（电力电子与电力传动专业论文）静止无功发生器控制方法的研究.pdf

江苏大学硕士擘住论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , 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 sh a v eb e e nw i d e l yr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d a sa l le f f i c i e n tt e c h n o l o g yt oi m p r o v ee l e c t r i cp o w e r q 珑d i t y a so n eo fk e y t e c h n o l o g yo f f a c t s ，s t a t i cv a rg e n e r a t o rh a sb e e nt h eh o tr e s e a r c ht o p i co f t o d a y s f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ne q u i p m e n tb e c a u s eo fi t se f f e c t i v ec o n t r o la n dg o o d e o m p e m s a t i o np e r f o r m a n c e f i r s t , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fs v g a n a l y s e si t sp r i n c i p l ef r o md i f f e r e n ta s p e c t s ，a n di n t r o d u c e st y p i c a lc o n t r o lm e t h o d so f d i r e c t - c u r r e n tc o n t r o la n di n d i r e e t - c u r r e mc o n 仃0 1 s e c o n d ，an o v e ls t r a t e g yc o m b i n e d t h ef u z z yl o g i co fl i n e a rm u l t i v a r i a b l ef e e d b a c kc o n t r o lt 0d e s i g nac o n t r o l l e ro f s v gt om e e tt h em u l t i - o b j e c t i v ed e m a n d so fp o w e rs y s t e m si sa l s op r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n , a n dt h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e d 、砜t ht h i ss t r a t e g y b e c a u s eo fv a r i a b l e e l e m e n t ，n o n l i n e a r i t ya n dm u l t i - o b j e c t i v ec o n t r o l l i n gd e m a n d so fs v gt h i sp a p e r d e s i g n st h ec o n t r o l l e rr e s p e c t i v e l ya i m e da tc o n t i n u o t l sl i n e a rc o n t r o lf o rv o l t a g e m a i n t a i n i n g , o s c i l l a t i o nd a m p i n g , i m p r o v i n gt h e t r a n s i e n t s t a b i l i t y r e s u l t so f s i m u l a t i o nb a s e do n as i n g l em a c h i n et oi n f i n i t eb u ss y s t e ms h o wt h a tt h ec o n t r o l l e r h a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a lp ic o n t r o l l e ri nt h ep o w e rs y s t e m f i n a l l r , t h e c o n t r o l l e rb a s e do nd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) i sd e s i g n e di n t h i sd i s s e r t a t i o n , a n dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o l l e ra n dt h e 州g e n e r a t o rw a sa c h i e v e dw i t h d u a l - p o r tr a m ，8 0t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t