（电力系统及其自动化专业论文）基于人工神经网络的静止无功发生器的控制.pdf

a b s t r a c t t h ec o n t r o lo fs t a c o mb a s e d o nn e u r a ln e t v ，o r k a b s t r a c t t o d a yp o w e rs u p p l yn e t w o r kh a sb e e na f f i l i a t e da l lu n i t i v en e t w o r ka l lo v e rt h e c o u n t r y k e e p i n g t h ep o w e rs u p p l yn e t w o r k s e c u r i t y ，s t a b i l i z a t i o n a n dr o l 2w e l l b e c o m eat e c h n i c a l l yp r o b l e mw h i c hl i m i tt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e r i n d u s t r y a n dr e d u c ei t sb e h a l f b e c a u s eo fi ti sw e l li nv o l t a g er e g u l a t i o n ，s t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o rh a s b e e np a i dm o r ea n dn l o r ea t t e n t i o n t nt h i sp a p e r , w eb r i n gf o r w a r dan e wc o n t r o l m e t h o do nt h eb a s eo f t h ea n a l y s i so f i t sm a t h e m a t i c sm a t r i x a tf i r s t ，t h r o u g ha n a l y s i so ft h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h em a t h e m a t i c sm a t r i x o fs t a t c o m ，w ei n t r o d u c e dt h ev o l t a g eo ft h ep o i n tw h e r es t a t c o m j o i n t e di n t h es y s t e ma ss t a t ev a r i a b l e s e c o n d ，t h ec o n v e n t i o n a ll i n e a ro p t i m a lc o n t r o lc a nm a k es y s t e ms t a b i l i z ea t n e i g h b o r h o o do f b a l a n c e p o i n to n l y i nt h i sp a p e r ，w ei n t r o d u c e dam e t h o do f c o n t r o l b ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a n da l s o ，i d e n t i f i e dv a r i a b l e o nl i n e t h i sm e t h o d e n h a n c e dt h ea d a p t a b i l i t yo f t h ec o n l r 0 1 t h i r d ，w eg a i nt h ea n g l e o ft h ef l u t eb ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw h i c hn e e d e d i nc o m ei n t ob e i n gp w mw a v eb yt h et h e o r yo fh a r m o n i o u sr e s t r a i n i nt h i sw a y ，w e a v o i dt h e d i f f i c u l t yo f r e s o l v e u n l i n e a re q u a t i o na n da l s os a v eal o to f t i m e t h i sm a d e t h em e t h o dc a nb eu s e d0 ni i n e ， a tl a s t ，t o p r o v ei t sv a l i d i t y ，t h i sp a p e ra l s o s i m u l a t e dt h em e t h o d sa b o v eb y m t a l a b k e y w 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 ；v o l t a g es t a b i l i z a t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ；1 i n e a ro p t i m i z a t i o nc o n t r o l ：h a r m o n i o u se l i m i n a t e l i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： | = = 期： 型多 型丛芏：! ! 