（电力系统及其自动化专业论文）基于模糊pi控制的静止无功补偿器设计.pdf

基于模糊p i 控制的静止无功补偿器设计 a b s t r a c t w i t hr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h e r ei sh i g h e ra n dh i g h e rd e m a n df o r p o w e r q u a l i t y c u s t o mp o w e rt e c h n o l o g y ，w h i c hi san e wa r e ao fr e s e a r c hi np o w e rs y s t e m ， w 订lb ea ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yo fd i s t “b u t i o nn e t w o r ki nt h e f i u t u r e s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) ，w h i c hc a nr e p l a c ec o n v e n t i o n a lv o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e rc o n t r o ld e v i c ea i i di sm o r ep o w e r f u la n df a s t ，i sa ni m p o r t a n tc u s t o m p o w e rd e v i c e n o ww e r eh o t l ys t u d i e d i na l lo ff a m i l i e so fs v c ，f c t c ri so n e t y p eo ft h e m ，w h o s er a t i oo fc o s ta n d p e r f b m a n c eh a sv e r yh i g hc o r r e s p o n d i n g l y i tc a nt r a c kt h el o a d s 。i m n n i n gc h a n g e a u t o m a t i c a l l y ；a d j u s tt h et c r sc a p a c i t yo u t p u tb yc o n t r o l l i n gt h et h y r i s t o r s p a s s i n g a n g l ec o n t i n u o u s l y i tc a nh a v eg o o de f - f e c t si nt h et e r n so fi m p r o v i n gt h el o a d s p o w e rf a c t o r ，s t a b i l i z i n ga n db a l a n c i n gv o l t a g e b a s e do nt h ed e s i g no fs v c ，c o n t r o l s t r a t e g y h 盯d w a r e 如ds o r w a r ed e s i g nm e t h o d s 肌dk e yt e c h n o l o g yf o rd y n a m i c r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw e r es t u d i e d t _ 1 1 eb a s i ct e n e to fs v co ft h et y p ef c t c r 碍，a se x p d u n d e d6 r s lo fa 】li no r d e r t oa c h i e v et h eo b j e c t i v e so fd y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nf o ri o a d sa n d s t a b i l i z i n gn o d ev o l t a g e ， t h ef u z z y p ic o n t r o lm e t h o dw a sp r o p o s e d b a s e do n d i a 色r e n ts t a t u s ，s w i t c hc o n t r o is t r a t e g yb e t w e e nf u z z yc o n t r o la n dp ic o n t r o lt o a c h i e v eab e t t e rc o m p e n s a r t i o ne f f b c t f o rt h er e a l i z a t i o no fn _ i z z y p ic o n t r o l 。