（电力电子与电力传动专业论文）静止同步串联补偿装置的智能pie控制研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t j q t h ep a p e rf i r s ts t u d i e st r a n s m i t t e d p o w e rv e r s u s t r a n s m i s s i o n a n g l ec h a r a c t e r i s t i c ， c a p a b i l i t yt oe x c h a n g ea c t i v ep o w e ra n di n m m n i t yt or e s o n a n c eo f s t a t i cs y n e l u - o n o u ss e r i e s 一、c o m p 。“s a i 。r ( s s s c ) b a s c d 。“i t s s l c 8 t ym o d c i ，a ”dd 1 8 。“s s e 3n m c a p a b i i i i yl o 。o “”0 1n 。i i v 。锄d r e a c t i v e p o w e r b ym e a n so fv e c t o ra n a l y s i s ，d y n a m i c m o d e lo fs s s ci sd e d u c e di nd q o r t h o g o n a l c o o r d i n a t ew i t h i n s y n c l w o n o u s l yr o t a t i n g r e f e r e n c e f r a m e ，a n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c si s i n v e s t i g a t e d t ot r a n s f u r m av o l t a g e c o n t r o l p r o b l e mt o ac u r l m l l t c o n t r o l p r o b l e m ，ac u r r e n t - c o n t r o l l e dv o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r ( c c v s l ) i sc o n s i d e r e d ，m a dap o w e r f l o w c o n t r o l l e rb a s e do np ic o n t r o la l g o r i t l u ni sd e s i g n e di oi m p r o v ed y n a m i c so f c o n t r o ls y s t e ma n d i m p l e m e n tc l o s e d - l o o p c o n t r o lt oa c t i v ea mr e a c t i v ep o w e r t op r o m o t e a d a p t a t i o nm i dr e b u s t ，a s e l f - t u n e dp ip o w e rc o n t r o l l e rb a s e do i lf u z z yi _ i l l ei s p r e s e n t e d s i n m l a t i o n sp r o v ei t f u r t h e r i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o f p lc o n t r o l l e r , a n de n h a n c e st h e c a p a b i l i t yo f s s s c t oc o n t r o lp o w e r k e y w o r d sf a c t s ，s s s c ，v s i ，f u z z yc o n t r o l l e r , s e l f - i u n e dp ic o n t r o l l e r , p w m 湖南大学硕士学位论文静止同步串联补偿装置的智能p i d 控制研究 2 第一章绪沦 第一章绪论 1 9 8 6 年，美国电力科学研究院的著名i 乜力专家n g h i n g o r a n i 博士提山了 柔性交流输电系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 。简称f a c t s ) 的概念。 与电力系统传统的阻抗控制元件、功角控制元件、电压控制元件相比，具有 快速调控有功、无功能力的f a c t s 控制器对系统暂态过程及事故后系统的恢 复具有快速、灵活的调节能力，它可以在刁；改变网络结构的情况下，使网络 的功率传输能力以及潮流和电压的可控性大为提高，为电力系统的稳定提供 了强有力的控制手段。