导师签名： 喜形舅 日期以吐占如 上要符号对照表 主要符号对照表 电流有功分量( a ) 电流无功分量( a ) 电压的有功分量f k v ) 电压的无功分量( k v ) 有功电流的变化r a l 直流删电压( k v l 系统的有功功率r m w ) 系统的无功功率( m y 岫 电流跟电压之间的夹焦( 度) 脉冲控制角( 度) 角频率( 弧度秒) 直流侧电容( 矿) 逆变器的变比 无功功率参考值 电抗r q 、 电阻r n ) 同步调相机 静止无功补偿器 具有饱和电抗器的无功补偿器 晶闸管控制电抗器 晶闸管投切电容器 静止无功发生器 门极可关断晶闸管 脉宽调制 v 。巧蜴，q 9 ，。c k。r眦昌；m眦 第1 章绪论 第l 章绪论 1 ，1 课题研究的背景和意义 电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发展而导致用电量 的急剧增加和国内各大型电厂的建设投产，将出现大规模的联合供电系统， 这样的供电系统的建立将带来巨大的经济和社会效益，但是，如何保证该系 统安全、稳定、经济的运行以及保障供电质量是摆在电力科技人员面前的一 个重大而迫切的问题。电力系统迅速发展的同时，规模复杂程度也不断增 加，而对电力系统本身的理论研究相对滞后，世界各国均发生因电网稳定性 被破坏而导致的大停电事故，造成巨大的经济损失。在我国，由于电网结构 相对薄弱，超高压输电在大部分电网中并未真正形成，电网的安全性可靠性 低。随着近几年全国电网的形成，安全稳定性问题也将会更加突出，另外， 目前我国电网的网架结构不合理、电压等级低、输电距离大，由于无功不平 衡造成的线上能耗严重。大力发展f a c t s 技术提高电力系统稳定性和改善 供电质量将产生巨大的经济效益。近几十年以来，为改善电力系统的稳定 性，各国的电力工作者进行了大量的研究，取得了丰硕的成果，各种控制 理论，如线性最优控制、鲁棒控制、微分几何控制等被不断用来设计电力系 统控制器。与此同时，随着电力电子技术的发展，大功率电子器件己经广泛 应用于电力系统领域。上个世纪八十年代出现的灵活交流输电技术( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f a c t s ) 就是电力电子技术和现代控制理论相结合 的产物。它是装有电力电子型或其它静止型控制器以加强可控性和增大电力 传输能力的交流输电系统。它具有改善电力系统电压稳定性、功角稳定性和 改善系统阻尼的优良特性。灵活交流输电系统( f a c t s ) 的出现为现代电力系 统的安全、经济、可靠和优质运行提供了十分有效的手段。与电力系统传统 的阻抗控制元件、功角控制元件以及电压控制元件相比具有快速调整有功、 无功功率能力的f a c t s 器件对系统暂态过程及事故后系统的恢复具有快 速、灵活的调节能力，为电力系统的稳定提供了强有力的控制手段。近年 来，各国都在大力开展其基础理论、应用技术和装置开发等方面的研究，并 研制成功一些用于电力系统潮流控制和提高稳定性的f a c t s 装置。就我国 第1 章绪论 电力系统的现状而吉，用f a c t s 来提高电力系统的稳定性将更具现实意 义。 1 2 无功功率补偿基本情况 1 21 无功功率的影晌【2 1 3 1 ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加， 从而使发电机、变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设 备及线路的损耗增加，这是显而易见的。设线路中电流，由有功分量厶和无 功分量厶组成，线路电阻为尼则线路损耗为： 凹：，2 r ：( 1 a 2 + 珈r ：芝箬r ( 1 一1 ) l 其中( q 2 u2 ) r 这一部分损耗就是无功功率引起的。 ( 3 ) 使线路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载，还会使 电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 在图1 1 中 z3 一r 3 + i x s 磊引起的电压降u 为 图1 1 等效电路 f i g1 ，1e q u i v a l e n tc i r c u i t a u eu z i 另外，负载电流，可由下式求得： 1 = u ( g 一归) ：型：g 二! 竺：星：! 二q uu 2 r = g 一口 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 第1 章绪论 把( 1 3 ) 代入( 1 2 ) 可得： 疵呱恻铲 ：垦! 墨望+ ，墨! 二墨! 望 “ u 。 u a u 。r s p + x 5 q ( 1 5 ) 分析图中各参数可看出，在一般的电网中，尼比瓜小得多，因此可以得 出这样的结论：电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的，而有功功 率的波动对电网电压一般影响较小。例如：电动机起动时功率因数很低，这 种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无 法正常工作。