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不同类型并联无功补偿装置协调运行j 控制研究 摘要 随着f a c t s 技术的研究不断深入，电力系统中各种并联型无功调节装置在提 高功率因数、稳定电压等方面发挥越来越重要的作用。然而随着各种不同类型无 功调节装置的不断出现，必然会出现在同一条母线下挂接多个不同类型无功补偿 装置的情形，因此不得不考虑各装置间的相互影响及协调控制问题。本文以 t s c + d s t a t c o m ，s v c + s t a t c o m 这两类不同混合无功补偿系统为研究对象， 分析这两类混合无功补偿系统中各个装置间的相互影响，并对其协调控制问题进 行了研究。 t s c 和d s t a t c o m 是两类重要的低压配电网无功调节装置。本文通过分析 在一条母线下t s c + d s t a t c o m 型混合无功补偿系统的单相等效电路，指出该混 合无功补偿系统中t s c 与d s t a t c o m 之间的响应速度的差别是影响d s t a t c o m 发挥其优良性能的主要原因。在此基础上，为消除响应速度的差异对d s t a t c o m 性能的影响，本文提出了基于多代理的两级协调控制策略。为验证该控制策略的 有效性，本文搭建了混合无功补偿系统的仿真平台和实验平台，仿真和实验结果 表明该控制策略有效地消除了同一条母线下t s c 与d s t a t c o m 之间响应速度对 d s t a t c o m 性能的影响，改善了系统的动态性能。 s v c 和s n 订c o m 组成的混合无功补偿系统是本文研究的另外一个重点。通 过仿真指出两者的耦合电抗和系统的短路容量是导致混合系统中s v c 和 s t a t c o m 相互耦合的原因。为了消除s v c 与s t a t c o m 之间的相互耦合，在混 合系统中实现无功的合理分配，提高系统的稳定性和动态运行性能，本文提出了 基于斜率调节的协调控制策略。通过斜率的调节作用，在s v c 和s t a t c o m 之间 实现合理的无功分配，保证s t a t c o m 有足够的容量应付系统的暂态扰动。在装 有s v c 与s t a t c o m 的电力系统模型中进行相应的仿真研究，结果表明该控制策 略成功地消除了同一条母线下s v c 与s t a t c o m 控制器之间的耦合作用，使得混 合系统的无功分配合理，控制电压的动态性能得到改善。 关键词：静止无功补偿器；配电网静止同步补偿器；混合无功补偿系统；协调运 行；多代理；斜率调节 硕l j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e mt e c h n o l o g y ( f a c t s ) ， v a r i o u sk i n d so fs h u n tr e a c t i v ep o w e rr e g u l a t o r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ，v o l t a g ec o n t r o la n ds oo n h o w e v e r ，w i t hm o r ea n dm o r es h u n t r e a c t i v ep o w e rr e g u l a t o r sc o m i n gu p ，t h es i t u a t i o nt h a tv a r i o u sk i n d so fs h u n tr e a c t i v e p o w e rr e g u l a t o r sa r eu s e di nt h es a m eb u sw o u l ds p r i n gu pi n e v i t a b l y t h e r e f o r e ，t h e p r o b l e m so fi n t e r a c t i v ei n f l u e n c ea n dc o o r d i n a t e dc o n t r o la m o n gt h ed e v i c e sh a v et o b ec o n s i d e r e d r e g a r d i n gt h ec o m b i n a t i o n so ft s c + d s t a t c o mo rs v c + s t a t c o m a st h er e s e a r c hs h b je c t s ，t h em u t u a le f f e c tb e t w e e nt h et w od e v i c e s i ne a c h c o m b i n a t i o ni sa n a l y s e di nt h i sp a p e r c o o r d i n a t e dc o n t r o lb e t w e e n t h et w od e v i c e si s s t u d i e da sw e l l t s ca n dd s a t