因此，f a c t s 技术一经提出就立即受到各国电力科研 院所、高等院校、电力公司和制造厂一家的重视。许多国际学术组织( 如c i g r e ， i e e e ，e p r i ，i e e 等) 设立了委员会或工作组开展工作相继召开了国际性 和地区性的专题会议，交流f a c t s 技术并促进其发展。f a c t s 控制器不断扩 大，目前已发展到数- | | 种，近儿年提的静州司步水l 洪补偿器s s s c l 2 i ( s t o i c s y n c h r o n o u s s e r i e sc o m p e n s a t o r ) 、电胍源矩i j j i i 变换器v s m c i m ( v o l t a g es o u r c e m a t r i xc o n v e r t e r ) 使f a c t s 概念更加丰富，相问功率控制器i p c i 4 ( i n t e r p h a s e p o w e rc o m r o l l e r ) 的投入使用也打破了h i n g o r a n i 博士当初定义的“基于晶闸 管”的界限( i p c 无须使用电力电子装置) 。国内外些较权威的输电技术研 究者坪l l i l 作组顶测确定f a c t s 技术( 包牺系统应刚技术及其控制器技术) 以 及先进的e m s 技术、综合自动化技术为“术来输电系统新时代的三项支撑技 术”1 4 1 。 我国从八十年代初开始引进s v c ( 一种f a c t s 装景) 用于5 0 0 k v 的交 流输电网上l s l 【6 l ，九十年代开始研究f a c t s 装置。十五期问，我国将进一步 加强电网建设，推进全国联网。我国的电力- i i j u , 将从火机组、大电厂、大电 网、超高压、自动化发展阶段，逐步推进跨人区联网和推进全国联网的新阶 段，并预计在2 0 1 0 年左右进入全国联网和国际联网的电力系统发展的高级阶 段。 i u 力系统的日盗膨人和复杂化，列l u | 取】技术的进步羽l i u 力储备提山更高 的要求，而f a c t s 控制器可列影响电力系统运行的参数( 电压、阻抗、传输 角) 进行快速、精确的控制，从而对其潮流变化、功率流向、输送能力、阻 湖南大学硕：l 学位论文静止同步串联补偿装置的智能p i d 控制研究 i o - 第。帝绪沦 尼振荡以及防止事故扩人等多方1 6 i 运行性能的改进和提高具有巨大功能，因 此，f a c t s 技术及控制器必将在未来的电力系统中发挥重要的作用和有着广 泛的应用前景，对于f a c t s 技术发控制器的研究也就有着深远的意义。作为 f a c t s 器件的一种，静止同步串联补偿器( s s s c ) 以其新颖的结构和独有的 特性得到人们的日益重视，成为目前广泛研究的f a c t s 装最之一。 第一节柔性交流输电系统( f a c t s ) 概述 柔性交流输电系统( f a c t s ) 是指运川u 力f u 予型和其它静止型控制器 以加强可控性和增火电力传输能力的交流输i 乜系统l ”。f a c t s 技术足综合了 电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于控 制交流输电的新技术。所谓“柔性控制”主要是区别于常规的“刚性控制” 而言。常规控制依赖于机械型或机电型装置，实现的是有级控制，而且调节 次数有限；柔性控制主要依靠i u 予型装置，占小仪可实现连续快速的控制， 而且与前者更重要的差别在。j 二其控制作j l j 的精确性、鲁棒性( 柔韧性) 和有 效性等性能。 1 1 1f a c t s 技术的产! i ：背娥 ( 1 ) 解决电力输电网运行和发展中各种困难的客观需要 已有的交流输电网c i 普遍有着分极控制、动态响应慢、可控性差的特点。 由于输电网缺少快速控制手段功率分布t 佝自i i j 湖n , , t l 负荷变化很大，在 功率输送过程中常造成“功率饶送”和“功率倒流”情况。此外。还有大量 输电受限制的“瓶颈”环节。同时。负荷和电力市场的需求以及环境问题的 日益严峻，新建能多送电力的输电线更加困难等原因，使已有输电线的负担 日益加重，输送能力不足的矛盾日益突出。输送能力主要受制于暂态稳定或 动态稳定极限，因此，对提高输送能力的有关技术措施的需求也口益紧迫。 ( 2 ) 电力电子技术及相关技术的发展 电力电子技术及元器件是在半导体问世后才发展起来的。以器件特征为 依据，可将其分为传统的f l _ i 力r f l 予技术和现代电力电子技术两各阶段。前者 以半控型电力半导体器件( s c r ) 为核心，带动了整流领域的飞速发展；后者 以全控型器件( g t r 、g t o 、功率m o s f e t 、1 g b t 、s i t 等) 为核心，带动 湖南大学硕士学位论文一舯l j ：同步巾联朴偿装置的槽能p i d 控制研究 2 第一章绪论 了逆变领域的飞速发展。 同时，通信技术、微电子披术、计算机技术、控制技术的发展也为f a c t s 技术的产生提供了技术基础。 f a c t s 技术正足在这种背景f 产生的。