（电气工程专业论文）多端统一潮流控制器的研究.pdf

重庆火学硕十学位论文 中文摘要 摘要 在电力系统中，出一端向多端供电的情况并不少见，如果要对其进行综合潮 流控制，可以用以下2 种方法：在供电端与各受电端间分别装设统一潮流控制 器( u p f c ) ，假设受电端有n 个，则共需n 台u p f c ：在供电端与受电端间装设 一台多端统一潮流控制器( m - u p f c ) 。为了研究上的方便，论文主要以二湍统一 潮流控制器( t u p f c ) ( 当n = 2 时) 为研究对象，就其模型的建立以及控制器的设计 等问题进行了较为深入细致的分析讨论，提出了相应的实用模型和控制方案，并 通过仿真进行了研究。 由于舻u p f c 一般用于高压输电线，其功率等级要求很高。在综合研究大功率 变换器的基础上，本文选择了一种适合于m u p f c 的变换器基于二极管箝位的 多电平变换器，并对其拓朴进行了一些改进。 针对目前输出建模方法和拓扑建模方法的不足，通过引入开关函数的概念，本 文建立了t - u p f c 的可反映装置内部开关特性和运行机理的开关函数数学模型，较 原有输出模型更具有一般性。 构建了t u p f c 的动态模型，充分考虑了t u p f c 内部的调节过程，计及了 t u p f c 逆变器的调制过程以及直流电容的充放电过程。 本文将模糊神经网络( f n n ) 与改进遗传算法( i g a ) 结合起来用于t u p f c 的控 制设计。由于模糊神经网络不需要对象的准确模型，它以分布的方式存储信息， 利用网络的拓朴结构和权值分布实现非线性映射，在神经网络框架下引入模糊规 则，使网络中的权值有明显的意义，且保留了神经网络的学习机制。对权值的学 习采用改进的遗传算法，可避免b p 算法极易陷入局部最优值的缺点，以及传统 遗传算法存在的未成熟收敛的缺点。 系统仿真表明，在频率波动较大情况下，本文所设计的t - u p f c 能很好地抑 制后续摆的振荡，有效、快速地抑制系统后续摆的振荡，从而提高了系统的动态 稳定性。 关键词：多端统一潮流控制器，二端统一潮流控制器，模糊神经网络，传统遗传 算法，改进遗传算法 重庆人学硕一f ：学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t oc o n t r o lt h ec o m p l e xp o w e r se m a n a t i n gf r o mab u si np o w e rs y s t e m ，t h e r ea r e t w os o l u t i o n s t h eo b v i o u ss o l u t i o ni st oe q u i pe a c ho ft h enl i n e sr a d i a t i n gf r o mt h e n o d ew i t hi t so w nu 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 ) t h en e x te v o l u t i o no ft h e i d e ai st oe q u i pw i t ham u l t i t e r m i n a lu p f c ( m u p f c ) t os i m p l i f yt h er e s e a r c h ，t h i s t h e s i st r e a t st h et w o t e r m i n a lu p f c ( m u p f c ) ( w h e nn = 2 ) a st h ei n v e s t i g a t i v et a r g e t m a i n l y at h r o u g h o u ta n a l y s i sa n ds t u d yi sc o n d u c t e d t om o d e l i n ga n dd e s i g n i n go ft h e c o n t r o l l e rw i t ht h et u p f c t h er e l a t i v em o d e la n dc o n t r o lp r o j e e t sa r ep r e s e n t e da n d e x a m i n e db ys i m u l a t i o n t h em u p f cn e e d sh i g hp o w e rr a t eb e c a u s ei ti sg e n e r a l l yu s e di nh i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e s b a s e do nt h es t u d yo ft h eh i g h p o w e rc o n v e r t e r s ，as u i t e di n v e r t e r ( d i o d e c l a m p i n gm u l t i l e v e li n v e r t e r ) i ss e l e c t e