电弧炉、轧钢机等型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影 响电网供电质量。 ( 4 ) 功率因数降低，设备容量利用少。而随着各种电子装置和精密设备 的广泛应用，用户对电能质量提出了越来越高的要求：不仅要求供电连续可 靠，还希望供电电压、频率稳定，波形良好。 1 22 无功补偿的作用 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，它对供电系 统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络中不仅大多数负载要消耗无 功功率，大多数网络组件也要消耗无功功率。网络组件和负载所需要的无功 功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率由发电机提供并经过 长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。因此，合理的方法应当是在需 要消耗无功功率的地方产生无功功率，即进行合理的无功补偿。 无功补偿的作用主要有以下几点 3 】： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损 耗。 ( 2 ) 稳定受电端以及电网的电压，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 ) 在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三 3 第l 章绪论 相的有功功率及无功负荷。 由于无功补偿具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技术进行研究具 有相当重要的实际意义。 12 3 无功补偿装置的发展【2 解决电力电子装置产生的低功率因数问题不外乎两种途径：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；另一种是装设补偿装置，如无功功率补偿器等，设 法对无功进行补偿。前一种方法需要对现有电力电子设备进行大规模更新， 代价较大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，因此有一定的局 无功补 偿装置 早期无功 补偿裟置 现代无功 补偿装置 电容器补偿 静止调相机 饱和电抗器 静止无功补 偿器( s v c ) 先进的静止无 功发生器 ( s t a t c o m ) 品闸管投切 电抗器 静止管投切 电容器 晶闸管控制 电抗器+ 吲 定电容 机械投切电容 各种装置的混 合( t c r + f c t c r 十m s c l 图1 2 无功补偿装置的发展 f i g1 2t h ed e v e l o p m e n t o fv a r c o m p e n s a t o re q u i p m e n t 限性。而后一种方法则适用于各种谐波源和低功率因数设备，并且方法简 单，己得到广泛应用。图1 2 是无功补偿装置的发展情况。 目前，采用较广泛的无功补偿方式主要有以下几种【2 】： ( 1 ) 同步发电机汽轮发电机功率因数在0 8 o 9 之间，在输出有功 功率同时也输出无功功率；水轮发电机在远距离输电情况下，为了保证用户 4 第1 章绪论 端电压水平，可能在超前功率因数下运行，此时发电机发出有功功率，吸收 无功功率。 ( 2 ) 同步电动机同步电动机转速恒定，通过调节励磁电流可以输出 无功功率和吸收无功功率；一般同步电动机是在过励磁状态下运行，因此向 系统输出无功功率。 ( 3 ) 同步调相机它是专用的空载运行的大型同步电动机，功率因数 约为0 0l 5 o 0 3 是电力系统一种无功电源。 同步调相机在过励磁运行时，向系统供给感性无功功率而起无功电源的 作用，能提高系统电压；在欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率而起无 功负荷作用，可降低系统电压。具有良好的电压调节特性，可提高电力系统 ( b ) 图1 3 并联电容补偿无功的电路和向量图 ( a ) 电路( b ) 向量圈( 欠补偿)( c ) 向量图( 过补偿) f i g 1 ，3 c i r c u i t sa n dv e c t o r so f s h u n t c a p a c i t o rc o m p e n s a t o r ( a ) c i r c u i t s ( b ) p h a s o rd i a g r a m ( d e f i c i e n tc o m p e n s a t e ) ( c ) p h a s o rd i a g r a m ( e x c e s s i v ec o m p e n s a t e ) 运行稳定性。至今在无功补偿领域，这种装置还在应用。但是，它是旋转电 机，运行中损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，响应速度慢，已难以满足 快速动态无功补偿的要求。而且价格高，有功损耗较大，主要装设于枢纽变 电站。 5 第1 章绪论 ( 4 ) 并联电容器电力系统常用的无功补偿设备除了同步调相机外， 还有并联电容器、并联电抗器和静止补偿器等。 并联电容器补偿无功功率的原理及方式f ”。 在实际的电力系统中，可将负载等效成电阻r 和电感l 串联的电路，其 功率因数为： c 0 s p = 而鲁 ( 1 叫) 式中x = c o l 。 