f a c t s 作用主要体现在提高了输 电网潮流流向的控制能力以及输电线输送能力两个方面，具体表现为： a 较犬范围地控制潮流使之按指定蹄经流动： b 保证输电线的负荷u 以接近热稳定极限义小过负荷t c 在控制的区域内可以传输更多功率，减少发电机的热备用； d 依靠限制短路和设备故障的影响来防止线路串极跳闸； e 阻尼系统振荡。 可以说，f a c t s 技术可多方面地提高交流输电系统的可控性能，除可保 留交流输电原有的技术优点( 设备相对简单。具有维持电网并列运行不可缺 少的同步功率，便于接入t i 一问地区系统以及易j ：实现系统互连等) 外，还可 扩大具有原属于直流输 u 的螳技术优点。盘便j 二定向输电具有快速而精 确调节运行状态的能力，甚至可异步联网( 或准异步联网) 和突破原来水下 或地下输电采用交流时的长度限制等。 1 i 2f a c t s 控制器的分类1 6 i f a c t s 控制器足可控制一个或多个交流输电系统参数的电力电子型或其 它静止器件型设备州。f a c t s 概念的提山首先是基于电力电子器件，并陆续 出现了多种f a c t s 控制器，从最初的s v c ( 静 ：无功补偿器) 到最近的i p c ( 相间功率控制器) ，f a c t s 控制器也由机械型或机电型控制器发展为快速电 子型控制器，控制器件除采用电力电子器件还扩展为采用其它静止型器件。 各种f a c t s 控制器都具有提商交流输l 乜线和电网控制性的共同功能，但 其安姨地点并不一定全在输i 【l 系统：f ：。按e 蜜城地点不同1 盯分为输u 型、发 电型和供电型3 种类型4 j 1 6 1 1 8 i i ”，如图1 - 1 所示。 a 发电型控制器： 安装于发电厂内兼作用于输电网的f a c t s 挖制器主要是调节发电机的特 性。 b 配电型控制器； 在配电网中，f a c t s 控制器的作用主要是补偿电力电子型装童以及其它 湖南大学硕士学位论文舯上i - 同步巾联补偿犍置的智能p i d 控榭研究 3 第一章绪论 非线性装置对配用电系统产啦的影响( 例如负荷1 0 i 线的变化和控制、商次 谐波和高频噪音污染、受端i u 堆稳定性问题以及功率和i i _ l 压的突变或闪变现 象等) ，从而保证输电网的可靠性、稳定性剐i u 能质量。 链l 乜姒 控制器 f a c t s 控制器 输i “诅 控制器 1 j i 也，舛 控制器 静态快速励磁系统 ( p s s l o e c n o e c ) 可控电制动( t c b r ) 可调速发电机( a s g ) 飞轮变速机组( f w g ) 超导储能器( s m e s ) 静止无功补偿器( s v c ) 静止无功发生器( s v g ) 可切换串联补偿器( t s s c ) 可控f | 1 联补偿勰( t c s c ) 可控移棚器( t c p s ) 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 静止同步串联补偿器( s s s c ) 统一潮流挖制器( u p f c ) 有源滤波器( a p f ) 微型储能器( s s e m s ) 短路电流限制器( f s c c l ) 川户电力型控制器 ( c u s p o w ) 图1 if a c t s 控制器的分类 c 输电型控制器： 直接作用于输电网的f a c t s 拦制器火多以自己的输出环节直接串联或并 联在高压输电线或电网上，以对其进行快速凋节控制。图1 2 中给出了目前主 要输电型f a c t s 控制器的控制作用。 在基于晶闸管阀的f a c t s 控制器中，s v c 和s v g 并联于输电线上，能 调节输电电压it c s c 、t s s c 串联1 二输哇三线l 。可调：博线路阻抗；t c p s t 串 联】：输f l 王线上，可调1 ，输送助们；t c i p c i i ：) 8j ：输i 【l 线l ，可凋”博线路| ；f l 抗 和输送功角。 湖南大擎硕士学位论文静止同步帛联补倦姨置的智能p 1 d 控制研究4 第一帝绪沦 与前者相比，基于同步电压源的控制器有着优越的性能( 不仅可无功补 偿，还可有功补偿) 、统的适，h 忭、更小f 内装罱及潜在的更低造价的特点1 1 0 i 。 么卤 么焉 亍呻 基于同步电爪源的控制器 耩1 二品闸管的控制器 圈1 - 2 主要输电型f a c t s 控制器功能示意图 其中，s t a t c o m ( 又称a s v g ) 与线路，f ：联，可控制线路电压l 训1 11 】- 【协1 l s s s c 与线路串联。可控制线路有效阻抗；u p f c 由一个s 1 觚c o m 霹1 1 - - 个s s s c 组成，中间由直流环节相连1 1 7 j m i ”。它可同时控制线路电压、线路阻抗及控制 功角，也可有选择的控制线路参数，实现对剐流的控制，因此，u p f c 被认为 是最具有创造性，且功能最强人的f a c t s 设符l l i 。将u p f c 扩展为广义u p f c ( 即i p f c ) ，可在多路输电线间补偿有功的不平衡或增大动态电压支持能力。 