（电力系统及其自动化专业论文）upfc交互影响分析及控制器协调设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e e l e c ”i cp o w e rs y s t e ma n dm el n c r e a s i n g r e q u i r e m e n to ft h eo p e r a t i o ni np o w e rs y “e m ，t h et e c h n i q u e o ff 1 e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) h a sb e e n “d e i ya p p l 媳t h eu n i 疗e dp o w g rf i o w c o n t f o l k r ( u p f c ) i san e wk i n d o ff a c t sw h i c hi si m p l e m e n t e db ym u 【t i p l ec o n t r o l f u n c t i o n s h o w e v e lt h ei n t e r a c t i o nb e t 、v e e nu p f ci se m e r g i n ga n dm a yi m p o s e n e g a t i v ei n f i u e n c e o np o w e r s y s t e mo p e m t i o na 】1 d c o n t r 0 1 s ot h e r ca r em a n y p r o b i e m st ob ee x p l o r e dt h o r o u 曲ly ，t h ed i s s e n a t i o nc o n s i s t so ff o u rm a j np a r t sa s f o i i o w s ： f m l y ， t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h eb a s i cf m m eo ft h ef a c t s s c h a r a c t e r i s t i c ，m o d e l i n ga f l dc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，s e v e r a l i n t e r a c t i o na n a l y s i sm e t h o d s a n dc o o r d i n a t i o nc o n t r o l l e rd e s i g nm e t h o d sa r ea i s oi n t r o d u c e di nt h i sp a 九 s e c o n d i y ，am e t h o do fi n t e f 强c t i o na n a l y s i si si n t r o d u c e d ，w h i c hu s e st h es i n g u l a r v “u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) t h e o r ya n dp r e s e n t sac r i t e r i o nf o ra s s e s s i n gt h e i n t e r a c t i o n ，a n dt e s t sas i n 9 1 em a c h i n ei n 矗n i t eb u s ( s m i b ) p o w e rs y s t e mw i t l lu p f c t h j r d l y ，o u t l i n e st h ef l j n c t j o n a lo p e r a t i o n sa n dc o n t r o is t r a t e g yo fu p f ca n da m a t h e m a t i c a im o d e ii n c l u d e du p f ci nm u l t i m a c h i n ep o w e rs y s t e mi sd e r i v e d s u m m a r i z e st h eo r d i n a r ym e t h o d sf o ra s s e s s j n gt h el o c a t i o n so ff a c t sd e v i c e ，a n d s v dm e o r yi sp r 叩o s e dt oa s s e s st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nu p f cw h i c hi si n s t a l j e d w i t l ln e we n g l a n dt e s tp o w e rs y s t e m ( n e t p s ) t h ed e t a i l e ds i m u l a t i