（电力系统及其自动化专业论文）statcom双环控制策略的研究.pdf

t h ed o u b l e l o o pc o n t r o ls t r a t eg y r e s e a r c h f o rs t a t c o m a b s t r a c t f a c i n gt ot h ec u r r e n ts t a t u so fw e a kg r i dc o n f i g u r a t i o n ，u n d e v e l o p e d t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nt e c h n o l o g y ，l o wa u t o m a t i o nl e v e li no u rc o u n t r y p o w e rs y s t e mi si n c r e a s i n gi nq u a l i t ya n dq u a n t i t y ，f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ( f a c t s ) d e v i c e sc a ni n c r e a s ef l e x i b i l i t ya n dc o n t r o l l a b i l i t yo fp o w e r s y s t e mo p e r a t i o na n de n h a n c et h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m a sat y p i c a l f a c t sd e v i c e ，s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) i so n eo ft h em o s t e f f e c t i v er e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e st oi m p r o v ep o w e rt r a n s f e r c a p a b i l i t y a n dv o l t a g es t a b i l i t y ，b e c a u s eo fi t se v e ri n c r e a s i n g l ye f f e c to n i m p r o v i n gn e tw o r kv o l t a g eq u a l i t ya n de n h a n c i n gs y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t y ，t h e r e s e a r c ho fs t a t c o mi sv e r yi m p o r t a n t t h er e l i a b l ea n dd y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e li sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，a n d t h ep r i n c i p l eo fs t a t c o ma r ea n a l y z e d i nt h er e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g y t h e p a p e rp r o p o s e dad u a l - - c l o s e d - - l o o pi n t e l l i g e n ti n t e g r a t e dc o n t r o lm o d et h a ta r e c o m p o s e do fa ne x t e r n a l - - l o o pc o n t r o l l e ra n da ni n n e r l o o pc o n t r o l l e rt or e s e a r c h s t a t c o mn o n l i n e a rc o n t r o l l e r ad e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e df o r t h ec u r r e n ti n n e r l o o p a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fc u r r e n t c o u p l i n g i n m a t h e m a t i cm o d e l ，t h e d e c o u p l i n gc o n t r o lo ff e e df o r w a r dp r i n c i p l ea n d i n p u t o u t p u tl i n e a r i z a t i o na r ep r e s e n t e d ，a n dt h ed e c o u p l i n gc o n t r o lm e a n sb a s