CN107658890A - 变电站混合无功补偿系统的statcom参考电压确定及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定及控制方法，其中，STATCOM参考电压确定方法是基于一种时间窗口获取的STATCOM第一平均无功功率占比率并判断大于或等于第一比例是否成立，如果成立则通过模糊控制器计算当前控制周期到下一控制周期的变化量并累加计算下一控制周期的STATCOM交流参考电压；控制方法基于另一时间窗口获取的STATCOM第二平均无功功率占比率来控制并联电容器FC、电抗器FL的投切操作。本发明能够实时地调节变电站高压侧参考电压的大小，以达到控制STATCOM的无功输出，调节系统的动态无功备用容量，降低FC、FL的投切次数，延长其使用寿命的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术，具体涉及一种变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定及协调控制方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的快速发展，具有动态无功补偿功能的静止同步补偿器(STATCOM)已越来越广泛地应用于枢纽变电站的无功补偿系统中。相对而言，STATCOM的容量配置得越大，对系统的动态电压支撑能力也就越强，但其造价也将大大提高。因此，目前国内投运STATCOM的变电站均采用STATCOM与并联电容器(FC)、电抗器相混合的方式来对系统进行无功补偿。为提高变电站无功补偿系统的技术性能和经济效益，目前国内投运STATCOM的变电站均采用STATCOM与FC混合的方式来对系统进行无功补偿，并相应提出了多种STATCOM与FC相互协调的优化控制策略，其中：
1、上海220kV西郊变电站STATCOM+FC混合无功补偿系统采用了一种主辅协调控制策略，即以STATCOM为主，FC为辅的控制策略。首先由STATCOM补偿系统所需的全部无功，然后再根据FC的投切时间间隔及投切次数的情况，控制各个FC的投切方式。该控制方法的不足之处在于：需要配置较大容量的STATCOM，这将大大提高其建设成本。
2、东莞500kV水乡变电站STATCOM+FC混合无功补偿系统所采用的协调控制策略是：首先限制STATCOM用于稳态调压的无功容量，其限定值一般约为一组FC的容量，这样可保证系统拥有足够的动态无功备用容量，然后再根据FC的投切情况，适当上调其限定值至两组FC的容量，甚至更高，从而保证电网电压运行在其允许范围内。但该控制方法仍需要配置较大容量的STATCOM，不利于系统的经济性。
3、绍兴220kV桑港变电站STATCOM+FC混合无功补偿系统采用的是同目标独立控制策略，变电站的无功电压调节由VQC(电能质量控制)系统完成，实现FC机械投切的自动控制。STATCOM接人后，与VQC同目标独立控制协调运行，不纳入VQC控制范围。由于STATCOM的响应速度要比VQC快得多，所以只有在STATCOM对系统进行全功率无功补偿后，VQC才可能控制FC投入系统运行。其结果为：第一，不能充分发挥FC的静态无功补偿特性；第二，可能会造成系统动态无功备用容量的严重不足，从而影响到对电网电压波动和闪变的抑制效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定及控制方法，能够实时地调节变电站高压侧参考电压的大小，以达到控制STATCOM的无功输出，调节系统的动态无功备用容量，降低FC、FL的投切次数，延长其使用寿命的目的。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法，实施步骤包括：
1)将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以时间间隔△t划分，针对每一个当前的控制周期内，通过当前时段△t以前指定时长为n△t的时间窗口获取该时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s；
2)判断第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s大于或等于预设的第一比例是否成立，如果成立则跳转执行步骤3)；否则，跳转执行步骤4)；
3)将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s输入模糊控制器获取STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)，根据式(1)计算下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*；跳转执行步骤1)；
式(1)中，为下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*，为当前控制周期的STATCOM交流参考电压U*’，ΔU(j)为STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)；
4)将下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*与上一控制周期保持不变；跳转执行步骤1)。
优选地，步骤3)中的模糊控制器为单输入-单输出结构形式的模糊控制器，如果指定长度的时间段内STATCOM输出无功功率、呈容性，则模糊控制器降低STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)，如果指定长度的时间段内STATCOM吸收无功功率、呈感性，则模糊控制器提高STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)。
优选地，步骤3)中将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s输入模糊控制器获取STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)的详细步骤包括：
