（交通信息工程及控制专业论文）智能无功补偿控制器的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电力系统的无功补偿是电力系统与自动化领域的一个很重要地研究课题， 目前我国的电力系统的规模同益扩大，各种设备工作需要的无功功率也在不断 增加，无功功率在电力网中的分布也越来越复杂，对电能造成很大的浪费，因 此结合我国的无功补偿的研究现状和市场状况，在无功补偿方面做一些研究是 很有意义的。 由于计算机技术、控制理论、人工智能等信息科学的新进展，在无功补偿 控制领域内，传统无功补偿控制系统设计方法已不适应人们对电力系统的质量、 可靠性等方面的发展需要。无功补偿控制系统具有环境恶劣和干扰因素多、非 线性、以及难以建模等特点，这就决定了以模糊控制、神经网络、专家系统为 代表的智能控制理论在无功补偿控制系统中有广阔的应用酊景。 本论文以低压电力系统为研究对象、以三相瞬时无功功率理论为基础，以 模糊控制理论为控制策略，首先研究了无功补偿对电网性能的改善，设计了一 种低压智能三相共补的无功补偿控制器的厅放式的集成框架。本文在主要系统 硬件上采用高速、流水线结构的a r m 单片机系统，具有运算速度高、实时性好 的特点，软件遵循模块化的设计原则，极大地提高了系统的通用性和维护的简 易程度。该装置在实时地对电网监测数据的基础上，对低压电网进行无功补偿， 并且具有超压、缺相、过流等保护功能。该装置跟滤波装置配合使用能够达到 理想的就地补偿效果，并对今后无功补偿的研究方向进行了讨论和展望。 关键词三相无功补偿控制器；智能控制；a r m 单片机；模糊控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 a b s t r a c t t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sa ni m p o r t a n ts u b j e c ti nt h ep o w e r s y s t e ma n da u t o m a t i o nf i e l d t o d a yt h e s c a l eo f p o w e rs y s t e m i n o u rc o u n t r y i sb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r ，v a r i o u se q u i p m e n t s w o r k i n g n e e d sg r e a t e rr e a c t i v ep o w e re n e r g y ，t h er e a c t i r ep o w e r s d i s t r i b u t i o ni np o w e rn e t w o r k si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d w h i c hc a u s e sg r e a tw a s t ei ne l e c t r i ce n e r g y t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt o t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n sr e s e a r c ha n dm a r k e tc o n d i t i o n ，i t s v e r ys i g n i f i c a n tf o rm et od os o m er e s e a r c ho nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n b e c a u s eo ft h en e wp r o g r e s so fc o m p u t e rt e c h n i q u e ，c o n t r o lt h e o r y ， a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n di n f o r m a t i o nt e c h n i q u e ，t r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o df o rc o n t r o ls y s t e mi nt h ef i e l do fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n h a sn o tb e e ns u i t a b l ef o rt h er e q u i r e m e n t so f t h ed e v e l o p m e n to nt h e q u a l i t ya n ds t a b i l i t yo f t h ep o w e re n e r g y t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ns y s t e m s u c ha sd i s t u r b a n c e s ，n o n l i n e a r i t y ， m o d e ii n gu n c e r t a i n t ye t c ，d e c i d et h ew i d ea p p i i c a t i