a t c o ma r et w oi m p o r t a n ts h u n tr e a c t i v ep o w e rr e g u l a t o r sf o r r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni nl o wv o l t a g ep o w e rs y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h es i n g l e p h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i to fh y b r i dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ns y s t e m ，i t c a nb es e e nt h a tt h ed i f f e r e n c eo fr e s p o n s es p e e db e t w e e nt s ca n dd s t a t c o m i st h e m a i nr e a s o nt h a ti n f l u e n c e sd s t a t c o m sp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e si nh y b r i dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ns y s t e m i n o r d e rt oe l i m i n a t e r e s p o n s es p e e d si m p a c t t o d s t a t c o m sp e r f o r m a n c e ，at w ol e v e lc o o r d i n a t e do p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nm u l t i a g e n ti sp r o p o s e d i no r d e rt ov e r i f yt h ei m p r o v e dp e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m as i m u l a t i o ni nt h et e s ts y s t e mh a sb e e nd o n e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei d e a t h a tt w ol e v e lc o o r d i n a t e do p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi su s e dt o e l i m i n a t et h e i n f l u e n c eo ft h ed if f e r e n tr e s p o n s es p e e db e t w e e nt s ca n dd s t a t c o m i ss u c c e s s f u l i ti m p r o v e st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma sw e l l t h em i x e dv a rc o m p e n s a t i o ns y s t e mc o m p o s e do fs t a t c o m a n ds v ci sa n o t h e r k e yt ot h es t u d yi nt h i sp a p e r i tc a nb es e e nf r o mt h es i m u l a t i o nt h a tt h ev a l u e so f c o n p l i n gr e a c t a n c e a n ds h o r t c i r c u i tc a p a c i t yo ft h eg r i da r et h et w os i g n i f i c a n t e l e m e n t so fi n t e r a c t i v ei n f l u e n c eb e t w e e ns t a t c o ma n ds v c i no r d e rt oe l i m i n a t e t h em u t u a lc o n p l i n ga n dr e a l i z er e a s o n a b l ea l l o c a t i o no fr e a c t i v ep o w e rb e t w e e nt h e s v ca n ds t a t c o m ，ac o o r d i n a t e dc o n t r o lm e t h o db a s e do ns l o p er e g u l