d t h et o p o l o g yo f t h ed i o d e - c l a m p i n g m u l t i l e v e li n v e r t e ri sa l s oi n p r o v e di nt h et h e s i s as w i t c h i n gf u n c t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sd e v i c ei sc o n s t r u c t e d b y i n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to fs w i t c h i n gf u n c t i o n i th a sm o r eg e n e r a l i t yt h a nt h eo u t p u t a n dt h et o p o l o g i c a lm o d e lw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no f t h ei n t e r n a ls w i t c h i n gc h a r a c t e ra n d t h ep h y s i c a lc o u r s eo ft h e3 - 一u p f c t h ed y n a m i cm o d e lo ft h et u p f cw a sc o n s t r u c t e dw h i c hc o n s i d e r st h ep r o c e s s o ft h et u p f c si n t e r n a lm o d u l a t i o na n dc o n v e r t e r s ，t h e p r o c e s s o fc h a r g ea n d d i s c h a r g e o fd c c a p a c i t a n c e t h i sp a p e ra p p l i e sf u z z yn e u r a ln e t w o r k ( f n n ) b a s e do nt h ei m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h m ( i g a ) t ot h et u p f c b e c a u s ef n n c a l lb eu s e dw i t h o u tt h es p e c i f i cm o d e l o ft h eo b j e c la n di ts t o r e su s e f u li n f o r o t a t i o na sd i s t r i b u t e dm a m l e r ，w eu s u a l l ym a k e u s eo ft h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dw e i g h t so fn e u r a ln e t w o r kt or e a l i z en o n l i n e a r m a p p i n g ，w h i c h m a k et h o s ew e i g h t sf u l lo f m e a n i n g ，a l s or e s e r v et h et r a i n i n ga l g o r i t h m o ft h ei g a a si ti sk n o w n ，w eh o p et o g e tt h eu n i v e r s a lb e s ta r l s w e r ，s o i nt h e p r o c e s s i n g o fw e i g h tt r a i n i n g , w ea d o p ti g a t oa v o i dt h ed e f e c to fb p a l g o r i t h mw h i c h i sv e r ye a s yt og e ti n t ot h el o c a lb e s ta n s w e ra n dt h ed e f e c to ft h et r a d i t i o n a lg e n e t i c a l g o r i t h m ( t g a ) w h i c h i sv e r ye a s yt og e ti n t op r e m a t u r e c o n v e r g e n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ee f f i c i e n c yo ft h et - u p f cd e s i g n e di nt h i sp a p e r i tc a nd a m pt h es u b s e q u e n ts w i n g q u i c k l yu n d e rs e r i