（电力系统及其自动化专业论文）可控串补（tcsc）控制方法的研究.pdf

硕士论文 可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 a b s t r a c t o nt h eb a s eo fs u m m a r i z i n gr e n s e n tm e t h o d so ft h et h y r i s t o r - c o n t r o l l e ds e r i e s c o m p e n s a t i o n ( t c s c ) s t a b i l i t yc o n t r o l sa n di m p e d a n c ec o n t r o l s ，t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y s e st h et h e o r yo fd a m p i n gt h ep o w e ro s c i l l a t i o nu s i n gt c s c ，a n dp r o p o s e st h e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g i e s d e s i g n i n go fn o n l i n e a rc o n t r o l l e ra n di m p e d a n c e c o n t r o l l e rh a sb e e nd e v e l o p e d t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea s f o l l o w s ： 1 p r e s e n t i n gt h es e l f - a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o lm e t h o df o rt c s ci m p e d a n c e c o n t r o lb a s eo nt h er e s e a r c ho ft h e o r yo ff u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r 0 1 t h i sm e t h o d a v o i d st h es h o r t c o m i n g so ft h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r sb yt h ef u z z ya d j u s t m e n t o fp i dp a r a m e t e r si na d y n a m i cp r o c e s s i th a sg o o dr o b u s t n e s sa n dc a nm a k ec o n t r o l q u a l i t yi m p r o v e d t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e s a a d v a n t a g e dm e t h o do ft c s c i m p e d a n c ec o n t r o l l e rw h i c hc o m b i n e st h eb a n g b a n gc o n t r o la n df u z z y - p i d t h i s c o n t r o l l e rc a ns e t t l et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ec e l e r i t ya n ds t a b i l i t yi nt h ec o n t r o l p r o c e s so nt h ew h o l e 2 o nt h eb a s eo fr e s e a r c ho fi n v e r s es y s t e mm e t h o da n dl i n e a ro p t i m a lc o n t r o l t h e o r y a n dt h ef o u n do ft h em o d l e so fu n i t m a x i m u m p o w e rs y s t e m a n d d o u b l e g e n e r a t o rs y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n st h et c s cn o n l i n e a rc o n t r o l l e r 3 t h i sd i s s e r t a t i o nu s e st h ef u z z y - p i dc o n t r o l l e rt o c a r r yo u t t h eo r d e r i m p e d a n c ew h i c hw a sc a l c u l a t e db yt h et c s cn o n l i n e a rc o n t r o l l e ra n dd a m pt h e p o w e ro s c i l l a t i o nu l t i m a t e l y d i g i t a ls i m u l a t i o nr e s e a r c hb a s e do nu n i t - m a x i m u m p o w e rs y s t e ma n dd o u b l e g e n e r a t o rs y s t e mi n d i c a t e dt h a tt h e s ec o n t r o l l e r sd e s i g n e d i nt h i sp a p e rh a v eg o o dp e r f o r m a n c ei nt r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n t r o lo f t h e s es y s t e m s k e yw o r d s ：t c s cf u z z yp i d l i n e a ro p t i m a lc o n t r o li n v e r s es y s t e m m e t h o d 甲7 6 3 5 3 6 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 勉益垒 玎年f 月毋日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：扬丝d f 年f 月乎日 硕士论文 _ 日j 控串补( t c s c ) 控制方法的研究 1 绪论 1 1 引言 随着电力系统的迅速发展，规模复杂程度不断增大，同时对电力系统本身的 理论研究相对滞后，世界各国均发生过因电网稳定性破坏而导致的大停电事故。 