湖南大学硕士学位论文静l 匕同步串联补偿裟置的智能p i d 控制研究 5 饥- 杠晰涂 1 p f c 利用每条线上的s s s c b 补，这些s s s c 的直流侧是连在一起的，在独 立控制无功的同时，可实现在补偿线路之问传输有功功率，以达到柔性控制 f l _ l 网潮流的目的。它可为有多路输i i i 线的变i u 站或电网提供高效功率传输管 理，标志着f a c t s 的控制对象从交流输r u 线扩展到交流i 乜网1 2 ”。 1 1 3f a c t s 的应用现状 实际上，属于f a c t s 控制器的s v c 打! 一十1 i i = 纪七十年代后期就开始 现，并用于输电线上的电压控制利提高系统的稳定性i7 。目前，s v o 已在全 世界范围内得到应用。对于已在研究、试制或应川的f a c t s 控制器按其技术 成熟程度可划分为3 类i 7 1 ，第一类是已在应用并可商用供货的，如s v c 、 s t a t c o m 、t c s c 、t s s c ：第二类是兀三在研制开发并付诸应用实验的。如 u p f c ；第三类足川) i ：始砌f 究设汁，义彳r 良女r 发j 挺l j f 段儿基小结构和性能 尚未被人们广泛了解的，如t c p s t 、1 p c 和s s s c ，这类代表了f a c t s 的 新发展。 t c s c 和t s s c 既能改进输l u 线或输电网的暂态和动态稳定性，提高输送 能力，又能快速改变线路阻抗，控制功率潮流1 2 4 l 。1 9 9 1 年在美国a e p 公司一 条3 4 5 k v 输电线的一相上做了工业试验( t s s c ) ，次年就在a r i z o n a 的k a y e n t a 变电所的3 0 0 k m 、2 3 0 k v 、3 0 0 m w 的输i 乜线i ：安裴了三+ 1 tt c s c 。将输送能 力提高到4 0 0 m w ，效果十分显著。接着b p a 电力公司与g e 公司合作研究 5 0 0 k v 、2 5 k m 输电线上的t c s c ，并于1 9 9 3 年在o r e g o n 的s l a t t 变电所运行， 这是目前世界上电压最高的t c s c l l 】p l 。凼我国东北电力集团、原电力部电乖 院和东南大学等合作研究的伊冯可控f i j 补安装在t l t 敏至冯屯5 0 0 k v 线路的冯 屯侧，其固定串补度为2 5 ，全部可控1 2 6 j 。2 0 0 0 年其二期工程装机容量达 到2 2 0 0 m w ，由内蒙古伊敏电厂经双回长达2 8i k m 的5 0 0 k v 线路东送至黑龙 江省齐齐哈尔的冯屯变i u 所，孵i l n i 双州路5 0 0 k v 线蹄送往人庆及哈尔滨地区。 s t a t c o m 、s s s c 、u p f c 是基j 嗣步i i 王雎源的f a c t s 控制器。有关 s 盯c 0 m 和u p f c 已有许多文献发表，井已有设备投入使用。s n 奸c o m 用 途广泛，除输电网外，还可配置于发电厂和配电网中。例如，1 9 9 1 年，在日 本的i n u y a m a 换流站安装了r 俞土8 0 m v a r 的s t a t c o m 。1 9 9 5 年，谯美图的 田纳西约翰城的s u l l i v a n 变电站( 5 0 0 k v 】6 i k v ) 安装了一台士1 0 0 m v a r 的 s t a t c o m 。德国两门予的基1 ：4 5 0 0 3 0 0 0 a g t o 8 m v a rs t a t c o m 也于1 9 9 7 湖南大学硕士学位论文静止同步申联补偿装置的钾能p i d 控制研究 6 第一章绪论 年4 月在丹麦投入运行。在我f i 寸，f i l 清华人学和河南省电力局合作研制的 + 2 0 m v a r 的s7 r a t c o mj ：1 9 9 9 年3jj 扫：t l f i * 省洛i l 丁j ： j j 变i u 站投入运行。 结果证明该装鼍除了具有调节无功和电压的功能外还有助于输电稳定性的 改善，输送能力的提高。这足我国自行研制，r 投入运行的第一台f a c t s 装置。 1 9 9 8 年，一台由两个1 6 0 m v a r 纳l u 爪型逆变器构成的u p f c 在美国电力公 司正式投运。它的成功运 j ：被认为足f a c t s 技术发展的重要里程鸸! 。s s s c 是作用于输电线上的f a c t s 控制器，目前它还处于研究阶段。 总之，f a c t s 控制器的结构、功能等各异，造价也不一。像已有的s v c 或s t a t c o m 的造价基木还可为r 乜力公司所接受。但 = i 联型的t c s c 或正在 研制的u p f c 的造价则高得多。这些产品要广泛应用于电力公司，必须进一 步降低造价。然而，f a c t s 控制器常常是按具体需要个别设计制造的，标准 平台和模块结构等技术虽可促进f a c t s 挖制器设计的标准化，但近期内很难 改变其个别实际应刚的总局面。 