a t i o ni s p r o p o s e d i te n s u r e ss t a t c o mh a v ee n o u g hc a p a c i t y t od e a lw i t ht h et r a n s i e n t d i s t u r b a n c et h r o u g ht h er e g u l a t i n ge f f e c to fs l o p e as i m u l a t i o ni nt h et e s ts y s t e mw i t h s v ca n ds t a t c o mh a sb e e nd o n e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h i s 不州类型并联无功补偿装置协调运行j 控制研究 c o o r d i n a t e dc o n t r o lm e t h o de l i m i n a t e st h ei n f l u e n c eb e t w e e ns v ca n ds t a t c o m e f f i c i e n t l y i te n s u r e sar e a s o n a b l ea l l o c a t i o no f r e a c t i v ep o w e ri nt h ec o m p e n s a t i o n s y s t e m ，a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv o l t a g ec o n t r o li sa l s oi m p r o v e d k e yw o r d s ：s v c ；d s t a t c o m ；c o o r d i n a t e dc o n t r o l ；m i x e d v a rc o m p e n s a t i o n s y s t e m ；m u l t i a g e n t ；s l o p er e g u l a t i o n l v 硕i ：学位论文 第1 章绪论 1 1并联型静止无功补偿装置概述 1 1 1 无功补偿装置的发展背景 近年来，随着电网中整流器、电弧炉、变频调速装置等非线性负荷的不断增 加，各种电能质量问题随之而来。这些负荷带有冲击性和不平衡性，使得电网中 的电压，电流发生畸变，导致电网电压波动、闪变和三相不平衡等问题的出现。 现代科技的不断进步，使得某些用户设备对电能质量越来越敏感，不合格的 电能质量将导致不合格的产品质量。特别是在精密加工工业的生产过程中，电能 质量稍微有一点不合格，都将导致大量的不合格产品。若发生供电的突然中断， 将给企业带来不可估量的经济损失。 为实现节能降耗，同时保证用户的供电质量，一方面要加强输电网络的输电 能力，提高输电网络供电的可靠性：另一方面也应加强对配电网络中各种污染电 能质量的非线性负荷的治理。因此研究电能质量的控制技术具有重大的意义，是 近年来电力领域的研究热点，纠。 为了实现对电能质量的控制，著名的电力专家n g h i n g o r a n i 博士分别于l9 8 6 年和1 9 8 8 年提出了灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m t e c h n o l o g y ，f a c t s ) 和用户电力技术( c u s t o mp o w e r ，c p ) 。这两个概念的出现立刻 受到电力界的广泛关注，基于f a c t s 概念的电能质量控制装置不断出现。 柔性交流输电系统( f a c t s ) 和用户电力技术( c p ) 都有可柔韧地控制电网的 性能1 ，依靠着相同的技术基础，只是控制的对象不同：前者主要应用在输电系 统，而后者应用于配电系统中。 柔性交流输电系统( f a c t s ) 是指应用于交流输电系统的电力电子装置。其中 “柔性”是指对电力系统电能质量的可控性：若f a c t s 装置并联在系统中，则可实 现对系统电压和无功功率的控制；若装置串联在系统中，则可实现对系统电流和 有功潮流的控制哺1 。f a c t s 装置主要应用于高压输电系统，其动作速度较快，能 够扩大输电网络的安全运行区域。目前主要的f a c t s 装置有：静止同步补偿器 f s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r , s t a t c o m ) 、晶闸管控制的串联电容器 ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e d s e r i e s c a p a c i t o r s ，t c s c ) 、静止无功补偿器( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r , s v c ) 、统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r 。u p f c ) 等。 