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1、配电网静止同步补偿器摘要：电能质量问题，尤其是无功功率和谐波的问题，严重威胁着电网的安全运行。配电网中无功电源是保证电力系统电能 质量、降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)在配电网中能有效的解 决电压波动与闪变、三相电压不平衡、电网谐波污染等电能质量问题，越来越引起了国内外科研与工程领域的广泛关注。本文对D-STATCOM进行机理分析，采用Slmulink仿真软件，对基于强化学习自适应PID的D-STATCOM的补偿结果 进行研究，仿真结果表明，配电系统使用D-STATCOM装置，使得电能质量得到了明显改善，强化学习自适应PID控制在 功率
2、因数的改善方面和对电压电流的滤波方面明显优于传统PI控制，并具有稳定范围宽、动态响应快、控制实现简单等优 点。关键词：静止同步补偿器；电能质量；MATLAB;仿真DISTRIBUTION STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATIONAbstract: The Problem of electric energy quality affects seriously the safe operation of power network , especially reactive power and harmonics. As a new var compensator, Rea
3、ctive power source is an indispensable part of improving power quality, reducing net loss and keeping system stable in the power network. Distribution Static Synchronous Compensator (D-STATCOM)can be an effective solution to power quality problems such as V oltage fluctuation and flicker, three-Phas
4、e voltage imbalance and harmonics pollution, which attract extensive attention for its perfect performance.Based on the theory of dqo reference fame transformation the dynamic mathematical model of D-STATCOM in dqo reference frame was deduced by introducing switch function.The control performances o
5、f the proposed control strategies and tradition PID control strategy are simulated and analyzed with simulink, which results show that the applying of D-STATCOM to improve power quality is better. In the research of control strategy, reinforcement learning adaptive PID control on the ability of impr
6、oving the power factor and filter of voltage and current is more competent than tradition PID.The reinforcement learning adaptive PID control for inverter has many advantages such as wide stability range, quick dynamic response, and easy realization.Key words: Distribution Static synchronous compens
7、ation;Power quality; MATLAB; simulation0引言随着“十二五”电网建设规划，我国电网将逐 步形成全国联网，这就对系统运行稳定性与可靠性 提出的更高要求，越来越多的用户向电力部门提出 高质量供电的要求，电力用户的需求正在由原来量 的需求向现在优质电能和高可靠性供电的需求转 变。随着大量的高科技企业进入中国市场，在这场 全局转变的战略过程中，电网的电能质量能否满足 这些企业的要求将会成为一个突出的问题。抑制电 力“污染”，“实现绿色配电，提供绿色电能”， 从系统的角度思考，用科学的方法，完善的管理， 有效的措施来提高配电网的供电质量。电能作为人们广泛使用的能源，
8、其应用程度是 一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。在 满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同 时，提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发 达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是 增强用电效率、节能降损、改善环境、提高国民经 济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保 证。随着我国工业的不断发展，电力用户对电能质 量的要求越来越高，然而电网中存在的干扰性电力负荷对电能质量产生严重影响，在配电网中整流 器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等负荷不 断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的 用电特性，使网络中的电压、电流波形发生畸变， 或引起电压波动、闪变和三相不平衡。此外，