o u sp o w e r o s c i l l a t i o nc i r c u m s t a n c e t oe n h a n c et h es y s t e md y n a m i cs t a b i l i t ya p p a r e n t l y 重庆人学硕士学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ：m u l t i t e r m i n a l u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ，t w o t e r m i n a lu n i f i e d p o w e rf l o wc o n t r o l l e r ， f u z z y n e u r a l n e t w o r k ，t r a d i t i o n a l g e n e t i c a l g o r i t h m ，i m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h m u j 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 1 绪论 1 1 研究的目的和意义： 2 1 世纪的输电系统运行将承担更大的来自环境保护和电力市场等方面的压 力，这些压力所产生的需求可以概括为以下三个方面： 、增大输送能力的需求：一方面输送需求增大，另一方面建设减缩的局面使 得提高输送能力的需求更为突出。据估计，很多输电走廊都将运行于现有的稳定极 限附近； 、保持系统稳定的需求：近几年多次发生的灾变性重大电力系统事故给广 大供电区内的社会生活造成了严重的危害，直接影响了广大用户的正常用电。因此 如何在电力系统被迫更长距离输送更多电力的同时仍能保持系统的稳定，就成为 另一重要需求； 、优化系统运行的需求：因运行变化或电力市场所决定的功率输送的变化 次数快速增加，系统的控制变得更复杂，需要对整体系统的潮流进行优化。这种优 化需要在越来越大的地区内综合考虑系统全局运行的情况。 针对上述需求应运而生的灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m 简称f a c t s ) 从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、 间断及不精确的控制和优化技术措施的局面。f a c t s 装置为交流输电网提供了空前 快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力，同时可以确保系统稳定，并有 助于在事故时防止连锁反应造成的大停电结局。这项新技术在我国的研究和应用 将具有重要作用和显著效益。尤其我国大量的超高压输电和三峡联网工程以及全 国性的国家电力系统都将相继建设，其规划和决策都需要从现在开始进行，并且 已被列入电力部的重大跨世纪工程项目。从技术发展前景看，国外已有预测，认 为未来的输电网将成为实时控制的柔性化输电网，那时电力用户将不再遭受停电 和振荡的侵害。 作为最具有代表性的f a c t s 器件，统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf o w c o n t r o l l e r 简称u p f c ) 是一种兼有可控串联补偿、可控移相、静止无功补偿及 其综合功能的通用控制器。1 9 9 8 年世界上第一台u p f c 被安装在美国i n i z 地区 1 3 8 k v 的高压传输线上正式投入运行。它的成功运行被称作是f a c t s 技术发展的一 个重要里程碑。u p f c 可以综合或者分别控制有功、无功及电压，对于优化系统的 运行，提高系统的暂态稳定、阻尼系统振荡具有显著的作用。我国长距离输电线 路很多，电网结构相对薄弱，对这一技术进行研究具有重大的现实意义。 在电力系统中，由一端向多端供电的线路并不少见，如果要对其进行综合潮 重庆火学硕士学何论文 绪论 流控制，可以有以下2 种方式： 、在供电端与各受电端间分别装设u p f c ，假设受电端有n 个，则共需r l 台u p i j c ： 、在供电端与各受电端间装设一台多端统一潮流控制器( m u l t i t e r m i n a l u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o 1 e r 简称m - u p f c ) ，在某些文献中称为广义统一潮 流控制器( g e n e r a l i z e du n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r 简称g u p f c ) ，本论文 称之为多端统一潮流控制器m u p f c 。 多端统一潮流控制器是在以上第一种方式的基础之上演化得到的，将1 3 台u p f c 的f 1 个直流电容合成为1 个，将n 台u p f c 的1 3 个并联逆变器合成为1 个，即得到多端统 一潮流控制器的基本结构。