時(shí)云洪 張 龍 王 楠

（貴州電力設(shè)計(jì)研究院,貴陽(yáng) 貴州 550002）

供電系統(tǒng)在我國(guó)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)家電網(wǎng)每年因電壓波動(dòng)和閃變?cè)斐蓭浊f的經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對(duì)電壓波動(dòng)與閃變的檢測(cè)，以及具體問題的處理需要強(qiáng)化，確保電網(wǎng)在運(yùn)行期間的可靠性與安全性[1-3]。

自從靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）誕生以來，各國(guó)的工業(yè)以及科研單位都對(duì)其表現(xiàn)出濃厚的興趣，使其得到了飛速的發(fā)展以及應(yīng)用，柔性交流輸電系統(tǒng)的核心是STATCOM，在電力系統(tǒng)中占據(jù)著重要位置[4]。在對(duì)輸電系統(tǒng)傳輸容量的提高上、在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的改進(jìn)上、在功率振蕩問題的抑制上都具有很重要的作用。然而，STATCOM是一個(gè)非線性的而且強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，而面對(duì)如此的非線性的控制對(duì)象且復(fù)雜化控制策略的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3-5]是使用PI控制，文獻(xiàn)[6]表現(xiàn)為非線性魯棒控制，把抑制功角、頻率振蕩，增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼作為控制目的。PI控制參數(shù)的控制難度較高，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化或者出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)比較敏感，并不是非線性魯棒控制，此類的方法因其復(fù)雜性也難以讓成熟設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)掌握。相對(duì)而言，在非線性控制中有一類特殊情況是滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法，非線性的一個(gè)重要表現(xiàn)——不連續(xù)性的控制輸入在其中得以體現(xiàn)，針對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)不同，在動(dòng)態(tài)控制期間，控制輸入量需有目的的控制輸入，這樣就可以在既定軌跡下，滑動(dòng)模態(tài)進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)。這種方法相比于非線性控制方法，具有良好的控制規(guī)律，魯棒性對(duì)于模型參數(shù)的變化和外部擾動(dòng)來說較強(qiáng)，因此，STATCOM的無功補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)策略，是建立在滑模變結(jié)構(gòu)控制的方法基礎(chǔ)上的。

滑?？刂齐m然具有良好的控制性能，但是也會(huì)存在較多問題，比如固有的抖振問題，對(duì)于控制期間的穩(wěn)定與精準(zhǔn)度有很大影響，從而實(shí)際應(yīng)用中的性能有所降低。目前，學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)是在除滑模變結(jié)構(gòu)的抖振消除期間，如何利用好先進(jìn)技術(shù)是關(guān)鍵所在，這個(gè)問題也是STATCOM系統(tǒng)高性能控制的研究重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)滑?？刂婆c神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的有效結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自學(xué)習(xí)能力，讓其在靠近任意非線性函數(shù)期間更加精確，確保應(yīng)用效果。本文將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與等效滑?？刂葡嘟Y(jié)合，以實(shí)現(xiàn)STATCOM系統(tǒng)高性能控制。為消除變結(jié)構(gòu)控制存在的高頻抖動(dòng)，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑模等效控制方法，利用計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證其有效性及正確性。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

雙閉環(huán)電流控制方法在STATCOM控制中的應(yīng)用比較廣泛，內(nèi)外環(huán)控制結(jié)構(gòu)是所選擇的方法。外環(huán)指直流電壓環(huán)，反饋PI控制是較常使用的方法，在對(duì)外環(huán)電壓指令的自適應(yīng)控制的實(shí)現(xiàn)過程中，文章所選擇的方法為滑?？刂啤?nèi)環(huán)指的是無功電流環(huán)和有功電流環(huán)，有功電流控制的參考輸入為直流電壓外環(huán)。內(nèi)環(huán)控制是文章所選擇的方式，輸入為有功電流和無功電流，具體的控制框圖如圖1所示。