f a c t s 技术在电力界引起了很大反响，很多著名的高等院校、电力科研机构和制 造厂商都丌展了这方面的研究工作，有力推动了f a c t s 技术的发展。 不同类型并联无功补偿装置协调运行j 控制研究 用户电力技术( c p ) 作为f a c t s 技术在配电系统应用的延伸，也被称为配电系 统柔性交流输电技术( d i s t r i b u t i o nf l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，d f a c t s ) 】。 用户电力技术将现代电力电子技术、计算机技术和控制技术等高新技术应用于中 低压配电系统，实现对电能质量的控制，提供满足用户特定需求的电力供应，以 获取大量的节能效应。目前主要的d f a c t s 装置有：不间断电源( u n i n t e r r u p t i b l e p o w e rs u p p l i e s ，u p s ) 、有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 、动态电压恢复 器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ，d v r ) 、晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e d c a p a c i t o r ，t s c ) 、配电网静止同步补偿器( d i s t r i b u t i o ns t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r ，d s t a t c o m ) 等。d f a c t s 技术作为智能电网的重要组成部分，拓展 了电力系统的研究领域，是未来提高配电网电能质量的有效手段之一。 1 1 2 静止无功补偿器( s v c ) ( 1 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 型s v c 晶闸管投切电容器( t s c ) 通过电容器的投切，实现降低线路电流、提高系统功 率因数的目的，是一种广泛应用于配电系统的动态无功补偿装置 1 。 t s c 作为配电网无功补偿方式的重要手段，其本身优点十分突出：在控制电 路的作用下，通过晶闸管在系统和电容器两端电压为零时投入电容器，所以不会 产生谐波；晶闸管的投入时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器并入电 网，大大减少了投切时的冲击电流和操作困难；晶闸管的开、关无触点，其操作 寿命几乎是无限的，因此装置的使用寿命很长协1 ；t s c 动态响应时间约为一个周 波，能快速跟踪负荷的突变，随时保持最佳的功率因数，实现动态无功补偿。 但是与其它先进的无功补偿装置相比，t s c 动态响应时间较长，只能输出级 差的容性无功而不能对无功进行连续的调节，并且其控制电压的能力也较弱。 t s c 装置是一个能对系统无功进行动态补偿的独立系统，其应用形式有很大 的灵活性。按其电压等级划分，可分为低压补偿方式和高压补偿方式；按其应用 范围划分，可分为负荷补偿方式和集中补偿方式。t s c 装置主要是用于补偿大型 冲击性的、快速周期波动的非线性负荷，可有效地抑制这些负荷所引起的电压波 动问题。 ( 2 ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 型s v c 晶闸管控制电抗器( t c r ) 由固定电感和双向晶闸管开关阀组成，通过控制晶 闸管的导通角来改变接入电网的电抗，实现对电网无功电流的控制。单独的晶闸 管控制电抗器( t c r ) 只能吸收感性的无功功率，因此经常与并联电容器组配合使 用j 。根据并联电容器的不同，可分为t c r 与固定电容器配合使用的静止无功补 偿器( t c r + f c ) 和t c r 与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + m s c ) 9 1 。 并联固定电容器后，使得总的无功功率等于t c r 与并联电容器抵消后的净无 硕上学位论文 功功率，一般将t c r 的容量设计成与电容器一样。由于电抗器是用晶闸管控制的， 其感性无功电流可以控制：当晶闸管完全关断时，电抗器与电网断开，而电容器 固定连接，因此整套装置的容性补偿量最大；当改变晶闸管的导通角时，电抗器 接入电网的电抗值也被改变，产生的感性电流抵消一部分电容器电流，因此补偿 量随之改变，导通角越大，电抗器的电流越大，容性补偿量就越小；当晶闸管全 导通时，电抗器的电流就会将电容器电流全部抵消，此时补偿量为0 。 由以上分析可知，t c r 型s v c 通过控制导通角的大小改变接入电网的阻抗 值，从而达到连续调节无功的目的。在无功变化较大、负荷波动较快、功率因数 较低的场合具有很高的应用价值。 但由于t c r 工作中产生的感性无功电流需要由固定电容器的容性无功电流 来平衡，因此当需要实现输出从额定容性无功到感性无功的变化时，就要将t c r 的容量设计成固定电容器容量的两倍，这样导致器件和容量上的浪费。