将电容c 并接于r 、l 串联电路后，电路如图1 3 所示，该电路的电流 方程为： ，2 ，c + k ( 卜7 ) 由向量图1 3 ( b ) 可知，并联电容后u 和，的相位差变小了，即供电回路 的功率因数提高了。这时滞后u ，称为欠补偿。 如果电容c 过大，使线路电流超前电压，这种情况称为过补偿，如图 1 3 ( c ) 所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会引起变压器二次侧 电压的升高，且容性无功功率在线路上传输同样会增加电能损耗，还会增加 电容器自身的损耗，影响电容器的寿命。 电容器补偿通常采用集中、分组、就地三种补偿方式。集中补偿设在企 业或变电站的6 一l o k v 母线上用于提高整体的功率因数：分组补偿设在功率 因数较低的终端，补偿范围和容量相对较小但效果更明显；就地补偿设在电 感性用电设备附近，既能提高线路的功率因数，又能改善用电设备的电压质 量。 与同步调相机相比，并联电容器的成本较低，费用要节省很多。因此， 电力电容器的迅速发展几乎取代了同步调相机。但是，电力电容器只能补偿 固定的无功功率，不能实现对无功的动态补偿。在系统中有谐波时，可能发 生并联谐振，使谐波放大。电容器因此而烧毁的事故时有发生。 ( 5 )静止无功补偿装置所谓静止无功补偿装装置是指凡是能够以 无机械传动部件而达到提供无功出力的装置该类设备具有调相机的功能， 使用只益广泛，但投资较大。 1 ) 静止无功补偿器( s v c ) 的工作原理及方式【2 】 3 】 6 第1 章绪论 从7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所代替。 1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。 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。同一年，美国西屋电气公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o r p ) 制造 的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。 静止无功补偿装置近年来获得了很大的发展，已被用于长距离输电的分 段补偿，也大量应用于负载的无功补偿。静止无功补偿器主要有以下两大类 型：一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置( s a t u r a t e dr e a c t o r 一一 s r ) ：第二类是晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t o r 一一t c r ) 、 晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r 一一t s c ) ，这两类装置通 称为s v c ( s t a r i cv a rc o m p e n s a t o r ) 。下面简要介绍一下这两类装置的原 理。 a ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 单相t c r 原理如图1 4 所示，由两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联 组成。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于接入了电感性 负载的交流调压电路。此电路的有效移相范围为9 0 0 1 8 0 0 。根据晶闸管的导 通角5 与t c r 的等效电纳间的关系：b l 。j i m “( 占一s i n b ) z ，b l = 1 x l 可知，当触发角o = 9 0 0 时，晶闸管全导通，导通角6 = 1 8 0 。，与晶闸管串联的 电抗全部接入电网上，此时电抗器吸收的无功电流最大。当触发角在9 0 o 1 8 0 0 间时6 1 8 0 “，晶闸管部分区间导通。增大触发角即可减小补偿器的等 效电纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，即减少了吸收的无功功率。 所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整 无功功率的效果。 同 图1 4t c r 单相电路图 f i g1 4o n ep h a s e c i r c u i to f t c r 7 第1 章绪论 由于单独的t c r 只能吸收无功，而不能发出无功，为了解决此问题，常 常将并联电容器与t c r 配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不 同，又可分为t c r 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + m s c ) 。这种具有t c r 型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为 广泛。 b ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 单相t s c 原理如图1 5 所示，两个反并联的晶闸管起到将电容接入电网 或从电网中断丌的作用，而串联的小电感用于抑制电容器投入电网时可能产 生的冲击电流。 