基于模糊控制的SVG电压无功控制系统研究与应用

王婷

(国网北京城区供电公司，北京 100032)

基于模糊控制的SVG电压无功控制系统研究与应用

王婷

(国网北京城区供电公司，北京 100032)

针对传统PI闭环控制需人工调试参数的不足，设计出了以电压为控制目标的SVG模糊控制系统，控制系统的输出量为电流增量，经过电流前馈环节计算得到SVG待注入电网的电流量，最终达到调节电压的目的。通过仿真算例对模糊控制策略的效果进行研究，并通过实际工程进一步说明SVG模糊控制系统良好的应用效果。结果表明，本控制系统具有良好的负载跟踪特性，与传统PI闭环控制模式相比，具有超调量更小及响应时间更短等特点，且有良好的工程实用价值。

SVG；模糊控制；负载跟踪特性；响应时间；工程应用

1 引言

随着近年来电力系统承受着更加复杂的运行状况，系统电压波动日益加剧、大量无功功率倒送电网等问题越发严重，因此，有效的无功补偿系统是解决电网的电压波动、无功功率平衡等问题的直接有效方法。传统的无功补偿装置主要有同步调相机、同步发电机、固定电容器+晶闸管控制电抗器(FC+TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)等。但是晶闸管投切电容器TSC只能分组投切，需和TCR配合才能实现连续调节；利用相控技术的TCR型SVC会产生较严重的谐波污染[1-3]。近年来，以静止无功发生器(“static var generator”，SVG)为主体的无功补偿装置强势崛起，SVG装置不仅克服了前述的传统无功补偿装置响应速度慢、运行损耗和噪音大、运维检修成本高等缺点，且可实现从感性到容性无功功率的宽范围持续进行补偿，同时还能抑制抑制电流的突变和因为负载不对称所造成的负序无功电流，还可以降低谐波等功能[4]。

2 SVG工作原理

SVG 正常工作时，主要利用组成桥式变流器的电力电子元件的开通可关断功能来完成直流侧电压转换为交流侧与电网同频输出的电压[5-7]。如图1所示，其为SVG单相等效电路工作原理图，此时忽略了SVG中电抗器和变流器等损耗的情况。

图1 单相等效电路

(1)当0<δ时，SVG发出无功功率为负，即为感性无功；

(2)当0>δ时，SVG发出无功功率为正，即为容性无功；

(3)当0=δ时，SVG不发出无功功率，系统平衡。

3 SVG电压无功补偿系统

3.1 SVG电压无功补偿系统总体设计

SVG是一种比较复杂的电气系统，该系统主要分为两大部分，一部分是由高压变压器、电抗器或曲折变压器、变流器组成的主系统；另一部分称为二次系统，是由电压互感器、电流互感器、控制器以及检测、保护、驱动电路等构建而成[9]，其示意图如图2所示。

图2 SVG无功补偿系统原理框图

通过采集接入点母线电压、电流等参量，并根据预设的目标值，经过控制器的分析计算，求得SVG待补偿的电流增量Δi(t)，再与上一时刻SVG输出的电流值i(t-1)相加最终得到当前时刻SVG向系统注入的电流量，并经过触发角计算环节得到SVG触发脉冲信号，从而改变SVG输出电流的大小。将SVG接入系统中，就是向系统注入一个大小实时变化的感性电流，电流的计算采用了前馈环节，该电流值越大则SVG补偿的感性无功越大，反之亦然。通过这样一个闭环反馈系统便可实现动态跟踪补偿的目的。

3.2 控制器设计

电力系统中的电压变化、功率因数波动等均属于复杂的非线性问题，传统的PI闭环控制器的参数需人工调试，已无法满足电网的动态无功补偿要求，模糊控制具有较好的非线性逼近能力以及自适应学习能力，可自适应地调节控制器的参数[10-11]。本文将模糊控制应用于SVG电压无功控制系统设计中，模糊控制的控制框图如图3所示，其中kr、kc分别表示模糊控制器的量化因子和比例因子。

图3 模糊控制器控制框图

本文设计的控制系统以电压为控制目标。由图3可知，模糊控制器输入量选择母线电压(或系统功率因数)偏差ΔU及其偏差变化量dΔU/dt，其中电压偏差ΔU的模糊子集为{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，模糊论域为[-6,6]；偏差变化量dΔU/dt的模糊子集为{N(负)，O(零)，P(正)}，模糊论域为[-3,3]，kr、kc分别取30和1/30，输出量的模糊子集及其论域与偏差量相同，均采用三角形隶属度函数，模糊控制器隶属度函数如图4所示。