o no f t h ee x p e r t s y s t e m 、f u z z yc o n t r o la n dn e u r a l n e t w o r kw h o r e p r e s e n t o ft h e i n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y su s i n g ，t h i s t h e s i st a k e s1 0 w v o l t a g e p o w e rs y s t e m a st h er e s e a r c ht a r g e ta n du s e st h et h e o r yo ff u z z y c o n t r o la st h ec o n t r o l s t r a t e g y t o d e s i g n a n i n t e l l i g e n t ，l o w v o i t a g e ，t h r e ep h a s ec i r c u i tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw i t ha no p e n i n t e g r a t e ds t r u c t u r ew h i c hb a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i r et h e o r y o ft h r e e p h a s ec i r c u i t ，h o wr e a c t i v ep o w e rh a sc a p a b i l i t yo fi m p r o v i n g t h eq u a l i t yo fe l e c t r i cn e t w o r k si ss t u d i e df i r s t l y i nt h eh a r d w a r e d e s i g n i n g ，w ea d o p tt h eh i g hs p e e da n dt h r e ep i p e l i n i n gs t r u c t u r e sa r m c h i ps y s t e m t og e th i g hs p e e da n dr e a l t i m ei n s t r u c t i o ne x e c u t i o n p e r t o r m a n c e s s o f t w a r ed e s i g na b id e e db yt h ep r i i i c i p l eo f m o d u l a r iz a t i o i l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1ii 页 i tg r e a t l yi m p r o v e sg e n e r a la v a i l a b i l i t ya n dd e d u c e st h ed i f f i c u l t yi n m a i n t e n a n c e t h isd e v i c ei sc a p a b l eo fc o m p e n s a t i n gt h ep o w e rn e t w o r k s b a s e do i lt h er e a l - t i m em e n t o rd a t a ，a n di tc a np r o t e c tt h ep o w e rn e t w o r k s f r o mo v e r v o l t a g eo rc u r r e n t ，u l t r al o wv o l t a g e i tc a na c h i e v et h e b e t t e rc o m p e n s a t i o ne f f e c ti fu s e dt o g e t h e rw i t hh a r m o n i cr e s t r a i n t d e v i c e t h ef u r t h e rs t u d yo nt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sa l s o d i s c u s s e di nt h e e n d o f t h et h e s i s k e y w o r d s t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r ：i n t e l l i g e n t c o n t r o l ；a r m ：f u z z yc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 t 问题提出的背景及研究意义 无功功率是一种不能做有功功率，但在电网中会引起损耗，而且电网中又 不能缺少的功率，它给电网带来了许多麻烦。现代电网中，电动机等感性负荷 占相当大的比重，它们在消耗有功功率的同时也需要大量的无功功率，在有功 功率不变的情况下，无功功率的存在会使功率因数降低，从而需要增大发、输 电设备的容量、增加投资和电力损耗、增加运行费用、增大输电线路压降、不 利于电力的输送与合理应用。大量的无功功率如果完全由发电厂提供，会造成 线路有功损失加大、用户电压降低、电力设备得不到充分应用。