并且由于 电力电子器件晶闸管的使用，t c r 本身就是一个谐波源0 ，不可避免地要向电网 引入谐波。 1 1 3 配电网静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 配电网静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 是一种重要的“用户电力”装置，其基本 原理是利用大功率电力电子器件( 如i g b t ) 组成的逆变电路将直流侧电容电压逆 变成交流电压，经电抗器与电网相连，通过调节逆变电路交流侧输出电压的幅值 和相位，或者直接控制其交流侧输出电流，可以使该电路吸收或者发出满足需要 的无功，实现无功补偿的目的1 。 与其它类型的静止无功补偿装置相比，d s t a t c o m 具有功能强大、性能优良、 性价比高的优点，能综合解决配电网中电压波动与闪变、电流畸变、三相电压不 平衡等电能质量问题，因此在配电网中很受关注，成为现阶段配电网电能质量控 制的发展方向。d s t a t c o m 具有如下特点： ( 1 ) 响应时间快，一般只需要经过几十个微秒就可达到稳定，暂态特性较好。 而且，d s t a t c o m 可迅速改变无功电流方向，因此具有很大的动态调节范围刳。 ( 2 ) 不会引起谐振短路。虽然d s t a t c o m 采用并联型结构，但是它与电网之 间有连接电抗器，并且该装置中电容器容量较小，不会发生并联谐振现象引。 ( 3 ) 可以发出连续可调的感性无功和容性无功。不仅可以应用在感性负荷场 合，还可以应用在容性负荷场合，工作能力很强。 ( 4 ) 根据控制目的的不同，d s t a t c o m 既可以补偿系统所缺无功，也可以稳定 接入点电压1 。 ( 5 ) 提供的无功容量受电网电压频率的影响很小。d s t a t c o m 可以看做是一 个并入电网的等效电压源，因此它能输出的无功功率只受自身器件的限制，与电 网的电压水平关系不大。 不类型并联无功补偿装置协调运行j 控制研究 尽管d s t a t c o m 装置与传统的无功补偿装置相比，具备很多优势，但还存 在以下几个因素制约其大规模应用： 第一，容量较小。这是由于可关断器件的单管容量较小，比不上普通晶闸管 的单管容量引。目前主要通过可关断器件的串并联来扩大容量，这样就增加了 d s t a t c o m 中可关断器件的数量，导致装置控制复杂，成本增加。 第二，价格较高。d s t a t c o m 装置单位容量的造价远高于s v c 。在许多对 电能质量要求不是很高的场合，用户更愿意采用价格相对较低的s v c 装置。 第三，控制复杂。由于线路损耗的存在，d s t a t c o m 有功与无功通道的解耦 控制很复杂。s v c 是阻抗型无功补偿装置，它不存在这方面问题。同时，s v c 装 置投入使用时间较长，技术已经非常成熟，用户对s v c 装置认可度更高“引。 这里需要说明的是：由于静止同步补偿器( s t a t c o m ) 和d s t a t c o m 的工作 原理是相同的，只是因为两者的应用范围不同而加以区分，为了简便，本文只对 d s t a t c o m 的工作原理进行介绍。 1 2 并联型静止无功补偿装置的作用 并联型静止无功补偿装置在电力系统中的应用，可以实现如下功能： ( 1 ) 实现对无功负荷的动态补偿。 ( 2 ) 改善系统电压，包括支撑系统电压，抑制电压波动和c i j 变等。 ( 3 ) 实现对系统电压和电流的不平衡补偿n 7 1 。 下面以静止无功补偿装置调节系统电压为例，对静止无功补偿装置动态补偿 无功的原理做简要介绍。 u 吣c 图1 1 负衙和补偿系统等效电路图 负载和补偿装置的单相等效电路图如图1 1 所示。其中矽。为电源电压，d w ， 为公共连接点电压，厶为电源电流，j ，负载电流，无功装置的补偿电流为丘，z 。 为线路和变压器的等效阻抗，s ，为负载的视在功率。 由图1 1 可知，当没有无功补偿装置对负载进行补偿时，负载电流在系统等 效阻抗上产生的压降面为 硕j ：学位论文 又因为 由( 1 2 ) 式可得 所以 莉= i ) s i ) 戏- - z s 丘 ：u i 丘= 鑫= 错 面讯+ 铅) ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ：! 垦垒墨鱼! + ，! 墨垒二垒鱼! u 咐c u p c c = a u 足+ ，4 乩( 1 4 ) 从式( 1 4 ) 中可以看出，以公共连接点电压力尸c c 作为参考电压矢量，负载电流 在系统等效阻抗上产生的压降础由戤和a u x 组成，其中戤与眈w 的相位一 致，而a u x 与秒心正交，其矢量图如图1 2 所示。 图1 2 没有无功补偿时的矢量图 由图1 2 知，公共连接点电压与负载电流相关。当吼、氓之问的相角 差比较小时，a u x 很小，可以忽略，此时有 础：警# 照 ( 1 5 ) i j p c c 考虑到实际电网中尽以，于是可得 面磐 ( 1 6 ) 1 3 p c c 图1 3 给出了有无功补偿时，相应的电流电压矢量图。由矢量图可知，通过 控制无功补偿装置的输出电流i ，可以使公共连接点电压在幅值上与电源电压相 等，即i 吼y i - - i 魄1 。