采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)TSC無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂圃O(shè)計(jì)

1 引言

在電力系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)和變壓器等設(shè)備要消耗大量的無(wú)功功率。這些無(wú)功功率如果 不能及時(shí)地得到補(bǔ)償?shù)脑?，?huì)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。提高電網(wǎng)功率因數(shù)， 確保供電質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

晶閘管投切電容器（thyristor switched capacitor，TSC）是一種并聯(lián)的晶閘管投切的電 容器，通過(guò)對(duì)晶閘管閥進(jìn)行全導(dǎo)通或全關(guān)斷控制，可階梯式改變其等效容抗。它通常由多個(gè) 并聯(lián)的電容器支路組成，每個(gè)支路都由設(shè)有觸發(fā)角控制的晶閘管閥來(lái)投切，從而達(dá)到階梯式 改變注入系統(tǒng)無(wú)功功率的目的。對(duì)TSC 的控制策略[2-3]，目前工程上廣泛采用的是九區(qū)圖控 制法[4]，該方法沒(méi)有考慮電壓與無(wú)功的相互影響，控制方法比較簡(jiǎn)單粗糙，存在控制性能不 好，投切振蕩等問(wèn)題。

2 TSC 的基本原理

單相的TSC 的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它由電容器、雙向?qū)ňчl管（或反并聯(lián)晶閘管） 和阻抗值很小的限流電抗器組成。限流電抗器的主要作用是限制晶閘管閥由于誤操作引起的 浪涌電流，而這種誤操作往往是由于誤控制導(dǎo)致電容器在不適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行投入引起的。同 時(shí)，限流電抗器與電容器通過(guò)參數(shù)搭配可以避免與交流系統(tǒng)電抗在某些特定頻率上發(fā)生諧 振。TSC 有兩個(gè)工作狀態(tài)，即投入和斷開(kāi)狀態(tài)。投入狀態(tài)下，雙向晶閘管（或反并聯(lián)晶閘 管）導(dǎo)通，電容器（組）起作用，TSC 發(fā)出容性無(wú)功功率；斷開(kāi)狀態(tài)下，雙向晶閘管（或 反并聯(lián)晶閘管）阻斷，TSC 支路不起作用，不輸出無(wú)功功率。在工程實(shí)際中，一般將電容 器分成幾組，每組都可由晶閘管投切。這樣可根據(jù)電網(wǎng)的無(wú)功需求投切這些電容器，TSC 實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的發(fā)出容性無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器。

3 九區(qū)圖控制法原理及缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償九區(qū)圖控制法如圖 2 所示：

九區(qū)圖控制原理存在的問(wèn)題主要是：控制策略是基于固定的電壓無(wú)功上下限而未考慮無(wú) 功調(diào)節(jié)對(duì)電壓的影響及其相互協(xié)調(diào)的關(guān)系；用于運(yùn)算分析的信息有分散性、隨機(jī)性的特點(diǎn)， 造成了控制策略的盲目和不確定性，實(shí)際表現(xiàn)為設(shè)備頻繁調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于第7 區(qū)的運(yùn)行 點(diǎn)①時(shí)，無(wú)功合格、電壓偏低，這時(shí)應(yīng)該是調(diào)節(jié)變壓器分接頭，使電壓升高。可是電壓和無(wú) 功是相互影響的，電壓升高，功率因數(shù)會(huì)變大，這時(shí)運(yùn)行點(diǎn)有可能進(jìn)入1 區(qū)在②點(diǎn)運(yùn)行。此 時(shí)，電壓合格、無(wú)功越下限，應(yīng)該切電容，如果這時(shí)己經(jīng)沒(méi)有電容器可切除則降低電壓，這 樣又會(huì)影響電網(wǎng)中的無(wú)功功率，有可能使運(yùn)行點(diǎn)回到①點(diǎn)。因此會(huì)造成升壓→降壓→升壓→ 降壓……,這樣的操作指令，使運(yùn)行點(diǎn)在1 區(qū)和7 區(qū)之間來(lái)回振蕩。另外，相似的情況在運(yùn) 行點(diǎn)③和④之間也存在。