近年来由于电 网容量的增加，对电网无功的需求也是越来越多，从而使功率因数的下降，大 大影响了电网的供电能力。无功功率补偿是保持电网高质量运行的一种主要手 段，也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题，无 功功率补偿装置的主要作用是：提高负载和系统的功率因数，减少设备的功率 损耗，稳定电压，提高供电质量，在长距离输电中，提高系统输电稳定性和输 电能力，提高电源带负载的能力。 1 2 国内外现有无功补偿方式的发展现状 早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器，多在系统的高压侧进行集 中补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器 在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发q 三改变时， 电机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有 好处。但同步补偿器成本高，安装复杂，维护团难，使其推广使用受到限制。 晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，随着半导体制造技术和变流技术的 发展，新型的电力电子器件1 i 断问世，电力电子技术使无功补偿技术发展的非 常快。 无功补偿技术和电力电f 技术的结合t 要有以下三方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 一) 是作为投切电容器的开关。因为电力半导体丌关的响应时间短( 微秒级) ， 而且能够精确选择电容器的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生， 提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。并联电容器补偿装置中的输 出必路就采用了该项技术。 ( 二) 是作为无功功率输出的调节丌关。由于电力电于器件的高丌关频率，使 其能够方便地控制晶闸管等电力电子器件的导通角，从而实现无功的连续调节， 快速跟踪负载无功的变化，t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 型无功补偿 装置是其中的代表。 ( 三) 是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源来调节无功的输入和 输出，起到补偿负载无功的作用。经常用的是静止调相机和有源滤波器。 随着电力电子技术及计算机控制技术的发展，各种新型的自动、快速无功补偿 装置相继出现，晶闸管投切电容器( t s c ) 就是一种广泛应用于配电系统的动态 无功补偿装置。与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命 几乎是无限的，而且对晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将 电容器接入电网，大大减少了投切时的冲击电流和操作困难，其动态响应时问 约为0 o l o 0 2 m s 。t s c 能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率 因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。另外，t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o t ) 虽然不能连续调节无功功率，但具有运行 时不产生谐波而且损耗较小的优点。若输出无功功率需要连续调节，或者要求 能提供感性无功的情况下，t s c 常与t c r 配合使用“。由于晶闻管投切电容 器具有优良的动态无功功率补偿性能，近年来得到了较大的发展。 国外无功补偿技术发展比国内成熟，如h 本的三菱、只立、东芝，美围的 g e 、西屋公司，德国的西门子等在电力无功补偿方面自动化稃度很高”1 ，日本的 配电网系统户外补偿电容器的自动投切率达8 6 4 ，补偿系统都采用先进的u 控制，能够实现连续的无级补偿。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 1 3 本课题的主要研究工作 本论文主要做了以下研究工作： ( 1 ) 对智能无功补偿控制器在自动化控制中的发展现状和应用做了详细 讨论，根据无功补偿控制器的发展现状，提出了一种智能动态就地补偿装置。 ( 2 ) 根掘现代控制理论，提出了模糊的智能控制策略，进行基于模糊控制 理论的并联电容器的无功补偿模糊控制器的设计，并且对模糊控制算法进行 了详细地设计。 ( 3 ) 对智能控制器的总体软，硬件进行了设计，提出了板上系统s o b ( s y s t e m o nb o a r d ) 的设计理念，给出了硬件具体的设计原理、软件流程和抗干扰措 施。 ( 4 ) 对今后在无功补偿方面的研究工作进行了讨论和展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章低压配电网上的功率理论及无功补偿 2 1 传统的功率理论 人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举 的。目i i f 关无功功率的理论分为传统的功率理论和瞬时无功功率理论两种。