t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验 研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等 于电源电压的时刻【5 】，此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置 为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电 容器。 图1 5t s c 单相电路图 f i g1 5 o n e p h a s ec i r c u i to f t s c t s c 的优点在于它能对三相不平衡负载进行分相补偿，操作中不产生有 害过电压，但是它对于由于负载的突变引起的电压闪变，单靠电容器投入电 网的电容量的变化进行调节是不够的，因此t s c 装置一般与电感相并联，采 用t c r 与t s c 配合使用构成混合型补偿器，这种补偿器以电容器作分级粗 调，以电感作相控细调。 但是，由于s v c 装置是通过控制晶闻管的控制角的大小来控制s v c 输出 的无功电流的，因此在动态调节无功功率时不可避免的会产生大量谐波，在 8 第1 章绪论 电网中产生公害，这种高次谐波电流使电子计算机、各种自动装置及电子设 备误动作或失灵，高次谐波产生热能使某些设备损坏。需要将固定电容器和 电感串联构成谐波滤波器来滤除谐波。而且s v c 运行时电容和电感的一部分 容量相互抵消，不经济：且电容分组不连续投切会影响调节质量。 2 ) ，新型静止同步补偿器( $ t a t c o n i ) 的工作原理 2 j 【4 】【5 】 s t a t c o m ( 静止同步补偿器) 又称a s v g ( a d v a n c e ds t a t i c v a t g e n e r a t o r ) ，是第二代f a c t s 设备。它用全控型器件如：g t o ( 可关断晶闸 管) 或i g b t ( 绝缘栅双极性晶体管) 和一个容量不大的储能元件组成，它可 被看作是连接在三相传输线路上的一个电压源逆变器并只从线路吸收无功电 流。其电流可以是容性的也可以是感性，因此，其无功补偿性能要优于常规 静止无功补偿器。由于该类静止无功发生器具有响应速度快、可以在从感性 到容性的整个范围中进行连续的无功调节，特别是在欠压条件下仍可有效地 发出无功功率和在系统对称运行条件下所需储能电容容量较小，从而可以减 小装置体积等优点得到了电力工业界越来越大的关注。 它是通过将自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到 电网上。静止无功发生器根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元 件，可以分为电压型和电流型两种，图1 6 所示的结构图为电压型补偿器， 如果将直流侧的电容器用电抗器代替，交流侧的串联电感用并联电容代替， 图1 6 电压型s t a t c o b l 结构图 f i g1 6v o l t a g et y p eo f s t a t c o ms t r u c t u r e 则为电流型的s t a t c o m 。交流侧所接的电感l 和电容c 的作用分别为阻止高 次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。无论是电压型还是电流型的 s t a t c o m 其动态补偿的机理是相同的。 9 墨! 至竺笙 静i 无功发生器的工作原理可以用图1 7 所示的单相等效电路洗明。设 电网电压和s t a t c o m 输出的交流电压分别用向量u s 和u ，表示，则连接电抗 x 上的电压u ，即为u s 和u ，的向量差，而连接电抗的电流是可以山其电压来 控制的。这个电流就是g t a t c o m 从电网吸收的电流。因此，改变s t a i 、c o m 交流侧输出电压u ，的幅值及其相对于系统电压“s 的相位，就可以改变连接 电抗上的电压，从而控制s t a t c o m 从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制 了静止无功发生器吸收无功功率的性质和大小。 x = m f j 电流超前 ( b ) 0 i u i2 x i j 电流滞后 幽1 7s t a t c o m 等效电路及工作原理( 不讣损耗) ( a ) 单相等效电路( b ) 向量图 f i g1 7e q u i v a l e n t a n do p e r a t ep r i n c i p l eo f s t a t c o m ( n e g l e c tl o s s ) ( a ) o n e - p h a s ec i r c u i t ( b ) v e c t o rg r a p h i c s 图1 7 所示的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗 及变流器的损耗，因此不必考虑从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需 使d ，与吼同相，仅改变口，的幅值大小即可控制s t a t c o m 从电网吸收的电流 j 是超前还是滞后9 0 。，并且能控制该电流的大小。如图1 7 b 所示，当d ，大 于d 。时，电流超前系统电压9 0 。