4 模糊控制策略

4.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

本文采用的模糊控制器[5]的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，選擇電壓偏差△U 及無(wú)功偏差△Q 作為模 糊控制器的輸入變量，選擇無(wú)功功率的補(bǔ)償量△C 作為模糊控制器的輸出變量，從而構(gòu)成2 輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)。

4.2 輸入∕輸出變量模糊化

4.3 模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則可以用如下模糊語(yǔ)句的形式來(lái)描述：

結(jié)合實(shí)際工作人員的經(jīng)驗(yàn)，可以得到模糊控制器的控制規(guī)則表，如表1 所示。

4.4 模糊推理

確定了模糊推理系統(tǒng)的模糊輸入變量，輸入變量的隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則，就可以對(duì)模 糊推理系統(tǒng)進(jìn)行模糊推理。本文采用Mamdani 推理法。Mamdani 推理法是一種在模糊控制 中普遍使用的方法，在本質(zhì)上是一種合成推理方法。Mamdani 模糊蘊(yùn)含關(guān)系A(chǔ)→B 用A 和B 的直積表示，即有：A→B=A×B，即R(u,v)=A(u)∧B(v)。

4.5 解模糊

在得到模糊關(guān)系矩陣之后，將輸入變量的向量和關(guān)系矩陣運(yùn)算，可以得到輸出量的模糊 子集。將輸出量的向量通過(guò)非模糊的方法，可以計(jì)算出輸出量模糊論域中的一個(gè)值，建立控 制表。本文采用了重力中心法對(duì)被控量進(jìn)行解模糊。其計(jì)算方法為：

5 仿真及分析

利用MATLAB 里的模糊邏輯工具箱[6]，按上述步驟建立一個(gè)模糊推理系統(tǒng)，并使用 simulink 建立一個(gè)系統(tǒng)仿真模型。用兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)（Random Number）來(lái)模擬模糊控制器的 兩個(gè)輸入變量電壓偏差△U 及無(wú)功偏差△Q，其輸出為電容器組的投切數(shù)量。仿真波形如圖 4 所示。

分析如下：

當(dāng)t=0.4~0.5 秒左右時(shí)，電壓偏差是負(fù)小，無(wú)功偏差為零，電容器組投切量基本為0。 因?yàn)檫@種情況基本屬于電壓、無(wú)功合格區(qū)，所以電容器組不動(dòng)作。

當(dāng)t=0.7～0.8 秒左右時(shí)，電壓偏差是正大，無(wú)功偏差是正大，投電容器量是正中的，因 為無(wú)功偏差是正大的，通過(guò)投電容器可以降低電網(wǎng)無(wú)功，但考慮到電網(wǎng)電壓偏差很大，所以 投電容器量沒(méi)有選擇是最大的。

當(dāng)t=2~2.1 秒左右時(shí)，電壓偏差為零，無(wú)功偏差為正大，投電容器組的量為正大。因?yàn)?無(wú)功偏差為正大，即需要補(bǔ)償大量的感性無(wú)功，通過(guò)投電容器組，可以補(bǔ)償感性無(wú)功，提高 電網(wǎng)的功率因素。

當(dāng)t=2.8~2.9 秒左右時(shí)，電壓偏差正小，無(wú)功偏差負(fù)大，切電容器組的量為負(fù)大。因?yàn)?無(wú)功偏差是負(fù)大的，通過(guò)切電容器可使無(wú)功變大，在無(wú)功偏差與電壓偏差相比時(shí)，本控制策 略更偏重于對(duì)無(wú)功的補(bǔ)償，因?yàn)樘岣唠娋W(wǎng)中的功率因數(shù)可以使電能質(zhì)量大大提高。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)九區(qū)圖控制法的分析，指出其缺點(diǎn)，研究了電壓無(wú)功綜合控制的模糊推 理系統(tǒng)。并使用MATLAB 進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，由仿真結(jié)果可知，該模糊推理器對(duì)于電容器的綜 合控制己經(jīng)達(dá)到了要求。

本文創(chuàng)新觀點(diǎn)：采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)TSC 無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂疲c傳統(tǒng)九區(qū)圖控制 法相比，具有很大的優(yōu)越性，該控制系統(tǒng)減少了電容投切次數(shù)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。