e d o ni n t e r n a lm o l da r ep r o p o s e di nt h i s p a p e r t h ed e c o u p l i n gc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d t h ev o l t a g ee x t e r n a l r i n gi s at r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rb a s e do n f u z z yc o n t r o lt h e o r yo fa ns e1f - t u n i n ga l g o r i t h m ，c o m b i n i n gt h ef u z z yt h e o r y w i t hp i dp a r a m e t e rs e l f - t u n i n gs t r a t e g y ，c a r r i e so u to n l i n em o d i f i c a t i o no np i d p a r a m e t e ri na c c o r d a n c ew i t hf u z z yg u i d e l i n et os a t i s f yd i f f e r e n tr e q u e s t so f p a r a m e t e ra ta n yt i m e ，w h i c h e n s u r e st h e s y s t e mo fd y n a m i ca n d s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s sa n da d v a n t a g eo ft h et w oc o n t r o l i i t e c h n i q u e s ，t h es i m u l a t i o n si nm a t l a b a r es e tu p ，a n dt h er e s u l ts h o wt h a tt h e p r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d so f s t a t c o mh a sg o o dr o b u s tq u a l i t ya n ds t a b i l i z e w i t hd i f f e r e n tl o a d s ，a n di th a sg o o dt r a n s i e n ts t a b i l i t yw h e nb r e a kl o a d k e yw o r d s ：s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ； p a r a m e t e rs e l f - t u n i n gs t r a t e g y ；f u z z yc o n t r o l ；i n t e r n a lm o d e lc o n t r o 1 i i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其它人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均己在论文中明确说明并致谢。 一：翻唧 学位论文使用授权说明 邳年7 月日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 屯报口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 棚鼍新繇狮讥7 年7 广西大掌硕士掌位论文s t a t c o m 双环控制策略的研究 1 1 无功补偿理论 1 1 1 无功补偿的意义 第一章绪论 无功补偿即无功功率的补偿。无功功率在电气技术领域里是个必不可少的 重要物理量。电网中的电动机和变压器在运行中要产生磁场，而电容器及空载 输电线则产生电场。我们知道，变化的磁场产生变化的电场，变化的电场产生 变化的磁场，这就是无功功率交换的规律。交流电在电源与电感或电容负载之 间往返流动，该电能既不做功也不消耗，我们把这种电能叫无功电能，简称无 功功率。 在正弦电路中，无功功率有清楚的物理意义，它表示有能量交换，但不消 耗功率，其幅值可以作为能量交换的量度。在非正弦电路中，无功功率的概念 很抽象，至今未获公认的定义，本论文暂不进行详细介绍。可见无功功率并不 是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺 少的功率之一。电力系统中的无功功率主要用于电路内电场与磁场，并用来在 电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，不对外做功，为在系 统提供电压支撑，在电源与负荷之间提供电压降落所需的势能【z 】。 近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成， 同时对电网无功功率的要求也日益严格。电网无功功率不平衡将导致系统电压 的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事 故。