进行控制，当所述输入电压u_IN在允许输出电压范围0.95pu～1.05pu内时，所述旁路开关K_BP不动作，即所述无触点稳压装置补偿回路从输入端取能；当所述输入电压u_IN不在0.95pu～1.05pu范围，但在内0.6pu～0.95pu或者1.05pu～1.4pu时，则所述旁路开关K_BP动作，即所述无触点稳压装置从输出端取能；当所述输入电压u_IN即不在0.95pu～1.05pu范围，又不在0.6pu～0.95pu或者1.05pu～1.4pu时，所述无触点稳压装置处于故障模式，所述旁路开关K_BP不动作，断开装置总开关K_S，且所述无触点稳压装置也不进行工作；所述补偿率通过调整所述无触点稳压装置的反并联晶闸管投切，从而改变补偿率。

进一步地，所述旁路开关K_BP由两组开关组成，其中一组是常开开关，接补偿回路，另外一组是常闭开关，直接与输出端连；所述旁路开关K_BP动作，指常开开关闭合，常闭开关断开。

进一步地，所述控制切换系统，表达式如式(1)所示：

y(x)＝α_σ(x)x (1)

式(1)中，y∈R为系统的输出量，即所述无触点稳压装置的输出电压u_L；x∈R为系统的输入量，即所述无触点稳压装置的输入电压u_IN；σ(x)∈R{1,2,3...27}为基于输入电压u_IN的分段常值切换信号；σ(x)的改变即代表控制切换系统控制无触点稳压装置补偿方案的改变，也代表补偿率的改变；α_i为第i个子系统的系统参数，即第i个补偿方案下的输出电压与输入电压的比值；当输入电压u_IN<0.95pu时，旁路开关K_BP动作，无触点稳压装置补偿回路从输出端取能，进行正补偿，如式(2)所示：

当输入电压u_IN<1.05pu时，旁路开关K_BP不动作，无触点稳压装置补偿回路从输入端取能，进行负补偿，如式(3)所示：

式(2)和式(3)中，X为所述无触点稳压装置补偿回路的总补偿率，为预设值，其取值根据所述调压变压器T₁、T₂、T₃各自的不同变比所确定；对于第i个子系统，其输入电压最小值u_INmin与输入电压最大值u_INmax的关系如式(4)所示：

由式(4)即可计算求得初步输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系。

步骤S103中得到精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系用隶属度函数μ_Zσ(x)来表示，x即为输入电压u_IN：

当切换信号σ＝1时，精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如式(5)：

式(5)中，

u_IN1min、u_IN2max均为根据模糊隶属度概念的预设值；

当切换信号1<σ<27时，精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如式(6)所示：

式(6)中，

u_INσmin、u_INσmax均为根据模糊隶属度概念的预设值；

当切换信号σ＝27时，精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如式(7)所示：

式(7)中，

u_IN26min、u_IN27max、u_IN27min均为根据模糊隶属度概念的预设值；

切换信号σ的选取如式(8)所示：

σ(x)＝arg_σmax(μ_Zσ(x^-)) (8)

式(8)中，x^-表示x取左极限所取得的值。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：在不改变装置结构及相关器件的情况下，从无触点稳压装置切换规则的角度出发，采用模糊隶属度算法对切换规则进行优化，提高了装置的稳压效果与可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法的无触点稳压装置的拓扑结构图；

图3是本发明实施例的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法的切换信号σ基于输入电压u_IN的取值图；

图4是本发明实施例的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法的单相仿真模型拓扑结构图；

图5是本发明实施例的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法的单相仿真电压有效值示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

请参考图1，图1是本发明实施例的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法的流程图。一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，具体包括：

S101：根据无触点稳压装置的结构，制定无触点稳压装置控制策略；

S102：根据所述控制策略，设计无触点稳压装置控制切换系统，得到初步的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系；

S103：利用模糊隶属度算法优化所述初步输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，得到精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系；

S104：根据精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，自动切换控制系统，完成所述无触点稳压装置的自动稳压工作。

请参考图2，图2是本发明实施例的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法的无触点稳压装置的拓扑结构图。所述无触点稳压装置结构具体包括：三相调压装置E_A、E_B、E_C；其中每一相都由三个不同变比的调压变压器T₁、T₂、T₃及每一相各自的晶闸管组件TH_SCR1、TH_SCR2、TH_SCR3，装置总开关K_S、旁路开关K_BP、调压变压器高压侧熔断器FU和装置监控系统组成；所述晶闸管组件TH_SCR1、TH_SCR2和TH_SCR3均由反并联晶闸管TH₁、TH₂、TH₃、TH₄、反并联晶闸管各自的阻容吸收模块RC₁、RC₂、RC₃、RC₄组成的H桥、高压侧短路晶闸管TH_S、阻容吸收模块RC_S和短路功率电阻R_S组成。

