基于模糊控制的SVG電壓無功控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王婷

(國(guó)網(wǎng)北京城區(qū)供電公司，北京 100032)

基于模糊控制的SVG電壓無功控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王婷

(國(guó)網(wǎng)北京城區(qū)供電公司，北京 100032)

針對(duì)傳統(tǒng)PI閉環(huán)控制需人工調(diào)試參數(shù)的不足，設(shè)計(jì)出了以電壓為控制目標(biāo)的SVG模糊控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的輸出量為電流增量，經(jīng)過電流前饋環(huán)節(jié)計(jì)算得到SVG待注入電網(wǎng)的電流量，最終達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。通過仿真算例對(duì)模糊控制策略的效果進(jìn)行研究，并通過實(shí)際工程進(jìn)一步說明SVG模糊控制系統(tǒng)良好的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)具有良好的負(fù)載跟蹤特性，與傳統(tǒng)PI閉環(huán)控制模式相比，具有超調(diào)量更小及響應(yīng)時(shí)間更短等特點(diǎn)，且有良好的工程實(shí)用價(jià)值。

SVG；模糊控制；負(fù)載跟蹤特性；響應(yīng)時(shí)間；工程應(yīng)用

1 引言

隨著近年來電力系統(tǒng)承受著更加復(fù)雜的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)電壓波動(dòng)日益加劇、大量無功功率倒送電網(wǎng)等問題越發(fā)嚴(yán)重，因此，有效的無功補(bǔ)償系統(tǒng)是解決電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、無功功率平衡等問題的直接有效方法。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置主要有同步調(diào)相機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、固定電容器+晶閘管控制電抗器(FC+TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)等。但是晶閘管投切電容器TSC只能分組投切，需和TCR配合才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)；利用相控技術(shù)的TCR型SVC會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的諧波污染[1-3]。近年來，以靜止無功發(fā)生器(“static var generator”，SVG)為主體的無功補(bǔ)償裝置強(qiáng)勢(shì)崛起，SVG裝置不僅克服了前述的傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置響應(yīng)速度慢、運(yùn)行損耗和噪音大、運(yùn)維檢修成本高等缺點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)從感性到容性無功功率的寬范圍持續(xù)進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)還能抑制抑制電流的突變和因?yàn)樨?fù)載不對(duì)稱所造成的負(fù)序無功電流，還可以降低諧波等功能[4]。

2 SVG工作原理

SVG 正常工作時(shí)，主要利用組成橋式變流器的電力電子元件的開通可關(guān)斷功能來完成直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換為交流側(cè)與電網(wǎng)同頻輸出的電壓[5-7]。如圖1所示，其為SVG單相等效電路工作原理圖，此時(shí)忽略了SVG中電抗器和變流器等損耗的情況。

圖1 單相等效電路

(1)當(dāng)0<δ時(shí)，SVG發(fā)出無功功率為負(fù)，即為感性無功；

(2)當(dāng)0>δ時(shí)，SVG發(fā)出無功功率為正，即為容性無功；

(3)當(dāng)0=δ時(shí)，SVG不發(fā)出無功功率，系統(tǒng)平衡。

3 SVG電壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)

3.1 SVG電壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

SVG是一種比較復(fù)雜的電氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為兩大部分，一部分是由高壓變壓器、電抗器或曲折變壓器、變流器組成的主系統(tǒng)；另一部分稱為二次系統(tǒng)，是由電壓互感器、電流互感器、控制器以及檢測(cè)、保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)建而成[9]，其示意圖如圖2所示。

圖2 SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)原理框圖

通過采集接入點(diǎn)母線電壓、電流等參量，并根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)值，經(jīng)過控制器的分析計(jì)算，求得SVG待補(bǔ)償?shù)碾娏髟隽喀(t)，再與上一時(shí)刻SVG輸出的電流值i(t-1)相加最終得到當(dāng)前時(shí)刻SVG向系統(tǒng)注入的電流量，并經(jīng)過觸發(fā)角計(jì)算環(huán)節(jié)得到SVG觸發(fā)脈沖信號(hào)，從而改變SVG輸出電流的大小。將SVG接入系統(tǒng)中，就是向系統(tǒng)注入一個(gè)大小實(shí)時(shí)變化的感性電流，電流的計(jì)算采用了前饋環(huán)節(jié)，該電流值越大則SVG補(bǔ)償?shù)母行詿o功越大，反之亦然。通過這樣一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

3.2 控制器設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)中的電壓變化、功率因數(shù)波動(dòng)等均屬于復(fù)雜的非線性問題，傳統(tǒng)的PI閉環(huán)控制器的參數(shù)需人工調(diào)試，已無法滿足電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償要求，模糊控制具有較好的非線性逼近能力以及自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，可自適應(yīng)地調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)[10-11]。本文將模糊控制應(yīng)用于SVG電壓無功控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，模糊控制的控制框圖如圖3所示，其中kr、kc分別表示模糊控制器的量化因子和比例因子。