无功功率的交换将引起发电和输电设备上的电压升降和电能损失，影响电 能质量，对发电、输电、配电三方都会产生不良影响。 无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面晗。4 1 ： ( 1 ) 对线路有功功率的影响 电网主要用来传输有功功率，同时也传输适量的无功功率，当电网输送容 量恒定时，有功与无功呈反比关系：当有功恒定时，无功与有功损耗之间呈正 比关系。 ( 2 ) 对线路所连接设备容量的影响 广西大掌硕士掌位论文s t a t c o m 双环控制策略的研究 电网传输的无功增大将致使电流和视在功率增大，连接在线路的各种电气 设备的实际功率以及线路容量均随之增大，另外电网中的控制、测量设备的规 格也需就加大。 ( 3 ) 对电网线路电压的影响 仨三“o l f 生g 坞 矾s ，= 日+ 坞 d ： 图卜1 局部电网等值电路 f i g 1 - 1p a r t i a lp o w e rg r i de q u i v a l e n tc i r c u i t 无功功率的增加使线路与变压器的电压降增大，如果是冲击性无功负载， 还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。可以通过数学计算分析电压 与无功功率之间的关系。图卜1 中变量的含义依次为：尺：线路的等值电阻、醍： 末端电压、尼线路的等值电抗、p 2 ：局部电网末端的有功负荷、晓：局部电网 末端的无功负荷。已知经验公式： u = u 。一u ：兰兰墨弓芝2 芏竺! 兰墨弓等 ( 1 1 ) 由式( 卜1 ) 可知，负荷的无功功率0 2 引起的电压损耗为： 心x = 等 ( 1 - 2 ) 负荷的有功功率p 2 引起的电压损耗为： 甜置= 等 m 3 ， 在一般的公用电网中，月比x 要小的多，由式( 卜2 ) 、式( 卜3 ) 可知电网 电压的波动主要是由无功功率波动引起的，有功功率的波动对电网电压的影响 则相对较小。因此，我们也可以得出结论：无功经不同的电磁耦合反映不同的 电压等级，同一等级电压的电网中，电压高低直接反映本级的无功平衡。 ( 4 ) 对电网线损的影响 参照图1 - 1 ，其局部电力网的线损功率为： 广西大掌硕士掌位论文s t a t c o m 双环控制策略的研究 其中，有功线损为： 丛瑙喝冬笋( 尺+ ) ( 1 - 4 ) u 2 肚卟最警尺 ( 1 - 5 ) 因无功功率在电力网中的流动而引起的线损为： 仃2 峨帚r ( 1 6 ) u p 由式( 卜6 ) 看出，无功负荷与线路损耗成正比相互影响。因此快速、准确的 补偿无功负荷对电网经济运行是非常重要的。 ( 5 ) 对电网谐波损耗的影响 由谐波电流和谐波电压引起的无功功率也对电网造成很大的影响，使得电 网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，甚至 影响电气设备的正常工作。例如对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机 械振动、噪声和过电压；使变压器局部严重过热，寿命缩短，以至损坏；谐波 会导致继保装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确；谐波对邻近的通信系 统产生干扰，轻者产生噪音、降低通信质量，严重时使其无法正常工作。 为了消除无功功率不平衡引起的诸多不良影响，必须对电网进行无功补偿。 归纳起来无功补偿的作用有以下几点1 ： 1 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 2 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗。 3 提高系统暂态、稳态性能，。 4 改善发电机输出的有功功率。 5 有效降低线损，增加了线路输送的有功容量。 6 大力降低设备发热程度，从而使设备寿命有所延长，提高了设备的利用 率。 7 有效地平衡三相有功功率和无功功率。 8 避免系统发生电压崩溃和稳定破坏事故，保证运行的安全性。 s ”汀c o m 双环控制策略的研究 1 1 2 主要补偿装置及分类 电力系统中的无功补偿装置历经了以下几个不同阶段：电容器、同步调相 机、静止无功补偿装置( s v c ) ，直到今天引人注目的静止无功发生器( s t a t c o m s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t i o n ) 补偿装置。具体的补偿装置分类见图卜2 。 图卜2 无功补偿装置分类 f i g 1 - 2r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ec l a s s i f i c a t i o n 静态无功功率补偿是指阻抗固定，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功功率 的变化，主要是用于提供固定无功功率补偿容量的一种无功功率补偿方式；动 态无功功率补偿指阻抗可调，其补偿容量能够快速实时跟踪负荷无功功率的变 化而变化的一种无功功率补偿方式。动态无功功率补偿装置根据有无运动部件， 可以分为动态运动无功功率补偿装置和动态静止无功功率补偿装置陵1 。 