静态同步补偿器

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 COMPENSA TION
Abstract: The Problem of electric energy quality affects seriously the safe operation of power network，especially reactive power and harmonics. As a new var compensator，Reactive 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-Phase 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-STA TCOM in dqo reference frame was deduced by introducing switch function.The control performances of the proposed control strategies and tradition PID control strategy are simulated and analyzed with simulink，which results show that the applying of D-STA TCOM to improve power quality is better. In the research of control strategy, reinforcement learning adaptive PID control on the ability of improving 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 compensation;Power quality; MATLAB; simulation
0 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，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，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高系统的功率因数、调节系统的电压。

1 D-STATCOM补偿原理及其应用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。

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，δ为Us和e之间的相位差，
以Us滞后e为正，φ为电抗器的阻抗角，U L为等效阻抗器的两端电压。

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 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
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 sq ，i lq 如果i lq 较大，功率因数会很低，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 cq ，补偿负荷无功电流i lq ，为系统提供无功支持。

理想情况下，当i cq =-i 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P L 和Q L ，D-STATCOM 补偿的无功功率为Q C 。

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: V
V U X
Q Q R
P E
S
C
S
S
)
(1
1
-+≈
-=
∆
由上式可以看出，只要适当控制D-STATCOM 无功输出Q C 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序列，不是正弦波的交流电压，不可避免的会产生谐波分量，D-STATCOM 采用电力电子逆变技术的无功补偿方法，通过电路结构和脉冲触发方式消除输出电压和输出电流中的谐波成分，使其控制在要求范围之内。

1.3 D-STATCOM 和SVC 优势比较
静止无功功率补偿器(SVC)和静止同步补偿器(D-STATCOM)技术也应运而生。

SVC 是使用晶闸管来快速的调整并联电抗器的大小及投切电容器组可以调节系统的电压，阻尼功率震荡，改善电力系统的稳定性，增加输电线路能力，并减少能量损 耗。

D-STATCOM 是自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当的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，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态补偿无功功率目的。

输出特性:在系统在无功补偿装置装设点对无功功率的需用超出其额定容量时，SVC 退化为电容器或者电抗器，SVC 装置输出的无功功率与系统的电压的平方成正比，因此在电网电压降低时，SVC 装置输出的无功功率与系统的电压平方下降的比例而下降;而D-STATCOM 退化为恒定的电流源，D-STATCOM 装置输出的无功功率与电网的电压成比例，即输出的无功电流与系统的电压无关。

在电压下降时，D-STATCOM 装置输出无功功率的能力
比SVC 强，在系统电压升高时，D-STATCOM 装置吸收无功功率的能力比SVC 要弱。

响应时间:由于SVC 装置TCR 部分采用的为不可关断晶闸管，因此一旦晶闸管导通，必须等电流为零才能自然关断，因此SVC 控制系统发出指令到晶闸管响应最大的延时为10ms ，加上TCR 本身的过渡过程，整个svC 装置的响应时间约为50-60ms 。

而D-STATCOM 装置一为可控电流源，其延时主要是装置的固有时间常数造成，因此响应时间为20~3OmS ，最快的基于PWM 调制的D-STATCOM 装置响应速度可以在10ms 左右，虽然SVC 与D-STATCOM 装置响应速度都很快，但是D-STATCOM 装置响应速度更快些。

谐波方面:SVC 装置中TCR 部分由于晶闸管的非全开通必然产生谐波，因此SVC 装置必须安装额外的滤波器，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序列，不是正弦波的交流电压，不可避免的会产生谐波分量。

D-STATCOM 采用电力电子逆变技术的无功补偿方法，通过电路结构和脉冲触发方式消除输出电压和输出电流中的谐波成分。

2 D-STATCOM 装置的仿真研究
利用MATLAB 附带的动态通用仿真软件包SIMULINK 对其进行系统建模仿真。

MATLAB 是MathWOrks 公司为科学和工程计算而专门设计的高级交互式软件包。

它集成了图示与精确的数值计算。

而SIMULINK 则是MathW0rkS 公司随MATLAB 一道发行的功能非常强大的动态系统建模和仿真通用软件包。

该软件包包含丰富的基本功能模块库和众多专业领域的工具箱，其中电力系统的模块库为Power system Blockset ，里面含有电源、元器件等众多模块库，可以用来进行电力系统方面的建模仿真。

2.1系统整体仿真
D-STATCOM 采用电流直接控制，是利用PWM(脉宽调制)技术对D-STATCOM 吸收的电流进行实时跟踪控制，控制算法采用强化学习自适应PID 算法，根据此原理，建立如图2-1所示的系统模型。

