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第 30 卷 第 19 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.30 No.19 Jul.5,2010 106 2010 年 7 月 5 日 Proceedings of the CSEE 2010 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013(2010)19-0106-08 中图分类号：TK 228 文献标志码：A 学科分类号：47040 静止无功补偿器多目标统一控制方法 方璐，罗安，徐先勇，李琪，方厚辉，涂春鸣(湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082)Unified Controller of Multiple Objects for Static Var Compensator FANG Lu,LUO An,XU Xian-yong,LI Qi,FANG Hou-hui,TU Chun-ming(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,Hunan Province,China)ABSTRACT:Due to the voltage fluctuation,low power factor and negative phase sequence(NPS)current caused by loads of distribution network,at where the static var compensator(SVC)was used to solve those power quality problems.A multiple objects unified controller was proposed.The proposed control method was composed of two control parts.One control branch was closed-loop control of power factor and NPS current compensation feedforward control,another control branch was closed-loop control of bus voltage at the point of common coupling(PCC)and NPS current compensation feedforward control.Two control branchs could be automatically determined by compensation objects.The fuzzy-PI controller was design for closed-loop control of power factor,and was used to coarsely adjust or finely adjust the power factor by hysteresis loop width.The optimal nonlinear PI controller was proposed for closed-loop control of PCC voltage.The control model of SVC was also established.Industrial application results not only verify the validity of the proposed control strategies and research contents,but also perform the function of reference in SVC engineering application and apparatus production.KEY WORDS:static var compensator(SVC);power factor;voltage fluctuation;negative phase sequence current compensation;unified controller of multiple objects 摘要：针对静止无功补偿器(static var compensator，SVC)补偿配电网负荷引起的电压波动、功率因数较低和负序电流问题，提出一种多目标统一控制器。它主要由功率因数闭环负序电流补偿前馈控制支路和 SVC 安装点电压闭环负序电流补偿前馈控制支路组成，两条控制支路可依据补偿目标 基金项目：国家自然科学基金项目(60774043)；湖南省科技厅计划项目(2009FJ3036，2008FJ3112)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(60774043);Scientific Research Plan of Hunan Provincial Science and Technology Department(2009FJ3036,2008FJ3112).自动切换。对功率因数闭环控制设计了模糊 PI 控制器，可依据滞环环宽对功率因数进行粗调及细调；对 SVC 安装点电压闭环控制采用最优非线性 PI 控制算法。