o t a ld i g i t i z a t i o ni sr e a l i z e dr e a l l y k e yw o r d s ：s t a t i cv a tg e n e r a t o r , f u z z yl o g i cc o n t r o l ，p ic o n t r o l ，l i n e a r m u l t i v a r i a b l ef e e d b a c k , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i i 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名： 锡：掀 签字隰节g 月讳 ， 参缪彩 签字日期：夕刃年多月必日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：i 荔方坡 神年6 月沙日 江苏大擘硕士学位论文 第一章绪论 随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置应用的日益广泛，电 力系统中的谐波污染问题也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较低， 也给电网带来额外负担，并影响供电质量。因此抑制谐波和提高功率因数已成为 电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在收到越来越多的 关注。 解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题不外乎两种途径：一种 是装设补偿装置，如有源滤波器，无功功率补偿器等，设法对谐波进行抑制和对 无功进行补偿；另一种是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波也不消 耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行调节。后一种方法需要对现有的电力 电子设备进行大规模的更新，代价较大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电 子装置，因此有很大的局限性。而前一种方法则适用于各种谐波源和低功率因数 设备，实施起来方便简单，已得到广泛应用。 本论文所研究的静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ，简称s v g ) ，属于柔 性交流输电系统( 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 ，简称f a c t s ) 家族的重要一 员。有人称之为静止同步补偿器( 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 ，简称 s t a t c o m ) ，在美国被称为静止调相机( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ，简称 s t a t c o n ) ，在欧洲被称为先进静止无功无功功率补偿器( a d v a n c e ds t a t i cv a t c o m p e n s a t o r ，简称a s v c ) ，在我国及日本过去习惯称之为静止无功发生器( s t a t i c v a r g e n e r a t o r ，简称s v g ) 。1 9 9 5 年国际高压大电网会议与电力、电子工程师学 会( g i g r e - l e e e ) 建议通称为s t a t c o m ，把其定义为固态同步电源类似于产生三 相正弦电压的旋转同步电机。本文仍沿用静止无功功率发生器( s v g ) 这个名称。 1 1 电力系统中无功功率的危害性及其补偿方法 1 、电力系统中的无功功率 目前的电力系统中的用电设备；大多数都为感性负载，电流相位滞后于电压； 同时，随着电力电子技术的飞速发展，大量的非线性负载的使用，使得系统电流 产生非线性的畸变一非正弦化。这些均会导致电力系统出现无功功率。根据无功 江苏大学硕士学位论文 功率的定义和物理意义，无功功率没有损耗，而是存在于系统的感性或容性储能 元件中，在三相之间或者电源与负载之间来回流动u ，。 电力系统中的无功功率主要分为两部分，一部分是基波电压和电流的相位差 而导致的基波无功功率；另一部分是由电流的非正弦畸变而导致的各次谐波的无 功，包括同频率谐波电压电流之间产生的无功功率和不同频率谐波电压电流之间 产生豹无功功率。其中基波无功功率是由感性或容性负载引起的，容量较大且相 对稳定。谐波无功功率近年来也呈现日益严重的趋势，谐波不仅导致无功损耗外， 还会造成电气绝缘威胁、系统谐振、电磁干扰等危害。想要实现真正的系统的单 位功率因数运行，必须实现对这两种无功功率的同时补偿。 2 、无功功率的危害及补偿作用 无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的。大量的无功功率 流入电网，会带来诸多不利影响，主要表现在以下几个方面“2 町： ( 1 ) 增加设备容量。 无功功率的增加，使总电流增大，以及视在功率增大，从而使设备容量、导 线规格、相应的控制设备、测量仪表和保护装置的规格容量也增加。 ( 2 ) 增加设备和线路损耗。 无功功率的增加，使总电流增大，因而便设备及线路的损耗增加。 ( 3 ) 线路压降增大。 由于线路阻抗的存在，大量的无功电流注入电网会引起电网电压下降。对于 冲击性无功负载还会引起电网电压剧烈波动，供电质量严重下降。 ( 4 ) 功率因数降低，设备容量利用少。 通常，大多数网络元件和负载都是消耗无功功率的，这些无功功率如果都由 发电机提供并经过长距离传送是不合理的，也是不可能的。合理的方法是在需要 消耗无功功率的地方产生无功功率来补偿无功功率的损耗。无功功率的补偿作用 主要表现在以下方面： ( 1 ) 提高供电系统及负载的功率因数、降低设备容量、减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定电网电压，提高供电质量。在长距离输电线中的合适地点设置动态 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。 由此可见，研究电力系统无功功率补偿理论及其在工程上的应用具有相当重 大的意义。 2 江苏大学项士学位论文 1 2 无功功率补偿装置的发展过程 随着电力电子技术和无功功率理论的发展，电网中的无功功率补偿装置的发 展基本经历了以下的三个阶段“：同步调相机( s c s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ) 、静 止无功补偿器( s v c s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 、静止无功发生器( s v g ) 。 l 、同步调相机( s c ) 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机( s c ) 和采用机械投切的电容器 和电抗器。自二三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统中一度发挥着 主要的作用，它运行于过励状态，可以产生平滑的感性和容性无功功率，对调节 负载中心的无功功率平衡和维持负载中心的电压水平具有很好的效果。但是由于 它是旋转电机，损耗和噪音都很大，运行维护复杂，而且响应速度也慢。机械投 切电容器和电抗器在动作过程中会产生很大的电气和机械冲击，并且可能会与系 统发生谐振。随着近年来电网的规模和容量的发展，同时对电网供电的高质量的 要求，对电力系统的动态特性要求越来越高，这就对无功功率补偿装置的响应速 度提出了更高的要求，上述两种装置都已经不能满足电力系统的要求，逐渐被淘 汰。 2 、静止无功发生器( s v c ) 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，尤其是晶闸管代替机械 开关的实现，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的 舞台。由于它具有控制速度快、维护简单、成本较低等优点，所以近2 0 年来在 电力系统中得到了大量的应用，占据了主导地位。因此s v c 这个词往往是专指 使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器( t c r - t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r ) 和晶闸管投切电容器( 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 r ) ，以 及这两者的混和装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器 ( f c f i x e dc a p a c i t o r ) 或机械投切电容器( m s c - m e c h a n i c a l l ys w i t c h e dc a p a c i t o r ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。但是由于晶闸管的关断不能控制， 开关器件的工作频率低，使得对电能质量的补偿能力相对减弱，动态性能难于提 高。 3 、静止无功发生器( s v g ) 8 0 年代以来，随着电力电子技术的进一步发展，尤其是g t o 、i g b t 、i g - c t 江苏大学硕士学位论文 为代表的全控型器件向大容量和高频化发展，出现了一种更为先进的静止无功功 率补偿装置，这就是采用自换相变流电路的静止无功发生器( s v g ) 。它调节速度 更快，运行范围宽；而且在采取多重化、多电平或p w m 技术等措施后可大大减 少补偿电流中的谐波的含量。更重要的是，s v g 使用的电抗器和电容元件远比 s v c 中使用的电抗器和电容元件要小，这将大大缩小装置的体积和成本。s v g 具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿装置的发展方向。 1 3s v g 的研究现状与发展趋势 1 3 1s v c 和s v g 的一些概念 在现代的电力系统中，s v c 通常是指使用品闸管的静止无功补偿装置，包 括t c r 、t s c 、t c r + f c 等多种装置“3 。 如图1 1 ( a ) 所示，t c r 的基本结构是两个反并联晶闸管与一个电抗器相串 联，而三相通常采用三角形连接。这样的电路并联到电网上，相当于电感负载的 交流调压电路结构。通过控制晶闸管的触发延迟角改变补偿器的等效感抗，或者 说是改变装置的等效电纳，从而调节补偿器的等效电抗，达到调节吸收无功功率 的作用。 ( a ) t c r 的单相电路结构( b ) t s c 的单相电路结构 图1 is v c 的两种代表性装置的单相电路结构 如图1 1 ( b ) 所示，t s c 的基本结构中两个反并联的晶闸管只是起到将电容器 并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投切入电网 时可能造成的冲击电流。t s c 实际上是分级可调的吸收容性无功功率的动态无功 4 江苏大学硕士学位论文 补偿器，其电压一电流特性按照投入电容器组数的不同而不同。电容器分组的方 法比较灵活，其中电容值级数越多，无功的分级调节就越平滑，通常采用所谓的 二进制分级方案。 如图1 2 所示，静止无功发生器( s v g ) 的电路基本结构分为两种，分别为电 流型和电压型，常用的为电压型电路。它的基本原理是：将自换相桥式电路通过 电抗器和变压器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅 值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该静止无功补偿装置吸收或者发出满 足要求的无功电流，实现动态无功补偿的尽的。 日c ( a ) 电压型s v g 主电路结构框图( b ) 电流型s v g 主电路结构框图 图1 2s v g 主电路结构框图 1 3 2s v g 和s v c 的比较 s v g 和s v c 这两种无功功率补偿装置，它们的无功补偿基本原理是一致的； 但是由于它们的主电路结构和工作原理上的不同，因此他们两种装置的结构配 置、无功补偿控制原理、运行性能等多方面都不一样。应该说s v g 装置在很多 方面具有s v c 装置无法比拟的优点，具体表现在以下一个方面： 1 、储能元件 理论上讲，s v g 的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。实际上，考 虑到变流电路吸收的电流不只含基波，其谐波的存在也多少会造成总体看来少许 无功能量在电源_ 和s v g 之间往返。为了维持桥式变流器的正常工作，其直流侧 仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件，但所需储能元件的容量远比s v g 所能提供的无功容量要小。而对应传统的s v c 装置，其所需储能元件的容量至 少要等于其所提供的无功功率的容量。因此，s v g 中储能元件的体积和成本与 同容量的s v c 相比将大大减小。 大容菠纛裟麓出最 6 江苏大学项士学位论文 术或者p w m 技术来进行处理，很方便地去除低次谐波，并使高次谐波分量抑制 到可以接受的程度。 4 、连接电抗器 电压源型桥式s v g 接入电网的连接交流电抗器，其主要作用是抑制补偿装 置和电网之间的冲击电流，滤除电流中可能存在的较高次谐波，所需的电感值也 不大，远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装置所需的电感量。如果使用降压变 压器将s v c 连入电网，再利用降压变压器的漏抗，所需的连接电抗器还将进一 步减少。 1 3 3s v g 的研究现状 s v g 作为柔性交流输电系统( f a c t s ) 的重要成员之一，自2 0 世纪8 0 年代以 来，一直是国内外研究的热点。但限于当时电力电子器件的发展水平，只能采用 强迫换相的晶闸管来实现自换相桥式电路。 1 9 8 0 年1 月，日本k a n s a i 电力公n ( k e p c o ) 与m i t s u b i s i 电机公司共同 研制出了2 0 m v a 采用强迫换相晶闸管桥式电路的s v g ，并成功地投入了电网运 行。1 9 8 7 年，美国w e s t i n g h o u s e ( 西屋公司) 研制成1 m v a 采用g t o 晶闸管的s v g 实验装置，并成功的进行了现场实验。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国分别研制成 功了一套8 0 m v a 和1 0 0 m v a 豹采用g t o 晶闸管的s v g 装置，并且最终成功的 投入了商业运行。另外，用s v g 来补偿工业负荷的研究也时有报道，使用的大 都是g 1 0 晶闸管和i g b t 这样的全控型器件。 在国内，1 9 9 4 年研制大容量s v g 被列为电力部重点科研攻关项目。1 9 9 9 年 3 月，由清华大学和河南省电力局合作共同研制的土2 0 m v a rs v g 在河南朝阳变 电站并网成功，使我国成为世界上继习本、美国、德国之后第四个拥有该项技术 的国家。目前清华大学与上海电力公司合作，正在研制基于i g c t + 5 0m v a r 链式 s v g 装置。东南大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等院校与科研机构也在 进行s v g 的相关研究。但国内对s v g 的研究和应用还处于刚刚起步阶段，具有 十分广阔的发展空间与工程应用前景。 7 江苏大学硕士学位论文 1 4s v g 目前的研究重点【4 】 ( 1 ) 更大容量如1 0 0 m v a r 2 0 0 m v a r 的s v g 主电路的研究。 为了加强5 0 0 k v 网络的电压调节能力，对百兆乏级s v g 的需求将更大，而 由于开关元器件如i g b t 、i g c t 的单管容量限制，必须采用多重化连接或其他 方式来增大装置的容量和提高装置的耐压水平，为此需要对更大容量s v g 的主 电路进行深入研究。 ( 2 ) s v g 在异常状态下的行为及新的保护和监测系统的研究。 由于s v g 的最终目的是用于改善系统的稳定性，因此要求在系统异常情况 下仍能安全、可靠地运行，并且提供所需的无功支持。但是当系统电压幅值、相 位发生很大的突变或系统电压存在较大的不平衡度时，s v g 又可能出现过电流。 目前采用的措施是当系统异常导致装置发生过电流时，立即封锁脉冲，以保证装 置的安全，等系统电压变化趋于缓和时再重新投入运行，因此为了加强s v g 对 系统电压变化的跟踪能力，充分发挥它的作用，需要系统地研究s v g 在异常情 况下的行为及其相应的保护对策。另外，为了保证s v g 在系统中的可靠运行， 还需加强对s v g 的监测，尤其是遥控监测，以便及时掌握装置的安全状态。 ( 3 ) s v g 布点优化规划、多个s v g 的协调控制、与其他控制器的综合控制研究。 为了充分发挥s v g 在系统中的作用，需要对s v g 的装设地点进行优化，以 提高系统的性能投资比；另外，由于电力系统是个统一的、元件间相互藕合的整 体，当装设多个s v g 时，则要求当系统发生故障对，各s v g 装置以及其他装置 除了要维持自身的安全、稳定，还必须尽可能多地为全系统的安全和动态性能的 改善做出贡献，至少不恶化全系统的安全和动态性能，这样就需要研究多个s v g 的协调控制以及与其它控制器的综合控制。 “) s v g 控制方法的研究。 电力系统本身是一个大的强非线性系统，而且很多是非光滑非线性或不可逆 非线性。其次，电力系统又是一个变结构、变参数的大系统。最后，电力系统对 控制的要求是多目标的。尽管国内外已先后研制出多台s v g 并投入运行，但已 有的s v g 装置的控制方法难以同时满足提高功角稳定和电压稳定的要求。因为 有时这些目标是相互冲突地，关键阶段只能保证重点目标的实现。而多目标控制 的措施有三类： 8 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 辨识不同目标以后，采取不同控制方法，它的困难在于：需要在线辨识 不同的目标，而精确的在线辨识会以失去宝贵的控制时间为代价。即使有了不同 目标的控制方法，在不同控制方法间的简单过渡会引起新的外加冲击。 ( 2 ) 对不同的控制规律采取折中的办法，这样虽然避免了过渡冲击，但没有 充分利用控制可能提供的潜力。 ( 3 ) 采用自适应控制、最优控制、模糊控制等。 在理论研究方面，s v g 的控制方法目前已有p i 控制、基于微分几何的非线 性控制、神经网络控制和鲁棒控制等。由于p i 控铡的参数很难整定，所以也很 难满足装置的实时性。而基于微分几何的非线性控制虽然取得了较以前更好的效 果，但它需要复杂的坐标变换，对数学基础要求较高，不利于工程中的广泛应用。 基于专家系统设计具有学习功能的控制器，在多目标问题上也取得了重大的突 破，但也存在某一运行点控制效果无法超越训练器。难以进行在线训练，难以选 择最恰当的期望接入点电压以及无法实现控制误差的实时反馈等不足。 所以s v g 的控制方法将是本文的重点研究对象。文中将根据多目标要求基 于模糊控制方法设计一种s v g 模糊控制器，使该控制器在各种运行状况下均能 根据系统状态判断系统对控制的要求，从而选择合适的控制规律，使s v g 在任 何状态下都能充分发挥其控制效果。 1 5 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 介绍了s v g 的国内外研究现状，然后比较了s v c 和s v g ，结果表明s v g 在动态性能和无功功率补偿整体效果上优势明显。 ( 2 ) 阐述了s v g 的基本原理：介绍了s v g 的控制方法，即间接电流控制和直接 电流控制，并分析了这两种方法豹优缺点；介绍了三相电路瞬时无功功率理论及 其在s v g 控制中的应用。 ( 3 ) 针对电力系统对s v g 控制器的多目标要求，基于电力系统状态判断设计以 模糊逻辑为基础的s v g 多目标控制器。 ( 4 ) 仿真控制器的设计结果，以验证所设计的控制算法的正确性，并利用仿真结 果比较模糊控制方法与传统控制方法的不同。 ( 5 ) 设计了基于d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 的数字化控制硬件平台。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章s v g 的工作原理和控制方式 2 1 无功功率理论 要进行无功功率补偿技术的研究，首先要深刻理解无功功率理论。在正弦电 路中，无功功率的概念是清晰的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功 率定义。但对无功功率这一概念的重要性，和对无功补偿重要性的认识，却是一 致的。无功功率补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿。 2 1 1 正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路中，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： 甜= 4 2 u s i n o x ( 2 1 ) f = 豇s i i i ( 耐一咖( 2 2 ) = = x 2 i c o s q s i n e a t x 2 i s i n 妒c o s c o t = i p + 式中妒一电流滞后电压的相角。 