圖3 模糊控制器控制框圖

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以電壓為控制目標(biāo)。由圖3可知，模糊控制器輸入量選擇母線電壓(或系統(tǒng)功率因數(shù))偏差ΔU及其偏差變化量dΔU/dt，其中電壓偏差ΔU的模糊子集為{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，模糊論域?yàn)閇-6,6]；偏差變化量dΔU/dt的模糊子集為{N(負(fù))，O(零)，P(正)}，模糊論域?yàn)閇-3,3]，kr、kc分別取30和1/30，輸出量的模糊子集及其論域與偏差量相同，均采用三角形隸屬度函數(shù)，模糊控制器隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 輸入變量隸屬度函數(shù)

模糊控制器的模糊控制規(guī)則如表1所示。

如表1所示，模糊控制器采集電壓偏差量及其偏差變化量，根據(jù)模糊規(guī)則表進(jìn)行模糊推理，輸出為SVG待注入電網(wǎng)的電流增量Δi。

表1 恒壓模糊控制規(guī)則表

3.3 仿真建模及分析

假定電網(wǎng)電壓為10kV，系統(tǒng)運(yùn)行在工頻條件下，開關(guān)器件選用理想IGBT，系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備選用級(jí)聯(lián)型H橋SVG，如圖5所示為SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)的Simulink仿真模型，其主要包括電網(wǎng)電源模塊、無功電流檢測(cè)模塊、SVG主電路模塊、脈沖產(chǎn)生模塊及負(fù)載模塊等幾部分組成。

圖5 SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)仿真圖

為分析SVG在電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償效果，本文根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)情況假定了在輸電線路接有一個(gè)(5+j1)MVA的感性負(fù)載，0.2s時(shí)在低壓側(cè)接入一純?nèi)菪载?fù)載，0.5s時(shí)投入三相SVG，目標(biāo)電壓標(biāo)幺值1.02，目標(biāo)功率因數(shù)設(shè)置為0.98。運(yùn)行Simulink模型，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同控制方式下的系統(tǒng)功率因數(shù)

由圖6和圖7可知，在0.2s接入一純?nèi)菪载?fù)載，此時(shí)系統(tǒng)功率因數(shù)降至約0.619，低壓側(cè)母線電壓標(biāo)幺值抬升至約1.146，二者數(shù)值均越限。在0.5s時(shí)刻接入SVG進(jìn)行電壓無功調(diào)整，系統(tǒng)根據(jù)電壓及功率因數(shù)的變化情況對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及變量進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到快速跟蹤控制的目的。仿真經(jīng)過約0.3s后，電壓標(biāo)幺值及系統(tǒng)功率因數(shù)波形趨于穩(wěn)定，且均基本達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值。

圖7 不同控制方式下的母線電壓標(biāo)幺值

此外，該仿真實(shí)驗(yàn)還對(duì)比了在傳統(tǒng)PI控制方式下的SVG負(fù)載跟蹤補(bǔ)償效果。通過圖6和圖7可以看出，采用傳統(tǒng)PI控制模式，雖也能達(dá)到預(yù)定效果，但波形達(dá)到穩(wěn)態(tài)的歷時(shí)較長(zhǎng)。模糊控制方式具有超調(diào)量更小、響應(yīng)時(shí)間更短以及更佳的調(diào)節(jié)性能，更具工程實(shí)用價(jià)值。

4 工程應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證SVG的無功補(bǔ)償應(yīng)用效果，本文選取了某市110kV CX變電站作為項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)，并對(duì)SVG補(bǔ)償設(shè)備投運(yùn)前后變電站的技術(shù)指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益情況進(jìn)行對(duì)比。110kV CX變電站是該地區(qū)電網(wǎng)小水電集中分布變電站，水電資源豐富。該變電站在豐水期向電網(wǎng)倒送大量無功功率，導(dǎo)致了CX變電站35kV側(cè)越上限達(dá)38.9kV，110kV側(cè)越上限達(dá)122.3kV。本文通過投運(yùn)前后CX變電站高壓側(cè)功率因數(shù)月曲線情況來考核SVG的應(yīng)用效果，如圖8所示。

圖8 投運(yùn)前后CX變110kV高壓側(cè)功率因數(shù)對(duì)比

從圖8可看出，SVG投運(yùn)后CX變電站和YT變電站高壓側(cè)功率因數(shù)保持在較高水平?？傮w來說，SVG能夠較好地解決該地區(qū)電壓無功控制的問題，具有良好的補(bǔ)償效果。