o nr e s u l t sa c c o r d w i t ht h ea n a l y s i sr e s u l t sb ys v d 丌e t h o d s ，w h i c hd 咖o n s t r a t e dt h ep r o p o s e dm e t h o d c a nq u a n t i 母协ei n t e r a “i o na n di n d i c a t cm eb e s tp l a c e m e n tf o rd e v l c e st ow e 8 k 肌t h e i n f l u e n c eo fi n t e r a c t i o n f o u r d l l y ，an o v e h ym u l t i o b j e c t i v ep a r t i c l es w a 吼o p t i m i z a t i o n ( m o p s o ) b a s e d a p p r o a c h i s d e v e l 叩e dt o s o l v et h ec o o r d i n a t i o n d e s i g np r o b l e m d fu p f cb y o p t i m i z i n gu p f cc o n t r o 儿e rp a r a m e t e r s t h ep a p c rp 鹏s e n t st h et 1 1 e o r ya n dt h ep r o c e s s o fm o p s 0 ，a n dc o m p a r e sm o p s ow i t hm u l t i o b j e c t i v ee v o l u t i o n a r ya i g o r i t h m ( m o e a ) ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tt h ep r o p o s e dm o p s om e 廿1 0 di sc a p a b l eo f t i 浙江大学硕士学位论文 o b t a i n i n gh 培hq u a l i 哆s o l u t i o n ， s t a b l e c o n v e 唱e n c e c h a r a c t e r i s t i ca n d g o o d c o m p u t a t i o ne f f i c i e n c y 。a t1 a 咄石m e d o m a i nr e s u l t ss h o wm ee 矗 e c t i v e n e s so ft h e p r o p o s e dc o o r d i n a t e dc o n t r o l l e r s k e y w o r d s ：f i e x i b i ea ct r 甚n s m i s s i o ns y s t e m s ( f a c t s ) ，u n i f i e dp o w e rf i o w c o n t f o i i e r ( u p f c ) ，i n t e r a c t j o n ，q u a n t i t a t i v ea n a j y s j s ，s i n g u l a rv 矗l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) ，p l a c e m e n ts e l e c t i o n s ，m u l t i o b j e c t i v ep a r c i c l cs w a h no p t i m i z a t i o n ( m o p s o ) ， c o o r d i n a t j o nc o n t r o l l e rd e s i g n i i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章简舟了灵活交流输电系统的研究现状，提出了利用灵活交流输电技术，特别是统 一潮流控制器以满足电力系统安全稳定运行的迫切需求系统全面综述t 目前已发现的 f a c t s 控制器间的交互影响及分析方法，并对f a c t s 协调控制策略进行分类。最后介绍 了本文研究的主要内容及章节安排 1 1 研究的目的和意义 近年来，随着全球经济一体化，各行各业对电力工业的要求越来越高，不 仅在电能的数量上需求急剧增加，在电能的质量上也要求越来越严格。目前， 世界上电力的总装机容量已经超过2 0 0 0 g w ，电压的最高电压等级1 1 5 0 k v 。如 此庞大的电力系统规模，怎样才能保证安全、经济、可靠地向用户连续供电， 成为电力企业迫切需要解决的问题。为了保证电能在数量、质量、安全性和经 济效益等方面的要求，满足社会生产和人民生活的需要客观上要求现代的电 力生产要用发达的高压电网把众多发电厂和众多用电区域连成一个整体的电力 系统，以便向用户充足、安全、经济和保证一定质量的连续供电。其直接表现 是区域电网的规模不断增大，并且通过区域电网问的互联，形成地区联网、全 国联网、跨国联网及至更大规模的联合电网。 