电流f 被分解为和电压同相位的分量f ，和比电压滞后9 0 。的分量。和分 别为： i p = x 2 1 c o s q ，s i n c o t( 2 3 ) = 一x 2 1 s i n 妒c o s o o f ( 2 4 ) 电路的有功功率p 就是其平均功率，郭： p = 去卜i d ( e o t ) = 去广( u i p + u i q ) d ( o m ) = 去f 8 ( u y c o s 伊- c o s 矿c o s t a t ) d ( a ) t ) + 去f 。( 划s i l l 倒n 2 ( a t ) d ( e o t ) = u l c o s q 电路的无功功率定义为： 1 0 江苏大学硕士学位论文 q = u l s i n 矿( 2 6 ) 可以看出，q 就是式( 2 5 ) 中被积函数的第2 项无功功率分量“屯的变化幅 度。晚的平均值为零，表示其有能量交换而并不消耗功率。q 表示了这种能量 交换的幅度。在单相电路中，这种能量交换通常是在电源和具有储能元件的负载 之闯进行的。从式( 2 5 ) 可看出，真正的功率消耗是由被积函数的第1 项有功功率 分量u i p 产生的。因此，把和分别称为正弦电路豹有功电流分量和无功电流 分量。 工程上，把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限值，这个值也 就是电气设备最大可利用容量，称为视在功率： s = u ( 2 7 ) 有功功率p 的最大值为视在功率s ，p 越接近s ，电气设备的容量越得到充 分利用。为了反映p 接近s 的程度，定义有功功率和视在功率的比值为功率因数 五。 a = ； ( 2 8 ) 由以上两式可以看出，在正弦电路中，功率因数有电压和电流之间的相角差 决定。在这种情况下，功率因数常用c o s $ 7 来表示。 由式( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 可知s 、p 和q 有如下关系： s2=p2+q2(29) 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，有功功率、视在功率和功率因数的定义和正弦 电路相同。非正弦周期函数经傅立叶分解，通过计算可以得出： 有功功率p 为： p = 去r 。u i d ( o 。t ) = 喜玑l c o s 纸( 2 1 0 ) 几一r ：- 视在功率s 为s = 砸2 1 善珥1 善e ( 2 1 1 ) 玑、l 为第n 次谐波电压、电流有效值，霰为第n 次谐波电压与电流相角 差，其中n = l ，2 ，3 ，。 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接受 江苏大学硕士学位论文 的科学而权威性的定义。仿照式( 2 9 ) ，可以定义无功功率 q = s 2 一p 2 ( 2 1 2 ) 这里，无功功率q 只是反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载中 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、同频率谐波电压电流产生的无功功率，以及不同频率谐波电压和电流 之间产生的无功功率。因此，还有另一种定义。仿照式( 2 1 0 ) 也可这样定义无功 功率： q ，= 乩ls i n 妒 ( 2 1 3 ) 月；i 这里q ，是由同频率电压电流正弦波分量之闻产生的。q ，已没有度量电源和负载 之间能量交换幅度的物理意义了。 在非正弦情况下，s 2 p 2 + 讲，因此，引入畸变功率d ，使得 s 2 = p 2 + q ；+ d 2 ( 2 1 4 ) 和q ，不同，d 是由不同频率的电压电流正弦波分量之间产生的。 在公共电网中，通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能很大。 因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有 很大实际意义。设正弦电压有效值为u ，畸变电流有效值为i ，其基波电流有效 值及与电压相角差分别为，。和纯，n 次谐波有效值为l 。考虑到不同频率的电压 电流之间不产生有功功率，按照上述定义可以得到： p = u lc o s 吼( 2 1 5 ) 所= u is i i i 仍( 2 1 6 ) p 2 + 彰= u 2 j ?( 2 1 7 ) s 2 - - u 2 ，2 = u 2 砰+ u 2 露 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 在这种情况下，q ，和d 都有明确的物理意义。缈是基波电流所产生的无功功率， d 是谐波电流所产生的无功功率。这时，功率因数为： 1 2 江苏大学硕士学位论文 a=生ul珊costpl=量is c o s 仍 ( 2 2 0 ) 珊 可以看出，功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定的。总 电流可以看成由三个分量，即基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。 2 1 3 三相电路的功率因数 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，定义之一为： fp a = 铄 ( 2 2 1 ) 一v 式( 2 2 1 ) 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 三相都是电阻负载，只要三相不对称，功率因数仍小于l 。 