摘要：本文研究并分析了TSC的基本原理及其九區(qū)圖控制法,指出九區(qū)圖控制法的缺陷。結合無功控制的實踐經(jīng)驗,研究了基于模糊控制的TSC型動態(tài)無功補償控制器。該模糊控制器采用了2輸入單輸出的結構。模糊推理系統(tǒng)對電壓--無功平面進行模糊分區(qū),減少了由于測量值的微小變化引起運行點在相鄰區(qū)域之間的振蕩,引起不必要的電容投切或電壓調節(jié)。通過MATLAB建立了模糊控制系統(tǒng)的仿真模型,仿真結果驗證了該算法的有效性,增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少電容器動作的次數(shù)。

　　1 引言

　　在電力系統(tǒng)中，異步電動機和變壓器等設備要消耗大量的無功功率。這些無功功率如果 不能及時地得到補償?shù)脑?，會對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響。提高電網(wǎng)功率因數(shù)， 確保供電質量和電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性具有重要的現(xiàn)實意義。

　　晶閘管投切電容器（thyristor switched capacitor，TSC）[1]是一種并聯(lián)的晶閘管投切的電 容器，通過對晶閘管閥進行全導通或全關斷控制，可階梯式改變其等效容抗。它通常由多個 并聯(lián)的電容器支路組成，每個支路都由設有觸發(fā)角控制的晶閘管閥來投切，從而達到階梯式 改變注入系統(tǒng)無功功率的目的。對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]，該方法沒有考慮電壓與無功的相互影響，控制方法比較簡單粗糙，存在控制性能不 好，投切振蕩等問題。

　　2 TSC 的基本原理

　　單相的TSC 的基本結構如圖1 所示，它由電容器、雙向導通晶閘管（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致電容器在不適當?shù)臅r機進行投入引起的。同 時，限流電抗器與電容器通過參數(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 有兩個工作狀態(tài)，即投入和斷開狀態(tài)。投入狀態(tài)下，雙向晶閘管（或反并聯(lián)晶閘 管）導通，電容器（組）起作用，TSC 發(fā)出容性無功功率；斷開狀態(tài)下，雙向晶閘管（或 反并聯(lián)晶閘管）阻斷，TSC 支路不起作用，不輸出無功功率。在工程實際中，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)的無功需求投切這些電容器，TSC 實際上就是斷續(xù)可調的發(fā)出容性無功功率的動態(tài)無功補償器。

　　3 九區(qū)圖控制法原理及缺點

　　傳統(tǒng)的無功補償九區(qū)圖控制法如圖 2 所示：

　　九區(qū)圖控制原理存在的問題主要是：控制策略是基于固定的電壓無功上下限而未考慮無 功調節(jié)對電壓的影響及其相互協(xié)調的關系；用于運算分析的信息有分散性、隨機性的特點， 造成了控制策略的盲目和不確定性，實際表現(xiàn)為設備頻繁調節(jié)。當系統(tǒng)運行于第7 區(qū)的運行 點①時，無功合格、電壓偏低，這時應該是調節(jié)變壓器分接頭，使電壓升高。可是電壓和無 功是相互影響的，電壓升高，功率因數(shù)會變大，這時運行點有可能進入1 區(qū)在②點運行。此 時，電壓合格、無功越下限，應該切電容，如果這時己經(jīng)沒有電容器可切除則降低電壓，這 樣又會影響電網(wǎng)中的無功功率，有可能使運行點回到①點。因此會造成升壓→降壓→升壓→ 降壓……,這樣的操作指令，使運行點在1 區(qū)和7 區(qū)之間來回振蕩。另外，相似的情況在運 行點③和④之間也存在。

　　4 模糊控制策略

　　4.1 模糊控制器的結構

　　本文采用的模糊控制器[5]的結構如圖3 所示，選擇電壓偏差△U 及無功偏差△Q 作為模 糊控制器的輸入變量，選擇無功功率的補償量△C 作為模糊控制器的輸出變量，從而構成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句的形式來描述：

　　結合實際工作人員的經(jīng)驗，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，就可以對模 糊推理系統(tǒng)進行模糊推理。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，在本質上是一種合成推理方法。Mamdani 模糊蘊含關系A→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

　　在得到模糊關系矩陣之后，將輸入變量的向量和關系矩陣運算，可以得到輸出量的模糊 子集。將輸出量的向量通過非模糊的方法，可以計算出輸出量模糊論域中的一個值，建立控 制表。本文采用了重力中心法對被控量進行解模糊。其計算方法為：

　　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模糊推理系統(tǒng)，并使用 simulink 建立一個系統(tǒng)仿真模型。用兩個隨機信號（Random Number）來模擬模糊控制器的 兩個輸入變量電壓偏差△U 及無功偏差△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t=0.4~0.5 秒左右時，電壓偏差是負小，無功偏差為零，電容器組投切量基本為0。 因為這種情況基本屬于電壓、無功合格區(qū)，所以電容器組不動作。

　　當t=0.7～0.8 秒左右時，電壓偏差是正大，無功偏差是正大，投電容器量是正中的，因 為無功偏差是正大的，通過投電容器可以降低電網(wǎng)無功，但考慮到電網(wǎng)電壓偏差很大，所以 投電容器量沒有選擇是的。

　　當t=2~2.1 秒左右時，電壓偏差為零，無功偏差為正大，投電容器組的量為正大。因為 無功偏差為正大，即需要補償大量的感性無功，通過投電容器組，可以補償感性無功，提高 電網(wǎng)的功率因素。

　　當t=2.8~2.9 秒左右時，電壓偏差正小，無功偏差負大，切電容器組的量為負大。因為 無功偏差是負大的，通過切電容器可使無功變大，在無功偏差與電壓偏差相比時，本控制策 略更偏重于對無功的補償，因為提高電網(wǎng)中的功率因數(shù)可以使電能質量大大提高。

　　6 結論

　　本文通過對傳統(tǒng)九區(qū)圖控制法的分析，指出其缺點，研究了電壓無功綜合控制的模糊推 理系統(tǒng)。并使用MATLAB 進行輔助設計，由仿真結果可知，該模糊推理器對于電容器的綜 合控制己經(jīng)達到了要求。

　　本文作者創(chuàng)新觀點：采用模糊控制算法實現(xiàn)TSC 無功補償?shù)目刂?，與傳統(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。