电力系统向大型互联电网发展，已经成为世界各国现代电力系统发展的共 同趋势，而互联电网的形成使得电网结构日益复杂，运行日益繁重。为迎合市 场，解决上述困难，灵活交流输电( f a c t s ) 技术应运而生。f a c t s 概念一经提 出就立即受到各国电力科研院所、高等院校、电力公司和制造厂家的重视，或 单独筹办、或相互协作，制定自己的研制计划和应用目标。目前，f a c t s 已被 国际公认为是代表了现代电力传输技术发展的方向，它主要通过在电力传输系 统中安装电力电子设备与装置来达到大电网的安全运行。f a c t s 装置不仅能够 大幅度地提高线路的功率传输水平，还能提高电力系统的稳定性。因此f a c t s 技术被专家预测为“现代电力系统中三项具有变革性的前沿课题之一”，也是实 现电力系统安全、经济、综合控制的重要手段。 浙江太学硕士学位论文 f a c t s 这项新技术在我国具有广阔的应用前景，我国大多数电网的结构比 较薄弱且不甚合理，耐受事故冲击能力比较差，且不少高压输电线路的输送能 力未能得到发挥，造成资金、能源的损失。随着我国电力工业的不断发展，特 别是超高压、大容量、远距离输电的发展，各大区电网互联已形成必然发展趋 势。现行的电力系统对输电线路的调节与控制仅限于继电保护和重合闸，而系 统大量事故和运行问题又发生在输电线上，使之成为电力系统安全经济运行的 “瓶颈”，研究利用f a c t s 元件特别是u p f c 在现有设备条件下使潮流和电压的 可控性大幅度提高，减少互联系统的备用容量，既适合我国电力建设资金较紧 张不适于大规模更新设备状况，又能够采用新技术改善现有的电力传输水平及 电力系统的安全可靠运行，具有理论和实际的意义。 1 2 灵活交流输电系统与u p f c 1 2 1 灵活交流输电系统 f a c t s 一英文全称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 ，中文译为灵活交流 输电系统，这个概念是由美国电力学者n g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年首次提出的“1 。 f a c t s 概念提出以后曾经有过一定的争议，主要分歧是f a c t s 技术是否包括高压 直流输电( h v d c ) 0 1 。1 9 9 4 年在c i g r e 会议上，f a c t s 概念的创始人mg h i n g o r a n i 先生明确指出：“为了避免任何混淆，作为f a c t s 概念的创始者，我给它定义为： 除了直流输电以外的所有将电力电子技术用于输电的实际应用技术0 1 。”i e e e 对 f a c t s 的定义是：采用电力电子设备和其它静态控制器来提高系统可控性和功率 输送能力的交流输电系统“1 。1 9 9 6 年在c i g r e 会议上，n g h i n g o r a n i 先生再次 给f a c t s 进行定义：简单地说，f a c t s 的概念就是在现有输电系统的基础上，利 用电力电子技术或其它静态控制器来加强系统可控性和增加功率输送能力的一 种技术“1 。我国的电力专家何大愚先生经过大量的研究分析与总结，也给f a c t s 下了一个比较精确的定义：f a c t s 是除了h v d c 之外的所有安装应用于电力系统各 环节中的且作用于交流输电系统的各种电力电子控制器及其协调组合进行控制 的技术”。 f a c t s 技术的发展有着良好的背景条件。这些条件可概括为输电网运行的 需要，来自直流输电的竞争压力，电力电子技术和元器件的发展支持，已有f a c t s 浙江大学硕士学位论文 技术产品的研制和运行经验的积累等。 f a c t s 可实现对交流输电系统的灵活控制，解决当前困扰电力系统发展的各 种难题，与传统的输电系统相比，f a c t s 的主要用途有“1 ： 1 ) 挖掘现有输电网络的传输能力，较大范围地控制潮流使之按指定路径流动， 与传统输电系统的“升压”方法相对应，提供了一个“升流”的途径； 2 ) 对系统电气参数如电压、电流、相角进行灵活的控制，提高线路的输送能力， 改善系统的静态稳定和动态稳定性； 3 ) 通过增强网络间的联络，减少冷热备用，提高经济效益：控制给定线路上的 功率使网损减小，使得在控制的区域内可以传输更多的功率，满足经济运行的 要求； 4 ) 限制由于设备故障引起的连锁反应，控制事故的范围以减少故障导致大面积 停电的可能性； 5 ) 阻尼那些会损坏设备或限制输电容量的各种电力系统振荡； 6 ) 实现两个不同频率系统的互联，以及非同步系统互联； 7 ) 为电力市场的发展提供技术支持，保证通道的开放，为用户使用更便宜的电 力创造条件。 由此可见，f a c t s 对于解决当前电力系统所面临的问题具有重大意义。 1 2 2f a c t s 控制器类型 f a c t s 作为一项电力系统新技术，近年来发展十分迅速，所包含的器件不 断增加，其原理、性能与系统结合方式等也多种多样，尤其在目前这样快速的 发展阶段中，对控制器的分类方法也各不相同。对于已在研究、试制或应用的 f a c t s 控制器，按其与系统的联接作用形式，大致可分为并联型、串联型和综 合型控制器三大类。 