基于模糊控制的SVG電壓無功控制系統研究與應用

王婷

(國網北京城區供電公司，北京 100032)

基于模糊控制的SVG電壓無功控制系統研究與應用

王婷

(國網北京城區供電公司，北京 100032)

針對傳統PI閉環控制需人工調試參數的不足，設計出了以電壓為控制目標的SVG模糊控制系統，控制系統的輸出量為電流增量，經過電流前饋環節計算得到SVG待注入電網的電流量，最終達到調節電壓的目的。通過仿真算例對模糊控制策略的效果進行研究，并通過實際工程進一步說明SVG模糊控制系統良好的應用效果。結果表明，本控制系統具有良好的負載跟蹤特性，與傳統PI閉環控制模式相比，具有超調量更小及響應時間更短等特點，且有良好的工程實用價值。

SVG；模糊控制；負載跟蹤特性；響應時間；工程應用

1 引言

隨著近年來電力系統承受著更加復雜的運行狀況，系統電壓波動日益加劇、大量無功功率倒送電網等問題越發嚴重，因此，有效的無功補償系統是解決電網的電壓波動、無功功率平衡等問題的直接有效方法。傳統的無功補償裝置主要有同步調相機、同步發電機、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配合才能實現連續調節；利用相控技術的TCR型SVC會產生較嚴重的諧波污染[1-3]。近年來，以靜止無功發生器(“static var generator”，SVG)為主體的無功補償裝置強勢崛起，SVG裝置不僅克服了前述的傳統無功補償裝置響應速度慢、運行損耗和噪音大、運維檢修成本高等缺點，且可實現從感性到容性無功功率的寬范圍持續進行補償，同時還能抑制抑制電流的突變和因為負載不對稱所造成的負序無功電流，還可以降低諧波等功能[4]。

2 SVG工作原理

SVG 正常工作時，主要利用組成橋式變流器的電力電子元件的開通可關斷功能來完成直流側電壓轉換為交流側與電網同頻輸出的電壓[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0<δ時，SVG發出無功功率為負，即為感性無功；

(2)當0>δ時，SVG發出無功功率為正，即為容性無功；

(3)當0=δ時，SVG不發出無功功率，系統平衡。

3 SVG電壓無功補償系統

3.1 SVG電壓無功補償系統總體設計

SVG是一種比較復雜的電氣系統，該系統主要分為兩大部分，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；另一部分稱為二次系統，是由電壓互感器、電流互感器、控制器以及檢測、保護、驅動電路等構建而成[9]，其示意圖如圖2所示。

圖2 SVG無功補償系統原理框圖

通過采集接入點母線電壓、電流等參量，并根據預設的目標值，經過控制器的分析計算，求得SVG待補償的電流增量Δi(t)，再與上一時刻SVG輸出的電流值i(t-1)相加最終得到當前時刻SVG向系統注入的電流量，并經過觸發角計算環節得到SVG觸發脈沖信號，從而改變SVG輸出電流的大小。將SVG接入系統中，就是向系統注入一個大小實時變化的感性電流，電流的計算采用了前饋環節，該電流值越大則SVG補償的感性無功越大，反之亦然。通過這樣一個閉環反饋系統便可實現動態跟蹤補償的目的。

3.2 控制器設計

電力系統中的電壓變化、功率因數波動等均屬于復雜的非線性問題，傳統的PI閉環控制器的參數需人工調試，已無法滿足電網的動態無功補償要求，模糊控制具有較好的非線性逼近能力以及自適應學習能力，可自適應地調節控制器的參數[10-11]。本文將模糊控制應用于SVG電壓無功控制系統設計中，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

本文設計的控制系統以電壓為控制目標。由圖3可知，模糊控制器輸入量選擇母線電壓(或系統功率因數)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(負大)，NM(負中)，NS(負小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，模糊論域為[-6,6]；偏差變化量dΔU/dt的模糊子集為{N(負)，O(零)，P(正)}，模糊論域為[-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，模糊控制器隸屬度函數如圖4所示。