建立了被控对象 SVC 的控制模型。工业应用结果不仅证明了本文理论分析及所提多目标统一控制方法的正确性和有效性，还对SVC 在工程应用上的产品化起到一定的借鉴作用。关键词：静止无功补偿器；功率因数；电压波动；负序电流补偿；多目标统一控制 0 引言 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用1-2，使静止无功补偿装置登上了柔性交流输变电的 舞 台。目 前，静 止 无 功 补 偿 器(static var compensator，SVC)的应用可大致分为两个方面：SVC 作为系统补偿，主要用来提高电力系统在大、小扰动下电压和功率因数的稳定性3；SVC 作为负荷补偿，主要用来抑制冲击性负荷变化造成的电压波动，补偿负荷所需的无功电流，改善功率因数和补偿无功负荷的不平衡4-5。随着负荷运行工况的不同，作负荷补偿的 SVC 有时也要以维持电压恒定为控制目标。随着 SVC 在电网及负荷补偿中的广泛应用，其控制器的设计也就成为研究热点6-7。在电压控制方面，有很多学者提出了智能自适应比例积分微分(proportion integral differential，PID)控制方式、基于模糊算法，遗传算法等算法的非线性 SVC 控制方式、蚁群算法寻优的 PID 控制方法等8-13。在功率因数控制方面，主要有传统 PI 控制及神经网络控制等14。在不平衡补偿方法上，主要有基于瞬时无功功率和同步对称分量法、虚拟对称三相系统合成电压矢量的同步平衡补偿法和 Steinmetz 平衡化补偿法等15-16。这些关于 SVC 在电能质量方面的控第 19 期 方璐等：静止无功补偿器多目标统一控制方法 107 制，大多是针对单一电能质量目标的，少有文献研究 SVC 在多个电能质量目标方面的控制。本文针对 SVC 补偿配电网负荷引起的电压波动、功率因数较低和负载电流不平衡的问题，提出一种多目标统一控制器，主要由功率因数闭环负序电流补偿前馈控制支路和 SVC 安装点电压闭环负序电流补偿前馈控制支路组成。它可以依据负荷不同运行状态所引起的电能质量问题，进行两条控制支路之间的自动切换。其中对功率因数闭环负序电流补偿前馈控制支路设计了模糊 PI 控制算法，对 SVC 安装点电压闭环负序电流补偿前馈控制支路设计了非线性 PI 控制算法。1 SVC 系统的组成 图 1 为晶闸管控制电抗器(thyristor controlled reactor，TCR)晶闸管投切电容器(thyristor switched capacitor，TSC)型静止无功补偿器的系统结构图。图中 TCR 采用型连接、TSC 采用 Y 型连接，负荷 为型连接的非线性负载。TSC 由电容 C、串联的小电感 L1、一个晶闸管及与之反并联的二极管构成。晶闸管和反并联的二极管，可以使导通前电容充电电压维持在电源电压的峰值，从而实现电容器的峰值投切。串联小电感用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流，并与电容器构成 3、5、7等奇次无源滤波支路(对基波成容性)。TCR 由电感L 与 2 个反并联的晶闸管相串联组成。这 2 个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行。改变控制角，电感中通过的电流便相应改变，进而控制补偿容量。连接变压器一次绕组连接成三角形，可以抑制部分晶闸管相控电抗器在不同导通状况下产生的 3次谐波成分。采集负荷及电网的三相电压和电流通过信号调理电路处理后，再经由控制模块计算得出TCR、TSC各自的指令信号分别对其进行控制。TCR支路的控制信号由光纤传输模块传到驱动电路，提高了其抗干扰的能力。整个控制系统还可与工控机进行双向传输，便于操作人员进行监控。配电母线 信号 调理电路 控制算法 模块 驱动电路工控机 TSC 逻辑 控制器TCR 电纳 低通滤波器YYYL TSCTSR 型连接负载L1PT CT 连接变压器PT PWM 信号 Uabc Iabc ILabc ULabc UABC ZS 图 1 静止无功补偿器的系统图 Fig.1 Structure of SVC system 在额定电压下，TCR-TSC型SVC在所有TSC支路投入而TCR支路断开时，输出的最大容性无功功率为 Qcmax；在所有TSC支路断开而TCR支路投入时，输出最大的感性无功功率 QLmax；当要求装置输出容性无功 Qc，且 QcQcmax时，则投入j条TSC支路，使(j1)Qcmax/nQcer2er3)。由于模糊控制为粗调，可以认为其为强控制；PI控制为细调，可以认为其为弱控制。先取滞环环宽初值为0.65 er1，不改变功率因数目标值进行模糊PI控制实验，同时记录其响应曲线每次在Tr处的误差，设第n次实验响应曲线在Tr处的误差为er(n)。依据下述依据和原则来调整滞环环宽：1）当|er(n)|er2或er(n)er(n)0时，说明误差较大且在朝误差绝对值增大方向变化，此时滞环环宽取值太大，过早进入PI控制，应该继续采用模糊控制进行强控制，此时下一次实验按照固定步长值1来减小环宽，er(n)为误差er(n)的变化率；2）当|er(n)|er3、er(n)er(n)0并且er(n)er(n1)0时，说明此时误差的绝对值较小，记录此时稳定调 节时间Ts发现Ts?Tr，说明滞环环宽取值太小，调 节时间过长，应该在下一次实验按照固定步长值2来增大环宽；3按照步骤1）、2）反复实验直到er(n)0。