有关早期常用的几种无功补偿装置的原理和特点将在第二章作详细介绍。 通过后面的原理介绍我们可以看出，s v c 与静电电容器都是主要依靠其中的电 容器来进行快速、动态的无功补偿。因此二者都具有电压调节特性差、补偿容 量受限制的缺点。s t a t c o m 的产生有效地克服了这些缺点，s t a t c o m 作为灵 活交流输电系统( f a c t s f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 家族中的一名重要 成员，由于具有响应速度快、调节连续、装置体积小等优点，得到了电力工业界 越来越多的关注。下面将介绍f a c t s 与s t a t c o m 的有关概念和国内外的研究 现状以及研究意义。 4 s 似r c o m 双环控制策略的研究 1 2f a c t s 装置的研究历史与现状 1 2 1 概念提出 我们力求达到合理的电网结构，并且配置先进的调节控制手段才能保证电 网的安全运行，提高电能质量旧1 。电力系统中的常规控制器件一般是机械式的投 切或者分接头转换，以此为原理设计的带有容量、动作方式等固定化的器件， 达到使线路阻抗改变，提高线路传输容量，有效抑制电压波动以及灵活控制系 统潮流的目的。但是这些器件动作速度慢，没有良好的动态响应速度和暂态稳 定性能，8 0 年代美国电力研究所( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t ee p r i ) 提出 了大力提高机械开关动作速度来改善电力系统安全性的概念。 近2 0 年来，大功率电力电子开关制造技术取得了长足进步，制造耐热和耐 冲击能力与高压传输线路正常工作和短路电流水平相当的晶闸管不再困难，因 此针对大型互联电力系统存在的问题，美国著名电力专家n gh i n g o r a n i 博士于 1 9 8 6 年提出f a c t s 的概念盯。1 ，中文译作灵活交流输电系统或柔性交流输电系 统。它“应用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术，实现对交流输 电系统参数以至网络结构的灵活快速控制，以期实现输送功率的合理分配、降低 功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、可靠性n 2 h 。此技术被电力界专 家称之为“2 l 世纪四项重大电网技术( 灵活交流输电技术、先进的能量管理系 统技术、配电综合自动化技术和人工智能控制技术) 之一n 3 h 。 表1 - 1 应用实例 t a b 1 1t h ee x a m p l eo fa p p l i c a t i o n 投入 装置种类应用单位容量 年份 s t a t c o m 日本关西电力犬山开关站 1 9 9 18 0 m v a 日本东京电力新信浓1 9 9 2 5 0 m v a 变电站 美国田纳西州沙利文电站 1 9 9 5 1 0 0 m v a 美国肯塔基州艾内芡 1 9 9 7 1 6 0 m v a 电站 广西大掌硕士学位论文s t a t c o m 双环控制策略的研究 英国白金汉郡克雷顿电站 1 9 9 7 7 5 m v a 丹麦e l s a m r e j s b y 1 9 9 8 8 m v a h e d e ( 配电) 美国华盛顿州2 0 0 0 5 a s e a t t l e 钢铁公司 德克萨斯某一电弧炉补偿 1 9 9 8 8 0 m f v a 1 9 9 9 河南电力局2 0 m v a 2 0 0 0 美国墨西哥交界3 6 m v a 2 0 0 1 美国e s s e x 电站 + 1 3 3 4 0 m v a 2 0 0 2 美国纽约o a k d a l e 电站2 0 0 m 幽 2 0 0 2 美l 虱t a l e g a 电站 1 0 0 m v a 美国电力公司卡若瓦河 3 4 5 k v 系统线路阻抗补偿从o 到 t s s c1 9 9 1 6 0 ( 调距刻度1 0 ) 晶闸管控制 西弗吉尼亚 分相组合的串联电容器 1 9 9 2 美国西部电力局凯恩塔2 3 0 k v 系统5 0 m v a 美国邦维尔电力局1 9 9 3 t c s c 5 0 0 k v 系统6 7 m v a s l a t t 电站 1 9 9 9 巴西i m p e r a t r i z 电站 美国肯塔基州电力公司1 9 9 8 s s s c1 3 8 k v ，1 6 0 m v a ； u p f cs t a t c o m16 0 m v a ；g t o6 k v 4 1 艾内兹电站 s v c澳大利亚b l a c k w a l l 电站3 0 0 m 喇 2 0 0 l2 0 0 m v as t a t c o m ? ) 由士- 1 ：1 i 而n 一一一由告卜， ，n 6 广西大学硕士掌位论文 s l 町c o m 双环控制策略的研究 美国纽约o a k d a l e 电站 2 0 0 m v as t a t c o m 2 0 0 m 蹦s s s c 2 0 0 3 10 0 m v as t a t c o m 美国纽约m a r c y 电站 1 0 0 m v as s s c 两个1 0 0 m v a 逆变器 两1 0 0 m v au p f c 运行 f a c t s 装置可以快速灵活地调节系统的网络元件参数，从而大幅度改善输 电系统的运行水平，达到优化运行的目的。