并联型f a c t s 控制器主要包括： 1 ) 静止无功补偿器( s v c j s v c ( s t a t i c c o m p e n s a t o r ) 的缩写，是美国e p r j ( e l e c 倒cp o w e rr c s e a r c h i n s t i t u c e ) 建议的f a c t s 控制器的第一代f a c t s 装置，可称作最早的f a c t s 控制 器，早在六十年代就己投入使用9 1 。s v c 在结构上主要由t s c ( 1 1 1 et i l y r i s t o r s w i t c h e dc 印a c i t o r ) 和t c r 口h et h y r j 咖rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 并联组成，也有的还包 浙江大学硕士学位论文 含有固定电容器组( t h ef i x e dc a p a c i t o r ) ，基本上采用晶闸管控制，通过控制晶闸 管的通断及调节晶闸管的导通角度来控制其与系统交换的无功功率的数量；其 主要功能是保证动态无功功率的快速调节，并可兼具事故时的电压支持作用， 维持电压水平、消除电压闪变、平息系统振荡等。 2 ) 静止同步补偿器( s t a t c o m ) s t a t c 0 m ( s t a t i cs y n c t l r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 又被称为静止电容器( s t a t c o n ) 或静止无功发生器( s v g ) 或高级静止无功补偿器( a s v g ) ，是对s v c 革新改进后的 装置。它的基本结构是由可关断晶闸管构成的电压源型d c a c 逆变器”，逆变器 可以发出与系统电压同频率且三相对称的正弦电压，而且可对此三楣电压的幅 值和相位进行快速的调节和控制“1 。”1 。s t a t c o m 既可向系统提供感性无功，也可 向系统提供容性无功，而且它向系统提供的容性无功不象s v c 那样受系统电压的 影响，可以在任何系统电压条件下，输出额定的无功功率。所以，与s v c 相比， s t a t c o m 给系统提供电压支持、提高系统稳定性的作用要更有效，尤其在系统故 障的情况下，s t a t c o 矗i 进行电压维持、防止电压崩溃、提高系统暂态稳定性和抑 制系统振荡的作用效果较s v c 就更加明显”。 3 ) 可控快速制动( t c b r ) t c b r ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e db r a k i n gr e s i s t o r ) 是并联联接于系统采用晶 闸管控制的用于提高系统稳定性减少发电机功率波动的制动电阻。它的作用机 理是通过功率消耗提供速度控制，通过减少由于系统故障造成的机械功率与电 磁功率的不平衡来提高同步发电机的稳定极限“”“1 。 由于t c b r 的投切控制部件不再是机械器件，而是电子器件，因而它具有更 加灵活、快速的动作响应特性。t c b r 良好的动态响应特性，还可使它能够动态 地改变制动电阻投切的数量以改善系统阻尼控制的效果。 串联型f a c t s 控制器主要包括： 1 ) 可控串联补偿( t c s c ) t c s c 是英文t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc 印a c i t o r 的缩写，属于美国e p 融建 议的串联型f a c t s 控制器的第一代f a c t s 装置。与常规机械式控制的串联电容 补偿相比，t c s c 由于可通过改变晶闸管的触发导通角来连续地调节串联补偿 量，即连续改变串联在线路中的容抗的大小，甚至可变容抗为感抗，因而为控 浙江大学硕士学位论文 制线路中的潮流提供了一种极好的手段“”。大量的研究结果表明，t c s c 不仅可 改善系统的特性“，控制输电线路中的潮流，提高线路的输送功率，还可抑制 次同步振荡，阻尼功率振荡“”1 为系统提供电压支持以提高系统的稳定性。3 。 2 ) 固态串联补偿器( s s s c ) s s s c ( s o l j d _ s t a t es e r i e sc o m p e n s a t o r ) 是以d c a c 逆变器为基本结构形式搭 建的，它的基本功能是通过向线路插入一个串联同步电压来对输电线路进行动 态串联补偿。s s s c 的输出电压的基波分量k 的频率要求与系统的频率相同，且 它的相位应锁定在与线路中电流的相位正交垂直。这样，改变k 的幅值就改变 了s s s c 的补偿度：改变k 的极性就改变了s s s c 的补偿性质。 3 ) 相问功率控制器( i p c l i p c ( i n t e r p h a s ep o _ w e rc o n t r 0 1 1 e r ) 是一项用于改善交流网络中潮流控制手段 的技术，主要用来维持网络中两个节点之间的有功功率在稳态或偶然事件时能 基本上保持恒定。”。