所以说，一台1 3 端统一潮流控制器由n 个串联逆变器、1 个并联逆变器及1 个直流电容构成，相对n 台u p f c 来说，其经济效益十分突出。u p f c 有3 个控制自由度，即对供电端和受电端的无功功率的控制以及传输的有功功率的 控制；而n 端统一潮流控制器一共有2 n + 1 个控制自由度，即对供电端和受电端的无 功功率的控制以及传输到n 端的有功功率的控制，其功能比单台u p f c 更加强大，可 以同时控制n 条线路的潮流。加拿大的b a k a r im w i n y i w i w a 博士等学者对多端统一 控制器进行了深入研究，并制作了一台实验模型机验证了m u p f c 的可行性。”3 综上所述，对多端统一潮流控制器( m u p f c ) 的研究，不仅具有重要的理论意 义，而且具有良好的实际意义和应用前景。 1 2 灵活交流输电系统的综述： 所谓灵活交流输电系统，是指装有电力电子型或其它静止型控制器以加强系 统可控性和增加功率传输能力的交流输电系统。f a c t s 技术是和用现代大功率电力 电子技术改造传统交流电力系统的一项重大改革，被认为是2 1 世纪初可以实施的 技术改革措施，已成为当今发达国家电力界研究的热点。f a c t s 技术是基于电力电 子技术改造交流输电的系列技术，它可以对交流电的无功、电压、电抗和相角进行 控制，从而有效地提高交流系统的安全稳定性，满足电力系统长距离、大功率安全 稳定输送电力的要求。f a c t s 技术从根本上改交了交流电嚼过去基本上只依靠缓 慢、间断以及不精确设备进行机械控制的局面，为交流输电网提供了空前快速、连 续和精确的控制手段以及输送优化潮流功率的能力，同时保证了系统的稳定性，且 有助于防止事故发生的连续反应所造成的大面积停电。3 近年来电力电子技术的新成就( 如高电压大功率的电子开关器件晶闸管、门极 关断晶闸管和m o s 控制的晶闸管及其应用等) 为实现灵活交流输电创造了良好的条 件。目前，f a c t s 装置正在不断发展，主要有用于无功功率和电压控制的静止无功 补偿器( s v c ) ，用于控制潮流分布的晶闸管控制串联电容补偿器( t c s c ) ，用于控制 潮流和提高线路输送功率极限的静止移相器( s p s ) ，用于调节线路基本参数( 如电 2 重庆人学硕t 学位论文1 绻论 压、阻抗、相角) 以达到统一潮流控制目的的统一潮流控制器( u p f c ) ，用于提高丌 断速度和稳定性的固态断路器( s s c b ) 以及用于电能储备的超导储能( s m e s ) 等等。 f a c t s 装置改善电力系统运行行为的作用主要体现在以下几个方面：“1 、调节潮流： 改变线路的传输功率，即改变系统的潮流分布，可以调整的参数有端电压、线 路阻抗和功率角。利用t c s c 、u p f c 等可以改变线路的阻抗和功率角，有效地控制 有功潮流：利用s v c 和u p f c 可以向系统发出或吸收无功功率，有效地改变网络的无 功功率分布。与常规的串联补偿装置相比，f a c t s 装置的特点是调节速度特别快， 大大提高了系统运行的灵活性。 、抑制振荡： 电力系统中的低频振荡和次同步振荡极大地威胁着系统的安全运行。低频振 荡通常发生在重负荷、长距离的输电系统，目前主要的抑制措施有：励磁控制附加 稳定信号、直流调制、s v c 控制等。新型f a c t s 中的t c s c 为低频振荡控制提供了 新的手段。常规的串联补偿虽可降低线路等值电抗，提高功率传输电力，但在某一 频率下却有可能发生次同步谐振，而t c s c 的阻抗在很大一部分范围内呈现为感性 阻抗，大大减少了谐振的可能性。 、稳定控制： 电力系统暂态失稳在很多情况下是因为单一故障发生后切除部分线路，造成 某些线路严重过负荷，引发连锁跳闸，从而使系统失去稳定。如采用f a c t s 装置，利 用其快速可控性，可在系统紧急情况下迅速调整电力网络的潮流分布，使潮流向仍 有输电潜力的线路转移，这样可大大减少系统失稳的概率。 在f a c t s 技术的研究应用方面，我国还处在发展阶段，还不够成熟。目前，三峡 电网工程正在紧张进行，四川电网与华中电网及华东电网联网已经实现，这就需要 我们能够做到较大范围内的水、火电补偿和跨区域调节。此外，还有一批联网工程 在积极筹划或实施中，预计2 0 1 0 2 0 2 0 年问中国将实现除西藏、台湾以外的全国 大联网的态势。联网后带来的电网运行控制问题将会十分突出，因此，我国对f a c t s 技术有着更大的渴望和需求。 1 3 统一潮流控制器的研究现状： 统一潮流控制器作为最有力的f a c t s 设备之一，可以对有功、无功和电压分别 进行控制，这对于优化系统的运行、提高系统的暂态稳定性、阻尼系统的振荡具有 显著的作用。我国长距离输电线路很多，电网结构相对较薄弱，对u p f c 这一技术进 行研究其意义尤为重要。u p f c 是m - u p f c 的基础，所以有必要了解u p f c 的国内外 研究现状。目前，对于u p f c 的研究大致可以归纳为以下5 个方面：、物理装置 重庆大学硕十学位论文 绪论 设计方面的研究；、数学模型建立方面的研究；、潮流汁算方面的研究；、 控制器设计方面的研究；、u p f c 在电力系统中的应用方面的研究”1 。