在 传统的功率理论中，有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的概念都是清 楚的，而在含有谐波时，或三相电路不平衡时，功率现象比较复杂，传统概念 无法j 下确的对其进行解释和描述。而由赤木泰文等人提出的瞬时无功功率理论 则很好地解决了这问题。本文研究的理论基础即为瞬时无功功率理论。下 面分别介绍传统的功率理论和瞬时无功功率理论。 2 1 1 正弦电路的无功功率和功率因数 在萨弦电路中，负载是线性的。电路中的电压和电流都是正弦波。设电压 和电流可分别表示为： ：_ u s i n c o t( 2 一1 ) f _ 西s i n 一矿) = 西c o s s i n 耐一, 厄i s i n # i c o s c o t = i 。+ i q ( 2 2 ) 式中庐为电流滞后于电压的相位角。 电流i 被分解为和电压同相位的分量f ，和比电压滞后的分量，i ，i q 分别为 i p = , f 2 i c o s 痧s i n c a t i 。= 一压s i n 矿c o s 耐 电路的有功功率p 就是其平均功率，即： 尸= 去f x u i d ( c o t ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 轰l ( u i p + u i ) e l ( c o t ) = 去r 1 2 c 。s s i n 2 ( c o t ) d ( c o t ) 一去f 1 2 明s i n 矿c o s 耐s i n o j t d ( a o t ) ( 2 5 ) = 去f 1 ( u i c o s 一u i c o s 2 e o t ) d ( o ) t ) 一去扣s i n 删n 2 0 ) t d ( o ) t ) = u c o s # 电路的无功功率定义为： q = u l s i n o ( 2 6 ) 由上面可以看出q 就是( 2 6 ) 式中被积函数的第二项无功分量“f 。的幅值。无 功分量的平均值为零，说明它只进行能量交换面不消耗功率，这种能量交换通 常发生在电源和有储能元件的负载之间，q 表明了这种能量交换的幅度。真正消 耗功率的是被积函数的第一项“f ，因此又称f ，为有功电流分量，称f 。为无功电 流分量。 在工程上还把设备的电压和电流的有效值的乘积作为其功率设计的极限， 用来表示设备的最大可利用容量。这就引入了视在功率的概念： s = 【玎( 2 7 ) 且s 2 = p 2 + q 2 ( 2 - 8 ) 从2 - 5 可看出。s 用得越充分。通常定义入为有功p 的最大值。p 越接近s 则 说明设备的容量利用得越充分，通常定义入为设备的功率因数： 五= 二-( 2 9 ) s 在证弦电路中，由( 2 - 6 ) 和( 2 - 8 ) 可知 五= c o s 移( 2 - 1 0 ) 即：在币弦电路中功率因数由电压与电流的相位角差来决定。 2 1 2 非正弦电路的无功功率和功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，有功、无功、视在功率和功率闪数等概念与在 正弦电路中的定义相同。非正弦周期函数呵以用傅罩叶分解成以卜 形式： 有功功率p ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 p = 去胁( 妒缸扣s 丸 c z 一 视在功率s ： 一 - s = 明2 1 j 善u ：1 善e ( 2 - 1 2 ) 式中丸为第r 1 次谐波电压和电流的相角差，。、j 。分别为n 次电压和电流 的有效值。 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况非常复杂，至今没有被广泛接 受的科学而权威的定义。下面简要介绍两种定义无功功率的方式： 第一类，仿照( 2 9 ) 式，给出了无功功率的定义； q = s 2 一p 2 ( 2 1 3 ) 在这里，q 只反映能量的交换和流动而并不反映能量的消耗。在这一点上，它 和正弦电路中无功功率最基本的物理意义是完全一致的。因此这一定义被广泛 接受。但是，这一定义没有区别基波电压电流之间产生的无功功率、相同频率 谐波电压和电流之问产生的无功功率，以及不同频率谐波电压和电流之间产生 的无功功率。 第二类，仿照2 7 式，得到的无功功率定义为 9 = “厶s i n ( 2 一】4 ) 可以看出这罩的q 中只包含了相同频率电压电流正弦波所产生的无功分量， 它并不能完全表示出电源与负载j 日j 的能量交换关系。在这种定义方式下 s 2 p 2 + p 2 ，所以又引入了畸变功率d 的概念，定义d 为不相同频率的电压电 流正弦波所产生的无功分量。这样可以得到： s 2 = p 2 + d 2 + d 2( 2 一1 5 ) 在电网中不考虑电压畸变而只考虑电流畸变更具有广泛而实际的意义。因 此可以得下面的关系 p = u 1 c o s 矿l ( 2 - 1 6 ) q = u 1 is i n q t t ( 2 - 1 7 ) 一 s = u l = u l ，2 一 ( 2 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 d = s 2 一尸2 一q 2 = u j 2 i 。2 ( 2 一1 9 ) lz 这样就可以知道，q 为基波电流产生的无功功率，d 为谐波电流产生的功率。 这使得功率因数为： 丑：! ：v l tc o s # i ：量c o s 破( 2 2 0 ) su ii 这样，总电流可分为基波有功电流、基波无功电流和谐波电流三部分。 