目前的i p c 都是由无源器件构成，采用可满足系统要求的开 环控制来改变i p c 的工作状态o ”。 l p c 是每相含有两个电纳，一个电容性的、一个电感性的承受移相电压的 串联型装置。在线路的任一端，i p c 的每一相都是通过两个电纳与其他两相连 接，因而称其为相间功率控制器；且相对于线路的两个端点，i p c 相当于一个 压控电流源。 综合型f a c t s 控制器主要包括： 1 ) 可控移相器( t c p s d t c p s t ( t h ”i s t o rc o n 订o i l e dp h a s es h n gt r a n s f o n n e r ) 具有控制线路潮流， 提高线路输送功率极限和阻尼系统振荡等作用，并且对限制短路电流有一定的 作用“3 。它的基本功能是通过在输电线路中插入一个与线路电压正交垂直的 电压相量来改变线路的首端电压与末端电压之间的相位，达到控制输电线路中 功率流动的目的。首末端电压之间的相位改变量，可以简单地通过改变所插入 电压相量的幅值来实现。7 删。t c p s t 不仅象传统的机械式移相器那样具有控制 稳态潮流的能力，而且借助于电子开关器件的快速响应特性，可通过迅速改变 插入电压的移相角度来控制系统在扰动和故障时的暂态潮流。 2 ) 统一潮流控制器( u p f c ) 浙江大学硕士学位论文 u p f c 是英文u n i f i e dp o w e rf 1 0 wc o n t r o l l e r 的缩写，是美国e p r i 建议 的f a c t s 控制器发展换代的第三代f a c t s 装置。它将一个由晶闸管换流器产生 的交流电压串入并叠加在输电线相电压上，使其幅值和相角皆可连续变化，从 而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡； 德国研究表明，u p f c 可能会成为f a c t s 控制器中功能最强的控制器，因为它可 独立地控制三个变量，即纵向电压的幅值、相角以及对地电压的并联无功功率。 与其它f a c t s 控制器相比，u p f c 的控制范围较大，控制方式灵活，被称为是最 新颖和最有创造性的f a c t s 装置。 1 2 3u p f c 综述 统一潮流控制器( u p f c ) 的概念最先是由l _ g y u g y i 等人于】9 9 2 年提出的， 在国外对u p f c 的研究较早，1 9 9 8 年世界上第一台u p f c 装置在美国的i n i z 地区的1 3 8 k v 的高压输电线路上的成功运行，足以说明u p f c 的硬件实现是完 全可行的，目前运行良好；而我国起步较晚，在1 9 9 5 年以后才开始研究。u p f c 的基本思想是一种统一的可控硅控制装置，只需改变其控制规律，就能分别或 同时实现并联补偿、串联补偿、移相和端电压调节等4 种基本功能以及这些功 能间的相互组合作用。既能在电力系统稳定方面实现潮流调节，合理控制有功 功率、无功功率的流动，提高线路的输送能力，实现优化运行，又能在动态方 面，通过快速无功吞吐，动态地支撑接入点的电压，提高系统电压稳定性，若 适当控制，还可以改善系统阻尼，提高功角稳定性。 统一潮流控制器将如此多的功能汇集于一身，使其拥有强大的有功功率和 无功功率控制能力。它只需对其输出电压的幅值和相位进行实时控制，就可改 变线路中流过的有功功率和无功功率，满足负荷的需求，满足系统工作状态的 要求。这也正是为什么统一潮流控制器会成为f a c t s 研究、电力系统研究的热 点的原因。 统一潮流控制器的研究工作，主要集中在以下几个方面： 一、u p f c 的建模 由于u p f c 的引入，传输线路参数发生变化，潮流方程中将出现新的状态 变量和约束条件，u p f c 中串联控制引入非节点边界条件，如支路潮流等于整 定值，其内部的约束条件应该满足，即并联换流器从系统中吸收的有功功率等 浙江大学硕士学位论文 于串联换流器注入系统的有功功率。目前含u p f c 潮流计算的方法可以分为等 效功率注入法的解藕方法和联立求解方法两类，后者的收敛特性比较好。但不 管采用什么方法计算u p f c 潮流，大都采用电源模型，即用两个可控的电源来 等效u p f c 的串联部分和并联部分，通过控制两个电源参数的变化，进行调节 电力系统的运行状态。文献 2 9 将u p f c 的并联控制与串联控制等效为两个电 压源，文献【3 0 】中作者将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 3 1 】将u p f c 的并联控制和串联控制作用等效为两个电流源和 一个电压源。除了电压模型外，文献 3 2 仲还介绍了可用于u p f c 潮流计算的 阻抗模型和变压器模型。 二、u p f c 的控制策略 u p f c 的控制策略和控制方法的研究，内容最广泛，发表的文章数目也最 多，且研究的方法也都比较类似。基本上是通过建立适当的数学模型，借助仿 真工具软件，模拟系统的工作过程，研究控制器的控制作用效果；或者通过模 型的精简，借助于传统的潮流计算，为分析统一潮流控制器的潮流控制特性， 提出一种计及统一潮流控制器控制作用的潮流计算方法。