该技术为交流输电这一控制复杂的环 节提供了先进的技术手段。近年来，它在技术概念体系的发展及其控制装置的研 制开发方面取得了较大进步，在电力系统中已显示出极为广泛的应用前景。 f a c t s 装置基本的应用实例见表1 - 1 n 引。 1 2 2 装置分类 根据f a c t s 装置与系统的连接方式不同，可以分为三大类n 副。 ( 1 ) 并联型。包括静止无功补偿器( s v c ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m ) 、 晶闸管控制的制动电阻( t c b r ) 、超导储能系统( s m e s ) 、电池储能系统( b e s s ) 等。其基本功能是控制系统的无功功率或电压。 ( 2 ) 串联型。包括晶闸管控制的串联电容器( t c s c ) 、晶闸管投切的串联 电容器( t s s c ) 、晶闸管控制的串联电抗器( t c s r ) 、晶闸管投切的串联电抗器 ( t s s r ) 、静止同步串联补偿器( s s s c ) 、背靠背换流站等、它们主要用于控制 系统的潮流。 ( 3 ) 混合型。包括晶闸管控制的移相变压器( t c p s t ) 、相间功率控制器 ( i p c ) 、统一潮流控制器( u p f c ) 等。 随着f a c t s 技术不断完善和发展，各种设备投入运行在互联电力系统中发 挥了强有力的控制作用。利用晶闸管控制电制动( t c b r ) 提高系统暂态稳定性； 利用静止无功发生器( s t a t c o m ) 进行动态无功补偿、电压支撑、改善系统稳 定；利用晶闸管控串联补偿电容( t c s c ) 提高输电容量、稳定性、抑制次同步 振荡、进行功率潮流控制；统一潮流控制器( u p f c ) 通过调节电网的基本参数 ( 电压、阻抗、相角) 从而准确地调节线路潮流、有效的提高其输送能力以及 增强系统稳定性、抑制阻尼振荡；配电系统利用有源滤波器( a p f ) 滤除谐波及 7 广西大掌硕士掌位论文 s t a t c o m 双环控制：j i l 峰i - 的研究 其他非基波成分；超导磁能储存系统( s m e s ) 用来补偿系统有功和无功、提高 系统稳定性等等。 1 3s 仉玎c o m 研究现状 s t a t c o m 也称为s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 或a s v g ( a d v a n c e ds t a t i cv a r g e n e r a t o r ) ，有时也称为s t a t c o n ( s t a t i c s y n c h r o n o u s c o n d e n s e r ) ，即静止同步 调相机。它对提高电力系统稳定水平、远距离输电的输送容量、输电系统暂态 稳定极限和静态稳定极限、阻尼振荡等方面都发挥着重要作用n 刮。 早在7 0 年代，日本、美国、德国就已经开始研究静止无功发生器，并有一 些小容量的装置进入实验室研究。日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制 并于1 9 8 0 年1 月投运了世界上首台s t a t c o m 的样机，容量为2 0 m v a 。此后 作为f a c t s 的重要成员s t a t c o m 的研究工作引起了全球电力工业界的重视。 目前只有少数国家如日本、美国、德国、英国和中国等掌握该技术并且投入到 实际工程应用，可见s t a t c o m 的理论比较先进，技术含量较高。1 9 9 1 年日本 三菱、日立、东芝分别研发出了基于g t o 的s t a t c o m 装置，容量为8 0 m v a r 。 1 9 8 8 年美国电力科学研究院( e p r i ) 开始执行f a c t s 的研究计划，其重点研究项 目就是s t a t c o m 。1 9 8 8 年和1 9 9 5 年，美国g e 公司和西屋公司与电力科学院 分别安装了s t a t c o m 装置，容量分别为1 0 m v a r 与1 0 0 m v a r 。在此期间，德国 西门子公司投运了单机8 m v a r 的s t a t c o m 装置n 7 1 副。 为了掌握国际f a c t s 发展的前沿技术，在原国家电力部的支持下，河南省 电力局于1 9 9 4 年决定投资开发2 0 m v a r 的s t a t c o m 。该项目在清华大学的积 极配合下，作为中间工业样机的一台3 0 0 k v a r 的s t a t c o m 于1 9 9 6 年1 1 月 通过了专家评审，1 9 9 7 年在河南郑州的孟訾变电站进行了现场测试和试运行。 1 9 9 9 年3 月在河南洛阳2 2 0 k v 朝阳变电站，容量为2 0 m v a r 的s t a t c o m 并 网成功，此项工程是中国f a c t s 研究应用领域的一个里程碑，标志着我国成为 世界上第四个掌握大容量s t a t c o m 制造技术的国家。2 0 0 1 年2 月国家电力公 司电力自动化研究院也将5 0 0 k v a r 的s t a t c o m 投入了运行口引。