靜態(tài)同步補償器

配電網(wǎng)靜止同步補償器摘要：電能質(zhì)量問題，尤其是無功功率和諧波的問題，嚴重威脅著電網(wǎng)的安全運行。配電網(wǎng)中無功電源是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)損耗以及保證其安全運行所不可缺少的部分。配電網(wǎng)靜止同步補償器(D-STATCOM)在配電網(wǎng)中能有效的解決電壓波動與閃變、三相電壓不平衡、電網(wǎng)諧波污染等電能質(zhì)量問題，越來越引起了國內(nèi)外科研與工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。本文對D-STATCOM進行機理分析，采用Slmulink仿真軟件，對基于強化學習自適應PID的D-STATCOM的補償結(jié)果進行研究，仿真結(jié)果表明，配電系統(tǒng)使用D-STATCOM裝置，使得電能質(zhì)量得到了明顯改善，強化學習自適應PID控制在功率因數(shù)的改善方面和對電壓電流的濾波方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制，并具有穩(wěn)定范圍寬、動態(tài)響應快、控制實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：靜止同步補償器；電能質(zhì)量；MATLAB;仿真DISTRIBUTIONSTATICSYNCHRONOUSCOMPENSATIONAbstract:TheProblemofelectricenergyqualityaffectsseriouslythesafeoperationofpowernetwork,especiallyreactivepowerandharmonics.Asanewvarcompensator,Reactivepowersourceisanindispensablepartofimprovingpowerquality,reducingnetlossandkeepingsystemstableinthepowernetwork.DistributionStaticSynchronousCompensator(D-STATCOM)canbeaneffectivesolutiontopowerqualityproblemssuchasVoltagefluctuationandflicker,three-Phasevoltageimbalanceandharmonicspollution,whichattractextensiveattentionforitsperfectperformance.BasedonthetheoryofdqoreferencefametransformationthedynamicmathematicalmodelofD-STATCOMindqoreferenceframewasdeducedbyintroducingswitchfunction.ThecontrolperformancesoftheproposedcontrolstrategiesandtraditionPIDcontrolstrategyaresimulatedandanalyzedwithsimulink,whichresultsshowthattheapplyingofD-STATCOMtoimprovepowerqualityisbetter.Intheresearchofcontrolstrategy,reinforcementlearningadaptivePIDcontrolontheabilityofimprovingthepowerfactorandfilterofvoltageandcurrentismorecompetentthantraditionPID.ThereinforcementlearningadaptivePIDcontrolforinverterhasmanyadvantagessuchaswidestabilityrange,quickdynamicresponse,andeasyrealization.Keywords:DistributionStaticsynchronouscompensation;Powerquality;MATLAB;simulation0引言隨著“十二五”電網(wǎng)建設規(guī)劃，我國電網(wǎng)將逐步形成全國聯(lián)網(wǎng)，這就對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與可靠性提出的更高要求，越來越多的用戶向電力部門提出高質(zhì)量供電的要求，電力用戶的需求正在由原來量的需求向現(xiàn)在優(yōu)質(zhì)電能和高可靠性供電的需求轉(zhuǎn)變。隨著大量的高科技企業(yè)進入中國市場，在這場全局轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略過程中，電網(wǎng)的電能質(zhì)量能否滿足這些企業(yè)的要求將會成為一個突出的問題。