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1、电力系统及其自动化 605 新型混合动态无功补偿器及其控制方法的研究 徐先勇 罗 安 方 璐 吕志鹏 湖南大学电气与信息工程学院 湖南 长沙 410082 【摘 要】 为实现配电网低成本动态无功补偿，本文提出一种混合型无功补偿器（Hybrid Var Compensator， HVC） ，由一台较小容量的 DSTATCOM 和较大容量的多组 TSC 组成。其中 DSTATCOM 为 连续子系统，TSC 为离散子系统。本文在分析 HVC 结构及其工作机理的基础上，提出基 于专家决策的混杂控制策略，实现连续子系统与离散子系统协调控制。其中 DSTATCOM 采用基于模糊神经 PI 的电流直接控制方
2、法。仿真及工程应用结果证明了 HVC 的有效性及 本文所提控制策略的正确性。 【关键词】 低成本无功补偿 混杂控制 专家决策 模糊神经控制 配电网 Research on a Novel Hybrid dynamic var compensator and Its Control strategy Xu Xianyong Luo An Fang Lu Lu Zhipeng College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，Hunan，China Abstract：In order
3、 to realize low-cost var conpensation of distribution power grid，this paper proposed a novel hybrid var compensator（HVC）. The low-cost HVC consists of a small capacity DSTATCOM and multi-groups high capacity TSC. The DSTATCOM is continuous subsystem and the TSC is discrete subsystem. Based on analyz
4、ing the principle of HVC，hybrid control strategy based on expert judgment is proposed to realize coordinate control of the continuous subsystem and the discrete subsystem in this paper. A new fuzzy and neural network is adopted to optimize PI controller of DSTATCOM. Simulation and application result
5、s have shown the validity of the proposed HVC and its control strategy. Key words：low-cost var compensation；hybrid control；Expert judgment；fuzzy and neural network controller；distribution power grid 1 引 言 电能是影响我国工业发展的关键因素之一，电力节能在我国建设节约型社会的进程中将占有越来越 重要的地位1-7。配电网的无功补偿对于配电网的稳定、经济运行具有重要的作用8-9。在配电系统中广 泛存
6、在大量的感性负荷，这些负荷会消耗大量的无功功率，降低系统的功率因数，造成线路电压损失加 大和电能损耗增加，直接影响着电力企业的经济效益10-11。此外，对于诸如电弧炉、轧刚机这些冲击性 无功负荷，还会产生电压的剧烈波动，使电网的供电质量恶化。目前，一般通过安装无功补偿设备的方 式，合理的补偿无功功率来提高电能质量，节能降耗。配电网静止无功补偿器（Distribution static var 基金项目：国家自然科学基金资助项目（60774043） ；湖南省研究生科研创新项目（湘财教指200868 号） 作者简介：徐先勇（1981） ，男，博士研究生，研究方向为特高压试验电源，谐波治理及无功补偿
7、的研究。E-mail：5xxy 罗安： （1957 年） ，男，湖南大学电气与信息工程学院教授，博士生导师，研究方向为大功率电网谐波有源治理和先进 静止无功发生器及电能质量的研究。 606 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 compensator，DSTATCOM）能够进行动态连续的无功补偿及抑制闪变，但是单台 DSTATCOM 容量要求 较大时，由于电力电子器件制造工艺和工程造价的限制，难以实现大规模工程应用12-13。而晶闸管投切 电容器（Thyristor switched capacitor，TSC）虽然能够满足工程容量的要求，成本较低，还可配以一定的 电感组成单调谐滤波器，
8、在电力系统中应用广泛，但是它只能够实现无功的分级调节，不能抑制闪变和 不平衡，并且装置的响应速度也不快，很难满足现代电网对无功补偿技术提出的新要求14-16。因此，必 须研究低成本大容量无功动态补偿新型拓扑结构，为配电网低成本节能提供装备支撑。 针对 DSTATCOM 和晶闸管投切电容器 TSC 其各自的不足，提出并研发了基于专家混杂控制的混 合型无功补偿器（Hybrid Var Compensator，HVC） ，由较小容量的一台 DSTATCOM 和较大容量的多组 TSC 构成。其中，DSTATCOM 能进行快速无级的无功补偿，是 HVC 的连续子系统；TSC 能进行大容 量分级的无功补偿