i ti s n e e d e dt oa c c u r a t e l yd e t e c tt h ec o m p e n s a t i o ns i g n a l ，t h i sp a p e ra d o p t e dar e a c t i v e d e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y t bv e r i f yt h ev a l i d l yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d ，t h es v c s i m u l a t i o nm o d e l b a s e do nm a t l a bw a sb u i l t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es v cb a s e do nt h e p r o p o s e dc o n t r o lm e t h o dc a na c h i e v et h eo b je c t i v e so fd y n a m i cc o m p e n s a t i o nf o r l o a d sa n di n l p r o v i n gv o l t a g eq u a l i t y i nt h ee n d ，b a s e do nt h ea b o v et h e o r ya n dt e c h n o l o g y ，t h ep a r t i c u l a rd e s i g n p r o c e s so ft h es v cb a s e do nd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) c o n t r o l l e rw a si n t r o d u c e d s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es v cw a se x p a t i a t e di nt h ep a p e r r e l a t e d i m p o n a n td e s i g nd a t u ma n dp r i n c i p l ew e r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ；f u z z y p ic o n t r o l ；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ； i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ；d s p l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 薪之彩 日期：丫年r 月秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 z 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“，) 作者签名：群锄 导师签名：岛建啬 日期：蛉7 年厂月矽日 日期：印尸年厂月吵日 硕一| = 学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 电能是人类生活、生产所需的最重要的一种能源。电力工业是国民经济和社 会发展的基础产业。随着社会发展和人民生活水平的提高，使得整个社会对电力 的依赖程度日益增加，可以说一个国家的电气化程度已成为衡量其现代化水平的 一个重要标志。 在电力系统中，如果无功储备不足将会导致电网电压水平降低，冲击性的无 功功率负载还会使电压产生剧烈的波动，恶化电网的供电质量【ij ；严重时，会导 致电力设备损坏，甚至是电力系统崩溃。目前，我国输配电网存在着严重的无功 缺乏、备用容量不足的问题，其中由于无功不足而产生电压降落、电能传输损耗 大、线路输送容量降低和网络稳定性下降等问题表现尤为突出。无功补偿是解决 电网无功不足的有效途径，日益成为电力行业研究重点，越来越被人们所重视。 传统的无功补偿设备有同步调相机、固定电容器组、开关投切并联电抗器等， 这些设备可满足一定范围的无功补偿要求，但它们也存在着其固有的缺点，如同 步调相机响应速度慢，由于其带有旋转部件维护工作量大，固定电容器组和开关 投切并联电抗器响应速度慢，无法连续调节等。显然，以上几种无功补偿设备很 难对电网电压的波动有较好的抑制效果。2 0 世纪8 0 年代中后期，柔性交流输电 系统( f l e x i b l et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称f a c t s ) 概念的提出立即得到全世界 电力工程界的广泛重视。静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 是目前 电力系统中应用最多、最为成熟的并联补偿设备，它也是一类较早得到应用的 f a c t s 控制器【2 。】。采用晶闸管等电力电子器件作为控制元件的静止无功补偿设 备是一种先进的电网动态功率因数补偿装置，有响应速度快、控制灵活、连续可 调等优点。