步骤S101中，所述控制策略，具体为：所述无触点稳压装置全程对输入电压以及输出电压进行检测，当其输入电压u_IN处于调压稳压工作范围内0.6pu～0.95pu或者1.05pu～1.4pu时，所述无触点稳压装置才开始进行调压工作；

所述控制切换系统，表达式如式(1)所示：

y(x)＝α_σ(x)x (1)

式(1)中，y∈R为系统的输出量，即所述无触点稳压装置的输出电压u_L；x∈R为系统的输入量，即所述无触点稳压装置的输入电压u_IN；σ(x)∈R{1,2,3...27}为基于输入电压u_IN的分段常值切换信号，本发明中分为27个切换信号；σ(x)的改变即代表控制切换系统控制无触点稳压装置补偿方案的改变，也代表补偿率的改变；α_i为第i个子系统的系统参数，即第i个补偿方案下的输出电压与输入电压的比值；

所述无触点稳压装置控制切换系统，根据所述输入电压u_IN的值，确定所述无触点稳压装置补偿回路的取能位置，然后通过查表，确定一个能将输出电压u_L补偿到允许输出电压范围0.95pu～1.05pu内的补偿率，再对所述无触点稳压装置进行控制。

步骤S104中，根据精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，完成所述无触点稳压装置的自动稳压工作，具体为：根据输入电压u_IN得到切换信号σ；再根据切换信号σ调整相应的开关动作或者相应反并联晶闸管投切，从而改变所述无触点稳压装置补偿回路的取能位置以及补偿率；所述无触点稳压装置补偿回路的取能位置，闭合装置总开关K_S之后，通过所述旁路开关K_BP进行控制，当所述输入电压u_IN在允许输出电压范围0.95pu～1.05pu内时，所述旁路开关K_BP不动作，即所述无触点稳压装置补偿回路从输入端取能；当所述输入电压u_IN不在0.95pu～1.05pu范围，但在内0.6pu～0.95pu或者1.05pu～1.4pu时，则所述旁路开关K_BP动作，即所述无触点稳压装置从输出端取能；当所述输入电压u_IN即不在0.95pu～1.05pu范围，且不在0.6pu～0.95pu或者1.05pu～1.4pu时，所述无触点稳压装置处于故障模式，所述旁路开关K_BP不动作，断开装置总开关K_S，且所述无触点稳压装置也不进行工作；所述补偿率通过调整所述无触点稳压装置的反并联晶闸管投切，从而改变补偿率。

所述旁路开关K_BP由两组开关组成，其中一组是常开开关，接补偿回路，另外一组是常闭开关，直接与输出端连；所述旁路开关K_BP动作，指常开开关闭合，常闭开关断开。

以装置输出电压额定值U_N为基准值，设装置的额定工作电压为1pu，已知其工作范围为0.6pu～1.4pu，输出电压允许范围为0.95pu～1.05pu，三个补偿变压器的变比由小到大依次为0.015，0.045，0.135。由补偿变压器的变比易知总补偿率X的取值，如表1所示。

表1总补偿率的取值表

当输入电压u_IN<0.95pu时，旁路开关K_BP动作，无触点稳压装置补偿回路从输出端取能，进行正补偿，如式(2)所示：

当输入电压u_IN<1.05pu时，旁路开关K_BP不动作，无触点稳压装置补偿回路从输入端取能，进行负补偿，如式(3)所示：

式(2)和式(3)中，X为所述无触点稳压装置补偿回路的总补偿率，为表1中的预设值，其取值根据所述调压变压器T₁、T₂、T₃各自的不同变比所确定；

根据表达式(2)、(3)以及取值表1，求得α_i所有的取值，汇集于表2中。

表2 α_i所有的取值表

装置要求将系统的输出电压u_L稳定到允许输出范围U_N内，即：0.95U_N≤u_L<1.05U_N；

代入本切换系统中，有：

则，对于第i个子系统，其输入电压最小值u_INmin与输入电压最大值u_INmax的关系如式(4)所示：

由式(4)即可计算求得初步输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，如表3所述。

表3初步切换信号取值表

仿照模糊集隶属度的概念，另论域Ψ＝[0.6,1.4]，使用Z_σ分别表示27个模糊集合“当前条件下应选取的切换信号”，规定切换信号的取值参照取值表3，并以每个区域中补偿效果最好，即能使系统输出取值为1pu的u_IN(记为u_IN)为中心，其中u_IN有如下关系：