3.1)以“+”号表示STATCOM为输出无功功率、呈容性，以“-”号表示STATCOM为吸收无功功率呈感性，将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s作为模糊控制器的输入，基本论域为[-100％，100％]，模糊论域为{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，对应的输入模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，输入模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM在下一控制周期前第一指定长度的时间段内的平均无功功率占比率为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}，且模糊控制器的输入隶属度函数采用三角隶属函数、或高斯隶属函数、或梯形隶属函数；
3.2)模糊控制器中设定STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)的基本论域为指定的电压区间范围，模糊论域为{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，对应的输出模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，输出模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}；且模糊控制器的输出隶属度函数采用三角隶属函数、或高斯隶属函数或梯形隶属函数，去模糊化方法采用最大隶属度法、或重心法、或加权平均法。
优选地，步骤3.2)中预设的模糊控制规则表中，输入模糊子集的NB对应输出模糊子集的PB，输入模糊子集的NM对应输出模糊子集的PM，输入模糊子集的NS对应输出模糊子集的PS，输入模糊子集的ZO对应输出模糊子集的ZO，输入模糊子集的PS对应输出模糊子集的NS，输入模糊子集的PM对应输出模糊子集的NM，输入模糊子集的PB对应输出模糊子集的NB，其中输入模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM在下一控制周期前第一指定长度的时间段内的平均无功功率占比率为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}，输出模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}。
优选地，步骤1)中的时间间隔△t为1秒、时间窗口的指定时长n△t为60秒、控制周期为1秒，获取时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s具体是指获取60s内的STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-60s。
优选地，所述获取60s内的STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-60s的函数式如式(2)所示；
式(2)中，RSTATCOM-60s为60s内的STATCOM输出的平均无功功率占比率，QN为STATCOM的额定功率值，将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以1秒为时间间隔进行划分，Qi表示60s内的第i秒的STATCOM输出的无功功率QSTATCOM。
进一步地，本发明还提供一种变电站混合无功补偿系统的STATCOM控制方法，实施步骤包括：
S1)获取STATCOM的三相电容电压平均值Uc-mean，将三相电容电压平均值Uc-mean和电容电压参考值Uc *做差、将差值经过PI控制器得到d轴有功电流指令值id *；采用权利要求1～6中任意一项所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法确定STATCOM交流参考电压U*，将变电站高压侧线电压U和STATCOM交流参考电压U*做差、将差值经过PI控制器得到q轴有功电流指令值iq *；
S2)获取STATCOM交流侧并网点的电网电压uabc和电网电流iabc，将电网电压uabc经过d-q坐标变换得到电网电压的d轴分量ud和q轴分量uq，将电网电流iabc经过d-q坐标变换得到电网电流的d轴分量id和q轴分量iq，根据电网电压的d轴分量ud和q轴分量uq、电网电流的d轴分量id和q轴分量iq计算STATCOM交流侧三相调制电压的d轴分量vd和q轴分量vq；
S3)将STATCOM交流侧三相调制电压的d轴分量vd和q轴分量vq进行abc坐标变换后通过PWM调制模块生成用于控制STATCOM的脉冲信号并输出至STATCOM的控制端；同时，将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以时间间隔△t划分，针对每一个当前的控制周期内，通过当前时段△t以前指定时长为m△t的时间窗口获取该时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s，根据第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s控制变电站混合无功补偿系统中电容器组和电抗器组的投入和切除。
优选地，步骤S2)中计算STATCOM交流侧三相调制电压的d轴分量vd和q轴分量vq的函数式如式(3)所示；
式(3)中，vd为STATCOM交流侧三相电压的d轴分量，vq为STATCOM交流侧三相电压的q轴分量，Kp为PI控制器的比例参数，Ki为PI控制器的积分参数，1/s为PI控制器的积分环节的传递函数，id *为d轴有功电流指令值，iq *为q轴有功电流指令值，id为电网电流的d轴分量，iq为电网电流的q轴分量，ud为电网电压的d轴分量，uq为电网电压的q轴分量，ω为电网电压角频率，L为滤波电感。
优选地，步骤S3)中根据第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s控制变电站混合无功补偿系统中电容器组和电抗器组的投入和切除的详细步骤包括：