圖4 輸入變量隸屬度函數

模糊控制器的模糊控制規則如表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，根據模糊規則表進行模糊推理，輸出為SVG待注入電網的電流增量Δi。

表1 恒壓模糊控制規則表

3.3 仿真建模及分析

假定電網電壓為10kV，系統運行在工頻條件下，開關器件選用理想IGBT，系統補償設備選用級聯型H橋SVG，如圖5所示為SVG無功補償系統的Simulink仿真模型，其主要包括電網電源模塊、無功電流檢測模塊、SVG主電路模塊、脈沖產生模塊及負載模塊等幾部分組成。

圖5 SVG無功補償系統仿真圖

為分析SVG在電力系統中的無功補償效果，本文根據實際電網情況假定了在輸電線路接有一個(5+j1)MVA的感性負載，0.2s時在低壓側接入一純容性負載，0.5s時投入三相SVG，目標電壓標幺值1.02，目標功率因數設置為0.98。運行Simulink模型，仿真結果如圖6、圖7所示。

圖6 不同控制方式下的系統功率因數

由圖6和圖7可知，在0.2s接入一純容性負載，此時系統功率因數降至約0.619，低壓側母線電壓標幺值抬升至約1.146，二者數值均越限。在0.5s時刻接入SVG進行電壓無功調整，系統根據電壓及功率因數的變化情況對系統參數及變量進行調整，以達到快速跟蹤控制的目的。仿真經過約0.3s后，電壓標幺值及系統功率因數波形趨于穩定，且均基本達到目標設定值。

圖7 不同控制方式下的母線電壓標幺值

此外，該仿真實驗還對比了在傳統PI控制方式下的SVG負載跟蹤補償效果。通過圖6和圖7可以看出，采用傳統PI控制模式，雖也能達到預定效果，但波形達到穩態的歷時較長。模糊控制方式具有超調量更小、響應時間更短以及更佳的調節性能，更具工程實用價值。

4 工程應用

為進一步驗證SVG的無功補償應用效果，本文選取了某市110kV CX變電站作為項目實施地點，并對SVG補償設備投運前后變電站的技術指標及經濟效益情況進行對比。110kV CX變電站是該地區電網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倒送大量無功功率，導致了CX變電站35kV側越上限達38.9kV，110kV側越上限達122.3kV。本文通過投運前后CX變電站高壓側功率因數月曲線情況來考核SVG的應用效果，如圖8所示。

圖8 投運前后CX變110kV高壓側功率因數對比

從圖8可看出，SVG投運后CX變電站和YT變電站高壓側功率因數保持在較高水平。總體來說，SVG能夠較好地解決該地區電壓無功控制的問題，具有良好的補償效果。

SVG投運前后站內主變分接頭及電容器組動作次數及檢修情況如表2所示。

表2 SVG投運前后技術指標對比

據規定，有載調壓變壓器分接頭調節次數達到5000次須進行檢修，電容器組投切次數大于10000次須進行更換，由表2可知，CX變電站的分接頭次數由原來5.13次/天降為2.33次/天，電容器組投切次數由原來13.2次/天降為4.8次/天，分接頭調檔次數以及電容器開關投切次數均有明顯減少，大大增加了設備的使用年限，在很大程度上降低了運維成本。

此外通過對2013年間CX變電站在SVG投運前后所節約的有功功率數據進行統計，以進一步說明SVG在電力系統無功優化過程中的補償效果，如圖9所示，其中9月份、12月份的數據欠缺。

圖9 SVG投運后月節約線損情況

5 結論

本文首先對SVG的工作原理進行闡述，針對傳統的PI控制模式存在的需人工調試參數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，通過仿真實驗對該策略的正確性加以說明，最后經實際工程應用進一步說明了基于模糊控制的SVG無功補償系統良好的工程應用效果。結果表明該控制策略能夠較好地實現負載的實時跟蹤，無功補償效果良好。與傳統PI閉環控制模式相比，模糊控制方式具有超調量更小及調節時間更短等特點，有更好的動態性及適應性，對于變電站的電壓無功控制具有實際工程意義。

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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，長期從事電力運行、人工智能技術在電力系統中的應用研究。