以下是与 本论文相关的方面国内外的研究现状： 1 3 1 物理装置设计方面的研究： 由于用于输电线的u p f c 的功率等级非常高，受半导体开关器件功率等级的限 制以及为了减少变换器装置输出的谐波，传统的两电平变换器已经不是好的选择， 因为它需要采用功率开关的串并联来提高功率等级，但串并联的均压均流问题需 要大量的辅助电路，增加了控制难度，而且这种变换器的谐波性能差。另外，为 了提高大功率变换器的效率，必须使半导体开关的开关频率较低，因为开关损耗 在总损耗中占很大比例。所以，在大功率应用场合，如何降低变换器的等效开关 频率，减少半导体开关所承受的反向关断电压，是非常关键的问题”3 。有很多f a c t s 元件采用变换器作为主电路结构，如无功功率发生器( s v g ) ，有源电力滤波器 ( a p f ) ，统一潮流控制器( u p f c ) 等。因此，研究大功率变换器不仅适用于u p f c ， 而且适用于s v g 、a p f 、大功率变频调速器以及大功率u p s 等电力电子装置。 中点箝位的三电平变换器是目前广泛采用的基本变换器，它不但在功率等级 和谐波性能上优于传统的两电平变换器，而且可以把多个三电平变换器组合成多 重化变换器或多级并联变换器，并可根据其基本原理扩展为多电平变换器。文献 1 4 ，1 5 中提到利用曲折变压器对变换器进行串并联，使多个具有不同相移的输 出波形相叠加，形成阶梯波，即多重化方法。多重化连接有以下优点：避免了器 件并联时的均流问题、增大了装置的容量、谐波性能好。然而，多个g t o 串联运 行的关键问题是均压问题，因此，当开关装置串联时，其电压等级的实际利用率 很低；另外，在高电压、大功率应用中，曲折变压器将在整套装置的体积和成本 中占很大部分。文献 1 6 2 0 引入了多电平变换器的概念，多电平变换器有3 种 典型拓扑，即二极管箝位型、飞跨电容型和级联逆变器型。它们的共同特点是： 每个开关管承受的关断电压仅为变换器整个直流侧电压的一部分，因此可以提高 直流侧电压从而增大装置的容量，不会出现用串联开关来提高电压等级时存在的 开、关过程的均压问题；这三种变换器输出电压波形有多个电压台阶，更接近正 弦，故变换器谐波性能好；并且变换器的等效开关频率减少，减少了电磁干扰， 降低了半导体开关对散热的要求。 1 3 2 数学模型建立方面的研究： u p f c 装置投入实际运行后会对电力系统的潮流和稳定控制会产生什么样的影 响是在研究中必然要涉及的问题，而这些只能通过潮流与稳定计算得到，因此研 究u p f c 的稳态模型和动态模型是非常重要的。系统的数学模型是描述其静态和动 态特性的信息集合，是分析和综合系统的基本出发点。目前，u p f c 的建模方法主 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 要有拓扑建模法和输出建模法。拓扑建模法主要根据装嚣在不同运行状态卜不同 的拓扑结构分析写出其微分方程，按整个装置具有多少种拓扑结构以及拓扑结构 的转移顺序依次求解对应的微分方程组，从而求出装置的解析方程。用这种方法 所建立的模型的复杂程度将随开关数的增加呈指数增长，不易形成模型的统一表 达式。输出建模法则较简单，它通常将装置等效为一个电流源或电压源外接阻抗， 再考虑装置本身的一些约束条件，从而得到一组联立方程，文献 7 将u p f c 的并 联控制与串联控制等效为2 个电压源，文献 8 将u p f c 的并联控制和串联控制等 效为一个电流源和一个电压源，文献 9 将u p f c 的并联控制和串联控制等效为两 个电流源和一个电压源。除了电压源模型外，文献 1 0 中还介绍了可用于u p f c 潮 流计算的阻抗模型和变压器模型。但输出建模法忽略了u p f c 装置的内部信息。文 献 1 1 ，1 2 ，1 3 则根据l i p f c 的电路结构，引入开关函数的概念，建立了u p f c 的 稳态模型。 1 3 3 控制器设计方面的研究： u p f c 能够快速调节线路潮流和控制节点电压，可以改善系统阻尼，提高电力 系统的稳定性，而这些必须依耐于u p f c 的可靠有效的控制系统。为了详细了解其 控制策略，应该涉及整个f a c t s 装置的控制策略。根据控制器设计过程对信息提 取和综合过程的不同，可将f a c t s 装置的控制策略分为以下几类叫1 ： 、【线性最优控制】 它是目前诸多现代控制理论中应用最多，最成熟的一个分支。文献 2 2 、2 3 j 均 采用了该控制策略。但线性调制控制器的参数是基于系统某一运行工况的线性化 状态方程设计的，这使得线性调制控制器对系统工况变化的适应性差，在非线性的 电力系统中对大干扰的控制效果不理想。 、【非线性系统反馈线性化方法】 该方法以包含f a c t s 元件的电力系统非线性数学模型为基础，通过对系统非线 性因素的精确处理，将原系统变换成线性系统，然后结合线性系统的控制方法，如 二次型最优控制等，来设计满足电力系统要求的f a c t s 元件稳定控制器。文献 2 4 、 2 5 均采用了该控制策略。但对于控制变量多，控制规律复杂的u p f c 、m u p f c ，采 用该控制策略很难得到满意的控制效果。 、【变结构控制】 变结构控制主要解决系统的镇定问题即寻求控制使原点渐进稳定。