本文在反复实验后得出，滞环环宽较合理的值为E0=0.13(要求功率因数控制精度保持在小数点后2位)。本文设计模糊控制器的基本思路借鉴于参考文献19，而PI控制算法已经相当成熟，很多文献都有详细叙述，本文不再详述。3.4 电压闭环最优非线性控制 在图5虚线框所示的电压闭环控制系统中，Uref第 19 期 方璐等：静止无功补偿器多目标统一控制方法 111 与Up之间的差值U为最优非线性PI控制器的输入量。最优非线性PI控制器由一个改进的单纯形加速最佳寻优PI和一个非线性函数K组成。改进的单纯形加速算法以时间乘以误差U的绝对值积分作为寻优目标函数，对PI控制器的比例、积分参数进行寻优调整。具体过程详见本文作者在文献20中的研究。3.5 智能开关控制器 如图5所示，功率因数闭环负序电流补偿前馈控制支路中的负序电流前馈控制支路由开关K1自动控制是否接入控制系统；电压闭环负序电流补偿前馈控制支路中的负序电流前馈控制支路，由开关K2自动控制是否接入控制系统；而功率因数闭环负序电流补偿前馈控制支路和电压闭环负序电流补偿前馈控制支路的切换由开关K3来进行自动切换。开关K1、K2、K3由图5中的智能开关控制器统一控制。在对工程中负载工作状况的实际调研中发现，负载在所有工况运行下均不会引起电压波动和功率因数较低这两种情况同时出现，也不会单独出现负序电流这一种电能质量情况。实时检测负载三相电流，并计算出负序电流iL、负载功率因数L、公共连接点电压。各开关的控制条件为：1）整个控制程序初始化时，使SVC处于电压闭环控制状态，K1、K2断开，K3处在图5中连接电压闭环负序电流前馈控制支路状态。此时若没有电压波动电能质量问题出现，则Bclo1=0不会对整个控制系统造成影响。也就是说可再结合负载在所有工况运行时都不会引起电压波动和功率因数较低这2种情况同时出现这一特点，来判断K3的自动切换状态。2）如果iL0且Lref，则K1闭合、K2断开，K3处在图5中连接功率因数闭环负序电流前馈控制支路状态，此时Bref1=Bclo1+BN。3）如果iL=0且Lref则K1断开、K2断开，K3处在图5中连接功率因数闭环负序电流前馈控制支路状态，此时Bref1=Bclo1。4）如果iL0且Lref，则K1断开、K2闭合，K3处在图5中连接电压闭环-负序电流前馈控制支路状态，此时Bref2=Bclo2+BN。5）如果iL=0且Lref，则K1断开、K2断开，K3处在图5中连接电压闭环负序电流前馈控制支路状态，此时Bref2=Bclo2。上述所有检测、控制算法、3个开关及智能开关控制器都是由软件来实现。4 工程应用 基于本文提出的控制方法，针对湖南省某冶炼厂无功补偿不足、具有大功率波动性非线性负荷的实际工况，为其研制了TCRTSC(TSC兼做滤波)型无功补偿装置，并对冶炼厂负荷不同的运行工况，采用本文所提的控制方法。TCR及TSC的容量与仿真一致，因为涉及到较多的运算，故控制器部分以TI公司的28335为核心芯片，同时还采用研华的工控机作为上位机进行人机操作。图6为SVC的部分装置，包括TCR触发柜、上位机监视屏、TCR电感、TSC电容。图7为使用(a)TCR 触发柜(b)上位机(c)TCR 电感(d)TSC 电容 图 6 部分 SVC 装置 Fig.6 Local equipment of SVC (a)未补偿时功率因数和电能图 (b)补偿后功率因数和电能图 图 7 功率因数及电能对比图 Fig.7 Industrial application results of power factor and power energy with the proposed control method 112 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30 卷 FLUKE测试仪测得的SVC投运前后系统功率因数及电网电能对比图。由图7(a)可知，SVC投运前，电网A、B、C三相电流分别为388.4、388.6、339.6 A，A、B、C三相功率因数分别为0.75、0.76、0.84，功率因数较低，不平衡情况严重。由图7(b)可知，使用本文控制方法的SVC投入电网之后，电网A、B、C三相电流都为306.8 A，A、B、C三相功率因数分别为0.95、0.940.93。可见，通过投运SVC基本使电网三相电流平衡，功率因数由0.78提高到0.94。图8为SVC投运前后电网三相电流实时波形，可见SVC投运基本补偿了电流不平衡，具有很好的效果。0 20 40t/ms(a)未进行负序补偿时电网电流波形 i/A 600 0 600 700 0 700 0 20 40t/ms(b)投入 SVC 进行补偿后电网电流波形i/A 图 8 不平衡补偿前后对比波形 Fig.8 Industrial application results of current waveforms under unbalanced loads 图9为电压补偿波形图。t1时刻由于负荷的波动使公共连接点三相电压发生跌落，t2时刻投入SVC补偿装置，t3时刻电压稳定到原来的水平，最优非线性PI控制的整个调节过程大概为3个周期左右，稳定性较强。500 500 0 20 40t/ms u/V t1 t2 t3 图 9 工业应用电压波形图 Fig.9 Industrial application results of voltage waveforms 5 结论 1）本文针对SVC补偿配电网负荷引起的电压波动、功率因数较低和负载电流不平衡问题，提出了一种多目标统一控制算法，算法简单，易于工程实现，动静态性能好、响应速度快、补偿精度高。