圖1 STATCOM直接電流雙環(huán)控制原理

2 電壓環(huán)滑?？刂破?/h2>

根據(jù)STATCOM的數(shù)學(xué)模型可以改寫成空間狀態(tài)方程：

在公式2中，D、δ、id、iq、Ude、Us、ω、R、R分別為逆變器的輸出一側(cè)線的電壓的有效值和直流一側(cè)的電壓的比值、電壓和電網(wǎng)電壓的相位差、dqo坐標(biāo)系下STATCOM所吸收的有功電流、STATCOM直流一側(cè)的電壓、STATCOM直流一側(cè)的電壓、電網(wǎng)線的電壓的有效值、電網(wǎng)電壓的基波角頻率、STATCOM有功損耗下的等效的電阻、STATCOM串聯(lián)電抗器的感抗值。

由于本文將電流環(huán)作為控制的重點(diǎn)，所以在電壓環(huán)只采用傳統(tǒng)滑?？刂频脑O(shè)計(jì)方案。取電壓跟蹤誤差為狀態(tài)變量：

3 電流環(huán)滑?？刂破?/h2>

4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBF)的提出時(shí)間為于20世紀(jì)80年代末，J.Moody 和C.Daken 對(duì)這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)具有單隱層的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以在任意精度下逼近任一連續(xù)函數(shù)。在對(duì)UI滑模抖振的問題進(jìn)行有效改善與消除期間，需要對(duì)滑模控制與RBF進(jìn)行合理結(jié)合。文章在分析時(shí)，對(duì)切換增益進(jìn)行估計(jì)時(shí)需使用RBF，干擾項(xiàng)的消除可以同切換增益完成，這樣就能對(duì)抖振進(jìn)行消除，確保負(fù)載干擾和參數(shù)變化的魯棒性良好。

5 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

燈塔-堅(jiān)基線系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變的抑制在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性問題進(jìn)行分析期間，為構(gòu)建起燈塔-堅(jiān)基線系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變抑制模型，需要在STATCOM基礎(chǔ)上合理使用MATLAB軟件，然后對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂婆c傳統(tǒng)PID控制在電網(wǎng)電能質(zhì)量控制方面的性能進(jìn)行躲避。具體如圖2所示。

該模型是根據(jù)實(shí)際的工程線路原型進(jìn)行設(shè)計(jì)與建模的。模型主要由220 kV電源、220 kV/110 kV變壓器、35 km線路、STATCOM本體以及STATCOM控制器等模塊組成。STATCOM是由GTO構(gòu)造而成，容量為3 Mvar，這樣就可以對(duì)10千伏配電系統(tǒng)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。配電系統(tǒng)的負(fù)載容量一個(gè)是3 MVA，另一個(gè)是1 MVA。電源母線電壓恒定，標(biāo)幺值、低壓母線電壓分別為1.08、10 kV；STATCOM裝置參數(shù)(標(biāo)幺值)R、L、C、Vs、ω的值分別為0.1、0.15、0.8、1.0、314。

在上述分析下，可以得知在維持直流側(cè)電壓有名值的恒定時(shí)，通過穩(wěn)定運(yùn)行下的時(shí)STATCOM來進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)電源產(chǎn)生電壓之后，高于或者低于系統(tǒng)電壓、STATCOM生成(或吸收)無功功率。電源電壓大小、變壓器漏電抗會(huì)對(duì)無功功率的數(shù)量產(chǎn)生影響。系統(tǒng)性能仿真的開展是建立在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑模自適應(yīng)控制基礎(chǔ)之上的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的有效控制。

圖2 基于STATCOM無功補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路

在220 kV母線電壓突變與閃變視域下，通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)STATCOM控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能問題進(jìn)行分析。系統(tǒng)仿真時(shí)間為1 s，電網(wǎng)電壓會(huì)在0.3 s時(shí)發(fā)生變化，會(huì)從1 pu升高到1.05 pu，然后在持續(xù)0.1 s之后，在0.4 s時(shí)，系統(tǒng)電壓又下降到0.95 pu，繼而在0.5 s時(shí)突增到1.08 pu；在0.6 s時(shí)，系統(tǒng)電壓會(huì)上升到1 pu。通過整個(gè)過程的反應(yīng)來看，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)情況可以在整個(gè)仿真過程顯示。通過這樣的方式，對(duì)STATCOM系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行檢驗(yàn)?？刂破鲄?shù)：滑?？刂齐妷涵h(huán)c1、ε、k的值分別為0.5、0.1、2；電流環(huán)c1、η的值分別為0.75、0.8；1-12-1結(jié)構(gòu)為RBF網(wǎng)絡(luò)采用的結(jié)構(gòu)，基函數(shù)參數(shù)c、σ的值分別為1.3、2.5。動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖3、圖4所示。