图4 输入变量隶属度函数

模糊控制器的模糊控制规则如表1所示。

如表1所示，模糊控制器采集电压偏差量及其偏差变化量，根据模糊规则表进行模糊推理，输出为SVG待注入电网的电流增量Δi。

表1 恒压模糊控制规则表

3.3 仿真建模及分析

假定电网电压为10kV，系统运行在工频条件下，开关器件选用理想IGBT，系统补偿设备选用级联型H桥SVG，如图5所示为SVG无功补偿系统的Simulink仿真模型，其主要包括电网电源模块、无功电流检测模块、SVG主电路模块、脉冲产生模块及负载模块等几部分组成。

图5 SVG无功补偿系统仿真图

为分析SVG在电力系统中的无功补偿效果，本文根据实际电网情况假定了在输电线路接有一个(5+j1)MVA的感性负载，0.2s时在低压侧接入一纯容性负载，0.5s时投入三相SVG，目标电压标幺值1.02，目标功率因数设置为0.98。运行Simulink模型，仿真结果如图6、图7所示。

图6 不同控制方式下的系统功率因数

由图6和图7可知，在0.2s接入一纯容性负载，此时系统功率因数降至约0.619，低压侧母线电压标幺值抬升至约1.146，二者数值均越限。在0.5s时刻接入SVG进行电压无功调整，系统根据电压及功率因数的变化情况对系统参数及变量进行调整，以达到快速跟踪控制的目的。仿真经过约0.3s后，电压标幺值及系统功率因数波形趋于稳定，且均基本达到目标设定值。

图7 不同控制方式下的母线电压标幺值

此外，该仿真实验还对比了在传统PI控制方式下的SVG负载跟踪补偿效果。通过图6和图7可以看出，采用传统PI控制模式，虽也能达到预定效果，但波形达到稳态的历时较长。模糊控制方式具有超调量更小、响应时间更短以及更佳的调节性能，更具工程实用价值。

4 工程应用

为进一步验证SVG的无功补偿应用效果，本文选取了某市110kV CX变电站作为项目实施地点，并对SVG补偿设备投运前后变电站的技术指标及经济效益情况进行对比。110kV CX变电站是该地区电网小水电集中分布变电站，水电资源丰富。该变电站在丰水期向电网倒送大量无功功率，导致了CX变电站35kV侧越上限达38.9kV，110kV侧越上限达122.3kV。本文通过投运前后CX变电站高压侧功率因数月曲线情况来考核SVG的应用效果，如图8所示。

图8 投运前后CX变110kV高压侧功率因数对比

从图8可看出，SVG投运后CX变电站和YT变电站高压侧功率因数保持在较高水平。总体来说，SVG能够较好地解决该地区电压无功控制的问题，具有良好的补偿效果。

SVG投运前后站内主变分接头及电容器组动作次数及检修情况如表2所示。

表2 SVG投运前后技术指标对比

据规定，有载调压变压器分接头调节次数达到5000次须进行检修，电容器组投切次数大于10000次须进行更换，由表2可知，CX变电站的分接头次数由原来5.13次/天降为2.33次/天，电容器组投切次数由原来13.2次/天降为4.8次/天，分接头调档次数以及电容器开关投切次数均有明显减少，大大增加了设备的使用年限，在很大程度上降低了运维成本。

此外通过对2013年间CX变电站在SVG投运前后所节约的有功功率数据进行统计，以进一步说明SVG在电力系统无功优化过程中的补偿效果，如图9所示，其中9月份、12月份的数据欠缺。

图9 SVG投运后月节约线损情况

5 结论

本文首先对SVG的工作原理进行阐述，针对传统的PI控制模式存在的需人工调试参数的不足提出了一种基于模糊控制的控制策略，并搭建了Simulink仿真模型，通过仿真实验对该策略的正确性加以说明，最后经实际工程应用进一步说明了基于模糊控制的SVG无功补偿系统良好的工程应用效果。结果表明该控制策略能够较好地实现负载的实时跟踪，无功补偿效果良好。与传统PI闭环控制模式相比，模糊控制方式具有超调量更小及调节时间更短等特点，有更好的动态性及适应性，对于变电站的电压无功控制具有实际工程意义。

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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，江苏东海人，工程师，硕士，长期从事电力运行、人工智能技术在电力系统中的应用研究。