S3.1)根据变电站主变受控侧线电压有效值的正常运行范围确定STATCOM控制系统中的变电站主变受控侧线电压参考有效值变化范围的上限值、下限值以及中心值U0；主变受控侧线电压为主变高压侧线电压、或中压侧线电压、或低压侧线电压；
S3.2)判断第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s大于或等于预设的第二比例、当前控制周期的STATCOM交流参考电压低于变电站受控侧线电压参考有效值变化范围的下限值是否同时成立，如果同时成立则投入一组电容器组；且当变电站受控侧线电压上升至(U0+△UC)kV时切除一组电容器，其中U0为变电站受控侧线电压参考有效值变化范围的中心值，△UC为一组电容器投入时对受控侧线电压调节量，△UC≈UN×(QC/Sd)，其中UN为变电站受控侧母线的额定电压，Sd为短路容量，QC为电容器组的无功容量；同时，判断第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s大于或等于预设的第二比例、当前控制周期的STATCOM交流参考电压高于变电站高压侧线电压参考有效值变化范围的上限值是否同时成立，如果同时成立则投入一组电抗器组；且当变电站受控侧线电压降低至(U0-△UL)kV时切除一组电抗器，其中U0为变电站受控侧线电压参考有效值变化范围的中心值，△UL为一组电抗器投入时对受控侧线电压调节量，△UL≈UN×(QL/Sd)，其中UN为变电站受控侧母线的额定电压，Sd为短路容量，QL为电抗器组的无功容量。
优选地，步骤S3)中时间窗口的指定时长m△t为600秒，获取该时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s具体是指获取10min内的STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-10m。
本发明变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法具有下述优点：本发明的参考电压确定方法通过获取第一指定长度的时间段内的STATCOM输出的第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s；判断第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s大于或等于预设的第一比例是否成立，如果成立则将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s输入模糊控制器获取STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)，根据式(1)计算下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*；否则，将下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*与上一控制周期保持不变，具有下述优点：
1、能够有效地调节电网电压，使其运行在允许的范围内；
2、对电网电压的波动和瞬变可起到一定的平滑和抑制作用；
3、在调节电网电压的同时，仍能兼顾动态无功备用容量的调节；
4、在满足技术性能的同时，能有效降低并联电容器、电抗器的投切次数，从而相应提高系统的经济效益。
本发明变电站混合无功补偿系统的控制方法具有下述优点：本发明变电站混合无功补偿系统的控制方法包含通过本发明变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法来确定下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*，因此同样也具有本发明变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法的前述优点，能够实时地调节变电站高压侧参考电压的大小，以达到控制STATCOM的无功输出，调节系统的动态无功备用容量，降低FC、FL的投切次数，延长其使用寿命的目的。
附图说明
图1为现有变电站混合无功补偿系统的结构示意图。
图2为本实施例中变电站混合无功补偿系统的控制方法的流程示意图。
图3为本实施例中变电站混合无功补偿系统的控制方法的详细流程示意图。
图4为本实施例中的输入隶属度函数。
图5为本实施例中的输出隶属度函数。
图6为本实施例中仿真未投入无功补偿装置时的变电站高压侧电压有效值。
图7为本实施例中仿真仅投入静态无源补偿装置(FC+FL)时的变电站高压侧电压有效值。
图8为本实施例中仿真仅投入静态无源补偿装置(FC+FL)时的静态无源补偿装置输出无功功率。
图9为本实施例中仿真投入混合无功补偿装置(STATCOM+FC+FL)时的变电站高压侧电压有效值。
图10为本实施例中仿真投入混合无功补偿装置(STATCOM+FC+FL)时的STATCOM装置输出无功功率。
图11为本实施例中仿真投入混合无功补偿装置(STATCOM+FC+FL)时的静态无源补偿装置输出无功功率。
具体实施方式
图1现有技术的为变电站混合无功补偿系统的典型220kV变电站一次结构简图。它包括一台220kV/110kV/10kV的三绕组变压器、220kV电压等级和110kV电压等级的若干条出线、以及10kV的STATCOM、电容器组(FC)、电抗器组(FL)和相关出线。其中，低压侧的STATCOM与电容器组、电抗器组构成的变电站混合无功补偿系统主要用于保持高压侧(220kV)母线电压运行在调控中心允许的范围内。本实施例中，变电站混合无功补偿系统的STATCOM为10kV电压等级的星形直挂式STATCOM，10kV电压等级的星形直挂式STATCOM一般采用三相H桥级联的方式经滤波电感连接到电网。
本实施例中，STATCOM的三相H桥级联DC-AC变换器采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。如图2所示，本实施例变电站混合无功补偿系统的STATCOM控制方法的实施步骤包括：