文献 3 3 】研究了u p f c 提高系统暂态稳定性的作用效果：文献 3 4 的研究结果则表明，采用适当的控 制方法，u p f c 兼有提高系统动态和暂态稳定性的作用；文献 3 5 则重点研究了 串联控制的潮流控制功能。而文献 3 6 】 3 7 则针对u p f c 平息系统功率波动的控 制器设计方法和抑制系统振荡的控制策略进行了深入的研究。 三、u p f c 装设地点的研究 不同的角度，不同的目的，所确定的安装位置可能是不一样的，通常u p f c 安装位置的选择应首先突出u p f c 的主要功能。即潮流控制功能和电压调节功 能。 一般f a c t s 设备装设地点的选择遵循以下准贝归8 ： 1 ) 为预防环流的发生，f a c t s 设备必须装在环流发生的地点。如果在环 流发生的地点是双回线，则预防的有效性会大大降低。t c s c 、t c p s 和u p f c 适合于该控制目的。 2 ) 电子关口：所谓“电子关口”就是一个电力系统防止另一个电力系统 占用它的输电走廊所采用的措旌。一般t c s c 和t c p s 装在一个系统 浙江大学硕士学位论文 与另一个系统之间的联络线上，可以有效控制潮流的流向，防止一个 系统受到另一个系统的侵犯；如果该线路上产生了相当大的不可控的 无功功率时，则u p f c 更合适。 3 ) 系统的经济运行：在经济性好的发电厂多发电的前提下，为提高输电 系统的输送能力，一般将t c p s 或t c s c 装在重负载线路上即可；若 线路上流过的无功很大，则需在该线路上加装u p f c 或者在该线路吸 收无功的端点上装设s t a t c o m 4 )获得特定的运行工况：f a c t s 元件的装设地点取决于需要达到的运行 目的：若需要防止电压过低，则将s v c 、s t a t c o m 或a s v g 装在该 系统电压低的母线上即可；若需要控制某条线路上的功率，则需将 t c s c 、u p f c 或t c p s 装在该条线路上。 事实上，f a c t s 的最佳装设地点受控制目的的影响很大：不同控制目的， 采用同一f a c t s 装置，该装置的最佳装设地点不一定相同；同一控制目的，采 用不同的f a c t s 设备时，其最佳装设地点也是不一样的。 1 3f a c t s 控制器间的交互影响 近年来越来越多的研究表明，在单个f a c t s 装置的多个控制回路之间以及 多台f a c t s 控制器间都可能存在着负的交互影响，从而破坏了系统的稳定性。 因此目前f a c t s 技术的先进性已是不容置疑的，但f a c t s 控制器之间的交互 影响与协调却一直是实际应用中亟待解决的世界难题。 1 3 1 已发现的交互影响 在分散控制系统中，交互影响分析是很重要的。同时，交互影响的大小主 要取决于系统动态过程的分析。在一个多变量系统中，一个输出量通常会被多 个输入量影响，同样，一个输入量也通常会被多个输出量所影响。这种情况在 开环和闭环系统中都是很常见的。交互影响可以做如下定义：“在一个多变量系 统中，交互是指在传输中某个操作输入变量影响一系列测量输出变量，或者是 某个输出被许多输入所影响。”另一方面，如果交互影响增强了控制效果，则称 这种交互影响为正交互；如果交互影响的结果使系统不稳定或是减弱了控制效 果，则称这种交互影响是负交互。 浙江大学硕士学位论文 目前，统一潮流控制器( u p f c ，u n 谲e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 是f a c t s 控 制器中功能最强的控制器，因为它可以独立地控制三个变量，即纵向电压的幅 值、相角以及对地电压的并联无功功率，因此与其它f a c t s 控制器相比，u p f c 的控制范围较大，控制方式灵活，被称为是最新颖和最有创造性的f a c t s 装置。 但近年来的研究结果表明，u p f c 中多个控制回路之间可能存在负的交互影响 3 9 】，从而破坏电力系统的稳定性。 静止同步补偿器( s t a t c o m ，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 吐黾另一种功能 强大、应用广泛的f a c t s 控制器，但文献【4 0 】指出了s t a t c o m 中交流和直流 控制回路之间同样也可能存在着负的交互影响。 可控串补装置( t c s c ，t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r ) 和静止无功 补偿器( s v c ，s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) 是f a c t s 家族中典型的串联和并联补偿装 置。文献 4 1 分别研究了s v c 与s v c 间、t c s c 与t c s c 间以及t c s c 与s v c 间可能存在的负交互影响。 最近的研究结果还表明在其他f a c t s 控制器间也可能存在着破坏系统稳 定性的负交互影响。文献 4 2 通过一个简单的单机无穷大系统实例，利用非线 性时域仿真方法研究了s v c 和s n 订c o m 之间可能存在的交互影响，研究结果 表明控制器都是闭环的条件下的控制效果反而不如单独控制器的控制效果好， 系统震荡加大，系统有失去稳定的趋势。