2）本文建立的SVC控制数学模型简单、可靠，且建立模型的思想具有一定的通用性。3）工程应用结果表明，本文所提控制算法正确、有效，能够满足工业现场的要求。参考文献 1 刘魏宏，朱建林，邓文浪，等基于交直交型矩阵变换器的多驱动系统的控制策略J 中国电机工程学报，2006，26(6)：111-115 Liu Weihong，Zhu Jianlin，Deng Wenlang，et alControl strategy of multi-drive system based on AC-DC-AC matrix converter JProceedings of the CSEE，2006，26(6)：111-115(in Chinese)2 韩民晓，尤勇刘昊线电压补偿动态电压调节器(DVR)的原理与实现J中国电机工程学报，2003，23(12)：49-53 Han Minxiao，You Yong，Liu HaoPrinciple and realization of a dynamic voltage regulator(DVR)based on line voltage compensating JProceedings of the CSEE，2003，23(12)：49-53(in Chinese)3 杜雄，彭礼明，周雒维N+1 混合无功补偿系统的研究J电网技术，2008，32(14)：39-43 Du Xiong，Peng Liming，Zhou LuoweiA hybrid reactive power compensation system consisting of multi capacitor banks and a SVGJ Power System Technology，2008，32(14)：39-43(in Chinese)4 Lee W C，Lee T K，Hyun D SA three-phase parallel active power filter operating with PCC voltage compensation with consideration for an unbalanced loadJIEEE Transactions on Power Electronics，2002，17(5)：807-814 5 罗安电网谐波治理和无功补偿技术及装备M北京：中国电力出版社，2006：183-195 Luo An Harmonic control and reactive power compensation technology and equipmentMBeijing：China Electric Power Press，2006：183-195(in Chinese)6 徐永海，肖湘宁，杨以涵，等基于d-q变换和 ANN 的电能质量扰动辨识J电力系统自动化，2001，25(14)：24-28 Xu Yonghai，Xiao Xiangning，Yang Yihan Power quality disturbance identification using d-q conversion based neural classifier JAutomation of Electric Power Systems，2001，25(14)：24-28(in Chinese)7 Belanger J，Scott G，Anderson T，et al Gain supervisor for thyristor controlled shunt compensatorsCInternational Conference on Large High Voltage Electric Systems，Paris，France，1984 8 彭建春，黄纯，王耀南静止无功补偿器的智能自适应 PID 控制器设计J湖南大学学报：自然科学版，1999，26(5)：50-55 Peng Jianchun，Huang Chun，Wang Yaonan Intelligent adaptive PID controller design for static var compensatorJJournal of Hunan University：Natural Sciences Edition，1999，26(5)：50-55(in Chinese)9 付俊，赵军，乔治迪米罗夫斯基静态无功补偿器鲁棒控制的一种新自适应逆推方法J中国电机工程学报，2006，26(10)：7-12 Fu Jun，Zhao Jun，Dimirovsk G MRobust control of SVC：a new adaptive back stepping methodJProceedings of the CSEE，2006，26(10)：7-12(in Chinese)10 曾光，苏彦民，柯敏倩，等用于无功静补系统的模糊PID 控制方法J电工技术学报，2006，21(6)：4043 Zeng Guang，Su Yanmin，Ke Minqian，et al A hybrid fuzzy and PID control method for static var compensationJTransactions of China Electrotechnical，2006，21(6)：40-43(in Chinese)11 Song Y H，Agganval R K，TJohns ANonlinear