当前s v c 己经被广泛应用于现代电力系统的负荷补偿和输电线路补 偿，以提高电力系统的稳定性和抑制电压波动，应用于对冲击负荷( 如电弧炉) 的闪变抑制和对电气化铁路的不平衡补偿之中，被全世界电力公司和工业界公认 为一种有效的无功功率补偿的手段而加以应用。 我国已有能力独立开发成套的s v c 装置，像电力科学院、西安电力电容器厂、 鞍山荣信等，但是在技术水平上与a b b 、a l s t o m 、s i e m e n s 等国外大公司仍 有较大的差距。研制更加可靠的、性能更加优越的国产化s v c 是推动我国电力工 业技术进步的要求，发展s v c 对提高我国电力系统的安全、经济运行水平和改善 电能质量具有重要价值。我们与长沙凯讯电子科技有限公司合作，深入研究了 基于模糊p i 控制的静止无功补偿器设计 s v c 装置的原理及其具体设计实现问题，设计了一套性能优越的s v c 无功补偿 设备。 1 2 无功功率和功率因数的定义 在正弦交流电路内，电流和电源电压的相位关系与系统元件的阻抗参数和负 载的阻抗参数和负载性质有关。例如，当系统阻抗为纯电阻，负载也是纯电阻性 质时，则电流与电压同相位；当系统元件为纯电感或纯电容，负载也是纯电感或 纯电容性质时，则电流落后或超前电压9 0 0 ，这三种情况在电工学上通常可用向 量表示，见图1 1 。 a ) 电流和电压同相位b ) 电流滞后电压9 c y oc ) 电流超前电压9 c y d 图1 1 电流与电压间的相量图 交流电路中电源送至用户的有功功率是电压和电流的乘积。假设瞬时电压 甜= 2 u s i n 耐，电流江2 ，s i n ( 耐一) ，则瞬时功率为： p = 甜扛2 s i n 研s i n ( 耐一咖= c o s 缈一c o s ( 耐一缈) ( 1 1 ) 当供电电压的周期为丁时，在一个周期内有功功率的平均值为： 尸= 专r 【明c 。s 缈一研c 。s ( 2 研一缈) p 纠= 研c 。s 缈+ o ( 1 2 ) 平均功率的第二项为零时，意味着这部分功率所消耗的能量只是在电源及负 载间进行交换，即不作有用的功。这种能量交换，只有当系统中存在无功元件， 即感抗和容抗并必须积累和输出电磁能时，才有必要。 在图1 1 ( a ) 中，电压与电流同相位时，显然 尸= k ( 1 3 ) 这是纯电阻性负荷。 对图1 1 ( b ) 及( c ) 尸= 0 式中k 表示与相数有关的系数。如在三相交流电路中，当电压为线电压，电 流为线电流时，k = 3 。 以上说明，在不同供电系统中，当电源电压和电流大小相同时，有功功率的 大小决定于电压和电流之间的夹角缈，即决定于功率因数c o s 缈值，缈角越大，c o s 伊 值越小。 与缈角对应的正弦值s i i l 矽和电压u 电流，的乘积称为无功功率。 亨 硕士学位论文 q = k s i i l 缈 矿角越大，无功功率越大。 有功功率和视在功率的比值为功率因数力。 名= 昙= c o s ( 1 4 ) ( 1 5 ) 固1 2 电流与电压问的夹角为甲角时的相量关系 功率因数的物理意义是线路的视在功率s 供给有功功率的消耗所占百分数。 由公式( 1 5 ) 可知，在正弦电路中，功率因数是由电压和电流之间的相位差决定 的。在一定的电压和电流下，提高c o s ，其输出的有功功率将增大。 1 3 无功补偿的意义 前面一节介绍了正弦电路中有功功率和无功功率的定义，人们对有功功率重 要性的理解非常容易。实际上，无功功率对供电系统和负载的运行也十分重要。 电力系统网络元件的阻抗主要是感性的。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大 多数负荷也需要消耗无功功率，如异步电动机、变压器等。对于阻感负载必须吸 收无功功率才能正常工作。此外，随着现代工业的发展，大量使用的电力电子装 置特别是各种相控装置也需要大量的无功功率。 网络元件和负荷所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些 无功功率可由发电机提供，但是无功功率的输送要求送电端和受电端的电压有一 幅值差，这只能在很窄的范围内实现，而且受到发电机额定功率的限制，无功功 率的增加将减少发电机输出的有功功率，无功电流沿线路传输还将带来附加损耗， 所以由发电机提供无功功率是非常不经济的一种做法。这样就会造成电网无功不 足的问题。 网络元件和负载等所需要的无功功率如果备用不足会带来一系列不利影响： ( 1 ) 如果电网提供的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压降低；如果无 功容量过剩，会造成负荷端的供电电压过高，影响正常的生产和生活用电。 ( 2 ) 无功功率的增加会引起传输线路总电流增大，从而会使电网中的元件， 如发电机、变压器、电气设备及导线的容量增大，不利于投资成本的降低。 ( 3 ) 无功功率的增加意味着无功电流增大，从而使传输线路的总电流增大， 在传输线路阻抗一定的情况下，电流的增大会造成线路和设备的损耗增加。 ( 4 ) 对发电设备而言，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电 基于模糊p i 控制的静止无功补偿器设计 压降低，如果过度增加励磁电流，会使转子绕组超过允许温升。 