S1)获取STATCOM的三相电容电压平均值Uc-mean，将三相电容电压平均值Uc-mean和电容电压参考值Uc *做差、将差值经过PI控制器得到d轴有功电流指令值id *；采用权利要求1～6中任意一项所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法确定STATCOM交流参考电压U*(有效值)，将变电站高压侧线电压U(有效值)和STATCOM交流参考电压U*做差、将差值经过PI控制器得到q轴有功电流指令值iq *；
S2)获取STATCOM交流侧并网点的电网电压uabc和电网电流iabc，将电网电压uabc经过d-q坐标变换得到电网电压的d轴分量ud和q轴分量uq，将电网电流iabc经过d-q坐标变换得到电网电流的d轴分量id和q轴分量iq，根据电网电压的d轴分量ud和q轴分量uq、电网电流的d轴分量id和q轴分量iq计算STATCOM交流侧三相调制电压的d轴分量vd和q轴分量vq；
S3)将STATCOM交流侧三相调制电压的d轴分量vd和q轴分量vq进行abc坐标变换后通过PWM调制模块生成用于控制STATCOM的脉冲信号并输出至STATCOM的控制端；同时，将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以时间间隔△t划分，针对每一个当前的控制周期内，通过当前时段△t以前指定时长为m△t的时间窗口获取该时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s，根据第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s控制变电站混合无功补偿系统中电容器组和电抗器组的投入和切除。
本实施例中，步骤S2)中计算STATCOM交流侧三相调制电压的d轴分量vd和q轴分量vq的函数式如式(3)所示；
式(3)中，vd为STATCOM交流侧三相电压的d轴分量，vq为STATCOM交流侧三相电压的q轴分量，Kp为PI控制器的比例参数，Ki为PI控制器的积分参数，1/s为PI控制器的积分环节的传递函数，id *为d轴有功电流指令值，iq *为q轴有功电流指令值，id为电网电流的d轴分量，iq为电网电流的q轴分量，ud为电网电压的d轴分量，uq为电网电压的q轴分量，ω为电网电压角频率，L为滤波电感。本实施例中，STATCOM的三相H桥级联DC-AC变换器采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略，电流内环采用前馈解耦的控制方法，可实现STATCOM有功功率和无功功率的独立控制，其控制方程如式(3)所示。
本实施例中，S1)获取STATCOM的三相电容电压平均值Uc-mean的函数表达式如式(4)所示；
式(4)中，Uc-mean为STATCOM的三相电容电压平均值，N为三相H桥的级联个数，uCi为第i个H桥直流侧电容电压(i＝1,2…，N)。本实施例S3)将STATCOM交流侧三相电压的d轴分量vd和q轴分量vq进行坐标变换时，为保证各相电容电压的稳定运行，采用了移相角的增量补偿方法通过移相角增量值△δi(i＝1,2…，N)来补偿移相角θ，其中移相角增量值△δi(i＝1,2…，N)由三相电容电压平均值Uc-mean与STATCOM的第i个H桥电容电压做差，再经过PI控制器得到。
本实施例中，步骤S3)中根据第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s控制变电站混合无功补偿系统中电容器组和电抗器组的投入和切除的详细步骤包括：
S3.1)根据变电站主变受控侧线电压有效值的正常运行范围确定STATCOM控制系统中的变电站主变受控侧线电压参考有效值变化范围的上限值、下限值以及中心值U0；主变受控侧线电压为主变高压侧线电压、或中压侧线电压、或低压侧线电压；本实施例中，变电站220kV高压侧线电压有效值的正常运行范围设定为(223kV，233kV)，STATCOM控制系统中的变电站主变受控侧线电压参考有效值变化范围设定为(224kV，232kV)，中心值U0为228kV；
S3.2)判断第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s大于或等于预设的第二比例、当前控制周期的STATCOM交流参考电压低于变电站受控侧线电压参考有效值变化范围的下限值是否同时成立，如果同时成立则投入一组电容器组；且当变电站受控侧线电压上升至(U0+△UC)kV时切除一组电容器，其中U0为变电站受控侧线电压参考有效值变化范围的中心值，△UC为一组电容器投入时对受控侧线电压调节量，△UC≈UN×(QC/Sd)，其中UN为变电站受控侧母线的额定电压，Sd为短路容量，QC为电容器组的无功容量；同时，判断第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s大于或等于预设的第二比例、当前控制周期的STATCOM交流参考电压高于变电站高压侧线电压参考有效值变化范围的上限值是否同时成立，如果同时成立则投入一组电抗器组；且当变电站受控侧线电压降低至(U0-△UL)kV时切除一组电抗器，其中U0为变电站受控侧线电压参考有效值变化范围的中心值，△UL为一组电抗器投入时对受控侧线电压调节量，△UL≈UN×(QL/Sd)，其中UN为变电站受控侧母线的额定电压，Sd为短路容量，QL为电抗器组的无功容量。
具体而言，本实施例中当STATCOM在j时刻的前10min内输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-10m≥90％，且变电站高压侧线电压在第(j-1)s时的参考值U*(j-1)已低于设定的下限值224kV时，则投入一组电容器。并以此类推，投入剩余电容器组。设变电站220kV侧母线的额定电压为UN，短路容量为Sd，电容器组的无功容量为QC，则一组电容器投入时对220kV侧线电压调节量△UC≈UN×(QC/Sd)，当变电站220kV高压侧线电压上升至(228+△UC)kV时，切除一组电容器。并以此类推，切除剩余投运的电容器组。当STATCOM在j时刻的前10min内吸收的平均无功功率占比率RSTATCOM-10m≥90％，且变电站高压侧线电压在第(j-1)s时的参考值U*(j-1)已高于设定的上限值232kV时，则投入一组电抗器。并以此类推，投入剩余电抗器组。电抗器组的无功容量为QL，则一组电抗器投入时对220kV侧线电压调节量约为△UL≈UN×(QL/Sd)，当变电站220kV高压侧线电压降低至(228-△UL)kV时，切除一组电抗器。并以此类推，切除剩余投运的电抗器组。