变结构控 制能对电力系统这- 二l l s 线性大系统实现有效的降阶处理，在参数不精确的情况下 设计所得的控制器具有简单的算法和较强的鲁棒性以及良好的动态品质。文献 2 6 结合主导特征值位移法和变结构控制理论，提出了一种新的基于部分状态反馈量 的变结构系统设计方法，并依据这种方法设计了u p f c 的控制系统。 重庆人学硕十学位论文 绪论 、【h ”鲁棒控制】 该控制理论在设计过程中考虑了数学模型所具有的不确定性误差，假设模型 频率特性与实际被控对象的频率特性，或者模型参数与实际对象的参数具有一定 范围的偏差，然后用解析的手段设计控制器使得系统对这一误差范围内的所有被 控制对象均能满足理想的特性要求。文献 2 7 在电力系统中运行点线性化的模型 基础上，基于混合灵敏度h ”最优控制理论，利用部分极点配置技术，给出一种p s s 的设计方法。该稳定器能在较大的电力系统运行范围内向系统提供充分的阻尼，抑 制振荡，提高系统稳定性。但是h ”控制方法不能顾及信息类型，为此可在h 。鲁棒 控制中引入u 综合及自适应控制对h “控制进行修正。文献 2 8 利用u 分析对p s s 的鲁棒性进行了评价。文献 2 9 构造了多机系统中应用奇异值理论进行鲁棒稳定 及控制分析的结构。 、【智能控制】 该控制方法包括模糊逻辑控制、人工神经网络控制、专家系统控制等。文献 3 0 基于单机无穷大系统将神经网络n 阶逆系统控制策略用于t c s c 的控制。文献 3 1 用递归神经网络的动态映射能力，将递归神经网络应用于新型a s v g 的控制中， 根据系统不同的运行点，构造了a s v g 多目标递归神经网络监督控制器。文献 3 2 、 3 3 应用模糊技术，设计了u p f c 的模糊调制控制器，以抑制互联电力系统联络线功 率振荡，改善系统的动态稳定性。 、【综合智能控制】 综合智能控制是各种智能技术和控制方式的综合，其综合性一方面体现在智 能控制与现代控制方法的结合，如模糊变结构控制、自适应或自组织模糊控制以及 神经网络变结构控制等：另一方面也体现在各种智能控制方法之间的交叉综合，如 专家模糊控制、模糊神经网络控制和专家神经网络控制等。文献 3 4 提出用神经 网络控制器实现大偏差范围内的解耦控制，由p i d 控制实现小偏差时的快速稳定并 消除静差的控制方式。文献 3 5 采用了一种自适应模糊神经网络控制方法，该文 作者提出以下观点：模糊控制系统可以直接对专家所积累的经验、知识进行编码， 然后将所得编码结果放入一个模糊矩阵中。但是，模糊系统综合定量知识的能力很 差，一张较理想的模糊控制表必须通过反复精心的整定才能使用，而且由于档级有 限，往往造成控制精度不高。另外：由于模糊规则一旦确定下来就难以改变，当对象 参数随着环境的变化而发生漂移时，它的良好性能就得不到充分的发挥，模糊控制 器对某些参数变化的不敏感，只能说明其具有鲁棒性，而不能认为它具有自适应能 力。该文将模糊化和反模糊化均用神经网络来实现，并与规则推理组成一个多层神 经网络，借助神经网络十分巧妙的信息存储结构来实现模糊控制。通过神经网络的 自学习性能使得模糊规则及隶属度在控制过程中自动地修改、调整，消除了由于 重庆人学硕十学位论文 1 绪论 受控过程的非线性、时变性、随机干扰、对象模型不确定性等因素，造成原有模糊 控制的不适合和不完整，从而使系统的控制功能不断完善，达到预期控制效果。 目前，模糊神经网络控制一般采用反向传播( b a c kp r o p a g a t i o n 简称b p ) 的 学习算法，由于b p 算法是局部寻优的方法，易陷入局部极小值。文献 4 6 、4 9 引 入全局寻优的遗传算法取得了良好的控制效果。但是传统的遗传算法又存在未成 熟收敛的缺点，本文引入改进的遗传算法，建立了基于改进遗传算法的模糊神经 网络控制器用于m - u p f c 的潮流控制。 1 4 多端统一潮流控制器的研究现状： 目前，对多端统一潮流控制器的研究还很不完善，相关的文献很少，国内的研 究更少( 仅在文献 4 0 、4 1 中提到g u p f c 的概念) 。文献 1 、2 介绍了多端统一潮 流控制器的工作原理，对使用m - u p f c 与使用n 台u p f c 这两种情况作了比较分析， 同时，作者制作了一台多端统一潮流控制器的实验模型机，其实验波形验证了 m u p f c 的可行性。文献 3 7 、3 8 给出了适用于最优潮流分析的多端统一潮流控制 器的数学模型，并且介绍了一种可用于多端潮流控制器的基予非线性内点法的最 优潮流算法，同时在i e e e 一3 0 和i e e e - - 1 1 8 母线测试系统上进行了数字仿真研究。 文献 3 9 给出了多端统一潮流控制器的基频模型，并且将其应用于测试系统中， 测试结果验证了m - u p f c 强大的控制功能。对于多端潮流控制器的控制策略，在目 前的文献中一般采用p i 控制，但是对于斛一u p f c 这样具有多个串并联逆变器的 f a c t s 装置，其控制变量比u p f c 还要多，控制规律比i j p f c 还要复杂，所以传统的 控制方法( 如线性、非线性控制等) 已很难达到其控制要求，只有寻求更加完善 的控制策略，这是该领域的一大空白。