在该D-STATCOM 模型中，控制器是核心部件，
它主要包括数据采集模块、电量转换模块。

图 2-1 D-STATCOM 整体仿真模型
2.2控制器仿真模块 (l)控制器模块
如图2-2所示:本模块为核心的控制器模块，系统电压和D-STATCOM 输出电压经过电量转换模块转换成dqo 坐标系下的直轴交轴分量，与给定系统电压求差值，在经过电压调节器模块的调节得到所需补偿的电流的无功分量，其中电压调节模块中提出并采用强化学习自适应PID 控制算法，使得所需的无功电流可以根据系统的变化而准确变化，直流电容两端实测电压与给定电压值相比较后得出的误差经过电容电压调节器后得出所需的有功电流，其中的电容电压调节器亦采用强化学习自适应PID 控制算法，所得的有功电流和无功电流经过数学模型中的电压与电流的关系，转换成所需要的理想电压信号，电压信号经过脉冲触发器则产生一系列的脉冲进而触发硬件电路产生所需电压。

(2)数据采集模块
如图2-3所示:在本模块中，采集整个系统所控制和显示的电压、电流和有功功率无功功率等，包括系统的电压和电流、D-STATCOM 输出的电压和电流、系统的有功功率和无功功率等数据。

图2-2 控制器模块
图2-3 数据采集模块
(3)电量转换模块
如图2-4所示，在本模块中，系统电压经过锁相环获得当前t ωsin 和t ωcos 值，然后将经过低通滤波后的D-STATCOM 接入点处系统电压、
D-STATCOM 三相电流以及负荷三相电流转换到dqo 坐标系统，分别获得其直轴和交轴分量。

图2-4 电量转换模块
2.3 仿真波形分析
如图2-5所示，D-STATCOM 未投入系统时，系统的功率因数应该是0.707，D-STATCOM 投入后，系统功率因数的变化曲线，从图2-5中可以看出，经过短时间的震荡之后，系统功率因数稳定在1附近。

所以D-STATCOM 有效地补偿系统中的无功功率负荷。

仿真过程中，在0.35时突加冲击性无功，由图2-6(a)可以看出，由于无功负荷的突加，引起系统节点电压的暂降。

D-STATCOM 投运后，进行同样的实验，仿真图形如图2-6(b)所示，可见D-STATCOM 补偿突加的无功负荷，维持系统电压，改善电压质量。

图2-7和2-8的两个波形图给出A 相系统电流在补偿前后的波形比较。

从图中可以看出，在D-STATCOM 进行补偿前，系统电流滞后系统电压较为明显，且幅值为34.2A 。

补偿后，系统电流的相位与系统电压的相位已趋于一致，而且电流的幅值也降到3OA ，所以从图中可以看出系统中的无功功率己经得到有效的补偿。

图2-5 D-STATCOM投入后系统功率因数变化曲线
a)D-STATCOM投运前系统节点电压
b)D-STATCOM投运后系统节点电压
图2-6 D-STATCOM投运前后系统节点电压对比
图2-7 补偿前系统A相电流波形
图2-8 补偿后系统A相电流波形
当D-STATCOM并入系统时，电容电压开始波动，当电容电压稳定后，D-STATCOM即进入稳定工作状态，图2-9所示的即是D-STATCOM直流侧电容电压的充电过程曲线图反映此过程。

图2-9 D-STATCOM直流侧电容电压曲线(标么值) 2.4 SVC和D-STATCOM仿真比较
在进行系统仿真时，为了体现D-STATCOM的优越性，使用相同的电力系统，分别使用SVC和D-STATCOM对系统进行无功补偿，图2-10为系统仿真模型
: 图2-10采用SVC和D-STATCOM的系统仿真模型
图2-11和2-12分别为SVC和D-STATCOM系统电压补偿对比图和系统无功功率补偿对比图，可以明显看出，使用SVC装置的系统电压和无功功率的动态响应都产生比较大的超调量，其补偿效果次于D-STATCOM。

图2-11 SVC和D-STATCOM系统电压补偿对比(标么值)
图2-12 SVC和D-STATCOM系统无功功率补偿对比(标么值)
2.5算法比较
在系统的仿真过程中，为了体现强化学习自适应PID控制算法的优越性，分别采用传统的PI控制和强化学习自适应PID控制算法对系统进行仿真，其仿真图如图2-13、2-14和2-15所示:可以看出强化学习自适应PID控制算法在系统的功率因数改善方面和对D-STATCOM输出电压和电流的滤波方面优于传统PI控制算法。

图2-13 强化学习自适应PID控制算法和传统PI控制算法的功率因数比较
a)电压幅频特性
b)电流幅频特性
图2-14 使用传统PI控制算法的电压、电流幅频特性
a)电压幅频特性
b)电流幅频特性
图2-15 使用强化学习自适应PID算法的电压、电流幅频特性
3 结束语
本文主要介绍D-STATCOM电路基本结构和工作原理，D-STATCOM在改善电能质量中的应用和稳定性分析.建立D-STATCOM系统整体仿真模型，包括控制器仿真模块、数据采集仿真模块和电量转换模块等，对建立的模型进行仿真研究，并进行强化学习自适应PID控制和传统Pl控制的算法仿真比较研究。

仿真结果表明，配电系统使用D-STATCOM装置，使得电能质量得到明显改善，在控制策略的选择方面，强化学习自适应PID控制在功率因数的改善方面和对电压电流的滤波方面优于传统PI控制。

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