2 0 0 5 年4 月， 由清华大学、上海电力公司、许继集团公司等单位共同研制的“上海电网黄渡 分区_ _ _ 5 0 m v a r 链式s t a t c o m ”通过国家电网公司的验收，该项目拥有自主知 识产权和五项国家发明专利，核心技术达到了国际领先水平3 。 广西大掌硕士掌位论文s t a t c o m 双环控制策略的研究 通过以上的实例可以看出s t a t c o m 凭借优越的性能在高压大容量的实际 输电系统应用中发挥着及其重要的作用，在配电系统中的研究与应用有很大发 展。我们可以预计未来约1 5 年内，s t a t c o m 将逐渐取代s v c 成为实现电网 无功功率和电压动态调节的重要器件。 1 4 本文的研究工作以及章节安排 本论文主要对先进的无功补偿装置- - s t a t c o m 进行相关研究。文中首先建 立了s t a t c o m 的动态、稳态模型，以此为基础对s t a t c o m 的控制策略进行 研究。论文采用传统的双闭环控制结构对控制目标一维持系统电压稳定来进行 精确控制。在外环控制中，引入先进的模糊控制理论对传统p i d 调节器的参数 进行自适应整定，通过m a t l a b 数字仿真软件对整个控制系统进行仿真，得出 结论：f u z z y p i d 极大的改善了控制效果，具有更快的响应速度和更小的超调量， 比经典p i d 能够更精准的反馈调节有功、无功功率。在内环控制中，针对动态 模型中有功、无功电流的高度耦合以致难以进行两通道独立控制这个难题，重 点研究了三种解耦方法输入输出非线性解耦、前馈解耦、内模解耦。基于 各自的解耦原理设计了s t a t c o m d 轴、g 轴的前馈以及内模解耦控制器，并且 通过m a t l a b 仿真比较二者的解耦效果，得出结论：内模解耦具有更小的超调 量和快速的响应，可以更好的实现有功、无功解耦。 本论文的章节安排如下： 第一章为概论，介绍了无功补偿理论，f a c t s 、s t a t c o m 国内外的研究现 状及本课题研究内容。第二章对各种无功补偿装置的工作原理和优缺点进行了 详细分析，总结了s t a t c o m 的突出特点，建立了s t a t c o m 的稳态模型，对 比了s t a t c o m 在输、配电应用中的控制目标。第三章建立s t a t c o m 的动态 模型，论述了s t a t c o m 控制策略等相关知识，另外也介绍了以瞬时无功理论 为基础的电流检测技术，可以更好的理解s t a t c o m 的控制过程。第四章重点 分析了内环控制中的解耦方法前馈解耦、内模解耦、非线性解耦的原理， 设计了s t a t c o m 的解耦控制器，并且应用m a t l a b 仿真软件进行了对比仿真。 第五章介绍了经典p i d 理论中参数对响应的影响，引入模糊控制理论，根据一 些参数整定经验，反复调试，得出了模糊规则，对外环控制中的p i d 参数进行 了自适应整定，得出f u z z y - p i d 控制器的具有更好的控制效果。第六章利用本文 9 s t a t c o m 双环控制策略的研究 的控制方法组成的新型双环控制器进行了几种扰动情况下的仿真。通过与传统 的内环前馈解耦控制与外环p i d 控制的双环控制器对比仿真效果，验证了本文 提出的控制策略的有效性。 1 0 s 1 a t c o m 双环控制策略的研究 第二章s t a t c o m 工作原理 2 1 早期无功补偿装置原理及特点 2 1 1 电容器补偿 无功补偿装置接入系统的方式有两种：并联和串联。以并联方式接入系统 的无功功率补偿装置称为并联无功功率补偿，以串联方式接入系统的无功功率 补偿装置称为串联无功功率补偿。并联补偿方式因为接线简单、操作方便、对 系统可靠性影响小而广泛使用，串联补偿方式因为接线复杂、操作不方便、对 系统可靠性影响致使其使用范围受到限制，一般是在并联补偿方式不能满足技 术要求时才使用瞳1 。下面主要介绍并联电容器的工作原理。 在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流 滞后电压9 0 0 ，纯电容负载中电流超前电压9 0 0 。可见纯电容中的电流与纯电感 中的电流相位相差1 8 0 0 ，可以相互抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外 释放的能量有容性负荷储存起来；当感性负荷需要能量时，再由容性负荷向外 释放的能量来提供。能量在两种负荷之间互相交换，感性负荷所需要的无功功 率就可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达 到补偿的目的。 以电路中负荷是电阻和电感组成的并联电路，对其进行补偿为例，说明电 容器补偿的工作原理。并联电容器补偿的等值电路如图2 - 1 ( a ) 示，相量图如 图2 - 1 ( b ) 、( c ) 示。 ( a ) 广西大掌硕士掌位论文 s t a t c o m 双环控制策略的研究 欠补偿过补偿 ( b ) 图2 1并联电容器补偿的等值电路与向量图 ( a ) 等值电路图( b ) 相量图 f i g 2 1t h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h ev e c t o rd i a g r a mo fc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ri np a r a l l e l 由图2 1 ( a ) 的电路可知：电流方程为i = i c + j 兄= ，c + j r + ，电容器 提供的无功功率为q = u i r = 2 r r f c u 2 。 