，静止无功发生器从系统吸收容性的无功功 1 0 第1 章绪论 率：当移，小于映时，电流滞后系统电压9 0 ”，静止无功发生器从系统吸收感 性的无功功率。 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗( 如管压降、线性电阻 等) ，并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则静止无功发生器的 z = 础 ( a ) ( b ) 图1 8s t a t c o m 等效电路及工作原理( 考虑损耗) ( a ) 单相等效电路( b ) 向量图 f i g i 7 e q u j 硼i e 眦a n d o p e r a t e p r i n c i p l e o f s t a t c o m ( t a k e i n t oa c c o u l l t t h e l o s s ) ( a ) o n e p h a s ec i r c u i t ( b ) v e c t o rg r a p h i c s 等效电路如1 8 a 所示，吸收容性无功与吸收感性无功时的向量图如图1 8 b 所示。在这种情况下，变流器电压u ，与，仍相差9 0 。，因为变流器无需有功 能量。而电网电压【，。与电流j 的相差不再是9 0 。，而是比9 0 。小了5 角， 因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来 讲，电流j 中有一定量的有功分量。这个6 角也就是变流器电压才，与电网电 压的相位差。改变这个相位差，并且改变驴，的幅值，则产生的电流，的 相位和大小也随之改变，静止无功发生器从电网吸收的无功功率也就因此得 到调节。 第1 章绪论 1 3 静止无功补偿器的国内外研究现状 先进静j e 无功发生器是在上世纪七十年代朱期随着电力电子技术的发展 而逐渐发展起来的，自从美国学者l g y u g y l 在1 9 7 6 年提出利用半导体变流 器进行无功补偿的理论以来【6 1 ，世界各国对大功率新型静止同步补偿器 ( s t a t c o m ) 的理论与工程应用研究方兴未艾，在八十年代中期，灵活交流输 电技术出现之后，对s t a t c o m 的研究进一步深入并由理论进入工程应用。 s t a t c o m 在电力系统中具有多种功能：它在高压和超高压系统中能大幅度提高 有功输送能力，提高系统的静态、动态和暂态稳定性，加强功率振荡阻尼， 稳定电压。从根本上讲，s t a t c o m 的基本功能就是从电网中吸收或者向电网 中输送连续可调的无功功率，以维持接入点的电压恒定，并有利于电网的无 功功率平衡，随着大功率电力电子器件的日趋发展，s t a t c o m 在电力系统中 的应用也将越来越广泛。但是，电力系统的非线性及负荷参数多变等特点， 围绕s t a t c o m 的工程化还有很多问题没有得到很好的解决，为此国内外很多 学者做了大量理论和工程应用研究。在理论研究上，对s t a t c o m 的研究成果 主要集中在系统模型的建立、控制器设计以及装置在电力系统中作用等方 面。 13 1 s t a t o o m 数学模型的建立 在s t a t c o m 系统建模的研究中，多数参考文献 7 】隅峙旨出，在稳态运行的 情况下，s t a t c o m 的工作模型是建立在个静止的同步电压源基础之上。即 由一个电压型变流器构成的s t a t c o m 经一个串联电抗( 包括变压器的漏抗与 电路中其它电抗) 与电网相连，根据输入的无功功率和有功功率指令，变流 器如同同步发电机一样，产生相位与幅值均可以迅速调节的基频分量对称的 三相正弦电压叠加到电网上，从而吸收或发出满足电网要求的无功功率。但 由于电力系统具有多种非线性和其负荷参数的不确定性，对实际电力系统而 言，这种稳态的工作模型在应用上存在着很大的不足。 在很多文献中提出的对s t a t c o m 的模型的建立都是基于其自身特点或投 入电网运行中的某一个特性提出的，如针对由于系统发生不对称故障等原因 而引起的系统不平衡情况1 9j ，分析了系统负序电压s t a t c o m 对直流侧的影 响，以及直流电容电压的倍频分量在交流侧的输出，提出了s t a t c o m 的暂态 稳定计算模型：针对s t a t c o m 的动态行为，基于对变量的矢量变换，根据 1 2 第l 章绪论 p a r k 方程和l y o n 的瞬时对称元件理论得出了一个便于控制的简化模型l i t q ： 针对系统三相不对称对s t a t c o m 运行的影响，并设计了一个同步电压调节器 来实现对电压正负序分量分开调节，从而拓展了装置的运行范围【l ：针对基 于电流源逆变器的s t a t c o m 提出基于电流源逆变器的s t a t c o m 动态模型“。 此外，r i c h a r dg 等提出用神经网络的方法或者模糊聚类学习算法建立 $ t a t c o i 的非线性系统动态模型，对s t a t c o m 非线性控制进行模拟动态建 模，加强模型的自适应性和鲁棒性【l 。 1 32s t a t c o m 控制器的设计 在研究s t a t c o m 的非线性动态建模的同时，s t a t c o m 的控制策略和控制 器的设计也是研究的一个焦点。s t a t c o m 的控制器通常由内环控制器和外环 控制器两部分组成“。内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号， 从而在变流器的输出电流和无功指令之间建立一种线性的关系，外环控制器 用于提供内环控制器所需要的无功功率参考值。