文献 4 2 中提到的自适应模糊神经网络控 制方法结合了模糊控制与神经网络的优点，非常具有发展前景。 1 。5 本文的主要工作： 本论文以多端统潮流控制器, i - u p f c 为研究对象，重点进行以下几方面的研 究： 、在变换器理论的基础之上，结合m - u p f c 自身的特点，选择一种适合于 m u p f c 的变换器： 、在现有u p f c 建模方面的研究基础之上，建立m - u p f c 的稳态和动态模型； 、设计适合m - u p f c 的基于改进遗传算法的模糊神经网络控制器； 、用m a t l a b 软件对本文设计的m - u p f c 控制器进行详细的仿真研究。 重庆人学硕士学位论文 2 多端统一潮流控制器的主电路结构 2 多端统一潮流控制器的主电路结构 2 1 引言： 多端统一潮流控制器的电路结构主要以三相全桥或三组单相全桥的形式为基 础，采用半导体开关器件构成逆变电路，再通过变压器耦合接入系统。多端统一 潮流控制器的应用场合主要是2 2 0 k v 以上的输电线路，这个特点决定了多端统一 潮流控制器并联侧耦合变压器的原边具有高电压、大容量的特点；而串联侧耦合 变压器的原边具有大电流的特点。 目前，许多国外生产厂商已能提供额定值为6 0 0 0 v 6 0 0 0 a 的门极可关断晶闸 管( g a t e t u r n o f ft h y r i s t o r 简称g t o ) ，而绝缘栅双极晶闸管( i n s u l a t e d g a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r 简称i g b t ) 的研制水平也已达到3 3 0 0 v 1 2 0 0 a 。但即便是这 样，在某些应用场合，传统的两电平电压源变换器仍然不能满足人们对高压、大 功率的要求。况且，采用代表展高工艺水平的大容量功率器件对电力电子装嚣的 成本也是一个很大的挑战。所以人们还是希望能够采用相对较小功率的器件通过 适当的电路拓扑和控制方法，实现高压大功率变换。基于这样的考虑，研究者们 提出了各种解决方案，归纳起来大致可分为以下四类：“” l 、功率器件的串并联技术： 这是一种最简单和最直接的方案，为了用小功率的开关器件实现大功率变换， 将器件串联以承受高压，将器件并联以承受大电流。但是，由于功率器件参数的 离散性，需要复杂的动静态均压电路和均流电路。这样会导致系统控制复杂，损 耗增加。同时。对于器件串并联，驱动电路的要求也大大提高，要求延迟时间接 近，并尽量短。在关断过程中，由于恢复性能的差异，数量众多的吸收电路也是 必不可少的，从而降低了系统的可靠性。并且这一方案对输出电压谐波改善没有 任何贡献，因而应用范围受到了一定的局限。近年来，随着器件功率水平的不断 提高，这种方法的应用范围逐步缩小。 2 、多重化技术： 为了用较小容量的功率器件实现大容量的功率交换，还可利用多重化技术。 所谓多重化技术，就是以多个小功率变换器在其输入或( 和) 输出端通过变压器 串联或并联，各个变换器以相同频率不同相位工作，从而达到系统的高功率运行 和输入、输出谐波改善的目的。以三相电压型逆变器输出多重化为例，在由n 个 三相变换器组成的系统中，每个三相变换器的输出电压为交流矩形波。若相邻变 换器输出电压相位差为”( 3 n ) ，通过适当选取输出变压器变比和副边绕组的连接 方式，可在输出端得到6 ( n 1 ) 阶梯波，使得输出电压仅含有6 k n l ( k 为整数) 重庆人学硕士学位论文2 多端统一潮流控制器的主叱路结构 次谐波，其余谐波相互抵消。因而，在扩展系统容量的同时，改善了输出电压波 形，减小了谐波含量，减低了正弦失真度。但是，多重化技术的最主要不足之处 在于：需要特殊设计的输入、输出变压器，它不仅增加了系统的成本，降低了系 统的效率，而且当变换器的数目增多时，变压器的设计将非常困难。 3 、组合变换器相移s p w m 技术： 组合变换器相移s p 嘲技术的基本思想是：在一个由1 1 个模块( 每个模块是一 个普通的两电平变换器) 组成的系统中，所有模块采用相同的调制波，但相邻模 块的三角载波相位相差2n ( n k 。) ，( 其中k 。为三角载波与调制波的频率比) ，这一 相位差使得各模块所产生的s p w m 脉冲在相位上错开，从而使各模块最终迭加输出 的s p 删波的等效开关频率提高到原来的n k 。倍，因此可在不提高开关频率的条件 下，大大减小输出谐波。由此可见，相移s p w m 组合变换器从广义上浣，也是一种 多重化，不同于前面所述的输出电压多重化，这里采用的是三角载波的多重化， 因而简化了输出变压器的设计。相移s p w m 组合变换器的优点为：可采用开关频率 较低的大功率开关器件，实现等效的高开关频率输出，开关损耗低，输出谐波含 量小，减小了输出滤波元件的尺寸和容量，简化了变压器的设计。缺点是并没有 减小功率器件的电压应力。 4 、多电平变换器技术： 一般认为，现在通称的多电平变换器的概念最早是由同本长岗科技大学的 a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a 8 年会上提出的。该电路用两个串联的电容将直流母线 电压分为三个电平，每桥臂用四个开关管串联，用一对串联籍位二极管和内侧开 关管并联，其中心抽头和第三电平连接，实现中点箍位，形成中点箝位变换器。 