SVG投運(yùn)前后站內(nèi)主變分接頭及電容器組動(dòng)作次數(shù)及檢修情況如表2所示。

表2 SVG投運(yùn)前后技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

據(jù)規(guī)定，有載調(diào)壓變壓器分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)達(dá)到5000次須進(jìn)行檢修，電容器組投切次數(shù)大于10000次須進(jìn)行更換，由表2可知，CX變電站的分接頭次數(shù)由原來5.13次/天降為2.33次/天，電容器組投切次數(shù)由原來13.2次/天降為4.8次/天，分接頭調(diào)檔次數(shù)以及電容器開關(guān)投切次數(shù)均有明顯減少，大大增加了設(shè)備的使用年限，在很大程度上降低了運(yùn)維成本。

此外通過對(duì)2013年間CX變電站在SVG投運(yùn)前后所節(jié)約的有功功率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以進(jìn)一步說明SVG在電力系統(tǒng)無功優(yōu)化過程中的補(bǔ)償效果，如圖9所示，其中9月份、12月份的數(shù)據(jù)欠缺。

圖9 SVG投運(yùn)后月節(jié)約線損情況

5 結(jié)論

本文首先對(duì)SVG的工作原理進(jìn)行闡述，針對(duì)傳統(tǒng)的PI控制模式存在的需人工調(diào)試參數(shù)的不足提出了一種基于模糊控制的控制策略，并搭建了Simulink仿真模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)該策略的正確性加以說明，最后經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)一步說明了基于模糊控制的SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)良好的工程應(yīng)用效果。結(jié)果表明該控制策略能夠較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載的實(shí)時(shí)跟蹤，無功補(bǔ)償效果良好。與傳統(tǒng)PI閉環(huán)控制模式相比，模糊控制方式具有超調(diào)量更小及調(diào)節(jié)時(shí)間更短等特點(diǎn)，有更好的動(dòng)態(tài)性及適應(yīng)性，對(duì)于變電站的電壓無功控制具有實(shí)際工程意義。

[1] 栗時(shí)平，劉桂英.靜止無功功率補(bǔ)償技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2] 馬春明，解大，余志文，等.SVG的電壓控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33(3)：96-100.

[3] 熊橋坡，羅安，帥智康，等.級(jí)聯(lián)型SVG單載波調(diào)制策略研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(24)：74-81.

[4] 田銘興，閻宏，趙雨欣.級(jí)聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電容電壓平衡控制方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(9)：2632-2638.

[5] 王庚,李永東,游小杰.級(jí)聯(lián)式并聯(lián)有源電力濾波器的控制[J].電工電能新技術(shù),2004,23(4):51-55.

[6] 李付亮,周有慶,吳濤,等.基于瞬時(shí)無功理論的先進(jìn)靜止無功發(fā)生器的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(1):75-78.

[7] 范兆樹.SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置在祥光銅業(yè)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣開關(guān),2014,52(5):86-88.

[8] 戴憲濱.基于電壓型逆變器的靜止無功發(fā)生器硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電氣開關(guān),2012,50(1):57-59.

[9] 劉愛文,羅安,何志興,等.H橋級(jí)聯(lián)型SVG模型預(yù)測(cè)控制[J].電網(wǎng)技術(shù),2015(1):83-89.

[10] 李寧,韓如成,鞏晶晶,等.模糊控制在靜止無功發(fā)生器中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014,27(3):76-77.

[11] 商文龍,周玉國(guó),朱丹丹,等.模糊PID參數(shù)自整定無功補(bǔ)償方法的研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2014(12):7-8,12.

Research and Application of SVG Voltage and Reactive Power Control System Based on Fuzzy Control

WANGTing

(Beijing Urban Power Supply Company of State Grid,Beijing,100032,China)

To the deficiency of manual debugging parameters for the traditional PI closed-loop control,this paper designed a fuzzy control system with voltage for the control target of SVG,output of the design of control system is current increment,SVG to be injected into the grid current is calculated by current feedforward,finally,reach the purpose of regulating voltage.In the end,through simulation examples to study the effect of this fuzzy control strategy,and SVG fuzzy control system application effect is good through the actual engineering further instructions.The study show that the design of reactive power compensation control system has good load tracing features,and compared with traditional PI close-loop control mode,it has a smaller overshoot volume and shorter response time and other characteristics,has the good engineering practical value.

static var generator;fuzzy control;load tracing features;response time;engineering

1004-289X(2016)03-0084-04

TM714

B

2015-05-01

王婷(1981-)，女，江蘇東海人，工程師，碩士，長(zhǎng)期從事電力運(yùn)行、人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。