s t a t c o m 控制算法的设计 般都和无功电流的检测紧密联系在一起的，从控制的角度来看，s t a t c o m 的 控制器设计方法大致集中于以下几个方面： ( 1 ) 线性p i d 控制【1 ”j ，自2 0 世纪8 0 年代初第一台实验性s t a t c o m 投 入电网运行以来，所有己公开的实用装置的控制器设计都是采用经典控制理 论p i d 或者引入线路功率的p s s 辅助方式来完成，或者进行局部改进的p i 控制。同时有关理论也指出，这种控制方法在一定范围之内通过向系统提供 有效的电压支撑，可以维持接入点的电压基本不变。但是，这些基于线性化 的控制手段限制了该装置的应用范围，在大的干扰下，这种控制方式难以满 足提高系统电压稳定的要求。 ( 2 ) 最优控制【i8 1 ，线性最优控制早在2 0 世纪7 0 年代初便被引入到电力 系统控制中，是目前现代控制理论中应用最广泛的一项控制技术。有关论文 印证了通过研究$ t a t c o m 与励磁控制器相配合可以设计出s t a t c o m 控制器， 它能增加系统的同步阻尼系数，有利于电压的稳定，但是由于这种控制器是 针列局部线性化模型来设计的，在强非线性的电力系统中的控制效果并不理 想。 ( 3 ) 自适应控制【1 9 j 电力系统的自适应控制应用研究起始于2 0 世纪8 0 年 代中期，由于自适应控制的控制效果优于固定参数的控制器，能够在一定程 1 3 第1 章绪论 度上弥补经典p i d 控制过分依靠被控对象的数学模型的缺陷，因此很自然的 就被引用到s t a t c o m 的控制上，仿真表明，由它所控制的补偿器在较大的干 扰下仍能保持良好的阻尼特性，鲁棒性较强。但是同时也应该看到，这种控 制算法的参数在线辨识复杂程度较高，在实际应用中必须考虑计算速度的影 响，同时滞后的控制响应也影响控制精度。 ( 4 ) 微分几何控制【2o 】微分几何控制克服了传统的局部线性化方法固有的 局限性，控制器几乎对所有的运行点都起作用，正是认识到这一点，因此很 早就被应用到s t a t c o m 的控制之中。但是在进行微分几何控制器的设计的时 候应该认识到：由于微分几何控制要求系统参数必须确切可知的，而电力系 统是一个强耦合的非线性系统，其各种负载时时刻刻都在发生变化，因此在 实际中这一点是很难做到的：其次，微分几何控制对接入点的电压控制是不 做考虑的，在理论上也就无法保证接入点的电压具有良好的动态响应。 ( 5 ) 智能控制【2 1 _ 2 3 】近几十年来兴起的智能控制在很大程度上解决了由 于控制对象所具有的高度复杂性和不确定性而产生的控制方法应用上的困 难。许多作者提出了利用诸如神经元网络、模糊控制以及与它们经典p i d 控 制相结合产生的各种改进算法进行控制器设计的尝试。这些综合智能控制方 法( 如模糊逻辑控制、人工神经网络控制、专家控制等) 不需要电力网络和 s t a t c o m 的精确数学模型，具有良好的鲁棒性，在一定程度上解决了由于电 力系统强耦合的非线性系统所带来的控制器设计上的难题。但是收敛速度慢 是它们的一个很大的缺点，难以满足实时性控制的要求。 1 3 3s t a t c o m 的控制方法1 2 6 【2 7 】 从具体的控制方法看，主要有电流直接控制和间接控制两种方法。下面 主要对电流直接控制方法作一个简单的介绍，对于电流间接控制方法将在以 后的章节作详细的讨论。 所谓电流的直接控制，就是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值 进行反馈控制。 1 跟踪型p w m 制技术 跟踪型p w m 控制技术可以采用滞环比较方式，也可以采用三角波比较 方式。图1 9 ( a ) 是电流滞环比较的原理。无功瞬时电流参考指令f ，可与逆 变器的电流反馈i ，比较，其差小于滞环的最大值时，控制功率丌关在电流增 1 4 第1 章绪论 大状态，反之，在差值小于滞环最小值时，控制功率开关器件在电流减小状 态。这样输出电流就会按照参考电流的轨迹，在滞环宽度带内跟踪参考电 流。滞环带宽度越窄，跟随效果越好，但开关频率越高、开关损耗越大。滞 环比较有较好的跟踪效果，控制参数也简单，但是功率器的开关频率变化给 输出滤波器的设计带来困难。此外，如果采用固定宽度的滞环带，在输出电 流小时谐波电流含量增大，因此有人提出随输出电流变化而改变滞环宽度的 a ) 滞环比较法 a ) r e s o r tc o m p a r e dm e t h o d b ) 三角波比较法 b 1t r i a n g l ew a v e c o m p a r e d m e t h o d 图1 9 电流的跟踪控制方法 f i g 1 - 9t r a c k c u r r e n tc o n t r o l 改进滞环法，这种方法能以减小电流时的跟随性能。滞环比较的上述特 点使其更适合于容量小、开关频率高、电流变化不大的场合。 图1 9 ( b ) 是恒频三角波比较的原理图。瞬时无功参考指令乞。，与电流 反馈相减后，通过p i 调节器运算，再与恒频三角波比较，决定功率开关的 状态。比较器的输出一般有逻辑锁存器，保证在一个三角波周期内，同一桥 臂上的两个开关器件的状态保持不变。这样开关器件的开关频率恒定不变， 与三角波的周期一样。恒频三角波比较控制克服了滞环比较控制开关频率变 化的缺点，但电流波形的谐波成份较滞环比较要大一些。在较大功率和大功 率场合，多用恒频三角波比较。 