在这个电路中，主功率管关断时仅仅承受直流母线电压的一半，所以特别适合高 压大功率应用场合。1 9 8 3 年，b h a g w a t 等人在此基础上，将三电平电路推广到任意 n 电平，对多电平电路及其统一结构作了进一步的研究。这些工作为高压大功率变 换器的研究提供了一条崭新的思路。但是，在多电平变换器概念提出的最初几年， 它并没有受到更多的关注，其原因在于，多电平变换器特殊的电路拓朴，无论对 功率器件还是控制电路的要求都较高，因此直到八十年代末，随着g t o 、i g b t 等 大功率可控器件容量等级的不断提高，以及以d s p 为代表的智能控制芯片的迅速 普及，关于多电平变换器的研究和应用才有了迅猛的发展。 以下将分别介绍多重化技术以及多电平变换器技术，通过比较分析选择适合 多端统一潮流控制器的变换器。 2 2 多重化技术： 多重化技术是利用工作变压器原、副边绕组的连接技术，把两组以上的逆变 重庆人学硕士学位论文2 多端统潮流控制器的主电路。构 器有机地结合起来，达到升压或升流的目的以提高容量。将几组逆变器采用多重 化技术连接，可以使单组逆变器的输出电压为方波时，整个控制器经过耦合变压 器原边接入系统侧的输出电压为阶梯状的近似正弦波“。 图2 1 为五阶梯三重化电路逆变器的主电路图及其变压器绕组接线图。逆变 电路中共有3 6 只开关器件，组成1 8 对。k 。k 。开关器件对构成逆变器1 ，k 2 ，k 。 开关器件对构成逆变器2 ，i ( = l l k 。开关器件对构成逆变器3 。整个逆变电路中的每 对开关器件每问隔9 电角度，按k 。一k ：一k 。一k 。一k ：一k ：一k 。一k ? 。一k 。 的顺序依次触发导通。 逆变电路每相的输出波形示意图如图2 2 所示。 当直流电容器的电压为u 时，整个三重化逆变电路的输出电压为： 屹= 鬻c o 舛；l _ ( 删一警 + s i f ( 删一号 “如缸) + s i 扭 图3 6 开关函数平均值j “的基频分量4 ， f i g 3 6 f u n d a m e n t a lc o m p o n e n t ( 一i ) o f t h ea v e r a g es w i t c h i n g f u n c t i o n ( 孑) 结合式( 3 1 0 ) 、( 3 1 6 ) 、( 3 3 6 3 3 9 ) 有： = 砖屯+ 堡笋c 。sc a t 一6 1 ) + 芝1v 。= 凡屯+ 4c 。s 研+ 芝1v 。 ( 34 。) 其中： 一三 a j - 訾，o i = 烈也 则式( 3 8 ) 变形为： 掣= 一( r r l + r s ) u - a c o s o l + 州 也+ 则矩阵方程式( 3 2 7 ) 变形为： z x = a x + c 其中： x = k hi 镕i ti m t j 8i j ci “i 。8i y ? c ￥ ( 3 4 1 ) ( 3 4 2 ) ( 3 4 3 ) ( 3 4 4 ) ( 3 4 5 ) 重庆大学硕士学位论文 3 多端统一潮流控制器的数学模型 z ： 8 = 足+ 马= 乓+ 骂，最= 马+ 焉。 c ： 屹一e m 一e y 一e h 一e 。 v m e m 一e “ 一e 。 一e ，一e “ o 。= 牛c 。s 沏一一) ( f 吐眦) = 警c o s ( 国t - 8 , - 引一k ) ( 3 4 6 ) ( 3 4 7 ) ( 3 4 8 ) ( 34 9 ) ( 3 5 0 ) ( 3 5 1 ) o o o o 0 o o o o g o o o o o o o o k o o o o o o o o k o o o o o o o o k o o o o o 0 o 0 b o 0 o o o o o o o o o o o o o o o b o o o o 0 o o o k o 0 o o o o 0 0 k o o 0 o o 0 o o r o o o 0 0 o o 0 o 。o o。o。氓 o 。o o o。吨。如。o。氓。o磁 o o o o o 啦o o o 酝 o o o o 吗o o o o 岛 o o o 冯o o o o o o o 嵋o o o o o o 蚝 。嵋o o o o o o o 翰 遗o o o o o o o o r；il，ll_1iilllll，lifqill 里堕丛堂堡主堂堡堡塞 ! 童塑竺二塑塑兰堡塑塑型篓兰! ! 坠 耻华c o s ( 1 0 t - 8 ，+ 詈丌 ，) 郜。s p ；却。书一警) ； 令： i 柏c = k 。l i 删+ k 。2 i 椰+ k 。3 i 。c 如= ，j ，k ) ( 3 5 4 ) 则式( 3 2 6 ) 变形为： c d 掣“一x 虻 慨确， 综合式( 3 4 4 ) 与式( 3 5 s ) ，可得出二端统一潮流控制器t - u p f c 的稳态数学模 犁如图3 7 所示。 图3 7 = 端统一潮流控制器的稳态数学模型 f i g 3 7t h e s t ta d y - s t a t em o d e lo f t h e t - u p f c 3 5 二端统一潮流控