这样便实现了调节电压的目的。 不同类型并联无功补偿装置协调运行j 控制研究 图1 3 有无功补偿时的矢量图 实际上，一般希望接入点的电压维持在一个额定值，这个额定值并不一定要 与电源电压相等1 ，即= l 啡c ，c i 。由图1 3 可得，此时补偿器所吸收无功功率 应为 q = 1 a o l _ u m , 这就是说一台无功容量为q f 的无功补偿器， 阱锷 ( 1 7 ) 可以调节的系统电压范围为 ( 1 8 ) 1 3 多f a c t s 装置问协调运行技术现状 1 3 1 研究多f a c t s 装置协调控制的意义及难点 随着电力系统容量不断扩大，一些新元件、新技术的采用，使得电力系统逐 渐暴露出一些新的问题，如低频振荡、电压不稳定等引。通过研究发现，这些问题 的形成，有很大一部分是由于新补偿器间的控制目标不同或者相互干扰导致的瞳引。 为了解决这些问题，控制器间的协调控制必不可少。 f a c t s 装置在保持系统稳定，提高电能质量方面具有不可替代的作用。然而， 过多的f a c t s 装置的应用使得电力系统的运行越来越接近于稳定边界。因此，多 个f a c t s 装置的协调运行以及f a c t s 装置与传统控制方式的协调运行对电力系 统的安全稳定运行至关重要1 2 。f a c t s 装置在设计安装时，是面向不同控制对象 的。其设计目标只是为了满足某一直观的、简单的、局部的要求，并没有考虑到 这些要求和目标对其他控制器产生的影响心纠。 对f a c t s 装置间可能存在的交互影响进行分析，并通过对f a c t s 控制器的 协调控制消除这种交互影响，是研究f a c t s 装置协调运行控制的关键所在。因此 探索新方法新理论，实现对多个f a c t s 装置的协调控制，以此来提高电力系统的 安全运行水平，是电力系统控制技术中一个很重要的前沿课题他引。 f a c t s 装置间协调控制的关键问题包括：f a c t s 装置安装地点的选择及控制 参数的整定；f a c t s 装置结构的选择及反馈变量的选取；同地区多种控制器的 协调，不同地区控制器间的协调控制；非线性和不确定性因素的处理心引；单个控 硕l ! 学位论文 制器多目标的协调；控制器对多运行点、运行方式变化及不同干扰的适应性等。 1 3 2 多f a c t s 装置协调运行的研究现状 f a c t s 装置间协调控制的关键是如何处理好各控制器之间的相互作用。根据 对控制器之间相互作用处理方式的不同，协调控制方法可以分为：分散控制协调 方法、非线性协调控制方法、多代理协调控制方法以及基于控制器斜率调节的协 调控制方法等几大类。 ( 1 ) 分散协调控制方法 分散控制是大系统理论的一个重要分支，它的研究内容是：在大系统中限定 各局部控制器只反馈本地可测的状态变量或输出变量，通过设计这些局部控制器， 使系统的总体性能达到一定的指标幢别。 分散协调控制要求：在设计各个控制元件的控制规律时，进行全盘考虑、综 合设计，使得各局部控制器不仅对于它们的控制对象或局部系统的控制效果是最 优的，而且能够协调一致地工作，使全系统的性能在某种统一指标下达到最优。 文献【2 6 对含有m 台发电机和n 台s t a t c o m 装置的复杂系统的通用线性化数 学模型作了详细的推导，为研究基于全系统线性化模型的多f a c t s 间分散协调控 制等问题的研究做了一定的理论准备。 文献【2 7 】针对s t a t c o m 与发电机励磁的多机系统，运用分散协调控制算法， 设计协调控制策略，实现对多机系统的协调控制。 ( 2 ) 非线性协调控制方法 电力系统是一个典型的非线性系统，运用非线性方法对多机系统进行协调设 计，具有更好的协调控制效果。非线性协调控制方法复杂、运算速度慢、方程阶 数高，因此，寻求更简单易行的非线性协调控制方法是以后研究的主要方向。 文献【2 8 1 针对发电机励磁、可控串卒i , t c s c 装置和静止无功补偿器( s v c ) 互联 的混合系统，采用非线性最优目标策略，从而实现快速阻尼后续振荡的目标。 ( 3 ) 多代理协调控制方法 现代电力系统中的模块相互独立又相互通讯，需要合作完成任务。多代理的 基本思想是认为各控制器为系统的成员，能够独立完成相应的任务，而协调的目 的是通过改变其他控制器局部利益，使多个控制器达成和谐、一致的工作方式， 从而使系统的整体性能达到最优。 文献【2 9 】分析f a c t s 控制器与传统线路保护及自动重合闸装置之问相互配合 时出现的问题，提出了一种基于多代理的自适应协调配合方案，从整体上大大提 高系统的稳定性。 ( 4 ) 基于控制器斜率调节的协调控制方法 静止补偿器的电压电流特性曲线引入斜率之后，通过斜率的调节，可以实现 多个无功补偿装置对负荷无功的自动分担。 不同类型并联无功补偿装置协调运行j 控制研究 文献【3 0 】提出了一种无需互联控制的s v g 并联协调控制方法，该方法通过整 定s v g 电压一电流特性曲线的斜率以实现电压调整，同时实现s v g 间按容量分担 负荷。 1 4论文的主要工作及创新点 本文主要研究的是f a c t s 装置中不同类型的并联型混合无功补偿装置的协 调控制问题。随着各种不同类型的静止型无功补偿装置不断出现，必然会出现多 个静止无功补偿装置在同一系统下同时运行的情况，这时候就不得不考虑多个无 功补偿装置的协调问题。