本实施例中，步骤S3)中时间窗口的指定时长m△t为600秒，获取该时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s具体是指获取10min内的STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-10m作为第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s。
本实施例中，STATCOM交流参考电压U*是随时间动态可变的，它由STATCOM在1min/时段的平均无功功率占比率RSTATCOM-60s经电压控制器得到，电压控制器用于确定变电站混合无功补偿系统的参考电压，如图3所示，变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法的实施步骤包括：
1)将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以时间间隔△t划分，针对每一个当前的控制周期内，通过当前时段△t以前指定时长为n△t的时间窗口获取该时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s；
2)判断第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s大于或等于预设的第一比例是否成立，如果成立则跳转执行步骤3)；否则，跳转执行步骤4)；
3)将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s输入模糊控制器获取STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)，根据式(1)计算下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*；跳转执行步骤1)；
式(1)中，为下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*，为当前控制周期的STATCOM交流参考电压U*，，ΔU(j)为STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)；
4)将下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*与上一控制周期保持不变；跳转执行步骤1)。
本实施例中，步骤3)中的模糊控制器为单输入-单输出结构形式的模糊控制器，如果指定长度的时间段内STATCOM输出无功功率、呈容性，则模糊控制器降低STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)，如果指定长度的时间段内STATCOM吸收无功功率、呈感性，则模糊控制器提高STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)。当STATCOM在j时刻的前1min内输出较大的平均无功功率(呈容性)时，这说明变电站高压侧在不投STATCOM时的线电压相对偏低，而设定的高压侧线电压参考值相对偏高，从而需要STATCOM输出较大的无功功率来响应设定的线电压参考值，这势必减少了变电站的动态无功备用容量，为此，在保证变电站高压侧电压不越下限，且电压变化率相对平缓的前提下，降低变电站高压侧在第j s之后1s的线电压参考值，从而可有效降低STATCOM的输出无功功率，相应增加系统的动态无功备用容量。反之亦然，当STATCOM在j时刻的前1min内吸收较大的平均无功功率(呈感性)时，则相应提高变电站高压侧在第j s之后1s的线电压参考值，从而可降低STATCOM的无功输出，增加系统的动态无功备用容量。根据模糊控制器的上述特性，本文采用单输入-单输出的结构形式。
本实施例中，步骤3)中将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s输入模糊控制器获取STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)的详细步骤包括：
3.1)以“+”号表示STATCOM为输出无功功率、呈容性，以“-”号表示STATCOM为吸收无功功率呈感性，将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s作为模糊控制器的输入，基本论域为[-100％，100％]，模糊论域为{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，对应的输入模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，输入模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM在下一控制周期前第一指定长度的时间段内的平均无功功率占比率为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}，且模糊控制器的输入隶属度函数采用三角隶属函数、或高斯隶属函数、或梯形隶属函数；本实施例中，模糊控制器的输入隶属度函数均采用三角隶属函数，如图4所示；
3.2)模糊控制器中设定STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)的基本论域为指定的电压区间范围，模糊论域为{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，对应的输出模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，输出模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}；且模糊控制器的输出隶属度函数采用三角隶属函数、或高斯隶属函数或梯形隶属函数，去模糊化方法采用最大隶属度法、或重心法、或加权平均法。本实施例中，模糊控制器的输出隶属度函数均采用三角隶属函数，如图5所示；此外，去模糊化方法采用采用重心法。