9、，是 HVC 的离散子系统。本文在分析系统工作原理的基础上，提出基于专家决策 的混杂控制方法，实现了离散子系统 TSC 和连续子系统 DSTATCOM 的协调控制。仿真及现场运行结 果证明了本文研究内容的有效性，同时还表明 HVC 兼备 DSTATCOM 连续调节无功和 TSC 大容量无 功补偿的优点，能实现低成本大容量无功动态补偿，提高电能质量，降低装置成本，提高经济效益。 2 HVC 拓扑结构及其工作原理 针对 DSTATCOM 和晶闸管投切电容器 TSC 其各自的不足，本文提出的混合型动态无功补偿器 HVC，其结构如图 1 所示。 HVC 是一个混杂动态系统，由较小容量的一台 DSTAT
10、COM 和较大容量的多组 TSC 构成。其中， DSTATCOM 能进行快速无级的无功补偿，是 HVC 的连续子系统；TSC 能进行大容量分级的无功补 偿，是 HVC 的离散子系统。HVC 基本工作原理为：分级的 TSC 进行无功粗调，无级的 DSTATCOM 进行无功精调，当系统无功需求在 n 组和 n+1 组 TSC 之间时，投 n 组 TSC，再由 DSTATCOM 补偿小 容量无功，从而在低成本前提下实现了无级连续无功补偿；电网电压跌落时，DSTATCOM 能工作于直 接电压控制模式，可以快速发出其最大容限的无功功率，甚至短时越限补偿无功，防止电压跌落。 HVC 的补偿容量原理如图 2
11、 所示。图中横坐标表示 HVC 的补偿无功电流，纵坐标表示 HVC 所投 电容器的组数。从图中的一系列的阶梯状矢量可以看出，HVC 能够连续补偿的无功的范围随着其投切 的电容器组数的不同而变化。所以，当投切电容器组数随所需补偿无功功率有效变化的情况下，HVC 可以做到在最大容性无功电流 cqmaxI 和最大感性无功电流 lqmaxI 之间连续可调。虽然 HVC 能发出的感 性无功功率小于容性无功功率，但由于配电网对于配电网对感性无功的要求补偿容量往往比较小，所 以装置能够满足工程实际的要求。 图 1 HVC 的拓扑结构 图 2 HVC 补偿容量原理图 Fig.1 Topological Str
12、ucture of HVC Fig.2 Schematic diagram of HVCs compensation capacity 电力系统及其自动化 607 3 HVC 专家决策混杂控制技术 2.1 HVC 总体控制原理 HVC 系统包含连续和离散系统，为一混杂动态系统，必须协调好 DSTATCOM 和 TSC，才能保证 整个装置可靠运行。因此，本文提出基于专家决 策的 HVC 混杂控制系统，其结构图如图 3 所示， 整个系统分成三成：专家决策处理级、无功智能 控制级和执行级。TSC 和 DSTATCOM 构成 HVC 的 执 行 级 ； 模 糊 神 经 网 络 PI 控 制 器 实 现
13、 对 DSTATCOM 的控制，并与最佳时刻无级投切电容 控制器共同构成无功智能控制级；专家推理作为 HVC 系统的决策处理级。 2.2 专家决策处理级 根据系统实时数据，由专家推理判断单元来得 出 HVC 离散子系统的电容器投切和连续子系统的控制模式等决策信息。对每一个专家知识，表示成一个 三元组（无功不足比较大，增加一组电容 p，基本肯定） ，这时命题“无功不足比较大”的真值为模糊数： 2 10()1/2 ( ) 0 k n p eknm k knm = 基本肯定的 ，当 ，当 （1） 其中HVC共有m组电容器可供投切，某时刻已投的电容器组数为n，而该时刻还应投入的组数为 p，其正负分别代
14、表投入和切除。通过对知识的三位表述，专家推理判断的一些初期经验规则如下，其中 C I表示每个电容器的无功电流， qSTAT I表示DSTATCOM的实时无功电流，其正负分别代表容性和感性： Rule1：IF qSTAT 212(1) 22 CC kk * I I THEN1pk=+； Rule2：IF qSTAT 212(1) 22 CC kk * I THEN-pm n=； Rule3：IF qSTAT 212(1) 22 CC kk * I I* I + AND 1kn+ AND qSTAT 0I THEN()1pk= +； Rule4：IF qSTAT 212(1) 22 CC kk *
15、 I I AND qSTAT 0I THENpn= ； Rule5：IF qSTAT 221 22 CC kk * I I THENpk=； Rule6：IF qSTAT 221 22 CC kk * I THEN-pm n=； Rule7：IF qSTAT 221 22 CC kk * I I* I + AND kn AND qSTAT 0I THENpk= ； Rule8：IF qSTAT 221 22 CC kk * I I AND qSTAT 0I 采用神经网络自学习算法调节 采用模糊推理算法快速调节 式中，为设定的阈值。神经网络学习算法和模糊推理算法在本文就不再详细阐述，详见参考文 献17。 2.4 HVC 执行驱动级 HVC执行驱动级主要由DSTATCOM和TSC硬件驱动装置组成，它们接受无功智能控制级的控制 信号来实现对电网的无功补偿。 对于本文2.3（1）小节提出的TSC投切控制器，具体执行驱动实现原理图如图8所示。在 MOC3061未导通时，双向晶闸管处于未触发导通状态，当电容电压比电网侧电压低时，二极管会正向 导通，当二极管正向导通时，电容将充电并将电容电压维持在电源电压的峰值，当MOC3061前向触 发端有触发脉冲时，MOC3061内部采用的过零检测电路将检测到此时的电网