2 2 三相电路瞬时无功功率理论 在三相对称电路中，各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路 总的功率因数就等于各相的功率因数。在三相电路中，影响功率因数的因素除 电流和电压的相位差、波形畸变外，还有一个因素就是三相不对称。三相不对 称电路的功率因数至今没有统一的定义，有一种定义方式为： a = 警 协z - ， 式中，各相的s 为其电流与各线到人为中点电压的乘积。可以看出，即使三 楣都是电阻负载，只要三相不对称，功率困数仍小于l ，传统的无功功率概念是 定义在平均值基础上的。在单相正弦宅路或三相对称正弦电路中，功率理论比 较完善，各种概念很清楚。但是当电压和电流中含有谐波，或三相电路不平衡 时，功率现象比较复杂，传统的功率理论无法对其进行合理的解释和描述。而 下面介绍的瞬时无功助率理论则可以很好的解决这一问题。 1 9 8 3 年，赤木( a k a g i ) 将a b c 三相经坐标变换成口一两相坐标，引入 孬= “。互+ “，i ，尹= f 。；，+ l f ；，p = 孬尹= “。i 。+ 拦口i ， 卑= 于= ( z ，。i a 一i 。) 邑，( t ，p ，q 为三维几何空蒯的三个单位基本矢量) ， 即： 俐= 如一u p i , , 2 q a( 2 2 2 ) 赤木使乍德所引入的，蹦矢簧表述瞬时功；簪的概念，将a b c 二 ： ；一掩杯转变为 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 口一两相坐标的变换，如图2 - l 所示。 b 图2 - 1 三相坐标转变为两相坐标图 从图中可以看出，在a b c 坐标系中三相的电压和电流向量分别位于三个坐标 轴上，而且向量的模值和方向是随着时问的变化而不断变化的。同样，在口一 坐标系中两相电压和电流向量分别位于两个坐杯轴上，而且随着时| 日j 的变化向 量的模值和方向也在小断变化。将三相坐标系的a 轴与两相坐杯系的口轴重合， 再将三相坐标系中的各个向量投影到d 轴和轴，然后在分别对盯轴和轴上 的投影求和，这样就完成了由a b c 坐标系向睇口两相坐标系的转换。可以 用如下公式表述这个转换过程： l 2 ； 2 l 2 压 2 在口一坐杯系中，瞬时有功功率定义为 卜 卜圳 屯3 m l = c ”l l ( 2 2 4 ) jh k h 批 ：笪2 l o 。l 闳恬 = 1j 口 p 材 l 0“t 、roiiiii止 ：笪： l o ，。，l 后 = 、，j ，b ，。，l 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 瞬时虚功功率定义为 p = 训= h 。i 。+ h 山 ( 2 2 5 ) 虿= 厅尹= ( “。i 口一u a ) 毛 ( 2 2 6 ) 即： q = = 一u a i , , ( 2 2 7 ) 在在赤木( a k a g i ) 的文章中，它定义的q 被称为瞬时虚功率，这是一个比较复 杂的量，它的物理意义不明确，由于它使用了一个轴的电压与另一个轴的电流 相乘，因此它的单位不能是w 、v a 或v a r 。 赤木( a k a g i ) 通过定义瞬时实功率p 和瞬时虚功率q ，在包括了传统功率的基 础上又将有功功率与无功功率的谐波分量包括了进来，从而对传统的功率理论 进行了扩充。这一理论不仅对正弦稳态下的三相电路适用，而且也适合于在非 正弦以及瞬时等情况下使用。对无功补偿装置的研究和丌发起到了很大的推动 作用。但同时这种定义也存在不足：某些电量的物理意义不明确；对电流的成 分没有做明确的分析。 多年来许多学者都对瞬时功率理论进行了改进，目的就是使它的概念更加 明确，更易于运用到实际中来。 下面给出了另一种经过改进的瞬时功率理论，它对于电流中各种分量定义的 很清楚。目i l l j 基于这种定义的应用比较广泛。经过a b e 三相到盯一两相的变 换后，在a 一平面上将矢量以、，i b 分别合成为( 旋转) 电压矢量i 和电 流矢量i 厅= 瓦+ 厅口= 甜么丸 ( 2 2 8 ) i = + i p = f 么谚 ( 2 - 2 9 ) ( 式中u , i 分别为西，i 的模，九，谚分别为露，i 的相角) 将电流矢量i 向电压矢量厅及其法线上投影得到f ，i 。 分别称为三相有功电流 和三楣无功电流，如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 由图可得： 口 u 甘 锄 】p ( 式中矿= 吮一谚) 图2 - 2 矢量转换图 i p = c o s # i q = i s i n 痧 ( 2 - 3 0 ) ( 2 3 1 ) 把电压矢量厅的模与i 。的乘积称为三相电路瞬时有功功率，把电压矢量厅的模 与i ，。的乘积称为三相电路瞬时无功功率，即 p = u i 。 ( 2 3 2 ) q = u i 。 ( 2 3 3 ) 把式( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 和矿= 丸一谚代入( 2 3 2 ) 和( 2 3 3 ) 得： ； = s t a 一。i 业 。, 0 1 = c 。 艺 c z s a ， 把( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 代入( 2 - 3 4 ) 可得到p 、q 对于三相电压、电滚的表达 式： p = “。f 。+ u h i + “。f 。 ( 2 3 5 ) g = 去一虬) f 。十( 峨一) + ( 一) t 】 ( 2 3 6 ) 西南交通大掌硕士研冤生字位诧文 弟1 1 贝 - _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 将三相瞬时功率电流在口，轴l 的投影称为口，相的瞬时功率电流，得到： 。2 小峨2 等3 孺u a p 沿3 7 a i m = i vs i n 丸= 等铲南p ( 2 哪 驴弘i n 以2 等铲南q ( 2 - 3 7 。 i l s q = - - i qc o s 九= i u a = 一五万2 d a 虿g ( 2 - 3 7 d ) f ，旆称为球，相的瞬时有功电流，k ，i 舟称为，口相的瞬时无功电流。 a , p 相的瞬时功率分别为该相瞬时电压和瞬时电流的乘积，即： 胪峨2 壶p 心。3 8 幻 p a ：“口i 却= 丢p ( 2 3 8 b ) 刮，印2 虿可 u 旷蚶。= 害等q ( z - 3 s c ) 9 。2 “a w5 孺q 。 q 8 ：“口f 踟：一兽q ( 2 3 8 d ) 9 口5 “p 2 厮2 一蕊q 。 由此可知： p = p 。+ p a ( 2 3 9 ) q 。+ = 0 ( 2 4 0 ) 以下说明口。侈坐标系中的各量与a b c 三相坐标系中各电量之问的关系。 通过进行a ，两相向a b e 三相的变换( a b c 三相转为口一声两相变换的逆过程) ， 阱捌 弦m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 阱划旧，锻1 ， 嘲。专 嘲。三 。地焉 o = ( 旷三 i b q = ( u c - u o ) q = ( u 。- u h ) q 式中彳= ( “。一材6 ) 2 + ( 都 一。) 2 + ( “，一t g a ) 2 。 p o = u o i w = 3 u p 。 最= “。k = 3 甜；三 eq 铲3 “：三 铲k 巩( u b - - 哦) 三 玑= = ( u c - u 。) q 口。= 。t 。= “，( u 。- u h ) q ( 2 4 2 ) ( 2 4 2 a ) ( 2 - 4 2 b ) ( 2 - 4 2 c ) ( 2 - 4 3 a ) ( 2 - 4 3 b ) ( 2 - 4 3 c ) ( 2 - 4 4 a ) ( 2 4 4 b ) ( 2 - 4 4 c ) ( 2 - 4 5 a ) ( 2 4 5 b ) ( 2 4 5 c ) 由以l ：公式f 叮看出，传统功率理论是建立在平均值的旌础卜| 的，只适用丁二萨弦 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 稳念的情况下，而瞬时功率理论是建立在瞬时值的基础上的，它不仅适用于正 弦稳念，而且适用于暂念的情况。瞬时无功功率理论本质是矢量控制理论，我 们把二相静l f = 坐标a b c 转为两相静j l ：坐标a 一的变换称为c l a r k e 变换，其逆 变换称为c l a r k e 反变换：把两相静止坐标口一转为两相旋转坐标p q 的变换 称为p a r k ，其逆变换称为p a r k 反变换：把三相静止坐标a b c 转为两相旋转坐标 p q 的变换称为d - q 变换，其逆变换称为d - q 反变换。 2 3 无功补偿的基本原理 电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能 是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周 期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电 网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这 种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它 存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源、电感和电容之i b j 。无功功率在 电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网 的电压质量，增加电网的线损率”1 。 j 己_ 卜_ m 二三 蔬 x 匠 图2 - 3 局部电力网的等效电路图 由局部电力网的等值电路图2 - 3 可知，电力网中由于无功负荷而带来的电 压损耗u 的计算公式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 a u = u i u 2 = ，2c o s r + ，2s i n x x ：p z r + q 2 x 。 u 2 p2 r + q 2 j ( 2 4 6 ) 式中：u 。， 电力网的额定电压； u ： 元件的术端电压： 西电网中电压和电流的差角；r ，x 电力网中元件的等效电阻和等效电抗； p 2 o ：元件术端的有功负荷和无功负荷。 由上式可知由负荷的无功功率o ：。