thyristor-controlled SVC control for power system stability enhancementCIEEE TENCON 93，Beijing，China，1993 12 盘宏斌，罗安，赵伟，等基于 DSP 的不平衡补偿和单纯形优化的静止无功补偿器J电力自动化设备，2009，29(3)：51-55 第 19 期 方璐等：静止无功补偿器多目标统一控制方法 113 Pan Hongbin，Luo An，Zhao Wei，et alUnbalanced compensation and simplex optimization of static var compensator based on DSP JElectric Power Automation Equipment，2009，29(3)：51-55(in Chinese)13 盘宏斌，罗安，涂春鸣，等蚁群优化 PI 控制器在静止无功补偿器电压控制中的应用J电网技术，2008，32(18)：41-46 Pan Hongbin，Luo An，Tu Chunming，et al Application of ant cology optimized PI controller in voltage control of static reactive power compensatorJPower System Technology，2008，32(18)：41-46(in Chinese)14 罗安，李涓，漆铭钧智能型无功最优补偿及装置J电力系统自动化，1999，23(3)：45-46 Luo An，Li Juan，Qi MingjunAn intelligent device for var compensationJAutomation of Electric Power Systems，1999，23(3)：45-46(in Chinese)15 纪飞峰，周荔丹，姚刚，等基于同步对称分量法的静止无功补偿装置J中国电机工程学报，2005，25(6)：24-29 Ji Feifeng，Zhou Lidan，Yao Gang，et al Static var compensator based on the method of synchronous symmetrical component JProceedings of the CSEE，2005，25(6)：24-29(in Chinese)16 李鹏，石新春，梁志瑞对电弧炉平衡化补偿实用公式推导及验证J电工技术学报，2001，16(1)：77-80 Li Peng，Shi Xinchun，Liang ZhiruiDeriving and verifying a practical formula of balancing compensation for arc furnace JTransactions of China Electrotechnical，2001，16(1)：77-80(in Chinese)17 Lee S Y，Wu C JReactive power compensation and load balancing for unbalanced three-phase four-wire system by a combined system of an svc and a series active filterJIEE Proceeding of Electric Power Applications，2000，147(6)：563-568 18 唐杰，罗安，涂春鸣，等配电静止同步补偿器的补偿电流检测方法J中国电机工程学报，2008，28(28)：108-112 Tang Jie，Luo An，Tu Chunming，et alDetection method of compensation current for DSTATCOMJProceedings of the CSEE，2008，28(28)：108-112(in Chinese)19 曾光，柯敏倩，张静刚用于静止无功补偿器的模糊PID 控制方法研究J电力电子技术，2005，39(5)：112-114 Zeng Guang，Ke Minqian，Zhang JinggangResearch on fuzzy-PID controlling method used in static var compensatorJ Power Electronics，2005，39(5)：112-114(in Chinese)20 徐先勇，罗安，方璐，等静止无功补偿器的新型最优非线性比例积分电压控制J中国电机工程学报，2009，29(1)：80-86 Xu Xianyong，Luo An，Fang Lu，et alNew optimal nonlinear PI voltage controller for SVCJ Proceedings of the CSEE，2009，29(1)：80-86(in Chinese)收稿日期：2010-02-03。作者简介：方璐(1983)，女，博士研究生，主要从事高速电气化铁路及微网电能质量、电气节能方面的研究，；罗安(1957)，男，教授，博士生导师，主要从事特高压电源、控制理论和电力有源滤波技术等方面的教学与科研工作；徐先勇(1981)，男，博士研究生，主要从事高速电气化铁路及微网电能质量、特高压试验电源、电力电子技术及其控制的研究，。方璐 (责任编辑 张玉荣)