要解决网络元件和负载等所需要的无功功率问题，合理的方法是在需要无功 功率的地方产生无功功率，使无功能够就地平衡。 无功补偿的作用及其意义主要有以下几点： ( 1 ) 提高输电网络运行效率，有效利用输变电容量。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地 点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 ( 3 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少配电系统功率 损耗。 1 4 无功补偿措施 为提高电网的安全运行水平和电能质量，人们研究出一些专门进行无功补偿 的设备来调整系统中无功功率的分布和流向，通过控制无功的手段解决系统中存 在的稳定性、电压波动等问题。下面对电力系统中常用的无功补偿措施【4 】分别加 以介绍。 ( 1 ) 发电机 发电机是电力系统中的唯一的有功电源，同时也是无功的基本源。它可以提 供一定的无功功率，用来进行调压。发电机正常运行时以滞后功率因数运行为主， 必要时也可以减小励磁电流在超前功率因数下运行，以吸收系统中多余的无功功 率。如系统低负荷运行时，发电机就也可以发出有功而吸收无功，称为进相运行。 但通常发电机的地点固定，不能灵活安置，且为保证系统安全，要限制其运行范 围，无功调节的作用很有限。利用发电机在输出有功功率的同时提供无功功率尽 管目前在我国电力系统中仍得到应用，但这将降低发电机的有功出力，是一种非 常昂贵且不合理的方法。 ( 2 ) 同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步电动机。在过励磁( 经常的运行状态) 运 行时，它向系统供给感性无功起无功电源的作用，过励磁运行供给无功功率而将 系统电压调高；在欠励磁( 较少的运行状态) 运行时，它从系统吸取感性无功功 率起无功负荷作用，欠励磁运行吸收系统多余的无功功率而将电压调低。同步调 相机可以双向、连续调节；能独立地用调节励磁来调节无功的大小；有较大的过 负荷能力。缺点是：设备投资高；起动、运行、维修复杂：动态调节响应慢；不 适应太大或太小的补偿；发生失磁故障时将加重系统的电压波动。 ( 3 ) 静电电容器 静电电容器供给的无功功率与所在节点的电压的平方成正比。当节点电压下 降时，它供给系统的无功功率将减少。因此，当系统发生故障或由于其他的原因 硕士学位论文 电压下降时，电容器无功输出的减少将导致电压继续下降。换言之，电容器的无 功功率调节性能比较差。 静电电容器的装设容量可大可小，而且可以集中使用，又可分散装设来就地 供应无功功率，以降低网络的电能损耗。其优点是：投资省、运行经济、结构简 单、维护方便、容量可任意选择、实用性强。缺点是：不能连续调节、负荷调节 特性差。 ( 4 ) 静止无功补偿器 静止无功补偿器( s v c ) 简称静止补偿器，是8 0 年代发展起来的新技术，主 要是相对于旋转的同步调相机而命名的。它是一种由静电电容器和各种类型的电 抗器并联组成的无功补偿装置，电容器可以发出无功功率，电抗器可以吸收无功 功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能实现无功功率的平滑输出或 是吸收，响应迅速。将它装设于高压输电系统可以控制长距离输电线路甩负荷、 空载效应等引起的动态过电压，改善系统的稳定性，抑制系统的功率振荡。它对 调节负荷功率因数、稳定和平衡系统电压、消除流向系统的高次谐波电流、平衡 三相负荷等也有显著的效果。 ( 5 ) 静止同步补偿器 静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 通过可关断的电力电子器件，如g t o 、i g b t ， 实现将直流变为交流的逆变装置，由电容器或其它储能装置提供直流电压，输出 可控的交流电压。与同步调相机类似，当这个可控的电压大于系统电压时，装置 发出无功，反之，则吸收无功。与s v c 相比，其特点是不需要大容量的电抗器和 电容器，占地面积小，响应速度更快，为系统提供的无功大小不依赖于系统电压， 但其造假昂贵，费用较高。然而随着电力电子技术的发展，器件的耐压、容量不 断提高，价格将不断下降，将来有可能比s v c 更具有竞争力。 1 5 常见的几种s v c 装置 常见的s v c 有四种形式：饱和型电抗器、t c r ( 晶闸管控制电抗器) 、t s c ( 晶闸管投切电容器) 、t c t ( 晶闸管控制高漏抗变压器) 、t c r + t s c 组合型s v c 。 下面对以上几种主要的s v c 做一个简要的比较介绍【5 西】。 1 5 1 饱和型电抗器 饱和型电抗器静止无功补偿装置又可分为自饱和电抗型和可控饱和电抗型两 种。自饱和电抗型静止无功补偿装置可以认为是同步调相机的静止装置，它利用 铁心的饱和特性，使滞后相位的无功功率随端电压的升降而增减。图1 3 是带斜 率校正的自饱和电抗器型静止补偿装置的原理图及该装置的工作特性曲线。 图中l 为自饱和电抗器，斜率校正装置电抗器侧的电容器c s 实现校正。从 基于模糊p i 控制的静止无功补偿器设计 图中可知，当母线电压波动升高u 时，则按特性曲线滞后电流增加，该滞后 电流在网络电抗必上产生压降一u ，以维持系统电压不变；反之，当母线电压波 动下降u 时，则超前电流增加，该超前电流在网络电抗魅上产生压升+ u ， 从而维持系统电压不变。 