第二节静止同步串联补偿器( s s s c ) 的研究进展 本文的研究对象是静x k l 请j 步串联补偿器( s s s c ) ，它的生要特点为1 2 1 1 ”i ： ( 1 ) 可在同样的电容讹或电感性范隔内，与线路f u 流无关地产生一可控 的补偿电压： ( 2 ) 直流侧接电容器时，可对线路进j f 无功补偿；接入储能器后，可实 现无功和有功补偿；接入直流电源，可补偿线路电阻( 或电抗) 性压降，与 线路串补度无关地维持朋的高比值； ( 3 ) 免于谐振： ( 4 ) 能快速或几乎瞬时的响应控制指令； ( 5 ) 具有适应单相重合闸时j 怍全棚运行状态的能力。 作为一种串联设备，s s s c 玎：象u p f c 和i p f c 那么复杂，又有着与 s t a t c o m 不同的特点。一台s s s c 裟簧，每单位的标称值可产生正负两个 单位的无功补偿值，具有较高的价格性能比。s s s c 的造价明显低于l i p f c ， 但功能可相比，作为一种串联设备，其控制范围更为广泛，其性能明显优于 s t a t c o m 。s s s c 既可用丁长距离传输线的湖流控制，也适用于短距离传输 湖南大学硕士学位论文静止同步r p , l d 补偿装爱的智能p i d 控制研究 7 、 ， 铘啦绪沦 线或轻载线路。另外，s s s c 安裟地点出比较灵活。在成功运行s t a t c o m 的 基础上j 增加对s s s c 的研究，有利于我国刘u p f c 和i p f c 的研制和开发。 基于同步电压源( s y n c h r o n o u sv o l t a g es o u r c e ，简称s v s ) 的s s s c 与常 规的控制器不同，不雨需要电霹器或f 乜抗器来产t 卜或吸收无功功率。实现无 功补偿。同步电压源可臼行产生可控f i 蠕值利相角的同步正弦电压，与交流系 统交换无功功率，同时，也可交换有功功率，从而增加系统传输功率的能力， 提高可控性。因此，它有着目前使用的品闸管控制的串联或并联补偿器所没 有的运行特性、性能、使j l j 的柔韧性，代表精交流传输系统补偿和潮流控制 的新技术。 同步电压源可由多种静止变换功率变流器实现，目前主要采用基于电力 电子器件的同步电压型逆变器( v o l t a g e s o u r c e di n v e r t e r ，简称v s i ) 来实现1 1 0 j 。 1 2 1 数学模型与建模方法1 2 8 1 1 2 圳i i s s s c 的模型可分为动态模型与稳态模型。动态模型分析系统动态特性与 行为，便于电磁暂态过程的数值仿真；而稳态模型只考虑s s s c 系统的输入输 出特性，用于描述电力系统的行为以及潮流汁算。 目前s s s c 的建模方法主要有两种：拓扑建模法和输出建模法。输山建模 法较简单，通常将装置等效为一个i 乜压源外接阻抗，弭考虑装置本身的一些 约束条件，得到联立方程。拓扑建模法是先建立逆变器的等值电路，从而列 出了它的状态方程。拓扑建模法要考虑装置的不同拓扑结构，比较复杂，且 不易形成模型统一的表达式。 1 。2 2 控制策略 目前，s s s c 的控制方法除了传统的p i dh 法外，还有其它一些控制方法。 不同的控制方法侧重点不同，控制效果也不同。 p i d 控制： p i d 控制仍是f a c t s 控制器常用的控制方法其生命力在于：理论完善， 概念清晰，调整方便，易于工程实j | j 化。目前投入的f a c t s 装置大都采用p i d 控制。虽然p i d 控制易于实现，但对改善系统的动态特性并不显著。 文献【3 0 】提出了一种递阶p l 控制器，在e m t p ( 电磁暂态仿真包) 中的仿 真结果证明，使用较小标称值的s s s c 卅获彳l j 较人的潮流控制裕度。文献【3 l 】 在单机无穷大系统下傲计了利一p i 控制器，j 空l l j u 参数山特征值分析确定。特 湖南大学硕士学位论文静止同步串联补偿装置的智能p i d 控制研究8 第一章绪论 征值分析和仿真结果也说明了控制参数的选择对s s s c 的实现是至关重要的。 在某些参数下，系统会失稳；有些参数会使机械系统与s s s c 控制系统相互作 用，导致扭矩振荡。因此，袖：设汁s s s c 时，有必要列拯个系统进行全面的分 析，并加进一些辅助信号，以得到更好的控制特性。 多变量控制设汁1 2 2 1 ： 将s s s c 的多控制功能( 包括潮流，电压，稳定性等) 。按多变量控制器 的设计方法，统设计成个控制器，有效地解决多目标控制的协调问题。 综合智能控制： 综合智能控制由于具有处理各种非线性的能力，并行算能力，白适应、 自学习、自组织能力，有希塑成为综合解决多机l u 力系统控f l j g 胗i 而临问题的 一种有效手段。 1 2 3 s s s c 电力电子装置的控制技术与工程实现 目前，s s s c 的研究重点足聚于变流器实现同步电h i 源的功能。变流器的 控制与实现主要分两种：多电s f 逆变器及其叠j 技术、p w m 逆变器。变流器 的开关器件主要采用门极可关断晶闸管g t o t 3 2 】( g a t e t u m o f f t h y r i s t o r ) 和绝 缘栅双极晶体管i g b t 3 2 1 ( 1 n s o l a t e dg a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r ) 。