本课题在国家8 6 3 计划项目大型企业电气节能新技术新 装备及其工程应用【2 0 0 8 a a 0 5 2 2 l l 】的资助下开展对t s c + d s t a t c o m ， s v c + s t a t c o m 混合无功补偿系统协调运行控制策略的研究。对消除多个无功补 偿装置并列运行时各个装置间的相互影响，促进混合无功补偿系统的工业应用具 有重要的意义。本论文在混合无功补偿系统中各个无功补偿装置间的相互影响分 析，协调控制，模拟仿真，装置设计以及实验调试等方面进行了大量的研究工作， 论文的主要工作及创新点包括以下几个方面： 第二章：主要介绍包括s v c 和d s t a t c o m 在内的几种典型的并联型无功补 偿装置的基本结构，详细地阐述它们的工作原理，并对它们的电压电流曲线和损 耗特性做了深入的分析。最后搭建了s v c 和d s t a t c o m 的电气仿真模型，做了 电压控制和负荷补偿的仿真，为后面两章提供了理论基础。 第三章：本章以应用于配电网的t s c + d s t a t c o m 型混合无功补偿系统为研 究对象，首先指出该混合无功补偿系统中t s c 与d s t a t c o m 之问响应速度的差 别是影响d s t a t c o m 发挥其优良性能的主要原因。为了消除响应速度的差异对 d s t a t c o m 性能的影响，本文提出了基于多代理的两级协调控制策略。对t s c 与d s t a t c o m 混合无功补偿装置进行了相应的仿真研究，结果表明该控制策略 成功地消除了同一条母线系统中t s c 与d s t a t c o m 之间响应速度的差别对 d s t a t c o m 性能的影响，改善了系统的动态性能。论文还对t s c 和d s t a t c o m 容量上的最佳匹配方案进行了研究，使混合系统在补偿容量，成本和补偿精度上 实现最优化。同时通过与t c r 十t s c 型s v c 相比，指出t s c + d s n 汀c o m 在谐波、 容量、造价、速度、运行范围等方面的优势。在以上分析的基础上，对 d s t a t c o m + t s c 混合无功补偿装置进行设计，搭建了d s t a t c o m + t s c 仿真平 台和硬件平台，进行d s 玑盯c o m + t s c 装置的并网仿真与实验，仿真和实验结果 表明混合装置能很好地实现无功补偿的目的。 第四章：本章以s v c 和s t a t c o m 型混合无功补偿系统为研究对象，通过仿 真指出两者间的耦合电抗和系统的短路容量是导致混合系统中s v c 和s t a t c o m 相互耦合的原因。为了消除s v c 与s t a t c o m 之间的相互耦合，实现对混合系统 硕i ：学位论文 中无功容量的合理分配，提高系统的稳定性和运行性能，本章提出了基于斜率调 节的协调控制策略。在装有s v c 与s t a t c o m 的电力系统上进行相应的仿真研究， 结果表明控制策略成功地消除了同一条母线系统下s v c 与s t a t c o m 控制器之间 的耦合作用，使得混合系统的无功分配合理，控制电压的动态性能得到改善。 不同类型并联无功补偿装置协调运行j j 控制研究 第2 章典型并联静止无功补偿装置独立运行特性分析 2 1 晶闸管投切电容器( t s c ) t s c 的基本原理就是通过向电网投入电容器，从而减小电网中的感性电流， 实现对电网中感性负荷的补偿。当电网中的感性负荷变小，出现容性过补时，t s c 切除电容，实现对电网中感性负荷的自动跟踪补偿n 。 2 1 1t s c 主电路及电容投入时刻的选取 图2 1 所示的是晶闸管投切电容器t s c 的主电路结构。图中t s c 的三相电容 器采用星形联结方法，其单相结构由一个电容器、两个反并联的晶闸管和一个小 电抗串联后接入电网。通过晶闸管的开关实现将电容器并入电网或从电网断开的 目的，串联的小电抗用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。 a b c 图2 1t s c 结构图 根据电容器的特性可知 0 ：c d u c ( 2 1 ) 。 斫 若选在电源电压处于峰值时投入电容器，显然这一点上电源电压的变化率为 0 ，这样电容器的投入就不会有冲击性的电流产生。 由电容器的特性可知，电容器两端的电压不可突变，要在电源峰值处投入电 容，电容器上的电压应预先充电至电源电压的峰值。因此可对t s c 的单相电路作 相应的改进。改进后的电路如图2 2 所示，用一个晶闸管和一个二极管反并联的 方式替代两个晶闸管反并联的方式，这样电容器未投入之前，电网经二极管向电 容器充电，使电容器两端的电压玑等于电源电压的峰值。设电网电压为氓，晶 硕i ：学位论文 闸管两端的电压为u r ，电容上的电压为，流过电容的电流为七。图2 3 是t s c 晶闸管导通示意图。由图可看出，只要选择合适的控制电路，就可以控制改进后 的t s c 零冲击地投入电网中。 