步骤S103中得到精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系用隶属度函数μ_Zσ(x)来表示，x即为输入电压u_IN：

当切换信号σ＝1时，精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如式(5)：

式(5)中，

u_IN1min、u_IN2max均为根据模糊隶属度概念的预设值；

当切换信号1<σ<27时，精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如式(6)所示：

式(6)中，

u_INσmin、u_INσmax均为根据模糊隶属度概念的预设值；

当切换信号σ＝27时，精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如式(7)所示：

式(7)中，

u_IN26min、u_IN27max、u_IN27min均为根据模糊隶属度概念的预设值；切换信号σ的选取如式(8)所示：

σ(x)＝arg_σmax(μ_Zσ(x^-)) (8)

式(8)中，x^-表示x取左极限所取得的值，则经过模糊隶属度算法精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如表4及图3所示。

表4输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系表

在此基础之上，本发明设计实际仿真实验，过程中使整个稳压装置处于可调压范围，即输入电压u_IN在[0.6,1.4]上的工作状态，请参考图4，图4为单相仿真模型的拓扑结构。本拓扑将单相调压装置ES串接在交流电源AC与负载电阻R_L之间，利用从0.6pu线性增大到1.4pu的交流电源AC作为单相调压装置ES的输入，测试本装置在单相工作时的调压稳压性能。拓扑中取消了旁路以及旁路开关，使调压回路持续进行调压稳压工作。为了研究装置工作时的负荷情况，在主回路以及晶闸管回路上分别设置了电流传感器CT1、CT2、CT3、CT4。在交流电源AC两端设置输入电压传感器PTIN，在负载电阻R_L两端设置输出电压传感器PTOUT，并将两个电压传感器的测量值输出给控制单元CU。然后控制单元CU根据输入输出电压与本章节研究的控制策略，向对应的反并联闸管模块发出触发脉冲，控制所有15个反并联晶闸管模块的投切。观察整个过程中输入输出电压，各部位电流的情况。

仿真过程参数设置如表5所示，其中电源选取为可变交流电源，设置电源8s内从132Vrms线性升高到308Vrms。设置基准值为220Vrms，故有允许输出电压U_N的范围应为209Vrms～231Vrms。

现将双向晶闸管模块的投切情况与切换信号σ的关系汇聚于表A1中，提供给软件编程时查表所需。

表5仿真过程参数

请参照图5，仿真结果如图5所示，输入电压升高到177Vrms附近时，输出电压便达到了220Vrms，且在输入电压升高到276Vrms之前，一直稳定在217.8Vrms～221.2Vrms范围内，稳压范围达到了-1％～0.5％，将预设稳压范围-5％～5％缩小了5～10倍。

表A1双向晶闸管模块的投切情况与切换信号σ的关系

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：在不改变装置结构及相关器件的情况下，从无触点稳压装置切换规则的角度出发，采用模糊隶属度算法对切换规则进行优化，提高了装置的稳压效果与可靠性。

在本专利中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中各装置位于图中以及设备相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本专利中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S101：根据无触点稳压装置的结构，制定无触点稳压装置控制策略；

S102：根据所述控制策略，设计无触点稳压装置控制切换系统，得到初步的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系；

S103：利用模糊隶属度算法优化所述初步的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，得到精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系；

S104：根据精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，完成所述无触点稳压装置的自动稳压工作。

2.如权利要求1所述的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，其特征在于：所述无触点稳压装置结构具体包括：三相调压装置E_A、E_B、E_C；其中每一相都由三个不同变比的调压变压器T₁、T₂、T₃及每一相各自的晶闸管组件TH_SCR1、TH_SCR2、TH_SCR3，装置总开关K_S、旁路开关K_BP、调压变压器高压侧熔断器FU和装置监控系统组成；所述晶闸管组件TH_SCR1、TH_SCR2和TH_SCR3均由反并联晶闸管TH₁、TH₂、TH₃、TH₄、反并联晶闸管各自的阻容吸收模块RC₁、RC₂、RC₃、RC₄组成的H桥、高压侧短路晶闸管TH_S、阻容吸收模块RC_S和短路功率电阻R_S组成。