这就说明装有s v c 和s t a t c o m 的三 个控制回路之间存在交互影响，而且是负交互影响。 另外在文献 4 3 】中分别对p s s ( p o 、e rs y s t e ms t a b i l j z e r ) 和s v c 间以及p s s 和t c s c 间的交互影响进行了研究，研究结果表明在p s s 和s v c 、t c s c 控制 器间同样也可能存在着负的交互影响。同时文献【4 4 也对s v c 和t c s c 间的交 互影响进行了一定的研究。 而文献 4 4 、 4 5 中的研究结果表明了在p s s 和f d s ( f a c t sd e v i c e s t a b i l i z e r ) 间也可能存在着交互影响。 1 3 2 交互影响分析方法 近年来，人们不断地利用各种方法来分析研究f a c t s 控制器间的交互影 响，关于这些分析方法的应用国内外也有很多文献发表，但这些方法都有其各 自的局限性，因此目前仍然没有一种系统的分析方法能全面、有效地用来研究 日 浙江大学硕士学位论文 f a c t s 控制器间的交互影响这一世界性难题。 目前比较常用的分析方法主要有：相对增益矩阵( r g a ) 法、奇异值分解法 ( s v d ) 、n i 标准法、基于g r a m i a n 的交互影响的分析方法、雅可比行列式特征 值标准法、n o r l l l a lf o 啪s 方法以及非线性时域仿真方法等。 对于多变量分散控制系统，r g a 方法能够通过考察各输入输出变量之间的 影响，提供控制变量与被控量之间的最佳搭配。而且r g a 可以提供系统的不同 控制过程之间的交互影响的信息，所以r g a 方法己经得到了广泛应用。 s v d 方法是建立在某个频域范围内，相较原矢量，奇异矢量值改变很小时， 系统的交互影响很小的基础上。s v d 方法的主要优点是这种方法可以处理时滞 系统和非正阶系统。 n j 标准提供了一个必要的稳定条件，并且对于r g a 矩阵的变量匹配也提 供了一种补充选择法。但是，这个指标只给出了判别系统不稳定的必要条件， 却没有给出充分条件。 基于g r a m i a l l 的交互影响的分析方法是建立在系统状态空间的动态模型基 础上的。这个方法应用在系统的状态空间模型上。一个系统可以通过4 个矩阵 ( a 、b 、c 、d ) 来表示，但是当反馈d 矩阵存在时，这种方法是不可用的。 雅可比行列式特征值标准法是基于求解稳态增益矩阵的逆矩阵的困难性分 析基础上的。但是应用这种方法的困难在于有很多匹配对要检测，且增益矩阵 g 的非对角元素对求逆的过程有显著的影响，因此，这种方法一般不适用于预 测匹配对。 近年来随着非线性系统理论的发展以及现代数学工具的运用，规范形方法 ( n o n l l a lf o r n l ) 作为一种有力的数学分析工具，广泛用于研究电力系统的模式交 互分析、系统稳定域研究及其控制器设计。采用规范形方法，通过一系列的同 等变换，可以获得一组微分方程式的最简单形式。文献 4 6 即是应用n o r m a l f o r r n s 方法来分析研究了u p f c 中多个控制回路之间的交互影响。 除了以上介绍的这些方法以外，还有一种较常用的分析f a c t s 控制器间交 互影响的方法：非线性时域仿真法。文献 4 1 】中就是主要应用这种方法来研究 各种f a c t s 控制器间的交互影响。但是这种方法也有其局限性：它只能对交互 影响进行定性分析，而无法得出定量的分析结果。 浙江大学硕士学位论文 1 4f a c t s 的协调控制策略 协调控制的难点在于目前对复杂受控系统中的相互关联还认识不足，因而 缺乏完善的系统理论和协调方法。选择合适的控制策略使多个控制器协调工作， 满足电力系统的安全稳定、灵活运行的需要是f a c t s 技术取得突破性进展的关 键之一。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，协调方法可以分为基于约束的协调方法和基 于合作的协调方法两类。 1 4 1 基于约束的协调方法 这种方法的基本思想是以整体为着眼点，试图通过某种求解方法，使各控 制器的控制作用相互平衡、相互约束，服从全局的利益。 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，如何设计这些局部控 制器，使系统的总体性能达到一定指标。控制器的设计方法是首先给出一个全 局的二次指标，将系统的数学模型、控制器的结构及相互作用处理为约束条件， 通过求解l e v i n e - a t h a n s 方程组确定控制器的最优增益。在这种方法中，对控制 器间相互作用的处理是通过指定的结构约束强行解藕的。更一般的方法是将协 调控制看成是一个有约束的优化问题，通过遗传或其它优化算法确定控制器的 控制作用。 总之，基于约束的f a c t s 控制器的协调方法是一种自顶向下的设计方法， 在这种协调的框架下，备控制器的协调是通过寻求问题的最优解完成的，因而 是静态的，协调和控制是相互依存的。