图2 2t s c 单相电路图 c 2 1 2t s c 运行特性 根据t s c 的单相结构可知，当电容器投入电网时，该投入电容的电压一电流 特性就是t s c 的电压电流特性 i r s c = u c 式中，u 为电网相电压有效值，c 为电容值。 u c 3c 2c l n 图2 4t s c 电压一电流特性曲线 ( 2 2 ) 不同类型并联无功补偿装置协调运行j 控制研究 t s c 电压电流特性曲线如图2 4 所示。由图2 4 可以看出，t s c 的运行特性 是离散的，它与电容器的个数和额定容量有关，并且其提供的无功电流与电压的 变化成正比。因此它的补偿能力受系统电压的限制。 综上分析，晶闸管投切电容器( t s c ) d i h j 应速度较快，一般约为1 个周波，控制 简单，并且运行时不产生谐波，运行损耗较小阳引。这是它的优点，但其也存在缺 点。首先它只能补偿感性负荷无功，并且只是分级调节。其次，它输出的无功补 偿量跟接入点的电压有关，随着电压的降低其无功输出也会与电压成平方关系降 低，因此对于电网电压跌落不能进行有效的抑制。 在实际应用中，一般将电容器分成几组，每组可选择不同或者相同的容量， 采用自动投切方式，根据电网的无功需求投切这些电容器。 2 2 静止无功补偿器( s v c ) s v c 属于阻抗型无功补偿器，它可由单独的可控电抗器或电容器组成，也可 以是二者的组合。可控电抗器包括晶闸管控制电抗器( t c r ) 或晶闸管投切电抗器 ( t s r ) 这两种形式，电容器包括机械投切电容器( m s c ) 或晶闸管投切电容器( t s c ) 。 s v c 的组合方式有很多种，比如：t c r + t s c ，t s r + t s c ，t c r + m s c ，t s r + m s c 等。 2 2 1 晶闸管控制电抗器( t c r ) 晶闸管控制电抗器的原理如图2 5 所示，其基本结构是两个反并联的晶闸管 与一个电抗器相串联。t c r 的三相一般采用三角形联结方式，其目的是实现3 倍 次谐波相互抵消，防止其渗入电网b 3 l 。 图2 5t c r 原理图 t c r 触发延迟角口的有效范围是9 0 。1 8 0 。t c r 电流的基波分量i ( a ) 与晶闸 管触发角口的关系如下式h 4 1 所示 硕l ：学位论文 i ( a ) ：缉( 2 一丝+ ! s i n 2 口) ( 2 3 ) l7 z死 式中，u 眦为公共连接点电压，l 为单相电抗的感抗值。 t c r 的等效电纳岛珊 ) 可表示为 w f ，口夕：吃。f ，2 一三竺+ 一1s i n 2 口，)( 2 4 ) 7 z7 i 触发角口和导通角矽有如下关系 口+ 罢= 1 8 0 。 ( 2 5 ) z 将式( 2 5 ) 分别代入式( 2 3 ) ，( 2 4 ) 得到导通角痧和t c r 电流的基波分量，( 矽) 的 关系 删) = y 玩。( 型)( 2 6 ) 导通角矽与t c r 的等效电纳壤碾的关系为 w ( ) 一吃戤( 坐竺坐) ( 2 7 ) 根据以上公式，晶闸管控制电抗器r ( t c r ) 的工作原理可以描述如下：当触发 角口在9 0 0 l8 0 0 之间时，改变晶闸管导通角，从而可以控制t c r 注入电网的无 功电流中的基波分量，( 矽) ，实现t c r 对电网的无功补偿；当触发角口为18 0 。时， 其导通角为0 0 ，晶闸管完全关断，与晶闸管串联的电抗器与电网断丌，此时没 有对电网无功进行补偿；当触发延迟角口为9 0 0 时，其导通角痧为18 0 0 ，晶闸管 完全导通，与晶闸管串联的电抗器相当于直接并入电网，这时t c r 吸收最大的容 性无功电流。 t c r 响应速度较快，响应时间一般在l 4 个周波之内，能实现对无功功率的 连续调节，还能进行分相控制，有较好的抑制不对称负荷的能力，一般与固定电 容器( f c ) 一起使用。但是由于它本身就是一个谐波源，不可避免的要向电网中引 入谐波，因而在实际应用中，一般要加装无源滤波器( p f ) 5 1 。 2 2 2t s c + t c r 组成的无功补偿器( s v c ) t c r + t s c 型s v c 的电路结构图如图2 6 所示。这种无功补偿器通常由n 个 t s c 单元和1 个t c r 并联组成。 不问类型并联无功补偿装置协调运行o j 控制研究 f i l t e r s t s c n tcr 。一o l 一一一一j 图2 6s v c 结构图 s v c 一般的工作方式是：计算电网中需要的无功量，对无功进行分配，首先 计算出需要投入的t s c 的电容组数，然后，由t c r 发出感性电流，补偿t s c 过 补的部分，实现无功的精确补偿。简单点说就是，t s c 实现无功的粗调，而t c r 实现无功的细调。t s c 的响应时间一般是一个周波，t c r 响应时间较快，但要在 t s c 响应之后才能动作，因此t c r + t s c 的响应时间一般略大于一个周波。 在额定电压下，t s c + t c r 型s v c 在投入所有t s c 支路而断开t c r 支路时， 输出最大容性无功功率q ；在断开所有t s c 支路而投入全部t c r 支路时，输 出最大感性无功功率q 一；当要求装置输出容性无功，且q q 时，则投入k 条 t s c 支路，使得( k 一1 ) q 懈n q k o c