Контроллер скользящего режима на основе нечеткой логики для UPQC, питаемого от солнечной PV, для улучшения динамических характеристик и повышения качества электроэнергии в распределительной системе

Почему важно сохранять электроэнергию «чистой»

От ноутбуков до промышленных роботов — почти всё, чем мы пользуемся сегодня, зависит от стабильного и «чистого» электричества. В то же время современные устройства сами могут загрязнять сеть электрическим «шумом», вызывая мерцание ламп, перегрев оборудования и даже отключения в чувствительных отраслях. В этой статье рассматривается более совершенный подход к поддержанию качества электроэнергии в распределительной сети: сочетание солнечных панелей с продвинутым электронным «стражем», который постоянно отслеживает и корректирует качество подаваемой в дома и предприятия электроэнергии.

Скрытые проблемы повседневной энергосистемы

Хотя розетки кажутся простыми, за ними может скрываться довольно грязная электроэнергия. Резкие провалы напряжения (sags), кратковременные перепады вверх (swells) и искажённые формы волн, насыщенные гармониками, — всё это признаки плохого качества питания. Такие явления часто создаются нелинейными нагрузками, например компьютерами, принтерами и промышленными приводами, которые потребляют ток короткими неравномерными импульсами. Со временем это может перегружать трансформаторы, срабатывать защиту и снижать эффективность и срок службы подключенного оборудования. Традиционные решения, такие как пассивные фильтры или простые схемы управления, плохо адаптируются при быстрых изменениях в сети или нагрузках.

Интеллектуальный электронный щит для сети

В исследовании рассматривается устройство под названием Unified Power Quality Conditioner (UPQC), которое действует как комбинированный щит и амортизатор для распределительной системы. UPQC состоит из двух силовых преобразователей: один включён последовательно с линией для коррекции проблем с напряжением, другой — параллельно (шунт) для устранения проблем с током. Работая вместе, они могут вводить или поглощать точные величины напряжения и тока, чтобы на стороне сети были плавные, слабо искажённые формы волн, даже при тяжёлых или несбалансированных нагрузках. В данной работе UPQC питается от солнечных фотоэлектрических (PV) панелей через постоянный звено, поэтому одно и то же устройство и очищает питание, и использует возобновляемую энергию.

Сочетание нечеткого мышления с быстрой реакцией

В центре статьи — новый метод управления, называемый контроллером скользящего режима на основе нечеткой логики (FLSMC). Управление скользящим режимом известно способностью быстро приводить систему к желаемому поведению даже при изменении условий, но оно может вызывать частые переключения, так называемый «встряхивающий» эффект (chattering), что нежелательно в силовой электронике. Нечеткая логика, напротив, имитирует человеческое принятие решений с правилами типа «если ошибка мала, действуй мягко; если велика — действуй решительно». Авторы комбинируют эти подходы так, чтобы нечеткие правила непрерывно настраивали жёсткий закон скользящего режима. Этот гибридный «мозг» генерирует стабильные управляющие сигналы для обоих — последовательного и шунтирующего — преобразователей, подавляя дрожание при сохранении быстрой и устойчивой реакции.

Как новый контроллер выравнивает формы волн

С помощью подробного моделирования в MATLAB/Simulink исследователи подвергают питаемый от солнца UPQC различным реалистичным возмущениям: провалам и всплескам напряжения в заданные моменты времени, сильным гармоническим токам и несбалансированным нагрузкам. Они сравнивают пять различных стратегий управления: классический пропорционально-интегральный контроллер, базовый нечеткий контроллер, адаптивная нейро-нечеткая система, дробно-адресный нечеткий контроллер и предложенный FLSMC. Ключевой мерой служит суммарное гармоническое искажение (THD), показывающее, насколько напряжение или ток отклоняются от идеальной синусоиды. С FLSMC THD напряжения источника снижается примерно до 0,38%, а THD тока источника — до примерно 2,01%, что значительно лучше, чем у других методов. Контроллер также быстрее регулирует напряжение постоянного звена с меньшим переходным перерегулированием, что позволяет системе выдерживать провалы и всплески при сохранении стабильности.

Что это значит для будущих сетей

Результаты показывают, что сочетание солнечной энергии с UPQC под управлением FLSMC может значительно улучшить динамические характеристики и «чистоту» электроэнергии в распределительных сетях даже при сильно переменных и нелинейных нагрузках. Проще говоря, устройство действует как интеллектуальный, с поддержкой солнечной энергии, фильтр, который мгновенно преобразует нездоровые формы волн в чистую, сбалансированную энергию с очень низким уровнем искажений. По мере роста доли возобновляемых источников и силовой электроники в сети такого рода интеллектуальное кондиционирование поможет энергетическим компаниям и крупным потребителям поддерживать надёжность и защищать оборудование без необходимости применения чрезмерно громоздкого оборудования или постоянной ручной перенастройки.

Цитирование: Sravanthi, G., Rosalina, K.M. & Reddy, T.R.S. Fuzzy logic sliding mode controller based solar PV fed UPQC for improvement of dynamic performance and power quality enhancement in distribution power system. Sci Rep 16, 13319 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43465-0

Ключевые слова: качество электроэнергии, солнечная PV, нечеткое управление, распределительная сеть, снижение гармоник