抑制電力“污染”，“實現(xiàn)綠色配電，提供綠色電能”，從系統(tǒng)的角度思考，用科學的方法，完善的管理，有效的措施來提高配電網(wǎng)的供電質(zhì)量。電能作為人們廣泛使用的能源，其應用程度是一個國家發(fā)展水平和綜合國力的主要標志之一。在滿足工業(yè)生產(chǎn)、社會和人民生活對電能需求量的同時，提高對電能質(zhì)量的要求是一個國家工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達、科技水平提高、社會文明程度進步的表現(xiàn)，是增強用電效率、節(jié)能降損、改善環(huán)境、提高國民經(jīng)濟的總體效益以及工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保證。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，電力用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，然而電網(wǎng)中存在的干擾性電力

負荷對電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響，在配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路等負荷不斷增加。這些負荷的非線性、沖擊性和不平衡性的用電特性，使網(wǎng)絡中的電壓、電流波形發(fā)生畸變，或引起電壓波動、閃變和三相不平衡。此外，系統(tǒng)側(cè)發(fā)生的雷擊線路、投切電容器組、短路、斷路等，都給供電質(zhì)量造成嚴重干擾。大容量干婦勝負荷有電弧爐、軋鋼機、礦井提升機和挖掘機等，它們從電網(wǎng)中吸收大量一的沖擊性無功功率，引起電網(wǎng)電壓波動和一閃變，嚴重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。另一方面，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應用，用電設備對電能質(zhì)量更加敏感。低劣的供電質(zhì)量將導致低劣的產(chǎn)品質(zhì)量，特別是在重要工業(yè)生產(chǎn)過程中，供電的突然中斷將會帶來巨大的經(jīng)濟損失。因而電力用戶對電能質(zhì)量提出越來越高的要求。電能質(zhì)量的改善對于電網(wǎng)和電器設備的安全經(jīng)濟運行都具有重要的意義。在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個最基本最重要的指標。電力系統(tǒng)的電壓水平取決于電網(wǎng)無功功率的平衡，維持電網(wǎng)正常運行下的無功平衡是改善和提高電壓質(zhì)量的基本方法。由于當今電力系統(tǒng)超高壓遠距離輸電系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)消耗的無功功率日益增多，另一方面無功補償容量相對不足，導致一些地區(qū)的超高壓電網(wǎng)低谷時電壓過高，而一些配電網(wǎng)在高峰時電壓水平過低的狀態(tài)。這些情況不僅嚴重獷威脅著電網(wǎng)的安全運行，而且也影響了用電戶的正常生產(chǎn)和生活。要確保電網(wǎng)的正常運行，供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。頻率的控制與有功功率的控制密切相關(guān)，防止電壓擾動的有效措施是對電力系統(tǒng)的無功功率進行控制。本文采用強化學習自適應PID控制策略技術(shù)對靜止同步補償器進行優(yōu)化控制。使用MATLAB仿真軟件對其模型和算法進行仿真實驗和研究，通過控制使得靜止同步補償器具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能，使補償器具有控制速度快、控制精度高等優(yōu)點。并且克服目前使用傳統(tǒng)PI控制算法中，當?shù)刃?shù)測量不準確或發(fā)生變動時所發(fā)生控制的誤操作，實現(xiàn)控制器的自適應能力。實現(xiàn)動態(tài)的補償無功功率，并有效的抑制諧波進而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓。1.1D-STATCOM的工作原理隨著GTO、IGBT等大功率全控型器件的出現(xiàn)，以及相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的日趨成熟，使得電力電子逆變技術(shù)得到了快速發(fā)展，配電靜止同步補償器正是基于此技術(shù)而發(fā)展起來的，并成為當今無功功率控制領(lǐng)域的研究熱點。D-STATCOM是FACTS家族中重要的并聯(lián)型補償設備。D-STATCOM的應用大大提高了電力系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，給使用者帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。