2 2s v g 的基本工作原理 上面已经介绍过了，s v g 主要分为两种，一种是电压型桥式电路，另一种 是电流型桥式电路，直流侧分别采用的是电容和电感这两种储能元件。对电压型 桥式电路，还需要串联连接电抗器才能并入电网；对电流型桥式电路，还需要在 交流侧并联上吸收换相产生的过电压电容器。在实际中，考虑到运行效率的原因， 到目前投入使用的s v g 主要是电压型桥式电路，因此，本文在以下内容中所说 的s v g ，都是电压型桥式电路的s v g 。 2 2 1 忽略装置损耗的s v g 工作原理 由于s v g 正常工作时就是通过电力半导体开关器件的通断将直流侧电压转 换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧 输出接的不是无源负载，而是电网。当仅考虑基波频率时，s v g 可以等效为一 个幅值和相位均可以控制的与电网电压同频率的交流电压源。因此，在忽略其损 耗时，s v g 的工作原理就可以用如图2 1 ( a ) 所示的单相等效电路图来表示。 江苏大学硕士擘位论文 ( a ) 单相等效电路 电流超前 ( c ) 电流滞后 图2 1s v g 等效电路及相量图( 忽略损耗) 图2 1 ( a ) 中吼和口，分别表示电网电压和s v g 输出的交流电压，而d ，表示 为电抗器l 上的电压，同时也是口。和驴，的向量差，根据基尔霍夫电压定律可知， 以= d ，+ 矾。连接电抗器的电流就是s v g 从电网侧吸收的电流j ，可以通过d ： 来控制。因此，通过改变s v g 交流侧输出电压d ，的幅值及其相对于( 7 。的相位， 就可以改变连接电抗上的电压，从而控制s v g 从电网吸收电流的相位和幅值， 也就控制了s v g 吸收无功功率的性质和大小。 在图2 1 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，不考虑其损耗和变换器 的损耗，因此不必从电网吸收能量。在这种情况下，只需使d ，和吼同相位，仅 改变d ，的幅值大小即可控制s v g 从电网侧吸收的电流，的方向和大小。如图 2 2 ( b ) 所示，当d ， u s 时，电流超前电压9 0 。，s v g 吸收容性的无功功率：如图 2 1 ( c ) 所示，当d ， o ) 尽可能的提升功角曲线以 增大减速面积，就可以有效的提高暂态稳定性；而在a c o o 期间，使无功发生装置发出最大的感性无功”，而在a c o o 期间使之 吸收最大的感性无功，即达到一种b a n g b a n g 控制的效果啪1 。为了箍化算法，便 于工程实现，本文采用线性控制来逼近b a n g b a n g 控制所达到的控制效果。在这 个调整功角摇摆增加阻尼的过程中，向电网提供一个与线路有功潮流有关且经过 正确调整的信号，可以使功角摇摆阻尼得到改善。已经得到证明的行之有效的方 江苏大学项士学位论文 法是使用母线频率。所以在s v g 提高系统暂态稳定性的过程中有下式成立： 占= k a o ( 3 1 3 ) 式中k 为增益，a o 为发电机角频率变化量。又因为s v g 中控制角艿是存在上 下限的，所以上式可以用图3 3 表示。 图3 3 提高暂态稳定性控制框图 3 3 基于模糊控制的s v g 多目标控制器 3 3 1 模糊控制概述 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学的自动控制专家z a d e h 教授在他的论文中首 次提出了模糊的概念。1 9 7 3 年，z a d e h 教授给出了模糊控制器的定义和定理。此 后，模糊控制的研究和应用十分活跃。由于模糊控制本身提供了由专家构造语言 信息并将其转化为控制策略的一种系统推理方法，因而能够解决许多复杂且无法 建立数学模型系统的控制问题，所以它是处理推理和控制系统中不精确和不确定 性的一种有效方式。从广义上讲，模糊控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑 控制的一种控制方式。模糊控制和经典控制有着本质的区别，经典控制立足于被 控对象的精确的数学描述，而模糊控制的核心在于只用已知的对系统的粗略的知 识描述系统，并在此基础上引入模糊控制算法，同时它也是智能控制的重要组成 部分。模糊控制主要有以下特点懈： ( 1 ) 在设计系统时，不需要建立被控对象数学模型，而采用语言为代表的模 糊变量描述系统； ( 2 ) 从工业过程的定性认识出发，较容易建立语占变量控制规则； ( 3 ) 系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的规则； ( 4 ) 从不同的观点出发，可以设计不同的指标函数，但对一个给定的系统而 言，其语言控制是分别独立的，且通过整个控制系统协调，可取得总体的协调控 制。 2 8 江苏大学硕士学位论文 与经典控制理论和现代控制理论相比较，模糊控制的研究是不完备的。然而， 模糊控制要有更好的控制效果，必须有较完善的控制规则。对于某些复杂的工业 过程，有时难以总结出较完整的经验，并且当对象动态特性发生变化，或者受到 随机干扰的影响时，都会影响控制效果。为此，许多学者对常用模糊控制进行了 改进，也取得了卓越的成绩。 3 3 2 模糊数学基础知识 集合理论是现代数学的基础。但是经典集合并不能描述所有的事物，特别是 涉及到与人的认识有关的概念和现象。