(中铁九局集团电务工程有限公司 沈阳 110001)
摘要 本文介绍无功补偿装置在供电网络系统中的重要性，并简单介绍了无功补偿装置的发展现状。重点介绍了采用预测电流和模糊控制相结合方法的静止同步补偿器（STATCOM），并对其采用SIMULINK进行了仿真分析，对其补偿效果进行了验证。
关键词：无功补偿；预测电流和模糊控制；STATCOM；simulink
1 前言
近年来，由于我国经济的快速发展和大型清洁能源电力设施的不断建设，使得电能的传输距离和容量日益增大，输电线路上的损耗也越来越引起关注。随着精密电子设备及其他对电能质量要求较高设备的广泛应用，使得其对电能的波动敏感程度越来越高。然而，使用更加广泛使用异步电动机和变压器，尤其是大型可控硅装置和大功率冲击性负荷，使得供电系统无功因数变低，电压波动加大，造成电能质量的下降，极大的影响了电能的传输距离及质量。因此，作为电能质量的重要一环，无功功率补偿在提高供电和用电设备的安全可靠运行、提高功率因数、降低电路损耗、减少设备容量等许多方面具有显著作用，在维持现代电力系统的稳定与经济运行发挥着不可替代的作用，因此，研究无功补偿问题具有十分重要的意义[1]。
2 无功补偿装置的发展
无功补偿装置按照出现的先后顺序，经历了从电容器、同步调相机、静止无功补偿装置，到今天引人注目的静止无功发生器几个不同阶段。
2.1 并联电容器
并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，但其阻抗是固定的，不能随着负荷无功的变化而变化，即不能实现无功功率的动态补偿。
2.2 同步调相机
同步调相机是只向电力系统提供或吸收无功功率的同步电机，又称同步补偿机。但其存在安装复杂，使用不便的缺点，同时，也不能随着负荷无功的变化而变化，不能实现动态补偿。
2.3 静止同步补偿器
静止同步补偿器(STATCOM)是基于IGBT、GTO等新型全控型电力电子器件的无功发生器，具有补偿范围大，补偿速度快，补偿效果好等优点，能够实现无功的同步、完全补偿。此外，它不仅体积小、用料少，还具有响应速度快、调节性能好、能够综合补偿无功、三相不平衡和谐波的特点。使之成为柔性交流输电系统FACTS（Flexible AC Transmission System）重要组成部分[2][3]。
STATCOM主电路通常分为采用电压型和电流型两种类型。其电路基本结构分别如图2.1a)和图2.lb)所示：
2.1 b电流源型STATCOM
STATCOM的基本工作原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，通过控制开关器件的通断，来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，是该电路吸收或发出所需的无功电流，实现动态的无功补偿的目的。直流侧分别采用电容或电感这两种不同的储能原件。对电压型桥式电路，还需再串接上电抗器才能并入电网，电感器有防止过电流的作用；对电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器，起到稳定电压的作用。
3 模糊控制与预测电流相结合的控制
预测电流法在消除输出无功电流的谐波，提高输出电能质量方面有明显效果。但由于预测电流法建模需精确的数学模型，但由于在无功补偿系统中，存在诸如系统负荷、无功功率及有功功率等动态变量，动态特性很难准确的数字描述，所以在建模时存在建模复杂的困难。T-S模糊控制有建模简单、鲁棒性强和反映速度快的优点，能够弥补预测电流法建模时存在困难，构成模糊预测控制[4]。
预测模糊控制系统设计步骤如下[5]：
第一步：确定参数变量并将其模糊化
STATCOM在电网中的主要作用是电压支撑，维持STATCOM接入点的电压恒定是一个重要的控制目标，因此电压指标会被模糊隶属函数进行模糊化。
第二步：确定控制量的模糊划分
本步也可以看做变量的模糊化。取STATCOM输出的无功电流作为控制量,因此其取值范围应当在STATCOM的额定工作范围之内。控制量按照最常规的方法划分为7个,即正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(0)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB),隶属函数也采用最普通的三角形如图3.1所示，其中隶属函数的范围按找实际情况确定。
图3.1 隶属度函数
第三步:建立预测模型。 模糊预测控制的模型如图3.2所示：
图4.1 STATCOM系统的仿真图
b)容性工况时A相电压电流波形
图4.2 无功补偿前A相在感性和容性工况下的电压电流波形
图4.3 无功补偿后A相电压电流波形
图4.2a)和图4.2b)中，A相的电压和电流之间存在一定的相角差，会产生一定的无功功率。图5.4表示的是系统接入无功补偿器件STATCOM之后的波形图，在图4.3中，电压与电流之间相角差基本为零，表明电压电流同相，无功功率得到很好的补偿。仿真结果表明STATCOM具有良好的补偿效果。在理论上，使用无功补偿设备对系统无功功率补偿之后，可以实现系统无功功率的全补偿。在实际应用中应在不改变系统稳定性的情况下，利用无功补偿装置，对系统无功功率进行补偿，极大的提高输电效率及电能质量。
结束语
基于预测电流控制和模糊控制理论相结合的静止同步补偿器具有体积小、补偿效果好和动态全补偿等优点。本文中的基于预测电流控制和模糊控制理论相结合的电流检测方法，对在输电系统网络中提高输电能力和提高电能质量等方面具有良好的效果。提高输电距离、能力和提高电能质量，是一个突出且严峻的课题与难题，需要不断的探求新的方法，综合控制影响电能质量的无功、谐波和负序等问题，确保输变电网络系统的安全可靠。
参考文献
[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿CMS.第二版.北京：机械工业出版社，2005.
[2] 郭培源. 电力系统自动控制新技术. 北京： 科学出版社， 2001.
[3] Matsuno， K.， Iyoda， L， Oue， Y.， An experience of FACTS development 1980s and 1990s. IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition 2002: Asia Pacific， Vol. 2， pp.1378-1381.
[4] 席裕庚，徐晓明.预测控制的研究现状和多层智能控制.控制理论与应用,1986,6(2):1-7.
[5] 沈沉，孙元璋等.预测模糊控制及其在ASVG上的实现.电力系统自动化,1997，21(10):4-9.
论文作者:王兴明
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/18
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