当有新的f a c t s 器件需要加入协调时， 则需打破原有的相互依存关系，重新设定所有参与协调的控制器的参数，重新 调整各控制器的控制利益，以满足全局的最优性或整体利益。 1 4 2 基于合作的协调方法 这种方法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，而协调是起因于其他控制器局部利益的改变，通过多个控制器的动态交 互达成和谐、一致的工作方式，从而维持系统的整体性能。 浙江大学硕士学位论文 典型的方法是基于多代理系统的协调方法“”。它是将控制器视为一个能独 立完成某些任务的代理，首先定义出分布自主的代理，然后通过多代理的交互 与协作，达成各控制器控制作用的相互协调，实现系统的整体控制目标。和基 于约束的协调方法相比，基于多代理系统的协调方法是一种自底向上的设计方 法，更适合动态、分布、开放式的环境1 。 1 5 本文的主要工作及章节安排 论文章节安排及各章的主要内容描述如下： 第一章简介了灵活交互输电系统的研究现状，提出利用灵活交互输电技术， 特别是统一潮流控制器以满足电力系统安全稳定运行的迫切需求。系统全面综 述了目前已发现的f a c t s 控制器间的交互影响及分析方法，并对f a c t s 协调 控制策略进行了分类。 第二章详细介绍了奇异值分解法的基本理论，并提出了两个可以定量评价 系统交互影响程度的指标，条件数r 和交互角臼。应用所提出的方法对一个4 4 阶的传递矩阵进行验证分析，理论计算结果表明该算例所代表的系统存在较大 的交互影响。为进一步研究电力系统中f a c t s 控制器间的交互影响及协调设计 问题奠定了基础。 第三章以统一潮流控制器u p f c 为研究对象，简要介绍了其动态数学模型 和控制策略，并在多机电力系统中推导了装有u p f c 的p h i i i p s h e 衢o n 数学模 型。综述了目前研究f a c t s 元件装设地点的常用方法，然而考虑u p f c 各功能 控制器间交互影响的装设地点选择的研究方法并不多见，由此引入基于s v d 的 交互影响分析方法可以定量的评价各控制器间的交互强烈程度。将所提出的方 法应用到新英格兰1 0 机3 9 节点系统，通过计算得出u p f c 合理的安装位置， s v d 理论分析及时域仿真结果基本一致，验证了所提分析方法的有效性。 第四章将u p f c 多功能控制器的协调问题转化为一多目标优化问题，详细 介绍了多目标粒子群优化算法( m o p s o ) ，提出了基于m o p s o 的协调控制器 设计方法，采用多目标粒子群优化算法优化控制器参数，引入模糊机制从p a r e t o 解集中选择最佳折衷解。为验证算法的有效性，与多目标进化算法进行比较， 研究结果显示所提出的算法能够快速收敛，产生良好分布的p a r e t o 解集。最后， 时域仿真验证采用所提出的协调控制策略可以有效消除控制器间的负交互影 浙江大学硕士学位论文 响，提高系统的暂态稳定性。 第五章对全文的研究工作进行了总结、归纳，并对今后迫切需要开展的研 究工作做了展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章奇异值分解法 本章详细论述了矩阵奇异值分解法的基本理论，并将其应用到控制系统中。基于s v d 提出了评价系统交互影响的两个指标，最后对一个简单4 4 阶传递矩阵作验证分析，计算 结果表明算例存在交互影响。 2 1 引言 矩阵的奇异值分解法( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 是一种正交矩 阵分解法，也是各种矩阵分解方法中最可靠的一种。在科学和工程计算中，奇 异值分解( s v d ) 是个强有力的工具，广泛应用于线性动态系统的辨识、最 佳逼近问题和实验数据处理等问题上。在电力系统中，也特别为研究人所重视。 文献【4 9 】从同步电机实际运行过程中测得的输入输出数据出发，利用奇异值分 解理论，根据检查数据矩阵的奇异值来确定电机电路模型中等效阻尼支路的数 目。文献 5 0 利用最小奇异值对二级电压控制的效果进行评定，通过增大系统 的最小奇异值提高系统的稳定性。文献【5 1 中应用s v d 方法对u p f c 进行了控 制器设计，通过仿真表明所设计的控制器可以抑制u p f c 各控制通路之间的交 互影响。 本章详细介绍了奇异值分解的基本理论，并提出了两个可以定量评价系统 交互影响程度的指标，条件数r 和交互角口。应用所提出的方法对一个4 x 4 阶 的传递矩阵进行验证分析，理论计算结果表明该算例所代表的系统存在较大的 交互影响。为进一步研究电力系统中f a c t s 控制器间的交互影响及协调设计问 题奠定了基础。 2 2s v d 相关理论知识【5 2 _ 5 5 】 2 2 1 矩阵的奇异值 一个矩阵一c ”的奇异值是与矩阵爿勘和州啪关联的概念，在建立奇异 值的概念之前，先讨论矩阵4 和见4 的有关性质。 1 4 浙江大学硕士学位论文 当爿c 时，彳“彳c ，止4 ”c 都是h e n n i t e 矩阵，从而是正规阵。 定理2 1 ：设爿c ，则矩阵爿c 和矩阵丸4 ”c 具有如下性 质： ( i ) 秩印= 秩( 4 勘) = 秩0 “勺； ( 2 ) 彳和删的非零特征值相等； ( 3 )一和儿4 都