u o 。 严 i 一 图1 3 带斜率校正的自饱和电抗器及其工作特性曲线 可控饱和电抗器的原理如图1 4 所示。它通过改变饱和电抗器控制绕组中的 电流大小来改变电抗器铁心的工作点磁通密度，进而改变绕组的电感值及相应补 偿的无功功率，和自饱和电抗器相比，它能够更好地适应母线电压变化较大的情 况。 图1 4 可控饱和电抗器原理图 1 5 2 晶闸管控制电抗器( t c r ) t c r 型静止无功补偿装置原理图及装置的工作原理十分简单，即通过控制与 相控电抗器连接的反向并联晶闸管的移相触发脉冲，改变电抗器等效电纳的大小， 从而达到输出可变的、连续的无功功率的目的。 图1 5 为t c r 的电路原理图和电流波形图，t l 与t 2 为两个反向并联的晶闸 管。当触发控制角a 为9 0 0 时，电抗器吸收的感性无功最大( 额定功率) ，当a 为l8 0 0 时，电抗器不投入运行，吸收的感性无功最小( 空载功率) 。改变触发控 制角的大小，相当于改变电抗器的电抗值。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此 电流滞后于电压约9 0 0 ，为纯无功电流。a 在0 0 9 0 0 之间时，会产生含直流分量的 不对称电流，所以控制角一般在9 0 0 1 8 0 0 范围内调节。 晶闸管控制的电抗器可以看成一个可控电纳，其等效的电纳值与触发控制角 a 的关系如下： 啦) = _ 塾害墼 ( 1 6 ) 其中以为电抗器的基波电抗，并约定电抗器的导纳值为负，电容器的导纳值 为正。 u 俯八一， 鲋心绂呀 捆1 5t c r 电路原理图和电流波形图 1 5 3 晶闸管投切电容器( t s c ) 如图1 6 所示为t s c 型s v c 装置的原理图及工作特性曲线。根据负载感性无 功功率的变化，切除或投入电容器组时，晶闸管只作为投切电容器的开关，而不 象t c r 型中韵晶闸管起相控的作用。在实际系统中，每个电容器组要串联一个阻 尼电抗器，：以降低对晶闸管产生的冲击电流，以及避免与系统阻抗产生的谐振现 象。用晶闸管投切电容器组时，通常选取系统电压峰值或过零点投切电容器组。 另外，由于t s c 中的电容器只是在两个极端电流值( 零电流和额定正弦电流) 之 间切换，所以不产生谐波，这是它的优点，但是无功功率补偿是阶跃的，且响应 速度较差 ji u o n i 一 图1 6 晶闸管投切电容器型s v c 装置原理及工作特性曲线 1 5 4 晶闸管控制高漏抗变压器( t c t ) t c t 是一种特殊的t c r ，由高阻抗变压器和三组晶闸管阀构成，如图1 7 所 基于模期p i 控制的静止无功补偿器设计 示。高阻抗变压器的漏抗可达7 0 以上。在高压电网中，高阻抗变压器一般采用 星形三角形接法，以降低绝缘要求；中低压电网中则采用三角形开口星形的接 法，副边中性点分开，使每相负载与另外两相独立，从而可以单独控制正序和负 序电流，分相调节，补偿电弧炉等不平衡负载。 这种装置是为降低t c r 中降压变压器和电抗器的价格而设计的，所以与 t c r 工作、调节方式基本相同。t c t 同样需要固定的电容支路提供容性无功并兼 作滤波器。 图1 7 具有电抗器- 变压器的补偿器 1 5 5t c r + t s c t c r + t s c 组合型补偿装置采用两种可变的无功元件，即可控硅控制的电抗 器和可控硅投切电容器组。常把两列四个可控硅投切电容器组和一台相同容量的 可控硅控制的电抗器一起使用，能对电容器组分级变化提供平滑作用。这种方法 可以连续控制所发出的无功由额定值降至零( 当电容器全部切除时，发出的无功 为零) 。从另一方面说，平滑变化的电抗器单独吸收无功可达其额定值，如果需 要吸收更多的无功，可控硅投切电抗器还能提供。 图1 8t c r + t s c 组合型s v c 装置原理图和工作特性曲线 t c r + t s c 组合型s v c 装置其原理及工作特性曲线如图1 8 。其基本运行原理 8 硕士学位论文 是：当系统电压低于设定的运行电压时，则需根据需要补偿的容性无功量，投入 适当组数的电容器组，并略有点正偏差( 即过补偿) ，此时再用晶闸管相控电 抗器的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率；而当系统电压高于设 定的运行电压时，则切除所有的电容器组，t c r + t s c 组合型s v c 装置此时只有 t c r 运行。 1 6 国内外研究状况及存在的问题 科学技术的发展，世界信息化程度的加深，使得人类生活、生产的各个领域 对电能质量都提出了更高的要求。s v c 作为一种重要的用户电力设备，在同类的 各种无功补偿装置中拥有无可比拟的性价比，深受欢迎，成为了国内外研究热点。 国外某些发达工业国家对s v c 的研究起步较早，已有成套装置在电网和企业 中投运。例如国外知名的电气厂商a b b 、g b 、s i e m e n s 都有技术较为成熟的规 格系列化产品。我国对s v c 的研发起步较晚，但现在已有能力独立开发成套的 ，s v c 装置，像电力科学院、西安电力电容器厂、鞍山荣信等。