在元件引起的的电压损耗u ，的计算公 式为： a u ，：_ q 2 x ( 2 4 7 ) 1 u ， 而由负荷的有功功率最在元件中引起的电压损耗的计算公式为： ，：望 ( 2 4 8 ) u 口2 责 旺一 可见在元件电阻小于电抗的电力网中，无功引起的电压损耗占主要成分，电力 网中的线损公式如下： a s = s j s 2 = 3 1 ：( r + j x ) = 3 1 ；( r + 工y ) = 警2 2 m 弘) 叫 式中：s = 叠+ ，q ls ：= + ，q 有功线损耗的计算公式为： 尸：墨2 ：丝2r( 2 5 0 ) u 这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损耗的计算公式为； 嵋= 簪r ( 2 ，5 1 ) 由l 二述分析可见，要减少电力嘲中的电压损耗和电网的线损率，提高用户端的 电压质艟的重措施之：是减少f 1 ，j 网元件中的无功传输，町以从提岛负衍 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。 将电容器和电感芹连任同一电路中，电感吸收能量时，币好电容器释放能量， 而电感放出能量时，电容器却在吸收能量，能量就在它们之问交换，即感性负 荷( 电动机、变压器等) 所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得 到补偿。因此把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。此外，调相机、同步 电动机等也可以作为无功补偿装置。 无功补偿的作用和原理可由图2 3 来解释： 设感性负荷需要从电源吸收的无功功率为q ，补偿以后，补偿的无功功率为，1 ， y o 使电源输出的无功功率减少为q 7 = q g ，功率因数由c o s 降为c o s 西7 ，视在 功率由s 减少到s 7 。 图2 4 无功补偿的原理图 视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设 备的投资。例如一台1 0 0 0 千伏安的变压器，当负荷的功率凶数为0 7 时，可供 7 0 0 千一瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0 9 时，可供9 0 0 千瓦的有功 功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供2 0 0 于瓦负荷，是 相当可观的。 a s ：a p + ，q _ - ! ：! 望二堡! ( 月+ i x l ( 2 5 2 ) “ 。 可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少了，相应的使电力网 和变压器c 1 ，的功率损耗卜i 降，从向提商了供电效率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 由电压损耗计算公式 u ：p r + ( q - q , ) x u ( 2 - 5 3 ) 采用无功补偿措腌后，因为通过电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电 压损耗，提高了用户处的电压质量。 并联电容器的无功补偿作用和原理，也可以用图2 - 5 加以说明 图2 - 5 无功补偿作用原理图 图2 - 5 中的用电负荷总电流i 可以分解为有功电流分量，和无功电流分量，。( 电 感性的) 。当并联电容器投入运行时，流入电容器的容性电流，。与l q 方向相反， 故町抵消一部分，。，使电感性电流分量几降低为，；= ，一l ，总电流由i 降为 i ，功率因数也由c o s d ) 提高到c o s7 。这时负荷所需的无功功率全部由补偿电 容供给，电网只需供给有功功率。如2 - 6 无功补偿的示意图所示。 骝卜 图2 - 6 无功补偿示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 4 本章小结 本章的主要内容就是介绍各种功率理论，其中包括传统功率理论、非正 弦电路的功率理论、三相电路瞬时功率理论和瞬时无功功率理论等。从这罩可 以了解到，传统的功率理论都是建立在平均值的基础上的，只适合于j 下弦稳态 的情况下。而由赤木( a k a g i ) 提出的瞬时无功理论通过定义瞬时实功率p 和瞬时 虚功率q ，在包括了传统功率的基础上又将有功功率与无功功率的谐波分量包括 了进来，从而对传统的功率理论进行了扩充，对无功补偿装置的研究和开发起 到了很大的推动作用。本章还着重介绍了经过改进后的瞬时功率理论，它对电 流中的有功分量及无功分量解释的非常详细。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章人工智能在无功补偿控制系统的应用研究 在本系统中，控制的对象是功率因数，但在投切电容器的过程控制中，随 着负荷变化或干扰因素等影响，其对象特性或结构参数会发生变化，一般采用 自适应控制策略。自适应控制是运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实 时地改变其控制策略，使控制系统的性能指标保持在最佳范围内。但其控制效 果的好坏取决于辨识模型的精确度”，对于功率因数控制这个复杂系统，进 行精确地辨识是很困难的，所以目i ；i 对电容器控制部分的控制，大量采用的是 p i d 算法。往往要求控制器能根据现场实际情况，自动调节p i d 参数，这就有力 地推动了智能p i d 在此领域的应用。常用的方法是把传统的p i d 控制器和先进 的专家系统相结合”1 ，即将操作人员( 专家) 长期的经验知识用控制规则模型 化，然后运用知识推理便可对p i d 参数实现最佳调整。