如表1所示，步骤3.2)中预设的模糊控制规则表中，输入模糊子集的NB对应输出模糊子集的PB，输入模糊子集的NM对应输出模糊子集的PM，输入模糊子集的NS对应输出模糊子集的PS，输入模糊子集的ZO对应输出模糊子集的ZO，输入模糊子集的PS对应输出模糊子集的NS，输入模糊子集的PM对应输出模糊子集的NM，输入模糊子集的PB对应输出模糊子集的NB，其中输入模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM在下一控制周期前第一指定长度的时间段内的平均无功功率占比率为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}，输出模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}。
表1：模糊控制规则表。
本实施例中，步骤1)中的时间间隔△t为1秒、时间窗口的指定时长n△t为60秒、控制周期为1秒，获取时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s具体是指获取60s内的STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-60s。
本实施例中，获取60s内的STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-60s的函数式如式(2)所示；
式(2)中，RSTATCOM-60s为60s内的STATCOM输出的平均无功功率占比率，QN为STATCOM的额定功率值，将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以1秒为时间间隔进行划分，Qi表示60s内的第i秒的STATCOM输出的无功功率QSTATCOM。参见图3，本实施例中将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以1秒为时间间隔进行划分，并分别计算其平均值Q(j-60)，Q(j-59)…，Q(j-1)(j＝0,1,2…)；计算1分钟(1min)时段内STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-60s如式(2)所示。本实施例中，第一比例取值为30％，当RSTATCOM-60s≥30％时，则以RSTATCOM-60s作为模糊控制器的输入，并相应输出STATCOM交流参考电压在第j s之后1s内的变化量△U(j)；从而可确定变电站高压侧线电压在第j s之后1s内的参考值U* (j)如式(1)所示；当RSTATCOM-60s＜30％时，则RSTATCOM-60s输出值为0，这表示STATCOM在1min的平均无功功率少于其额定功率的30％时，STATCOM交流参考电压将保持不变。模糊控制器的作用是根据STATCOM在j时刻的前1min内的平均无功功率占比率RSTATCOM-60s确定STATCOM交流参考电压在第j s之后1s的变化量△U(j)。
为了对本实施例变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定及控制方法进行验证，本实施例中利用Matlab/Simulink搭建了如图1所示的含STATCOM的220kV变电站仿真模型，具体仿真参数如表2所示。变电站220kV高压侧线电压有效值的正常运行范围设定为(223kV，233kV)；STATCOM控制系统中的变电站高压侧线电压参考有效值变化范围设定为(224kV，232kV)。以下是采用本文所提出的基于模糊算法的变电站混合无功补偿系统优化控制策略的仿真结果及其分析。
表2：含STATCOM的220kV变电站仿真参数。
图6为未投入无功补偿装置时的变电站220kV高压侧电压有效值波形图。从图6中可以看出：变电站220kV侧电压在某些时段内存在超标越限的现象；此外，220kV侧电压在运行过程中还存在一定的阶跃变化现象。
图7和图8为仅投入静态无源补偿装置(FC+FL)时变电站高压侧电压及装置输出功率波形。当高压侧母线电压越下限223kV时，投入FC；当高压侧母线电压越上限233kV时，投入FL。从图7可以看出：通过投切并联电容器、电抗器的方式，可起到调节220kV侧电压的作用，相比图6，其电压的越限幅度和越限时长都明显减少，如图7所示；在整个运行过程中，并联电容器共计进行了3次投切动作，并联电抗器进行了1次投切动作，如图8所示；但它们对于抑制220kV侧电压出现的瞬时阶跃变化将显得无能为力，甚至在投切过程中还会对电网电压产生一定的冲击作用。
图9、图10和图11为投入混合无功补偿装置(STATCOM+FC+FL)时变电站高压侧电压及装置输出功率波形。从图中可以看出：在整个运行过程，变电站220kV侧电压未出现电压越限的现象，电压运行曲线相对更为平滑，如图9所示。STATCOM充分发挥了其快速的动态无功补偿功能，对于电网电压的阶跃变化具有一定的抑制作用；当电压趋于稳定后(例如52min后)，在相应的控制作用下，STATCOM将预留至少70％额定容量的空间用于抑制系统出现的暂态电压变化状况，如图10所示。此外，并联电容器、电抗器共计只进了1次投切动作，同比减少了3次，如图11所示。
由此可见，在变电站配置一定容量的静止同步补偿器(STATCOM)，并结合并联电容器、电抗器构成的混合无功补偿系统，可有效提高系统的技术性能和经济性能。而且前述仿真结果表明：在本实施例变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定及控制方法所提控制策略下，第一能够有效地调节电网电压，使其运行在允许的范围内；第二对电网电压的波动和瞬变可起到一定的平滑和抑制作用；第三在调节电网电压的同时，仍能兼顾动态无功备用容量的调节；第四在满足技术性能的同时，还能有效降低并联电容器、电抗器的投切次数，从而相应提高系统的经济效益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法，其特征在于实施步骤包括：