g t o 能适应高电 压、大电流、通断频率较高的要求，且快速性能好。与g t o 相比，1 g b t 除 了具有阻断电压高、载流能力强的特点外，还具有输入阻抗商、工作速度快、 通态电压低的优点。 多电平逆变器及其叠j j 【| 技术： 綦于g t o 的s s s c 主要是采用多t l i - v 逆变器及叠加技术实现变流器。多 电平逆变器是在方波逆变器( 输出为+ e 或- e ) 的基础上发展起来的。目前研 究的多电平逆变器有三电平逆变器( 输出为+ e0 - e ) ，五电平逆变器( 输 山为+ 2 e + e0 e 一2 e ) 羽卜l 二l l 玉5 卜逆变器( 输【l l 为+ 3 e + 2 e + e0 - e - 2 e 3 e ) 。单个的多电平逆变器的输出特性并不好，它必须与逆变器叠加技 术联合使用才能获得好的性能，因此这方面的研究总是联系在一起的。 文献【2 7 】提出了一种2 4 脉冲变流器，它山四组基于g t o 三电平电压型逆 变器组成，采用2 4 个单相变压器，每个变压器有两个副边绕组。每组的三个 变压器的原边绕组y 删接法，符组剐边绕纠i 荆鼎加殿后输l l i 三棚正弦波 形。 湖南大学硕士学位论文静止同步申联补偿装置的智能p i d 控制研究 9 第一章绪论 文献 3 1 】则提出了一利t4 8 脉冲变流器，它山8 组基于g t o 三电平电压型 逆变器构成。与文献【2 7 1 不同的是，它有6 组逆变器接的是两绕组变压器。另 两组接的是三绕组变压器。而且每组逆变器的3 个变压器的原边绕组是型 接法，副边绕组的叠加l ! 玉有所一；同。输1 几乎接近正弦波，其谐波分量为4 8n l 。其实，每组逆变器的输山在磁路t 1 1 有着多种耦合方法，在这里，可以充 分利用现有的电力电子技术，达到输出正弦波，有效抑制谐波的目的。 p w m 逆变器 基于i g b t 的s s s c 采用p w mr 乜压型逆变器。懿个装嚣没有上述的那么 复杂，而且i g b t 已实现模块化，控制要相对简单。 p w m 逆变器一直以来是电力电子技术的重要研究课题。由于s s s c 装置 的容量一般很大，对p w m 逆变器研究主要考虑在较低开关频率( 例如3 k h z ) 的条件下，使逆变器输l i l 的谐波对i u 网的影响减小到最小的程度，尤其对电 力系统的稳定性产生大的影响。p w m 逆变器研究有两个方面1 3 3 i ：采用正弦 p w m ( s p w m ) 技术、消除谐波p w m 技术和优化p w m 技术的逆变器 电 流闭环控制p w m 逆变器。 文献1 3 4 1 提出了一种基于p w m 电流型逆变器的s s s c 的控制策略。与电 压型逆变器不同的是，它采用的是电压控制电流源逆变器和p w m 技术，控制 系统由两个闭环组成：补偿电压控制环、凋制指标控 i ；! l 环。它具有几个特性： 快速的动态响应t 可抑制注入电压的谐波；可使稳态损耗最小。 总之，寻找少依赖于数学模型，具有较强适应性的控制策略一直是电力 系统稳定控制研究的重要课题。上述控制方法探讨了s s s c 的一些性能，但无 论是它的稳态特性还是动态特性都有待于进一步的研究。由于电力系统是非 线性的，模型和干扰都是不确定的。因而寻找少依赖于数学模型，具有较强 适应性的控制策略，以改善s s s c 的稳态和动态特性是非常必要和有意义的。 第三节论文的主要工作 论文的主要工作有： ( 1 ) 介绍了f a c t s 控制器及其作用，重点阐述了s s s c 的特性和研究现状； ( 2 ) 研究了s s s c 的稳态特性，f ：从儿个方面将其与其它串联电容器设备 湖南大学硕士学位论文静止同步串联补偿装置的智能p i d 控制研究 l o 第章绪论 进行了比较，突出了s s s c 优越的调一潮流的能力： ( 3 ) 基于s s s c 的动态数学模型，运用矢量分析方法，研究了s s s c 的动态 特性； ( 4 ) 在分析s s s c 动态特性的基础一i ：，设汁rp i 闭环控制器该方法增 强了系统的阻尼作川，有效抑制了功率振荡。从而改善了系统的动态特性。 同时，采用基于i g b t 的电流滞环p w m 控制的电压型逆变器实现了s s s c 的 控制潮流的功能，f ：设了i u 溉滞纠：控制器。仿真结果刿了其有效性； ( 5 ) 针对p l 控制器的不足，使p l 参数能在线整定，以适应对象特性或结 构的变化，满足实时控制的要求，设计了基于模糊规则的自整定p i 控制器， 并通过仿真验证了其有效性。 湖南大学硕士学位论文一一静止同步串联补偿装置的智能p i i ) 控制研究 第= 章静l i ：同步印联补偿器的稳态特性研究 第二章静止同步串联补偿器的稳态特性研究 第一节电力传输系统的潮流 2 1 1 影响潮流的因素 吒么焉昨z 4 + j k 了巾 图2 i 电力传输系统 简单的电力传输系统由发送端、接受端和电力传输线组成，如图2 - l 所示。 