以采用電壓型橋式電路的D-STATCOM為例，其基本工作原理就是通過適當調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，從而吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。由于D-STATCOM在工作的時候通過IGBT等全控型器件將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，因此主要結(jié)構(gòu)就是一個電壓型逆變器，只不過其交流側(cè)輸出接的不是無源負載，而是電網(wǎng)。其工作原理可以用圖1-1所示單相等效電路圖來說明。其中D-STATCOM的等效電阻和電感用R，L表示oSTATCOM圖1-1D-STATCOM等效電路變壓器及線路損耗用日等值表示，圖1-1中Us為D-STATCOM接入點處系統(tǒng)電壓，e為D-STATCOM交流側(cè)電壓。1D-STATCOM補償原理及其應用D-STATCOM有兩種工作狀況：即容性工況和感性工況，如圖1-2所示，5為Us和e之間的相位差，以Us滯后e為正，$為電抗器的阻抗角，U1D-STATCOM補償原理及其應用Q容性工況 h)感性工況圖1-2D-STATCOM向量圖當e滯后于Us時，D-STATCOMH作于容性工況，此時電流I超前系統(tǒng)電壓Us，D-STATCOM從系統(tǒng)吸收容性無功功率，為系統(tǒng)提供無功支撐;當。超前于Us時，D-STATCOM工作于感性工況，此時電流I滯后于系統(tǒng)電壓Us，D-STATCOM從系統(tǒng)吸收感性無功功率。1.2D-STATCOM在改善電能質(zhì)量中的應用利用D-STATCOM來改善電能質(zhì)量主要有三個目標:提高功率因數(shù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓和消除無功電流諧波。雖然這三個目標都是通過D-STATCOM向系統(tǒng)中注入無功電流來實現(xiàn)，但補償?shù)哪康牟煌?，其實現(xiàn)原理也不盡相同。提高系統(tǒng)功率因數(shù)流系統(tǒng)圖1-3D-STATCOM接線圖其中Es為無窮大系統(tǒng)的等效電勢，Rs+jXs為由負荷端視入的無窮大系統(tǒng)等效戴維南阻抗，r+jx是D-STATCOM的等效阻抗，v為D-STATCOM接入點處的系統(tǒng)電壓，也就是負荷的供電電壓。當D-STATCOM沒有投入運行時，負荷電流中的無功分量完全由系統(tǒng)承擔i，i如果i較大，功率因數(shù)會sqlq lq很低，線路損耗也會大大增加。當D-STATCOM接入系統(tǒng)后，將產(chǎn)生容性無功電流icq，補償負荷無功電流ilq，為系統(tǒng)提供無功支持。理想情況下，當icq=-ilq時，D-STATCOM將完全抵消負荷無功電流，使系統(tǒng)功率等于1。調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓在電網(wǎng)中，兩個節(jié)點之間的電壓幅差值主要是由無功功率決定的，如果系統(tǒng)中無功功率過大，會產(chǎn)生很大的電壓損耗，如果不能及時進行無功補償，在負荷處會出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象。在圖1-3中，假定無窮大系統(tǒng)提供的有功功率和無功功率分別為Ps和Qs，負荷的有功分量和無功分量為Pl和Ql，D-STATCOM補償?shù)臒o功功率為Q。則當D-STATCOM沒有投入運行時，負荷的無功功率完全由系統(tǒng)承擔。當D-STATCOM投入運行后，D-STATCOM對負荷的無功功率進行補償，以D-STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出感性無功功率為無功補償?shù)恼较?。此時系統(tǒng)的電壓損耗為：AU=e"PR21一Q)X、S V由上式可以看出，只要適當控制D-STATCOM無功輸出QC的大小，就能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓損耗，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓水平。有效消除并抑制諧波在進行無功功率補償?shù)臅r候，其交流側(cè)輸出的是幅值等于直流側(cè)電容電壓的方波序列，不是正弦波的交流電壓，不可避免的會產(chǎn)生諧波分量，D-STATCOM采用電力電子逆變技術(shù)的無功補償方法，通過電路結(jié)構(gòu)和脈沖觸發(fā)方式消除輸出電壓和輸出電流中的諧波成分，使其控制在要求范圍之內(nèi)。1.3D-STATCOM和SVC優(yōu)勢比較靜止無功功率補償器(SVC)和靜止同步補償器(D-STATCOM)技術(shù)也應運而生。、▼。