2电流直接控制方法 电流直接控制的s t a t c o m 控制系统有两种基本结构。第一种控制结构如 第1 章绪论 图1 1 0 ( a ) 所示，采用了a b c 轴下的瞬时电流控制系统。控制系统完成两个 功能：直流侧的电压恒定控制：无功电流的实时跟随。直流电压指令 u 。与直流电压反馈经电压p i 调节器后生成有功电流指令，。，对流入 s t a t c o m 的有功电流控制可以控制直流侧电压。乞。和无功电流指令。通 过d q o a b e 变换成三相瞬时电流指令f 。一、 i m 和i 。w ，三相电流指令与 瞬时电流通过恒频三角电流比较生成逆变器的开关信号。通过上述控制实现 直流侧电压的稳定和无功电流的跟随。 a ) a b e 轴电流控制 a ) a b ca x e sc u r r e n tc o n t r o b ) d q 轴电流控制 b ) d q a x e sc u r r e n tc o n t r o l 图1 1 0s t a t c o m 直接电流控制框图 f i gi 1 0s t a t c o m d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l 1 6 第1 章绪论 如图1 1 0 b ) 所示就是采用d q o 变换的直接电流控制方法。s t a t c o m 发 出的电流瞬时值经d q o 坐标变换变为，。、，。与有功电流、无功电流参考值作 比较后，经p i 调节器所得值，再经d q o 反变换，得到三相电流信号，进行三 角波比较电流跟踪型p w m 控制。其中，有功电流参考值由直流侧电压参考 值与直流侧电容电压反馈值比较后经p i 调节器得到。由于参考值，。、m ， 反馈值，。，稳态时均为直流信号，因此通过p i 调节器可阱实现无稳态误 差的电流跟踪控制。也就是说，本方法中采用了双闭环反馈控制，内环是电 流环控制，外环是电压环控制。与第一种控制系统相比，两者实现的功能一 样，差别在于电流p i 调节器的数目、位置和调节信号的性质。第一种控制 系统有三个p i 调节器，在d q o a b e 变换后的a b c 轴下：第二种控制系统只 有两个p i 调节器，在d q a b c 变换前的d q 轴下。第二种控制系统种p i 调节 器信号是直流，而第一种控制系统中电流p 1 调节器的给定和反馈是交流正 弦信号。交流信号的变化率较大，p i 调节时有静态误差，调节参数设计也较 为困难。从上述比较可以看出：从调节器的数目和控制参数的选择上，第二 种控制系统优于第一种控制系统，本设计也用了这一控制系统。 s t a t c o m 采用电流直接控制后，其响应速度和控制精度将比间接控制法 有很大提高。在这种控制方法下，s t a t c o m 实际上相当于一个受控电流源。 由于受电力半导体器件开关频率限制，这种控制方法对较小容量s t a t c o m 比 较适用。 1 3 4s t a t c o m 装置的开发现状 在理论研究上取得丰硕成果的同时，s t a t c o m 在工程应用方面也有了突 飞猛进的发展 1 4 】【2 4 】 2 5 1 1 2 8 1 1 2 9 1 1 3 0 1 1 3 1 1 ：国际上，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，它采用了 晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量为2 0 m v a r 。1 9 8 6 年1 0 月，由美国国 家电力研究院( e p 租) 和西屋公司研制的士i m v a r 的静止无功发生器装置投 入运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器元件的静止补偿器。之 后，日本关西电力公司与三菱电机公司又采用g t o 研制了士8 0 m v a r 的 s t a t c o m 装置，于1 9 9 】年在犬山变电站投运。美国e p r j 与田纳西电力局 ( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ，缩写为t v a ) 、西屋电气公司合作，在t v a 电力系统的s u l i iv a n 5 0 0 k v 变电站建造了士1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 装置，于 第l 章绪论 1 9 9 6 年1 0 月投运。1 9 9 3 年3 月东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的 2 台5 0 m v a 的s t a t c o m 装置在东京所属新信浓变电所投入使用。1 9 9 7 年，德 国西门子公司将开发研制的8 m v a 的s t a t c o m 装置安装在丹麦的r e j s b y h e d e 风力发电场。在我国，这一领域的研究刚刚起步就取得了不错的成绩， 华北电力学院曾研制出强迫换相的可控硅元件无功发生器实验装置，东北电 力学院研制了g t o 器件的s t a t c o m 实验装置，作为原电力部重大科技攻关项 目，1 9 9 9 年3 月，由河南省电力局和清华大学共同研制的士2 0 m v a r s t a t c o m 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，这是国内首台投入应用的大容 量柔性交流输电装置。不过，目前a s v g 的工程应用方案都带有试验