当不对负荷进行无功补偿时，即，= o ，此时电源向负荷提供的总电流为 ? = j 魁= j 足+ i 工。其中，置为电源提供的有功电流，i 为无功电流。 当并联电容器投入时，即，0 ，此时对负荷进行无功补偿。电源提供有 功电流，。的同时，提供无功电流为? c + j ：。当，c + j ：= 0 时，电源不提供无功 电流，此时功率因数为l 。当j f + i ：0 时，有两种可能的情况：并联电容器的 电容c 较小，i i j c0 i i j 。i l 的情况，这时负荷中的感性电流被完全补偿之后还有剩 余容性电流，电源的j 超前d ，如图2 - i ( c ) 所示这种补偿叫过补偿。通常不希 望出现过补偿情况。 实际线路是可以通过改变并联电容c 的大小来控制无功功率的大小，从而 调节补偿后功率因数的大小。 虽然并联电容器补偿方式比较简单，而且成本也比较低，但这种方式只能 补偿固定的无功功率，因为一旦电容值选定后就确定了其相应的无功功率，而 且目前电容器的电容无法实现带点连续改变，通常是采用分组投切的方法来改 变并联电容器组的电容值。当电网电压下降时，它的负电压效应使得电容器的 补偿电流随之下降，相应的无功补偿量急剧下降以致系统电压非但没有保持稳 定，反而下降更多。另外，当电网有谐波时该装置可能发生并联谐振而放大谐 波，严重时电容器会被烧坏。 1 2 广西大学硕士学位论文 s t a t c o m 双环控制策略的研究 2 1 2 同步调相机 这是一种传统的无功功率动态补偿装置，专门用来产生无功功率的同步电 机。同步调相机是空载运行的同步电机，装有自励装置，能根据电压平滑地调 节输入或输出的无功功率。不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也 能进行动态补偿。它可以双向、连续地调节，能独立用调节励磁来调节无功的 大小，有较大的过负载能力。自2 0 世纪3 0 年代以来同步调相机在无功补偿领 域发挥着重要作用，但作为一种旋转电机，该装置还是难以摆脱旋转电机本身 固有的缺点：有功损耗大、响应速度慢、运行维护复杂、控制复杂、小容量的 调相机每k v a 容量的投资费用比较大等，必然无法快速、精准的控制无功功率， 难以适应越来越复杂的电力网络。因而自7 0 年代开始，s v c 逐渐取代同步调相 机成为主流。本文不对其作赘述。 2 1 3 静止无功补偿器( s v c ) 静止无功补偿器是一种利用电容器和各种类型电抗器组成的无功补偿装 置。饱和电抗器( s r - - s a t u r a t e dr e a t o r ) 是早期的静止无功补偿装置。1 9 6 7 年，英 国g e c 公司制成了世界上第一批s r 型静止无功补偿装置。饱和电抗器分为自 饱和电抗器和可控饱和电抗器两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是利用 电抗器铁芯自身固有的饱和特性来调节无功功率的吸收与发出，从而稳定系统 电压；可控饱和电抗器的原理是通过改变绕组的感抗来控制无功电流大小，通 常改变控制绕组中的工作电流即可控制铁芯的饱和程度达到改变感抗的目的 h 矗1 | 。下面介绍s r 型静止无功补偿器的工作原理，图2 - 2 ( a ) 、( b ) 分别为其等 效电路图和伏安特性图。 广西大掌硕士掌位论文s 1 a t c o m 双环控制策略的研究 u ：= = = = ：彳一一 、厂 一一。 7 s r + c 。 ll 王 ( b ) 图2 - 2s r 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图 ( a ) 等效电路图( b ) 伏安特性图 f i g 2 - 2t h ev o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c sa n de q u i v a l e n tc i r c u i to fs r - t y p es v c s r 型静止无功补偿器由s r 和若干组不可控电容器组成。电容c 串联电感l 组成的谐振回路具有高次谐波的滤波器的作用。另一电容c 与饱和电抗器串联， 其作用是校正饱和电抗器伏安特性( 如图2 - 2 ( b ) 所示) 的斜率。观察图形，虚 线所示的是s r 单独作用时补偿器的基波电流，该曲线的斜率随c 妒取值的不同 而变化；图中另一标注的虚线所示为电容器单独作用时补偿器的电流曲线，电流 与端电压成正比。图中实线为补偿器的整体伏安特性曲线。由此我们可以得出结 论：当系统电压高于参考电压时，装置发出感性无功功率，吸收容性无功电流使 系统电压降低；当系统电压低于参考电压时，装置发出容性无功功率，吸收感性 无功电流使系统电压升高。 相比于同步调相机，上述装置具有无运动部件的种种优点，有较快的响应 速度。不过在铁芯磁化至饱和状态的过程中损耗严重、噪声很大，同时调整时 间长、不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据s v c 装置的主流。 