是使用晶閘管來快速的調(diào)整并聯(lián)電抗器的大小及投切電容器組可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓，阻尼功率震蕩，改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加輸電線路能力，并減少能量損耗。D-STATCOM是自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)恼{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)補償無功功率目的。輸出特性:在系統(tǒng)在無功補償裝置裝設點對無功功率的需用超出其額定容量時，SVC退化為電容器或者電抗器，SVC裝置輸出的無功功率與系統(tǒng)的電壓的平方成正比，因此在電網(wǎng)電壓降低時，SVC裝置輸出的無功功率與系統(tǒng)的電壓平方下降的比例而下降；而D-STATCOM退化為恒定的電流源，D-STATCOM裝置輸出的無功功率與電網(wǎng)的電壓成比例，即輸出的無功電流與系統(tǒng)的電壓無關(guān)。在電壓下降時，D-STATCOM裝置輸出無功功率的能力比SVC強，在系統(tǒng)電壓升高時，D-STATCOM裝置吸收無功功率的能力比SVC要弱。響應時間：由于SVC裝置TCR部分采用的為不可關(guān)斷晶閘管，因此一旦晶閘管導通，必須等電流為零才能自然關(guān)斷，因此SVC控制系統(tǒng)發(fā)出指令到晶閘管響應最大的延時為10ms，加上TCR本身的過渡過程，整個svC裝置的響應時間約為50-60ms。而D-STATCOM裝置一為可控電流源，其延時主要是裝置的固有時間常數(shù)造成，因此響應時間為20?3OmS，最快的基于PWM調(diào)制的D-STATCOM裝置響應速度可以在10ms左右，雖然SVC與D-STATCOM裝置響應速度都很快，但是D-STATCOM裝置響應速度更快些。諧波方面:SVC裝置中TCR部分由于晶閘管的非全開通必然產(chǎn)生諧波，因此SVC裝置必須安裝額外的濾波器，在進行無功功率補償?shù)臅r候，其交流側(cè)輸出的是幅值等于直流側(cè)電容電壓的方波序列，不是正弦波的交流電壓，不可避免的會產(chǎn)生諧波分量。D-STATCOM采用電力電子逆變技術(shù)的無功補償方法，通過電路結(jié)構(gòu)和脈沖觸發(fā)方式消除輸出電壓和輸出電流中的諧波成分。2D-STATCOM裝置的仿真研究利用MATLAB附帶的動態(tài)通用仿真軟件包SIMULINK對其進行系統(tǒng)建模仿真。MATLAB是MathWOrks公司為科學和工程計算而專門設計的高級交互式軟件包。它集成了圖示與精確的數(shù)值計算。而SIMULINK則是MathW0rkS公司隨MATLAB一道發(fā)行的功能非常強大的動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真通用軟件包。該軟件包包含豐富的基本功能模塊庫和眾多專業(yè)領(lǐng)域的工具箱，其中電力系統(tǒng)的模塊庫為PowersystemBlockset，里面含有電源、元器件等眾多模塊庫，可以用來進行電力系統(tǒng)方面的建模仿真。2.1系統(tǒng)整體仿真D-STATCOM采用電流直接控制，是利用PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)對D-STATCOM吸收的電流進行實時跟蹤控制，控制算法采用強化學習自適應PID算法，根據(jù)此原理，建立如圖2-1所示的系統(tǒng)模型。在該D-STATCOM模型中，控制器是核心部件，它主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、電量轉(zhuǎn)換模塊。圖2-1D-STATCOM整體仿真模型2.2控制器仿真模塊⑴控制器模塊如圖2-2所示:本模塊為核心的控制器模塊，系統(tǒng)電壓和D-STATCOM輸出電壓經(jīng)過電量轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成dqo坐標系下的直軸交軸分量，與給定系統(tǒng)電壓求差值，在經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器模塊的調(diào)節(jié)得到所需補償?shù)碾娏鞯臒o功分量，其中電壓調(diào)節(jié)模塊中提出并采用強化學習自適應PID控制算法，使得所需的無功電流可以根據(jù)系統(tǒng)的變化而準確變化，直流電容兩端實測電壓與給定電壓值相比較后得出的誤差經(jīng)過電容電壓調(diào)節(jié)器后得出所需的有功電流，其中的電容電壓調(diào)節(jié)器亦采用強化學習自適應PID控制算法，所得的有功電流和無功電流經(jīng)過數(shù)學模型中的電壓與電流的關(guān)系，轉(zhuǎn)換成所需要的理想電壓信號，電壓信號經(jīng)過脈沖觸發(fā)器則產(chǎn)生一系列的脈沖進而觸發(fā)硬件電路產(chǎn)生所需電壓。