9、系统 侧发生的雷击线路、投切电容器组、短路、断路等, 都给供电质量造成严重干扰。大容量干妇胜负荷有 电弧炉、轧钢机、矿井提升机和挖掘机等，它们从 电网中吸收大量一的冲击性无功功率，引起电网电 压波动和一闪变，严重影响电网的供电质量。另一 方面，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术 的广泛应用，用电设备对电能质量更加敏感。低劣 的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要 工业生产过程中，供电的突然中断将会带来巨大的 经济损失。因而电力用户对电能质量提出越来越高 的要求。电能质量的改善对于电网和电器设备的安 全经济运行都具有重要的意义。在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的 两个最基本最重要
10、的指标。电力系统的电压水平取 决于电网无功功率的平衡，维持电网正常运行下的 无功平衡是改善和提高电压质量的基本方法。由于 当今电力系统超高压远距离输电系统的发展，系统 消耗的无功功率日益增多，另一方面无功补偿容量 相对不足，导致一些地区的超高压电网低谷时电压 过高，而一些配电网在高峰时电压水平过低的状 态。这些情况不仅严重犷威胁着电网的安全运行， 而且也影响了用电户的正常生产和生活。要确保电 网的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的 范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关， 防止电压扰动的有效措施是对电力系统的无功功 率进行控制。本文采用强化学习自适应PID控制策略技术对 静止同步补偿
11、器进行优化控制。使用MATLAB仿真 软件对其模型和算法进行仿真实验和研究，通过控 制使得静止同步补偿器具有良好的动态和静态性 能，使补偿器具有控制速度快、控制精度高等优点。 并且克服目前使用传统PI控制算法中，当等效参数 测量不准确或发生变动时所发生控制的误操作，实 现控制器的自适应能力。实现动态的补偿无功功 率，并有效的抑制谐波进而提咼系统的功率因数、 调节系统的电压。1.1D-STATCOM的工作原理随着GTO、IGBT等大功率全控型器件的出现， 以及相控技术、脉宽调制技术(PWM)的日趋成熟， 使得电力电子逆变技术得到了快速发展，配电静止 同步补偿器正是基于此技术而发展起来的，并成为
12、当今无功功率控制领域的研究热点。D-STATCOM 是FACTS家族中重要的并联型补偿设备。 D-STATCOM的应用大大提高了电力系统的可靠 性、安全性和稳定性，给使用者带来巨大的经济和 社会效益。以采用电压型桥式电路的D-STATCOM为例， 其基本工作原理就是通过适当调节桥式电路交流 侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧 电流，从而吸收或发出满足要求的无功电流，实现 动态无功补偿的目的。由于D-STATCOM在工作的时候通过IGBT等 全控型器件将直流侧电压转换成交流侧与电网同 频率的输出电压，因此主要结构就是一个电压型逆 变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而 是电网。其
13、工作原理可以用图1-1所示单相等效电路 图来说明。其中D-STATCOM的等效电阻和电感用 R， L表示。STATCOM图1-1 D-STATCOM等效电路变压器及线路损耗用R等值表示，图1-1中Us为 D-STATCOM接入点处系统电压，e为D-STATCOM 交流侧电压。D-STATCOM有两种工作状况：即容性工况和 感性工况，如图1-2所示，5为Us和e之间的相位差,以Us滞后e为正，0为电抗器的阻抗角，U 为等L1 D-STATCOM补偿原理及其应用效阻抗器的两端电压。蔚容性工况h感性丁况图1-2 D-STATCOM向量图当e滞后于Us时，D-STATCOM工作于容性工 况，此时电流I
14、超前系统电压Us, D-STATCOM从系 统吸收容性无功功率，为系统提供无功支撑;当e超 前于Us时，D-STATCOM工作于感性工况，此时电 流I滞后于系统电压Us, D-STATCOM从系统吸收感 性无功功率。1.2D-STATCOM在改善电能质量中的应用利用D-STATCOM来改善电能质量主要有三个 目标:提高功率因数和调节系统电压和消除无功电 流谐波。虽然这三个目标都是通过D-STATCOM向 系统中注入无功电流来实现，但补偿的目的不同， 其实现原理也不尽相同。(1) 提高系统功率因数流系统图1-3 D-STATCOM 接线图其中Es为无穷大系统的等效电势，Rs +jXs为 由负荷端
15、视入的无穷大系统等效戴维南阻抗，r+jx 是D-STATCOM的等效阻抗，v为D-STATCOM接入 点处的系统电压，也就是负荷的供电电压。当 D-STATCOM没有投入运行时，负荷电流中的无功 分量完全由系统承担i, i如果i较大，功率因数会 sq lqlq很低，线路损耗也会大大增加。当D-STATCOM接 入系统后，将产生容性无功电流i，补偿负荷无功cq电流i，为系统提供无功支持。理想情况下，当i =-ilqcq lq时，D-STATCOM将完全抵消负荷无功电流，使系 统功率等于1。(2) 调节系统电压在电网中，两个节点之间的电压幅差值主要是 由无功功率决定的，如果系统中无功功率过大，会
16、产生很大的电压损耗，如果不能及时进行无功补 偿，在负荷处会出现欠压现象。在图1 -3中，假定无 穷大系统提供的有功功率和无功功率分别为Ps和 Qs，负荷的有功分量和无功分量为Pl和Ql， D-STATCOM补偿的无功功率为Q 0则当 D-STATCOM没有投入运行时，负荷的无功功率完 全由系统承担。当D-STATCOM投入运行后， D-STATCOM对负荷的无功功率进行补偿，以 D-STATCOM向系统发出感性无功功率为无功补偿 的正方向。此时系统的电压损耗为：P R + (Q - Q ) XA U = E - V 1S1C SsV由上式可以看出，只要适当控制D-STATCOM无功 输出QC的大小，就能调节系统的电压损耗，从而调 节系统的电压水平。(3) 有效消除并抑制谐波在进行无功功率补偿的时候，其交流侧输出的 是幅值等于直流侧电容电压的方波
