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使用模糊逻辑控制器的最优无功补偿

S. George bull; K. N. Mini bull; K. Supriya

Received: 17 May 2013/Accepted: 2 May 2014/Published online: 23 July 2014

The Institution of Engineers (India) 2014

在长距离的输电线路中，无功功率在电力传输能力和保持电力系统的电压稳定中起着至关重要的作用。 通常来讲， 并联连接补偿器被用来控制长距离输电线路中的无功功率。 晶闸管控制电抗器一般在负载轻的条件下使用来控制无功功率。 通过控制晶闸管的发射角的大小, 可以控制输电线路中的无功功率。然而,晶闸管控制电抗器会让谐波电流注入系统。为了减少无功功率，采用注入谐波的方法将增加线路中电流的失真,反之亦然。因此,需要在注入无功功率和谐波电流之间的找到一个平衡点。通过控制无功功率最优注入,可以保持谐波电流在指定的范围内。在本文中,介绍了模糊逻辑控制器，无功功率补偿器的最优控制可以保持电压和谐波电流都在限定范围内。在每一个模糊控制器中通过计算可行的发射角来找到最优发射角的一种算法被提出来用以解释模糊逻辑控制器。这是一个新颖的算法,它使用一个简单的误差值的计算公式在每个模糊逻辑控制器中找到可行的发射角角度。

关键词：模糊逻辑控制器

无功补偿 晶闸管控制电抗器

Introduction

电力系统起着处理发电、电能的传输和分配的作用。一般使用高压输电线路将产生的电能传输到负载中心以减少输电线路电能的损失。输电线路的串联电感和并联电阻，吸收或生成系统中无功功率。这影响到电力系统运行的性能 [1]. 电力传输距离的增加等参数严重影响电压和电力系统的稳定性 [2].因此,改善电力系统的电压稳定和长距离输电线路需要使用无功功率补偿。无功功率的补偿量取决于传输线的长度以及系统的负载大小。只有当输电线路在自然的负载加载条件下时，串联电感等于并联电容所产生的无功功率时，在这样的条件下，平稳的电压概况和最大功率才能实现传播。 但有的时候，输电线路负载轻的并联电容所产生的无功功率将超过串联电感输电线路所吸收的无功功率。因此,发送端和接收端的电压比，有可能超过根据输电线路的长度和数量的所确定的电力传输限定。

这篇文章介绍了轻负载条件下的无功功率的补偿。 在这种情况下, 无功功率吸收补偿器能够使系统稳定。因此，补偿器需要分类，它应该是与电力系统并联连接[3]. 最简单的补偿方法是连接并联电感。但是并联电感器的主要缺点是它不会在可变负荷条件下给出令人满意的结果。这个缺点可以被可靠的高速电力电子器件所使用。

晶闸管控制反应堆(TCR)是在现代供电系统中常用的轻负载条件下的无功功率补偿。这个方案可以根据负载的变化控制不同的发射角大小从而控制无功补偿。 然而,这样的一个操作会将系统中的谐波电流引入，从而降低电源品质。产生的谐波会对电力系统中各种设备的连接性能产生不利影响 [4, 5]。因此，有必要像ieee – 519一样通过TCR按标准来限制谐波注入系统，从而在其安装点就可以控制电压。

有文献中给出了各种技术用来减少TCR谐波注入电力系统。最简单的方法是使用适当的TCR谐波滤波器或引入一些技术来减少谐波发生在内部[6]。很明显，谐波滤波器有额外的价值。研究人员[7]已经提出了一个由静态无功补偿器(SVC)和有源电力滤波器(APF)组成的综合体系。这个系统可以消除动态非线性负载所产生的谐波和补偿无功功率，但APF会增加额外的成本。

前面的研究人员也讨论了找到一个最佳的发射角计算方法来补偿无功功率，同时保持电力系统的谐波注入在限定范围之内同时保持电力系统的谐波注入在限定范围之内。[8]但谐波部分应该基于满足负荷的总体要求，以此来选择更多的补偿反应堆值。

研究人员[9]开发了基于ANN的SVC低压配电系统的方法用来减少无功功率，同时保持注入电力系统内的谐波在限定范围内。但系统的局限性是无法负载谐波滤波器。本文研究了一种基于模糊逻辑的算法来寻找最优发射角，用以控制电压和电流谐波点TCR的安装。这个算法的特点是, 提出一个简单的误差公式来建设有规律的的模糊逻辑控制器。此外，即使在非线性负载条件下，它也给出了圆满的结果。

识别的工作原理

在轻载条件下的长输电线路中产生的无功功率可以使用TCR得到补偿。 如图1

TCR电路由一个固定值反向反应堆“L”和两个晶闸管阀T1和T2构成，如图1所示。 当前通过TCR可以控制不同的发射角进而控制电力系统的无功功率注入。众所周知，电压无功控制有助于维护接收端所需的值[10]。

TCR连接的单线图点和公共连接点(PCC)的径向电力系统如图2所示。图中的“X”代表输电线路的电抗。无功功率 (Qr)和电压(Vr)在接收端的关系是:

其中，“V_s”是发送端电压，delta;是V_s和V_r 之间的角度

根据图1，很明显,通过补偿无功功率消耗的输电线路,可以控制V_r。这可以通过TCR并联实现。TCR电流基本组成，ILF计算公式如下：

图2 TCR电力系统单线图

其中, “alpha;”是晶体闸流管的发射角，“omega;”是电源电压的角频率。

从图2可知，当alpha;=0的时候，此时TCR电流值最大并且系统产生最大无功功率。这将是在空载条件下所需的无功补偿,接收端电压将回到正常值。在这种情况下,TCR电流将呈现正弦变化并且不会影响电能质量。TCR中电感的的值是根据最大TCR电流而设计的。在传输途中从有负载到无负载，无功补偿是可以通过提高发射角的大小控制的。虽然电压控制着alpha;的值，但是当alpha;从0度增加到90度的时候，TCR电流将会受损。这个很弱的品质取决于TCR电流的大小。 因此,TCR电流的最优补偿需要控制电压和THD在限制范围内。

使用模糊逻辑控制器得到最优控制

通过最优控制晶体闸流管的alpha;角,使电压和总谐波失真(THD)在当前指定的范围内成为可能。 设计一个模糊逻辑控制器方法计算最优发射角,可以同时保持接收端电压和电流谐波在限定范围内。在文献中报道,Mamdani-type模糊控制器可以提供更好性能的无功功率来控制TCR[11]。本文使用一个Mamdani类型模糊逻辑识别系统来计算最优发射角。梯形和三角形隶属度函数是使用最广泛的功能,因为它们有简单的公式和较高的计算效率[12]。本文采用三角函数,因三角函数需要更少的数据并且是最简单的函数之一。这个系统属于在发送端和接收端把电压和电流作为输入变量的模糊系统。模糊控制器的输出变量决定最佳发射角。优化模糊控制器来获得所需的性能。

模糊逻辑排名系统根据他们接收端的电压计算每个发射角的排名。在拟议的方法中,同级的发射角对应特定范围的接收端电压,误差计算函数公式如下:

其中, V_{r 实} (k) and和THD_实 (k) 是 实际接收端电压和电流分别为k个特定负载发射角和Vr和THD限定参考值。 ᵝ和ᵞ是影响接收端电压和电流大小的因素。模糊逻辑控制器可以通过ᵝ和ᵞ的值进行调整，如图 (3)。ᵝ和ᵞ的值相等取决于电压稳定和最小化的谐波电流源。这是一个输入变量的空间,即接收端电压,模糊控制器划分为六个,即:非常小(VS)、小(S),中等(M),大(L),非常大(VL)和非常非常大(VVL)。同样允许电源电流划分为五个模糊子集,即:非常小(VS)、小(S),中等(M),大(左)和非常大的(VL)，可变的输出量i，ehellip;. alpha;等六个变量对应六组可变的接收端电压。

FLC是一种基于规则的控制器,其中一组规则表示了控制最优发射角的计算。这个规则是为每个模糊子集构造的输入组合。图3中的流程图给出了用来建设规则方法的一个子集。计算所需的“alpha;”对应于电压的每个子集的平均值。计算所需的“alpha;”对应于电压的每个子集的平均值。然后图3中所需的“alpha;”和其最小的邻值误差是根据输出子集选择的最好方案,子集的使用规则将被开发。这个过程重复所有组合的模糊子集和模糊决策规则的配方如表1所示。

模糊逻辑控制器的布局方法使用上述过程图4。其中,Vr和输入变量和输出变量给出一个最优值的稳定电压和限定值。

仿真结果

3-oslash;,50赫兹,400千伏，400公里的输电线路,使用MATLAB建模和仿真实验验证了该算法。输电线路的各种参数如表2所示。以下进行上述系统的模拟，分析了该算法的有效性。

案例1 无补偿的长输电线路

案例2 使用TCR的有补偿长输电线路(无优化)

案例3 使用TCR的有补偿长输电线路(有优化)

案例1: 无补偿的长输电线路

众所周知,在负载轻的条件下,传输线上的负载会小于自然条件下的负载。同时,接收端电压将高于发送端电压。

找出自然负载,特性阻抗Z0使用分布式计算参数:

自然负荷(P0)计算使用以下公式

Z₀

其中V为kV系统之上线电压，Po使用以上方程计算为180 MW。从空载电压观察到自然负载条件下的接收端的仿真结果在表3中给出。发现周围自然负载加载条件(180兆瓦),接收端是230千伏交流电压，与发送端电压相同。发现周围自然负载加载条件(180兆瓦),接收端是230千伏交流电压，与发送端电压相同。同时,在空载条件下接收端电压增加到大约10%的自然负荷的电压,这是上面指定的限制规定的标准。这表明并联无功补偿器控制整个负载保持内部链接的电压限制。

案例 2: 使用TCR的有补偿长输电线路(无优化)

图3流程图提出了TCR补偿器和负载变化，被认为是代表了实现无110 MW负荷的模糊逻辑控制器

表1 模糊逻辑规则控制器

图4 布局的方法

表2 400千伏输电线路分布参数

line, km

R (X/km) L (mH/km) C (nF/km)