e 是发送端电压，瓦是接受端电压，兄为线路阻抗，则传输的有功和无功潮 流可表达为： p ：簪s i n ( 疋一8 r ) ：譬s 郴 ( 2 - 1 ) 7 1 工 n l q ：簪( 1 - c o s ( p 洲：譬( - - c o s d ) ( 2 - 2 ) 7 0l 0 1 式中，以和五发送端电压的幅值和相角： ”和6 一接受端电压的幅值和相角。 同时，为简化起见，设乒五磊，v = v , d r 。 从式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可以看出，电力传输系统中影响潮流的主要是三个参 数：电压、线路阻抗、传输角，调节其【 1 的一个或几个参数就可以达到控制 潮流的目的。 2 1 2 控制潮流的装置 f a c t s 装置出现以前，在交流输电系统中控制潮流的主要装置有串联( 或 并联) 电容器、调相机、移相变压器等装簧，这些装置的普遍特点是动态响 应慢。可控性较差。 f a c t s 装置的出现极大丰富了控制潮流的方法，而基于同步电压源的 湖南大学硕士学位论文静止同步串联补偿装置的智能p i d 拉制研究 1 2 筇二章静j | = 同步串联补偿器的稳态特性研究 f a c t s 装置则代表了f a c t s 技术今后的发展方向。 第二节静止同步串联补偿器的原理 s s s c 的补偿作用是基于同步电压源( s v s ) 的原理。 1 9 8 9 年，美国西屋电气公司的d r g y u g y i 博：i ：首先提出了利用同步电压 源实现输电系统的动态补偿和实时控制的观点1 1 0 】。所谓同步电压源类似于一 个理想的电磁发生器，可产生三相同步正弦电压，而且电压的幅值和相位可 控。基于同步电压源的原理，首先研制，f 开发出了，f 联于输电线上的 s t a t c o m ，它是采用基于g t o 的电压型逆变器来实现同步电压源功能的。 它由三相逆变器构成，其三相输出电压与交流电网三相电压同步，通过连接 变压器并联于交流电网，由一、二次电压幅值决定变压器通过的电流等于零、 呈容性或呈感性。因此，蝗个裟置的无功功率的人小或极性都由通过它的f 乜 流来调整，从而调整连接点 u 压，最终达到控制潮流的目的。故其整体功能 类似于旋转同步调相机，但结构大为简化。同时，由于它不存在惯性，反映 迅速，可以实时控制潮流。 l ，p q l 再= 赢i 耦台变压器 尸北p 一乏： 图2 2s s s c 的幕术缔构罔 湖南大学硕士学位论文静止同步串联补偿装置的智能p i d 控制研究 1 3 第二章静止同步串联补偿器的稳态特性研究 s t a t c o m 的成功研制和开发证明了同步电压源补偿原理的有效性和可 行性。s s s c 是基于同步电压源的串联补偿器，它的基木结构如图2 2 所示。 s s s c 主要由变流器、直流环节( 储能电容器或直流电源) 、控制器和耦合变 压器组成。啊和踟是给定功率，p 和q 足实际功家，吒是补偿电压，是 线电流。s s s c 由变流器产生一幅值和棚角可j 控的三相正弦同步电压瓦。( 它 的相位在o 3 6 0 0 之间可调) ，经耦合变压器串联在输电线上。因此，它相当 于在输f u 线上申联了一个l ；r 【抗。从而可改变输i u 线的有效l ；【l 抗。， ：且不受线 电流的影响。当s s s c 的输入端只接直流储能电容器时。吒与线电流，正交， 但大小与线电流幅值无关，这时，它与交流系统交换无功功率l 当输入端接 直流电源或其它储能器时，宅还可与交流系统交换有功功率，但若直流侧没 有足够的电能支持，它只与交流系统交换无功，这h - j ，有功s 严均为零，若考 虑s s s c 的损耗，则有功等于系统的损耗值。 第三节s s s c 的稳态特性研究 利用串联无功补偿增加交流电力系统的传输功率已有许多方法，它的示 意圈如图2 - 3 所示。巧= v z o ，呒= 眩一j ，6 址传输角儿足线路i 乜抗( 假 八夕 v = v 2 ，v 露肜 圈2 3串联电容器补偿原理图和电压向量圈 湖南大学硕士学位论文一一扑止同步串联朴倦姨置的智能p i d 控啪4 研究 1 4 、 第一：牵静t l ：l i j 步小联补偿器的稳态特性研究 设线路电阻r = 0 ) ，托是串联容抗值，n 是传输功率。它的原理是通过串联电 容降低线路的电抗，提高线路电压，最终达到增加线电流和传输功率的目的。 固定的或机械投切f 内i u 窬器习= l | i i l l | i j 1 j ；投切小联补偿器( t s s c ) 通过控制 沿线的电压以提高传输功率。1 1 闸鹳；控制f f l j d c 补偿( t c s c 。义称可控申联补 偿) 是f a c t s 概念提出后的第一个装置。它可以连续、快速、大范围地调：竹 线路阻抗( 本身的阻抗从容性到感性变化) ，其自身的数据采集与监控 ( s c a d a ) 系统相配合，可以实现远方阻抗和功率潮流调节。平息地区性功 率振荡，提高系统暂态稳定性，抑制次同步谐振。同时，在特殊的运行方式 下可以显著降低系统的短路电流，保护串联电容器f 3 5 l 。 串联电容器外特性表现为在线路上接入一补偿电压虻，控制的参数是线 电压。