1)将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以时间间隔△t划分，针对每一个当前的控制周期内，通过当前时段△t以前指定时长为n△t的时间窗口获取该时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s；
2)判断第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s大于或等于预设的第一比例是否成立，如果成立则跳转执行步骤3)；否则，跳转执行步骤4)；
3)将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s输入模糊控制器获取STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)，根据式(1)计算下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*；跳转执行步骤1)；
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式(1)中，为下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*，为当前控制周期的STATCOM交流参考电压U*’，ΔU(j)为STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)；
4)将下一控制周期的STATCOM交流参考电压U*与上一控制周期保持不变；跳转执行步骤1)。
2.根据权利要求1所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法，其特征在于，步骤3)中的模糊控制器为单输入-单输出结构形式的模糊控制器，如果指定长度的时间段内STATCOM输出无功功率、呈容性，则模糊控制器降低STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)，如果指定长度的时间段内STATCOM吸收无功功率、呈感性，则模糊控制器提高STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)。
3.根据权利要求2所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法，其特征在于，步骤3)中将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s输入模糊控制器获取STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)的详细步骤包括：
3.1)以“+”号表示STATCOM为输出无功功率、呈容性，以“-”号表示STATCOM为吸收无功功率呈感性，将第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s作为模糊控制器的输入，基本论域为[-100％，100％]，模糊论域为{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，对应的输入模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，输入模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM在下一控制周期前第一指定长度的时间段内的平均无功功率占比率为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}，且模糊控制器的输入隶属度函数采用三角隶属函数、或高斯隶属函数、或梯形隶属函数；
3.2)模糊控制器中设定STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)的基本论域为指定的电压区间范围，模糊论域为{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，对应的输出模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，输出模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}；且模糊控制器的输出隶属度函数采用三角隶属函数、或高斯隶属函数或梯形隶属函数，去模糊化方法采用最大隶属度法、或重心法、或加权平均法。
4.根据权利要求3所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法，其特征在于，步骤3.2)中预设的模糊控制规则表中，输入模糊子集的NB对应输出模糊子集的PB，输入模糊子集的NM对应输出模糊子集的PM，输入模糊子集的NS对应输出模糊子集的PS，输入模糊子集的ZO对应输出模糊子集的ZO，输入模糊子集的PS对应输出模糊子集的NS，输入模糊子集的PM对应输出模糊子集的NM，输入模糊子集的PB对应输出模糊子集的NB，其中输入模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM在下一控制周期前第一指定长度的时间段内的平均无功功率占比率为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}，输出模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}分别表示STATCOM交流参考电压当前控制周期到下一控制周期的变化量ΔU(j)为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}。
5.根据权利要求1所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法，其特征在于，步骤1)中的时间间隔△t为1秒、时间窗口的指定时长n△t为60秒、控制周期为1秒，获取时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第一平均无功功率占比率RSTATCOM-N1s具体是指获取60s内的STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-60s。