在应用上，目前， 我国输电系统中一共有5 地6 套大容量s v c 投入使用，它们分别被装设在广东江 门、湖南云田、湖北凤凰山( 2 套) 、河南以及辽宁沙岭的5 0 0 k v 变电站中。 要使s v c 装置充分发挥其功能，采用准确、高效的分析与控制方法是至关重 要的，对s v c 的研究重点也就是控制器分析控制方法的研究，即s v c 控制器控 制策略的研究。国内外文献对s v c 控制策略的研究有诸多报道。 文献【7 】提出了基于同步对称分量法的无功补偿导纳计算方法。该方法以电网 三相正序电压为同步参考坐标，再利用旋转对称分量法可以方便地得到电网需要 补偿的导纳值。文中提出的三相电压提取方法能有效地消除电网电压的畸变干扰， 以电压为同步坐标的旋转对称分量法可消除电流中谐波的影响，从而可准确地计 算出电网需要补偿的导纳值。 文献【8 】提出了一种新型基于双闭环p i d 控制的s v c 控制器控制策略。p i d 控制 结构，内环为电压调节，外环为功率因数校正，使s v c 装置能同时达到功率因数 校正和改善电压的目的。 文献【9 】对由晶闸管控制电抗器( t c r ) 型装置与多个晶闸管开关电容器( t s c ) 型装置组成的静止无功补偿系统( s v c ) 建立了一个新的非仿射非线性模型。该 模型以晶闸管的触发角为控制量。根据非线性控制的逆系统方法，设计了相应的非 线性反馈线性化和极点配置的组合控制器。 文献【1 0 】提出了基于模糊控制的t s c 无功补偿控制器的设计方法。该控制方 法能较好的改进电压质量，控制无功功率范围，同时可防止系统在某一运行工况 下出现小波动时引发的往复投切现象。 文献【1 l 】提出了一种采用蚁群算法优化p i 控制器参数的方法，克服了常规p i 基于模糊p i 控制的静止无功补偿器设计 控制对被控对象数学模型的依赖性，蚁群优化算法中，以时间与误差绝对值乘积 积分( i n t e g r a lo f t i m e w e i g h t e da b s o l u t ee r r o r ，i t a e ) 准则作为寻优目标函数，对p i 控制器的比例、积分参数进行调整、寻优，使s v c 系统的响应过程达到最优，简 单易于实现。 还有其他文献【1 2 彩1 对s v c 的控制方法进行了探讨，概况而言，s v c 的控制方 法主要有以下几种： ( 1 ) p i d 控制 p i d 控制历史悠久、理论完善，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调 整方便而成为工业控制的主要技术。其控制系统有稳态精度高，稳定性好、易于 在工程中实现等优点。但p i d 控制也存在响应有超调、对系统参数摄动和抗负载 扰动能力差等缺点，当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数 学模型时，系统的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，对非线性系统控 制效果不理想。 ( 2 ) 模糊控制 模糊控制是一种基于经验和专家知识的智能控制方法，在设计中无需知道被 控对象精确的数学模型，对多输入多输出、时变及滞后等复杂系统都能进行控制， 算法简单，执行快，容易实现。模糊控制系统的鲁棒性强，对外来干扰、过程参 数变化和非线性因素均不敏感。 ( 3 ) 人工神经网络 人工神经网络模拟人的思想，具有自适应和自组织能力，可以根据输入、输 出学会它们之间的非线性关系，而不需要系统的数学模型。随着计算机技术不断 发展，这种控制方法将有较好发展前景。 ( 4 ) 复合控制 结合两种或多种控制方法进行控制，充分发挥各种控制方法的优点，使控制 系统总体性能达到更优。这种控制方法能弥补各控制方法自身的不足，使控制系 统整体性能有较大改善。这种控制方法已成为一种发展趋势。 可见控制方法的不同，优缺点不同，寻求一种更优，性能更好的控制方法将 在很大程度上提高s v c 性能，也是目前存在的问题。但随着电力电子技术、微处 理机技术、控制技术的发展，一定会有更优秀的控制方法出现并运用到s v c 控制 器中，从而进一步改善s v c 性能。 为实现s v c 补偿目标，补偿信号的检测也非常关键。很多学者在补偿信号检 测方面做了大量的工作，提出了各种不同的检测方法【2 4 3 6 】。从相关文献报道来看， 补偿信号的检测方法有基于f f t 的检测方法、基于瞬时无功功率理论的检测方法、 基于砌变换的检测方法、基于小波变换检测、基于自适应原理的检测方法等。上 述检测方法各有其不同的特点，各有其优缺点。研究者可以根据不同的要求和侧 硕十学位论文 重点合理选择检测方法。检测方法最终是为s v c 的控制服务的，准确、快速和易 于工程实现是其基本的发展方向。 ： 1 7 本文的主要工作 本文立足于静止无功补偿器的设计，对s v c 用于无功补偿的控制策略、检测 及控制方法等理论和关键技术进行了研究。采用优秀的控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 l2 设计了一套f c t c r 型s v c 装置，详细介绍了其硬件、软件设计过程。