3.如权利要求1所述的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，其特征在于：步骤S101中所述控制策略，具体为：所述无触点稳压装置全程对输入电压u_IN以及输出电压u_L进行检测，当所述输入电压u_IN处于调压稳压工作范围内0.6pu～0.95pu或者1.05pu～1.4pu时，所述无触点稳压装置才开始进行调压工作；所述pu，指以所述无触点稳压装置输出电压的额定值U_N为基准值，即所述无触点稳压装置的输出电压额定值为1pu。

4.如权利要求2所述的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，其特征在于：所述无触点稳压装置控制切换系统，根据所述输入电压u_IN的值，确定所述无触点稳压装置补偿回路的取能位置，然后通过查表，确定一个能将输出电压u_L补偿到允许输出电压范围为0.95pu～1.05pu内的补偿率，再对所述无触点稳压装置进行控制。

5.如权利要求4所述的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，其特征在于：步骤S104中，根据精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系，完成所述无触点稳压装置的自动稳压工作，具体为：根据输入电压u_IN得到切换信号σ；再根据切换信号σ，调整相应的开关动作或者相应反并联晶闸管投切，从而改变所述无触点稳压装置补偿回路的取能位置以及补偿率；所述无触点稳压装置补偿回路的取能位置，闭合装置总开关K_S之后，通过所述旁路开关K_BP进行控制，当所述输入电压u_IN在允许输出电压范围0.95pu～1.05pu内时，所述旁路开关K_BP不动作，即所述无触点稳压装置补偿回路从输入端取能；当所述输入电压u_IN不在0.95pu～1.05pu范围，但在内0.6pu～0.95pu或者1.05pu～1.4pu时，则所述旁路开关K_BP动作，即所述无触点稳压装置从输出端取能；当所述输入电压u_IN即不在0.95pu～1.05pu范围，且不在0.6pu～0.95pu或者1.05pu～1.4pu时，所述无触点稳压装置处于故障模式，所述旁路开关K_BP不动作，断开装置总开关K_S，且所述无触点稳压装置也不进行工作；所述补偿率通过调整所述无触点稳压装置的反并联晶闸管投切，从而改变补偿率。

6.如权利要求5所述的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，其特征在于：所述旁路开关K_BP由两组开关组成，其中一组是常开开关，接补偿回路，另外一组是常闭开关，直接与输出端连；所述旁路开关K_BP动作，指常开开关闭合，常闭开关断开。

7.如权利要求2所述的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，其特征在于：所述控制切换系统，表达式如式(1)所示：

y(x)＝α_σ(x)x (1)

式(1)中，y∈R为系统的输出量，即所述无触点稳压装置的输出电压u_L；x∈R为系统的输入量，及所述无触点稳压装置的输入电压u_IN；σ(x)∈R{1,2,3...27}为基于输入电压u_IN的分段常值切换信号，总共有27个切换状态；σ(x)的改变即代表控制切换系统控制无触点稳压装置补偿方案的改变，也代表补偿率的改变；α_i为第i个子系统的系统参数，即第i个补偿方案下的输出电压与输入电压的比值；当输入电压u_IN<0.95pu时，旁路开关K_BP动作，无触点稳压装置补偿回路从输出端取能，进行正补偿，如式(2)所示：

当输入电压u_IN<1.05pu时，旁路开关K_BP不动作，无触点稳压装置补偿回路从输入端取能，进行负补偿，如式(3)所示：

式(2)和式(3)中，X为所述无触点稳压装置补偿回路的总补偿率，为预设值，其取值根据所述无触点稳压装置的27个切换状态确定；对于第i个子系统，其输入电压最小值u_INmin与输入电压最大值u_INmax的关系如式(4)所示：

由式(4)即可计算求得初步输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系。

8.如权利要求1所述的一种应用于无触点稳压装置的模糊隶属度方法，其特征在于：步骤S103中得到精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系用隶属度函数μ_Zσ(x)来表示，x即为输入电压u_IN：

当切换信号σ＝1时，精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如式(5)：

式(5)中，

u_IN1min、u_IN2max均为根据模糊隶属度概念的预设值；

当切换信号1<σ<27时，精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如式(6)所示：

式(6)中，

u_INσmin、u_INσmax均为根据模糊隶属度概念的预设值；

当切换信号σ＝27时，精确的输入电压u_IN与切换信号σ之间的关系如式(7)所示：

式(7)中，

u_IN26min、u_IN27max、u_IN27min均为根据模糊隶属度概念的预设值；切换信号σ的选取如式(8)所示：

σ(x)＝arg_σmax(μ_Zσ(x^-)) (8)

式(8)中，x^-表示x取左极限所取得的值。

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