數(shù)據(jù)采集模塊如圖2-3所示:在本模塊中，采集整個系統(tǒng)所控制和顯示的電壓、電流和有功功率無功功率等，包括系統(tǒng)的電壓和電流、D-STATCOM輸出的電壓和電流、系統(tǒng)的有功功率和無功功率等數(shù)據(jù)。D-STATCOM三相電流以及負荷三相電流轉(zhuǎn)換到dqo坐標系統(tǒng)，分別獲得其直軸和交軸分量。圖2-2控制器模塊圖2-3數(shù)據(jù)采集模塊電量轉(zhuǎn)換模塊如圖2-4所示，在本模塊中，系統(tǒng)電壓經(jīng)過鎖相環(huán)獲得當前sinot和cosot值，然后將經(jīng)過低通濾波后的D-STATCOM接入點處系統(tǒng)電壓、圖2-4電量轉(zhuǎn)換模塊2.3仿真波形分析如圖2-5所示，D-STATCOM未投入系統(tǒng)時，系統(tǒng)的功率因數(shù)應該是0.707，D-STATCOM投入后，系統(tǒng)功率因數(shù)的變化曲線，從圖2-5中可以看出，經(jīng)過短時間的震蕩之后，系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定在1附近。所以D-STATCOM有效地補償系統(tǒng)中的無功功率負荷。仿真過程中，在0.35時突加沖擊性無功，由圖2-6(a)可以看出，由于無功負荷的突加，引起系統(tǒng)節(jié)點電壓的暫降。D-STATCOM投運后，進行同樣的實驗，仿真圖形如圖2-6(b)所示，可見D-STATCOM補償突加的無功負荷，維持系統(tǒng)電壓，改善電壓質(zhì)量。圖2-7和2-8的兩個波形圖給出人相系統(tǒng)電流在補償前后的波形比較。從圖中可以看出，在D-STATCOM進行補償前，系統(tǒng)電流滯后系統(tǒng)電壓較為明顯，且幅值為34.2A。補償后，系統(tǒng)電流的相位與系統(tǒng)電壓的相位已趨于一致，而且電流的幅值也降到3OA，所以從圖中可以看出系統(tǒng)中的無功功率己經(jīng)得到有效的補償。間功率因姓電壓￡一b)D-STATCOM投運后系統(tǒng)節(jié)點電壓圖2-6D-STATCOM投運前后系統(tǒng)節(jié)點電壓對比圖2-5D-STATCOM投入后系統(tǒng)功率因數(shù)變化曲線a)D-STATCOM投運前系統(tǒng)節(jié)點電壓

圖2-7補償前系統(tǒng)人相電流波形40圖2-8補償后系統(tǒng)A相電流波形當D-STATCOM并入系統(tǒng)時，電容電壓開始波動，當電容電壓穩(wěn)定后，D-STATCOM即進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，圖2-9所示的即是D-STATCOM直流側(cè)電容電壓的充電過程曲線圖反映此過程。

圖2-10采用SVC和D-STATCOM的系統(tǒng)仿真模型圖2-11和2-12分別為SVC和D-STATCOM系統(tǒng)電壓補償對比圖和系統(tǒng)無功功率補償對比圖，可以明顯看出，使用SVC裝置的系統(tǒng)電壓和無功功率的動態(tài)響應都產(chǎn)生比較大的超調(diào)量，其補償效果次于D-STATCOMo1U_/—D-STATCOM—SVC _□<3&0.90.760.70.1 0*2 'D.3 0,4 0,6 06 0,7 .0.8時間圖圖2-11SVC和D-STATCOM系統(tǒng)電壓補償對比（標么值）圖2-9D-STATCOM直流側(cè)電容電壓曲線（標么值）2.4SVC和D-STATCOM仿真比較在進行系統(tǒng)仿真時，為了體現(xiàn)D-STATCOM的優(yōu)越性，使用相同的電力系統(tǒng)，分別使用SVC和D-STATCOM對系統(tǒng)進行無功補償，圖2-10為系統(tǒng)仿真模型：功率(標幺值)4O0QSOOCa）電壓幅頻特性Fundamepiai=汐E.thd=功率(標幺值)4O0QSOOCa）電壓幅頻特性Fundamepiai=汐E.thd=eD5OCIiroa?:&305Q0D25DCI3000350040DDFreqiuertoyM王｝圖2-12SVC和D-STATCOM系統(tǒng)無功功率補償對比（標么值）2.5算法比較在系統(tǒng)的仿真過程中，為了體現(xiàn)強化學習自適應PID控制算法的優(yōu)越性，分別采用傳統(tǒng)的PI控制和強化學習自適應PID控制算法對系統(tǒng)進行仿真，其仿真圖如圖2-13、2-14和2-15所示:可以看出強化學習自適應PID控制算法在系統(tǒng)的功率因數(shù)改善方面和對D-STATCOM輸出電壓和電流的濾波方面優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制算法。間時功率因數(shù)間時功率因數(shù)b）電流幅頻特性圖2-14使用傳統(tǒng)PI控制算法的電壓、電流幅頻特性Funxlannc-rrtaJ ,T+-SO=D.lf：5^曰cooid&o-EBaci2000250Dsodo3sogmaoFfeetuencYa）a）電壓幅頻特性圖2-13強化學習自適應PID控制