本文围绕 s v c 的控制策略和其具体的软硬件实现过程，主要做了以下工作： ( 1 ) 查阅了大量国内外文献，针对s v c 不同类型的结构和特征及其优缺点， 提出了采用f c t c r 型静止无功补偿器的整体方案，详细分析了f c t c r 型静止 无功补偿器的补偿原理。 ( 2 ) 为实现s v c 对负荷侧无功动态补偿的目标，本文在检测方法上采用了 基于瞬时无功功率的无功检测方法，实现对信号的准确快速检测；提出了基于模 糊p i 控制的控制方法，综合了两种控制方法的优点，在不同的条件下，合理切换 两种控制模式，实现对负荷无功平稳、快速、合理的补偿，与传统控制方法相比， s v c 整体性能有较大的改善。 ( 3 ) 设计了用于f c t c r 型s v c 的一种模糊p i 控制策略。 ( 4 ) 研究了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 为控制核心的这种模糊p i 控制器的实 现方法，给出了其硬、软件详细设计过程。 ( 5 ) 开展了s v c 装置的软、硬件调试与数字仿真分析。 基于模糊p i 控制的静止无功补偿器设计 第2 章f c t c r 型静止无功补偿器的结构和原理 静止无功补偿器的种类繁多，在第一章有详细介绍。综合考虑各种类型s v c 的优缺点、性价比和设计的要求，本设计最后采用f c t c r 型。本章对f c t c r 型s v c 基本结构和原理进行了研究，阐述了s v c 补偿器补偿无功功率的基本原 理：介绍了基于瞬时无功功率理论的无功检测方法；为实现s v c 对负荷节点无功 及电压控制的目标，综合比较了已有控制方法的优缺点，提出了模糊p i 控制方法。 2 1f c t c r 型s v c 结构与原理 2 1 1 结构与补偿原理 f c t c r 型s v c 的单相结构【3 7 1 如图2 1 。其中c 支路为固定电容，t c r 支路 由两个反并联的晶闸管t 卜t 2 与一个电抗器串联组成，在三相电路中多采用三角 形联结。控制这两个晶闸管在一定范围内导通，则可控制流过电抗器的电流，从 而形成连续可控的感性电抗，两个晶闸管分别在电源电压波的两个半周期内导通。 f u c = i 图2 1f c - t c r 型s v c 单相结构图 设支路两端电压为材= 2 u s i n ( 耐) ，触发控制角为a 。如图2 2 所示，当纠= 口时， 反并联的晶闸管中的t l 开始导通，电感上流过的电流f 由下式确定： 悱等( c o s 删) ( 2 1 ) 根据图2 2 和式( 2 1 ) 可得如下结论： ( 1 ) 当纠= 口或研= 2 刀一口时，玎，) = o 。 ( 2 ) 当刎= 万时，f ( ，) = k = 等( 1 + c 。s 口) 达到最大值。 ( 3 ) 在口耐刀时，电感存储磁能，电流增加；在万耐2 万一口期间，电 感释放磁能，电流下降。 硕上学位论文 图2 2t c r 单相电压电流波形图 当触发控制角口= 刀时，则导通角p = o ，此时t l 、t 2 不导通；当口从万开始 减小直到州2 时，p = 万，即t l 、t 2 完全导通，此时t c r 支路电流成连续的正弦 波，如图2 3 所示；当口从州2 再减小，由于电感电流滞后电压9 0 。，所以在正常 工作情况下，口州2 是没有用的。因此，晶闸管控制角的整个调控范围是9 0 。18 0 。 l m 脑 0保2 石一 万 沙 口= 9 0 。、 图2 3 口= 2 万时t c r 支路电压电流波形图 可见，当口= 9 0 。时，晶闸管完全导通，导通角万= 1 8 0 。，与晶闸管串联的电抗 器相当于直接接在电网上，这时其吸收的基波无功电流最大；当触发角在9 0 0 1 8 0 0 之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角万 1 8 0 。 对基波而言，晶闸管控制的电抗器可看作一个可控的电纳b ，( 口) ，其大小由 触发控制角n 决定，如式( 2 2 ) 所示。 吃( 口) ：坠掣 ( 2 2 ) 7 o 三 设计时，通常t c r 的容量大于f c 的容量，以保证既能输出容性无功也能输 出感性无功。实际应用中，通常用一个滤波网络( l c 或l c r ) 来取代单纯的电 容支路，滤波网络在基频下等效为容性阻抗，产生需要的容性无功功率，而在特 定频段内表现为低阻抗，从而能对t c r 产生的谐波分量起滤波作用。 f c t c r 型s v c 总的无功输出( 以吸收感性无功功率为正) 为t c r 支路和 f c 支路的无功输出之和，即q = 骁如。 2 1 2 外特性和动态性能 ( 1 ) 外特性： 图2 4 所示为f c - t c r 型s v c 的电压一电流( u i ) 运行区域，其中乓。懈为由 基于模糊- p i 控制的静止无功补偿器设计 固定电容支路确定的最大容抗，既m 瓢为由t c r 支路确定的最大感抗；玑n 诳、叽眦 和厶曲x 、屯m 舣为固定电容支路和t c r 支路的耐受电压和电流。f c - t c r 型s v c 外特性上表现为可控电抗，在一定的容量范围内能以一定的响应速度跟踪输入的 无功电流或容抗参考值。 ：忍0 n r c ； j l 厶一 0 l 一 图2 4f c t c r 型s v c 的u i 特性曲线 ( 2 ) 动态特性 晶闸管是一种半控器件，一旦被触发导通只能等待流过它的电流小于维持电 流后才关断，因此在每半个电压周期内反向并联的晶闸管只能受控导通一次，也 就是说t c r 半控特性不可避免地存在原理上的控制滞后，制约着补偿系统的动态 响应性能。