6.根据权利要求5所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法，其特征在于，所述获取60s内的STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-60s的函数式如式(2)所示；
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</mrow>
式(2)中，RSTATCOM-60s为60s内的STATCOM输出的平均无功功率占比率，QN为STATCOM的额定功率值，将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以1秒为时间间隔进行划分，Qi表示60s内的第i秒的STATCOM输出的无功功率QSTATCOM。
7.一种变电站混合无功补偿系统的STATCOM控制方法，其特征在于实施步骤包括：
S1)获取STATCOM的三相电容电压平均值Uc-mean，将三相电容电压平均值Uc-mean和电容电压参考值Uc *做差、将差值经过PI控制器得到d轴有功电流指令值id *；采用权利要求1～6中任意一项所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM参考电压确定方法确定STATCOM交流参考电压U*，将变电站高压侧线电压U和STATCOM交流参考电压U*做差、将差值经过PI控制器得到q轴有功电流指令值iq *；
S2)获取STATCOM交流侧并网点的电网电压uabc和电网电流iabc，将电网电压uabc经过d-q坐标变换得到电网电压的d轴分量ud和q轴分量uq，将电网电流iabc经过d-q坐标变换得到电网电流的d轴分量id和q轴分量iq，根据电网电压的d轴分量ud和q轴分量uq、电网电流的d轴分量id和q轴分量iq计算STATCOM交流侧三相调制电压的d轴分量vd和q轴分量vq；
S3)将STATCOM交流侧三相调制电压的d轴分量vd和q轴分量vq进行abc坐标变换后通过PWM调制模块生成用于控制STATCOM的脉冲信号并输出至STATCOM的控制端；同时，将STATCOM输出的无功功率QSTATCOM以时间间隔△t划分，针对每一个当前的控制周期内，通过当前时段△t以前指定时长为m△t的时间窗口获取该时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s，根据第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s控制变电站混合无功补偿系统中电容器组和电抗器组的投入和切除。
8.根据权利要求7所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM控制方法，其特征在于，步骤S2)中计算STATCOM交流侧三相调制电压的d轴分量vd和q轴分量vq的函数式如式(3)所示；
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式(3)中，vd为STATCOM交流侧三相电压的d轴分量，vq为STATCOM交流侧三相电压的q轴分量，Kp为PI控制器的比例参数，Ki为PI控制器的积分参数，1/s为PI控制器的积分环节的传递函数，id *为d轴有功电流指令值，iq *为q轴有功电流指令值，id为电网电流的d轴分量，iq为电网电流的q轴分量，ud为电网电压的d轴分量，uq为电网电压的q轴分量，ω为电网电压角频率，L为滤波电感。
9.根据权利要求7所述的变电站混合无功补偿系统的STATCOM控制方法，其特征在于，步骤S3)中根据第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s控制变电站混合无功补偿系统中电容器组和电抗器组的投入和切除的详细步骤包括：
S3.1)根据变电站主变受控侧线电压有效值的正常运行范围确定STATCOM控制系统中的变电站主变受控侧线电压参考有效值变化范围的上限值、下限值以及中心值U0；主变受控侧线电压为主变高压侧线电压、或中压侧线电压、或低压侧线电压；
S3.2)判断第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s大于或等于预设的第二比例、当前控制周期的STATCOM交流参考电压低于变电站受控侧线电压参考有效值变化范围的下限值是否同时成立，如果同时成立则投入一组电容器组；且当变电站受控侧线电压上升至(U0+△UC)kV时切除一组电容器，其中U0为变电站受控侧线电压参考有效值变化范围的中心值，△UC为一组电容器投入时对受控侧线电压调节量，△UC≈UN×(QC/Sd)，其中UN为变电站受控侧母线的额定电压，Sd为短路容量，QC为电容器组的无功容量；同时，判断第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s大于或等于预设的第二比例、当前控制周期的STATCOM交流参考电压高于变电站高压侧线电压参考有效值变化范围的上限值是否同时成立，如果同时成立则投入一组电抗器组；且当变电站受控侧线电压降低至(U0-△UL)kV时切除一组电抗器，其中U0为变电站受控侧线电压参考有效值变化范围的中心值，△UL为一组电抗器投入时对受控侧线电压调节量，△UL≈UN×(QL/Sd)，其中UN为变电站受控侧母线的额定电压，Sd为短路容量，QL为电抗器组的无功容量。
10.根据权利要求7所述的变电站混合无功补偿系统的控制方法，其特征在于，步骤S3)中时间窗口的指定时长m△t为600秒，获取该时间窗口内的STATCOM输出的平均无功功率占比率得到第二平均无功功率占比率RSTATCOM-N2s具体是指获取10min内的STATCOM输出的平均无功功率占比率RSTATCOM-10m。
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