圖3 STATCOM交流側(cè)單相電壓/電流波形

圖4 STATCOM直流側(cè)電壓調(diào)制波形

從上面的圖形中可以觀察出，STATCOM在電網(wǎng)電源電壓突變時(shí)，反應(yīng)速度較快，對(duì)STATCOM功率的輸出情況調(diào)整是通過交流側(cè)電流的控制實(shí)現(xiàn)的，這樣就可以在控制期間，對(duì)功率變化情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定運(yùn)行。分析圖5、圖6，能發(fā)現(xiàn)在STATCOM靜止無功補(bǔ)償調(diào)的基礎(chǔ)上，電源輸出電壓的波動(dòng)比較頻繁，但是電網(wǎng)無功能夠迅速補(bǔ)償?shù)絽⒖贾噶钏?，為?fù)載提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電能。

圖5 電網(wǎng)無功控制性能

圖6 STATCOM有功與無功補(bǔ)償

圖7 負(fù)載消耗的有功與無功

為了深入研究電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，圖7給出了負(fù)載消耗的有功與無功功率。負(fù)載消耗的有功與無功功率在電網(wǎng)電源電壓突變情況下，也會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)反應(yīng)速度比較快，STATCOM直流側(cè)可以通過對(duì)放電與吸收電的作用來對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對(duì)電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定情況進(jìn)行抑制，純電阻態(tài)和純電感態(tài)之間在STATCOM直流側(cè)的不斷循環(huán)下，可以滿足負(fù)載有功與無功功率穩(wěn)定性的目的。

傳統(tǒng)的PID控制方法，相比于本文的方法，也就是滑?？刂品椒ㄏ鄬?duì)落后一些，在對(duì)PID控制仿真測(cè)試期間，是建立在同等實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置基礎(chǔ)上的?？刂破鲄?shù)電壓環(huán)、電壓環(huán)的值分別為35、1 000；電流環(huán)、的值分別為5、20。具體圖8～10所示。

圖8 STATCOM交流側(cè)單相電壓/電流波形

圖9 STATCOM有功與無功補(bǔ)償

圖10 負(fù)載消耗的有功與無功

在本文的對(duì)比分析下，可以看出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂品椒▋?yōu)勢(shì)明顯，整體性能要好于傳統(tǒng)的PID控制法。所以，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂圃趯?shí)際應(yīng)用中具有良好的控制效果。

通過本文的研究可以得出：相比于傳統(tǒng)的PID控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破骺梢詫?duì)系統(tǒng)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力、適應(yīng)能力，控制效果更好。電網(wǎng)電壓波動(dòng)的補(bǔ)償，可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破飨嘛@現(xiàn)出來，確保STATCOM系統(tǒng)的控制效果良好。

6 小結(jié)

非線性控制是STATCOM無功補(bǔ)償系統(tǒng)的一個(gè)主要表現(xiàn)，且相比于傳統(tǒng)的控制器效果更好。為確保系統(tǒng)控制性能，需要通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破鞯臉?gòu)建與應(yīng)用達(dá)到效果。本文的創(chuàng)新點(diǎn)為電壓與電流環(huán)控制期間，可以合理應(yīng)用滑?？刂破鳌Ｔ趯?duì)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)期間，是通過MATLAB仿真平臺(tái)完成的，并在研究后可以得出，STATCOM無功補(bǔ)償系統(tǒng)可以得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑模控制器的有效控制，為確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提供優(yōu)質(zhì)電能，需要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。