在进行设计研究时，为了简便起见，f c t c r 型s v c 的响应时间通常采 用吖6 ，这对于系统规划和一般性的性能评估已经足够了。 2 1 3f c t c r 谐波分析 对式( 2 1 ) 作傅立叶变换可得谐波电流有效值如下： l = 爰 堂器 ( 刀= 3 ，5 ，7 ) 一万2 )s i n ( 聆一1 ) ( 口一7 r 2 ) 2 刀一1 s i n ( 口一州2 ) c o s 咒( 口一州2 ) 疗 ( 2 3 ) 式中x ，表示电抗器的基波电抗缈( q ) 。 由式( 2 3 ) 可知谐波电流大小与触发控制角口有关，a 角增大则电流波形畸 变率增加。在反并联晶闸管触发控制角a 完全对称的情况下，t c r 产生的主要谐 波是奇次谐波。a 角不完全对称时，则会产生偶次谐波。三及三的倍数次谐波可 利用三角形接线方法来消除1 3 8 j 。 电力系统中的3 、9 、1 5 等3 七次谐波容易消除，而5 、7 、1 1 、1 3 等次谐波分 量已足够小，所以只需考虑基波电纳b ，( 口) 。由于在晶闸管的严格控制下，电感 电流的导通时间与电感本身无关，仅取决于口，所以函数( 口) 是一个无惯性比例 环节，因而t c r 的动态响应好是一个独具的优点。 硕士学位论文 2 2 无功实时检测方法 d s p 所需处理时间越多，要想s v c 有一个准确快速的补偿效果，对检测方法有一 定的要求：运算准确，具有一定的精度，并且运算量小，延迟时间短。运用基于 瞬时无功功率理论的无功检测方法很好地解决了这一问题。 瞬时无功功率【3 9 。4 5 1 又称为三相电路瞬时无功功率，它首先由日本学者赤木泰 文于1 9 8 3 年提出即朋理论，它是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率g 的定义为基础 的。下面是基于瞬时无功功率理论无功检测方法的详细介绍。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为、和、毛、，将a 、 b 、c 三相坐标变换到两相正交的口一坐标系上。可得两相瞬时电压、和两 相瞬时电流乞、珏如下： 融2 目 眩4 ， m 2 圈 5 ， 肌驴层睦三 l22 在图2 5 所示的口一平面上，矢量吃、和和乞、绉分别可以合成为电压矢量 e 和电流矢量f ，即： p = + 印= h 么 ( 2 6 ) f = 乞+ - = l f i 么仍 ( 2 7 ) 三相电路瞬时有功电流，和瞬时无功电流，分别定义为矢量f 在矢量p 及 其法线上的投影。即 f 口= f c o s 缈 ( 2 8 ) = f s i i l 缈 ( 2 9 ) 式中，矿= 纯一仍。如图2 5 所示。 三相电路瞬时无功功率g ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量p 的模和三相电路瞬 时无功电流( 三相电路瞬时有功电流f p ) 的乘积。即 p = i e l 0 ( 2 1 0 ) g = h ( 2 1 1 ) 基于模糊p i 控制的静止无功补偿器设计 p e jf 一一一另 ； ； l8 p i ( ：7 i 、j 、一f l 受叛。， 讫、 忑迄：l ，t 7 图2 5 口一坐标系中的电压、电流矢量 由图2 5 中各矢量关系及上述推导出瞬时无功功率口和瞬时有功功率p 的矩 阵形式为： 乏地h 嘲 汜 舯，2 e 针 p 、g 对于三相电压、电流的表达式： p = 乞+ f 6 + ( 2 1 3 ) g = 去 ( 一巳) 乞+ ( 一乞) 毛+ ( 一) ( 2 1 4 ) a 、b 、c 各相的瞬时无功功率、9 6 、吼( 瞬时有功功率、风、见) 分别 为该相瞬时电压和瞬时无功电流( 瞬时有功电流) 的乘积，即 q o = e 口i 口q 吼= k ( 2 15 ) q c = e c i 田 p 4 = e a 叩 岛= k ( 2 1 6 ) p c = e 0 甲 同时，p = 死+ 儿+ 见、g = 吼+ 9 6 + g c = o z 凹 = 酬 ( 2 1 7 ) 三相电路各相的瞬时无功电流k 、k 、乞( 瞬时有功电流0 、k 、岛) 是口、 硕士学位论文 两相瞬时无功电流k 、锄( 瞬时有功电流么矿锄) 通过三相到两相变换所得 到的结果，如式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 。 白 嘞圈 ( 2 1 8 ) 式中岛= c 互。 在本s v c 装置中，需求出t c r 的晶闸管的触发控制角口，需测量系统三相 电压，三相电流，求出系统有功功率、无功功率、各相无功电流等参数。只需应 用上面介绍的基于瞬时无功功率理论无功检测方法，就可方便求出。 2 3 控制方法 在第一章中对当前s v c 的控制方法进行了探讨，s v c 的控制方法主要有以 下几种：p i d 控制、模糊控制、人工神经网络、复合控制等。 人工神经网络是一种旨在模仿人脑结构及其功能的信息处理系统，是由人工 神经元互联组成的网络，是对人脑若干基本特性的抽象和模拟，它反映了人脑功 能的若干基本特征，