因此，利用s s s c 实现串联补偿也可以达到调节传输功率的目的，即相 当于在线路上串联了一同步电压源。图2 - 4 足s s s c 的稳态数学模型和在无 。 = 一 m ：蠹 图2 - 4s s s c 的示意图和电压向量图 功补偿时的电压向量图。从外特性上看，s s s c 与串联电容器( 固定式、t s s c 、 t c s c ) 相似，但内在机理却有很大不同。下面通过对比着重讨论s s s c 的特 性。 2 3 1 功角特性 在电力系统中，将传输的有功功率和功角的关系曲线称为功角特性曲线， ， ：将其最大值称为功率极限i “i 。 串联电容器的电压与线电流成比例，而线电流又是传输角的函数。因此。 改变传输角就可以改变补偿电压。在图2 - 3 中，传输功率是串补度的函数，即： 湖南大学硕士学位论文静止同步串联补偿装霄的智能p i d 控伟q 研究 1 5 第二j 章静i l i i j 步 联补偿器n q 稳态特性研究 只= 志s i n ds ， ：l(cos占-1)q ( 2 4 ) 。2 焉两( c 0 8 占 q 。4 其中，s ( s = x c x l ) 足巾补度，则叫1 联i u 窬器的功角特性曲线如图2 - 5 ( a ) 。 从图小可以看山，随着s 的增加功率午袋限值也一i 断增人。 p 1 5 0 0 5 0 覆。 ，一 9 0 -1 8 0 - ( a ) 串联电容器的功角特性( b ) s s s c 的功角特性 图2 - 5串联i b 容器与s s s c 的功舶特性比较 6 由于s s s c 的补偿电压与线电流无关，传输功率只与串入的补偿电压有 关。仍然有巧= v l o ，巧= 比一万，巧口是补偿电压，则由图2 - 4 的向量关系 w 以得到： ，：如一。i( 2 5 ) 由于= i i i i e + 7 卯，则有： ：。卅9 0 0 一争 ( 2 6 ) 令g 是视在功率，p 是有功功率，q 是无功功率，则有： 萝e p + 饱 ( 2 7 ) 湖南大学硕士学位论文静止同步串联朴偿装置的智能p i d 控制研究 1 6 匮 笙：皇堑生型坐尘些! ! 垡塑塑堡查堑丝! ! 塑一 又，曩= ，即： s = 以 将玩、攻、( 3 ) ，坠二坠二竖 、 j xl 武代入l ：式，经糙耻得： 曩长刚等c o s 占 + ，陉c - c o s # ) - i t s i n 胡 协” 为叙述方便，令，火于零时为容性补偿，小j 二零时为感性补偿，上式可化为： i = 降m 等c o s 州缸c o s m 等s t n 胡协。， 由于p = r e 眵l ，q = m i l l ，从而有： p ：一v 2s i n 6 + 监c o s 鱼 ( 2 1 1 ) x l五l 2 q = 导”c o s 6 ，+ 簪s - n 鲁 协 为便于比较，使与s 相匹配，使8 = 9 0 。时，有i x c 。v q ，即s = o 时，v p q = o ； 3 = 1 3 时，p 锄= o 3 5 3 ，以次类推。山此得到s s s c 的功角特性如图2 - 5 ( b ) 。 由图2 5 ( a ) 和( b ) 可以看出，在d 给定时，串联电容器以未补偿时该点传输功率 的一个固定百分比增j i j 功率；s s s c 在j = o 9 0 。时，以未补偿时最大传输功 率的一个固定值增加功率，而与d 无关。 另外，由于串联电容器的无功补偿是容性补偿，故只能增加线路的传输 功率，而s s s c 除通过容性补偿( v q o ，且膳= l 疚一瓦i + i i ) 增大传输 功率外，当s s s c 进行感性补偿( 1 巧一巧i ( 即有i i = f 巧一吸i + 啦) 时，潮流还可逆转，实现功率的反向传输。淡2 - i 是s s s c 礼进行无功补偿n 寸 电压向最关系。忽略其暂态过程。可得到在不同补偿条件下的线路潮流变化 湖南大学硕士学位论文静止同步申联补偿装置的智能p i d 控制研究 1 7 第二章静止同步串联补偿器的稳态特性研究 表2 1i 乜，i t 向f i l = 关系 容性补偿感性补偿 陬 c 阿一碗ir | | _ l 一_ 2 i 陬i = 1 v , 一取i i x 。一陬| ：阿一_ 2 li x l + 隔| _ 阿一- 2 |陬| i x 。= 阿屯i 蕊v1 2 v袋黩 p o ，q op = o 。q = 0p o j v 1 ( p u ) ( a 榻) o i v 阳 1 嬲。 p q 1 ( p m ) o q 阴 ( p u ) 鲞 垡 ，j 业! ! 塑望坚查竺坠堡；# 塑塑! 坚壁竺! ! 聋 00 2 00 1 。r 二二引 0 0 图2 - 6s s s c 的正向和反i r , l t 输功率的能力( a 相) 湖南大学硕士学位论文一静i i ：同步f f l j 珙补偿装鼍的橱能p ) 控制研究 1 8 第二章静“二同步巾联补偿器旧稳态特性研究 情况( 系统的传输角8 = 1 0 0 ) ，如图2 - 6 所示。 因此，在同样的标称功- 率情况下，j f | 1 联电窬器相比s s s c 刘潮流有着 更大的调节范围。 2 3 2 交换有功 串联电容器只能与线路交换无功，而s s s c 通过控制注入电压与线电流的