1 9 6 5 年z a d e h 教授提出用“隶属函数” 来描述现象差异的中间过渡过程，从而突破了经典集合理论中“属于”或“不属 于”的绝对关系，这样，人的自然语言和概念就可以使用这些新的数学工具描述 了。 1 隶属函数的确定 在经典集合中，特征函数只能取0 和l ，而在模糊集合中，特征函数的取值 范围扩展n o ，l 】范围内连续取值。为了便于区分，把模糊函数的特征函数称为隶 属函数。由于有了隶属函数，才使得模糊集合具有强大的生命力。隶属函数的确 定，应该客观反映出模糊现象的具体特点。但是，由于模糊现象本身存在差异， 加之每个人在专家知识、实践经验等方面判断能力的不同，即使对同一模糊概念 的理解也会具有差异，因此到目前为止，隶属函数的确定还没有一个确定的办法。 不同的人会使用不同的方法，建立不同的隶属函数。但是，在确定隶属函数时至 少应该注意：表示隶属函数的模糊集合应当是凸模糊集合；变量所取的隶属函数 通常是对称和平衡的；隶属函数要遵从语言顺序，并避免不适当的重叠。 n ln mn s7 0p sp m p l 一32一i0 123 图3 4 三角形隶属函数的分布 隶属函数的函数形式多种多样，一般使用较多的有三角函数、梯形函数、钟 2 9 江苏大学硕士学位论文 形函数等，其中三角函数最为简单，应用最广，本文中的隶属函数采用三角函数， 图3 4 给出三角函数的分布形状。 2 输入变量及输出变量 设计模糊控制器的第一步就是设计输入输出语言变量，输入输出语言变量选 择的太多，控制过程就特别的复杂且实时性差，输入输出语言变量选择的过少， 不易对复杂的过程进行有效的控制。为了完成输入的模糊化，必须知道输入精确 值对模糊集的隶属函数，模糊集的个数随被控对象的不同而不同。通常描述输入 变量及输出变量的语言值的模糊子集为 负大，负小，零，正小，正大 = n l ，n s ，0 ，p s ，p l 设误差e 的论域为x ，并将误差大小量化为七个等级( 也可以多于7 个等级) ， 分别表示为一3 ，2 ，- l ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，则有： x = 3 ，一2 ，一l ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 选控制量u 的论域为y ，同样也把控制量的大小量化为七个等级，即 y = 一3 ，- 2 ，一i ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 最后，选择合适的隶属函数，可得模糊变量e ，u 的赋值表。 经过模糊推理所得到的控制量是一个模糊变量，不能直接用于控制被控对 象，必须先经过转化变成一个执行机构可以接受的精确量，这就是去模糊化过程。 它是从模糊空间到清晰空间的一种映射，以求得最能反应控制量的真实分布。去 模糊化的方法很多，最常用和有效的是：最大隶属度法、中位数法和加权平均法。 除此以外，还有最大平均值法、最大中点法和面积等份法等，本文中的去模糊化 采用的是加权平均法，它的模糊量判决输出u 可以用式( 3 1 4 ) 表示，其中置为加 权系数。 “= 鼍- ( 3 1 4 ) 岛 3 模糊控制规则 模糊推理器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验而 建立起来的，是对被控对象进行控制的一个知识模型( 不是数学模型) 。这个模型 江苏失学硕士学位论文 建立的是否准确，将决定模型控制器性能的好坏。模糊规则的表达形式是一种模 糊条件语句，也是人的直觉推理的语言表示形式，通常由一系列关系词连接而成， 如i f - t h e n 、e l s e 、a l s o 、e n d 、o r 、a n d 等，关系词必须经过“翻译”才能将模糊 控制规则数值化。通常把i f - 一部分称为“前提部”，而t h e n 部分称为“结论部”， 其基本结构可归纳为i faa n dbt h e nc ，其中a 是论域u 上的一个模糊子集，b 是论域v 上的一个模糊子集。 规则库是用来存放全部模糊推理规则的，在推理时为“推理机”提供控制规 则，规则条数和模糊变量的模糊子集划分有关。划分越细，规则条数越多，但并 不代表规则库的准确度越高。规则库的准确性还与专家知识的准确度有关。工业 控制中常用的控制规则如表3 1 所示。 表3 1 常用模糊控制规则表 心 n ln mn sop sp mp l n lp lp lp lp lp mo0 n mp lp lp lp lp moo n sp mp mp mp mon sn s 0p mp mp son sn mn m p s p sp s on mn mn mn m p m o on mn ln ln ln l p l0on mn ln ln ln l 可见模糊控制规则设计一般遵循的原则是：当误差大或较大时，控制量的选 择以尽快消除误差为主；当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的 稳定性为主要出发点。 3 3 3s v g 多目标模糊控制器 前面己对s v g 的多个控制目标分别设计了控制器，根据电力系统的特性， 以及电力系统控制多目标问题，可以在不严重损害其他控制目标实现的前提下依 据主控制目标设计相应的控制规律。所以本论文提出一种以模糊理论与多状态线 性反馈相结合的方法为s v g 设计控制器，具体是先把s v g 各种控制目标的控制 江苏大学硕士学位论文 方法进行综合，使之成为一个统一的多状态线性反馈控制规律，最后利用模糊辨 识器识别系统的