但是由于操作者的经验 不易精确描述，控制过程中各种控制量及评价指标也不易定量表示，而模糊理 论提供了解决这一问题的有效途径，运用模糊数学的方法，把规则的条件，操 作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存在知识库中， 计算机系统根据控制系统的实际响应情况，进行模糊推理，自动实现对参数的 最佳调整“，这就构成模糊控制器。下面把几种控制方案做一简单比较。 ( 1 ) 自适应p i d 算法：该方案主要是数字p i d 调节器参数的自寻最优控制，主 要针对时变线性系统进行控制的。参数寻优的方法有多种，通常选用具有控制 参数收敛快、计算工作量小、简单适用等优点的单纯形加速法。但是该方案整 体上仍然显得过于复杂，程序编写比较困难，计算量和传统方法相比太大，难 以达到实时性要求。所以该方案一般适用于控制要求高、系统函数变化比较慢、 控制器件速度快等场合。 ( 2 ) 神经网络控制：该策略是模拟人脑神经元的网络而建立的系统模型，它的智 能特性和仿人控制比较好。它在控制方面的应用，主要是系统的辨识、建模、 以及自适应控制等“。各种新的控制系统和它结合；又能产生新的智能控制系 统，如模糊神经网络等。由于该策略的实现比较复杂，同时本摔制对象并非很 复杂对象，所以该策略并不适合本课题。 ( 3 ) 模糊拧制：模糊系统理论j ：1 9 6 5 年由z a d e h 创屯，而后进行了实际应用， 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 尤其在8 0 年代的同本出现了大规模地成功应用”“。模糊控制实际上是基于人类 的实际思维而发展起来的一种控制策略，尤其特别重要地是，这些工作都不依 赖于被控对象的精确数学模型，而是根据己有的人工操作经验，设计好模糊控 制系统，并在应用过程中对参数适当的调整，最终达到比较好的控制效果。因 为它源于人的思维特点，所以实现起来也比较方便。基于它的实现简洁、能适 应非线性时不变系统、实时性及鲁棒性好等优点，因而得到广泛应用，本论文 也是采用模糊控制策略来设计的无功补偿控制器。 3 1 无功补偿模糊控制器设计的理论基础 3 1 1 模糊控制器设计的数学方法 模糊数学是研究和处理具有“模糊性”现象的数学。电网状态的好坏是一个 模糊概念，用经典数学无法对电网的状态进行综合评价，因此，本文采用模糊 数学的理论对其进行综合评判，即进行模糊综合评判。所谓模糊综合评判，是 指对多种因素所影响的事物或现象进行总的评价，而在评价的过程中涉及模糊 因素，模糊综合评判”“”3 主要分为两步：第一步先按每个因素单独评判；第 二步再按所有因素综合评判。其基本方法和步骤如下： ( 1 ) 建立因素集： u = “，u 2 ，u 3 ，u 。 ( 3 - 1 ) 因素集是影响评判对象的各种因素元素的普通集合。式中，u 是因素集，u ，( 扛 i ，2 ，m ) 代表各因素。 ( 2 ) 建立权重集： 因为各个因素的重要程度是不一样的，为了反映各因素的重要程度，对各个 因素应赋予一相应的权数a ( i = 1 ，2 ，m ) 由各权数所组成的集合。 a = ( q ，口2 ，a 口。) 称为权重集 ( 3 2 ) 通常个权数q ( 扛1 , 2 ，3 ，m ) 应满足归一性和非负性，q = 1 ，d ，0 。 ( 3 ) 建立评价集： “1 评价集是评判者对评判对象可能作出的各种总的评判结果组成的集合。 v = ( k ，k ) ( 3 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 ( 4 ) 找出评判矩阵： 对评判对象按凶素集中第i 个冈素u ，进行评判，对评价集中第，个因素一 的隶属度为f 则按第f 个因素u ，评判的结果，可用模糊集合： r ，= l l ，k + 2 + 一+ o k 表示。 ( 3 4 ) 足称为因素评判集，它是评价集v 上的一个模糊子集，可简单地表示为： r ，= ( r f l ，2 ，) ( 3 5 ) 同理，可得相应于每个因素的单因素评判集如下： r l = 瓴i ，2 ，) r 2 = ( r 2 l ，r n ，) ( 3 6 ) m 胄材= ( ，0 l ，k 2 ， 如) 将各单因素评判集的隶属度为行组成的矩阵： i ，l - r ：r z l m 【 称为单位因素评判矩阵。显然， 2 吃2 r 2 月 mm r m 2r m n r 为一模糊矩阵。 匕 m m k 。 ( 3 - 7 ) = 以，6 2 八既) ( 3 - 8 ) ( 5 ) 模糊综合评判町表示为； b ，= v ( 口 0 ) ( ，= 1 2 ，v ，n ) ( 3 - 9 ) 根掘本评判对象的特点，第5 步中，由于查德算子存在评判失效的可能性，改 为乘法算子。最后的值就是综合评判的结果。 评价集是评判者对评判对象可能作出的各种总的评判结果组成的集合。出于实 际考虑，设置因素评价集： v = i ，i i ，i i i ，i v ) ( 3 - 1 0 ) i 表示状念是最好，b | j 表示该| 大j 素处于最”j 范 书1 内；【i 表示状态足良好；i i i 表 亿勃m 一怯嗡 q 口 q = 口 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 示状态是中：i v 表示状态是差。 评判模糊f 集相应变为： r ，= ( l ，2 ，：4 ) ( 3 1 1 ) 评判矩阵相应变为： j 4 屯 mm o ， 曰= “，呜，鸭八j 乏艺r 膨2 3r m 2 4 l l 234 l = 心，如，岛 屯) ( 3 - 1 2 ) ( 3 1 3 ) 其中屯的表示是：。 b j = ( 口，