1 9 7 8 年美国g e 公司首次在实际电力系统中运行了使用晶闸管的静止无功 补偿装置。1 9 7 8 年美国西屋电气公司( w e a t i n g h o u s ee l e c t r i c ) 匍j 造的使用晶 闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置 具有良好的性能，所以，近1 0 多年其市场占有率一直稳定增长，已占据了该领 域的主导地位。因此我们现在所说的s v c 通常是基于晶闸管的补偿装置，包括 晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r ，t c r ) 、晶闸管投切电容器 ( t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r ，t s c ) 和这两者的混合装置( t c r + t s c ) 。 ( - - ) t c r 的工作原理幢2 副 其单相基本结构如图2 3 ，由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联。 1 4 广西大掌硕士学位论文s t a t c o m 双环控制策略的研究 图2 3t c r 的基本原理 f i g 2 - 3t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft c r 其工作原理是：调节晶闸管触发延时角d ，以控制其导通角即导通区间，从 而增大或减小电流中的基波分量，相当于减小或增大补偿器的等效电抗，以此 达到动态改变t c r 吸收无功功率的大小。由于单独的t c r 只能吸收感性无功功 率而不能吸收容性无功功率，解决办法是将并联电容器与t c r 配合使用构成无 功补偿器，称为t c r + f c ( f i x e dc a p a c i t o r ) 型s v c 。并联电容器后，补偿器的总 体无功电流为t c r 与并联电容器二者无功功率之和，这个值在补偿器能够吸收 容性无功功率的范围内。有时为了吸收t c r 产生的谐波电流，可以串联容量较 小的调谐电抗器与并联电容器组成滤波器。 ( 二) t s c 的工作原理 二_ j 图2 4t s c 的基本原理 f i g 2 - 4t h e b a s i cp r i n c i p l e so ft s c 为了防止在电容器充电时刻出现涌流，只能在电压超前9 0 0 时投入，并且不 能用触发角调节电流，所以两个反并联晶闸管只起将电容器并入电网或从电网 中断开的作用。该装置中晶闸管开关取代了常规电容器所配置的机械断路器开 关。它的工作原理较简单，其单相电路图如图2 - 4 。根据电网的无功需求投切电 容器组，实现动态、断续可调的吸收容性无功功率。虽然不能实现连续调节， s 口c o m 双环控制策略的研究 但运行时不产生谐波而且损耗较小，可是考虑到晶闸管的价格和其他一些原因， 并联电容器组数不能太多，所以要实现平滑的电压、电流特性是不可能的，因 而常需要和t c r 配合使用，构成t c r 十t s c 混合型补偿装置。 2 2s t a t c o m 工作原理 s t a t c o m 一般包括变流器，曲折变压器( 或者普通变压器、电抗器) 、断 路器、高压变压器组成的主系统和电压互感器、驱动电路、控制器、保护电路、 检测电路、监测器等组成的二次系统。 s t a t c o m 的主电路由变流器构成。根据变流器的直流侧采用电容或电感两 种不同的储能元件，可以分为电流型s t a t c o m 和电压型s t a t c o m 两种。见图 2 - 5 。 广y 、 v s c 厂y 、 c s c ( a )( b ) 图2 - 5s t a t c o m 基本电路结构图 ( a )电压型( b ) 电流型 f i g 2 5t h eb a s i cc i r c u i ts t r u c t u r eo fs t a t c o m 如图2 5 ( a ) 所示，v s c s t a t c o m 直流侧以电容为储能元件，主电路采用 三相电压型逆变桥，将直流电压变为交流电压，然后通过串联电抗器接入系统。 其中串联电抗器的作用是阻尼过电流、滤除谐波。c s c s t a t c o m 直流侧以电 感为储能元件，如图2 5 ( b ) 所示，主电路采用电流源变换电路，将直流电流逆变 为交流电流送入电网。并联在交流侧的电容可以吸收换相产生的过电压。 长期以来，电压型s t a t c o m - - 直是静止无功补偿器的研究重点。这主要是 因为通常的电力能源例如发电机、电网、电池等均属电压源，而且在大功率场 合，电压型变流器中的储能元件电容与电流型变流器中的储能元件电感相比， 储能效率和储能器件的体积、价格等都具有明显的优势，并且由于c s c 交流n l c 滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控制相对复杂化，从而 制约了电流型变流器的应用和研究。以下以电压型为例来介绍静止同步补偿器 的工作原理及控制策略。 1 6 s t a t c o m 双环控制策略的研究 v s c s t a t c o m 的主电路由以下几部分组