尤其是1 9 9 6 年美国西部接连两次大停电，给国民经济造成了巨大的损失。在我国， 由于电网结构相对薄弱，电网的安全性、可靠性低。随着全国电网的形成，安全 稳定性问题也将会更加突出。而且，我国的电力网络的输电可控性和发电、配电 相比较差，网络中功率潮流的自然分布会随着负荷变化而变化，可能造成过大的 电能损失或危及安全运行而被迫降低输送功率，从而造成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。可以说电力系统面临的主要问题之一就是： 如何最大限度地提高电力设备的利用率、如何最大限度地提高输电网络的传输能 力，最大限度保持电力系统的稳定性【”。一般说来，电力网络的输电能力受到静 态稳定、动态稳定、暂态稳定、电压稳定和热稳定极限的限制，其中前四种因素 是限制电网输送能力的主要因素。 随着电力电子技术、计算机技术、控制技术的不断发展，电力工业技术也 取得了许多新的进步，其中一个重大的成就就是柔性交流输电系统( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称f h c t s ) 的提出和应用。柔性交流输电系统为解决电 力系统中存在的经济运行和安全稳定问题提供了有效的手段。这项技术是基于电 力电子技术与电力系统传统的阻抗控制元件、功角控制元件以及电压控制元件相 结合的产物。其主要内容是在现代交流输电系统的基础上，应用电力电子技术和 现代控制理论，实现对交流输电系统参数以及网络结构的灵活快速控制。这项技 术可以在很大程度上简化电网的复杂程度，并能够很好地控制电网的潮流；增加 网络的输送能力。使电网主干线或联络线不受常规的稳定约束；避免并联运行线 路的过负荷；提高电力系统的静态和暂态稳定性。 在f a c t s 技术中，可控硅控制的串联补偿装置( t c s c ) 能灵活连续地调节补 偿容量和线路正序阻抗，改变系统的功率分布，减小功率损耗，增大系统的功率 传输极限，有效地阻尼系统振荡( 低频振荡、次同步振荡) ，提高电力系统静态 稳定性和暂态稳定性。在t c s c 出现以前只能依靠离散地切换电容来改变补偿度， 采用t c s c 后就可以灵活、连续的改变补偿度，使实时在线控制成为可能，从而 大大改善了串联电容的性能。 硕士论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 1 2t c s c 的作用以及研究现状 1 2 1i c $ c 的作用 远距离输电系统由于其线路长、损耗大，输送功率往往大大低于起热稳定极 限，虽然我国的输电线路往往被设计成有很大的储备系数以期在发生故障的紧急 情况下，仍可以运行，并且当前输电线也能够工作在热稳定极限下，但是，由于 稳定性问题使得线路只能在大大低于热极限的系统稳定极限状态下运行，从而导 致输电线路利用率不高。因此保持系统稳定性成为一个突出的问题，要求处于系 统送端的发电机在正常运行的情况下，系统受到小干扰作用后，机组与受端系统 之间也不至于失去同步；另外系统遭受大的干扰冲击时，比如短路故障，发电机 组也不会从同步运行状态过度到异步运行状态1 2 】。 在电力系统中，发电机经输电线路并列运行时，在扰动的作用下，发电机功 角会发生摇摆，同时输电线路上的功率也会振荡，尤其当电力系统电气距离增大， 系统对于机械模式的阻尼减小，从而导致输电线路容易产生低频振荡。这时需要 加入一个正阻尼来抑制振荡，提高动态稳定性。当系统中装有t c s c 时，能够提供 阻尼转矩来抑制系统振荡f 3 】o t c s c 采用了快速、可控的晶闸管开关代替原有的机械式高压开关，使其在处 理动态问题的能力有了一个大的飞跃，与常规的串联电容补偿相比，具有以下几 点优点： a ) 由于采用电子晶闸管操作，理论上可实现无机械磨损的无限次操作，大大 提高了灵活性。 b ) 可达到非常快速的控制，这对暂态稳定性的提高至关重要。 c ) 串补程度可以断续，也可以连续调节。 d ) 通过对t c s c 的快速平滑调节可方便迅速改变系统翁流分布中的线路阻抗 和功率角，这对于正常运行方式下充分挖掘现有网络的传输能力、防止过负荷跳 闸都有利。 因此，t c s c 使得电力系统控制的灵活性和可靠性大为提高，这对充分挖掘现 有输电线路的输送功率，抑制低频振荡和次同步振荡，提高系统的稳定性，都具 有重大的意义。 1 2 2t c s 8 稳定控制策略及其研究现状 t c s c 对各种工况和场景的适应性，是其能否在实际电力系统中得到有效应用 的关键。t c s c 在电力系统中的应用潜力很大，与由断路器控制的电容相比，t c s c 要有效的多，因为可控硅可以被灵活的调节，并且可以利用更多先进的控制理 论。目前，大部分t c s c 的控制方式都是依据阻尼功率振荡、提高暂态稳定性或综 硕士论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 合二者来确定的。 阻尼功率振荡的稳定控制器，其作用类似阻尼环节，大都根据传输函数来实 现对功率振荡的阻尼。其中一些采用线性反馈控制以期得到合适的反馈增益。运 用的控制理论也非常多。t c s c 自适应模糊阻尼控制【4 1 ，通过对含t c s c 系统阻尼特 性的分析，依据运行点位置和偏差大小对线性化过程和控制策略进行自适应调 整。 暂态稳定性的控制方法主要是根据系统干扰确定的开环控制方式，这些控制 通常由来自断路器或滞后保护系统的误差信号来触发。因此，迅速的减少线路阻 抗可以增大同步转矩并保持暂态稳定性。这些控制方式目的在于提高系统的暂态 稳定性，但不针对阻尼后续振荡。因此，在完成暂态稳定控制功能的同时，还应该 完成阻尼控制功能，从而改善整个系统的运行性能。文 5 7 将暂态能量函数( t e f ) 作为系统稳定的指标，并用t e f 对时间的导数来决定t c s c 在暂态稳定控制中的控 制策略，可以有效的改善系统的暂态稳定性并平息后续振荡。 在电力系统的实际运行中，阻尼控制和暂态稳定性控制应该有机的结合起 来。随着控制理论( 特别是非线性控制理论) 的发展及其在电力系统中的应 用。t c s c 的控制策略也有了很大的发展垆j 。 非线性控制方式可以利用变结构控制理论、双线性理论、微分几何理论、能 量函数法和模糊逻辑控制理论等等。它们可以反映电力系统的非线性和不确定性， 并且自身都具有白适应性和鲁棒性。文献 6 将微分几何法与日。最优控制相结合 设计了t c s c 的非线性只。鲁棒控制器。文献 7 利用了模糊逻辑控制与非线性变结 构控制相结合所具有的优势：既充分发挥了变结构控制鲁棒性强等长处，又利用 了模糊控制不需要精确数学模型的特点，解决了常规变结构控制在系统趋于稳态 时出现的高频抖动的问题。研究者们还提出可以利用人工神经网络技术来合成非 线性控制器。文献 8 提出一种改进的模糊神经网络自适应控制系统，在线性最 优控制器的基础上提取模糊变量和模糊规则表后，该系统利用神经网络结构来实 现模糊逻辑推理，从而使传统神经网络中没有明确含义的权值被赋予了模糊逻辑 中推理函数的物理含义。该网络可以根据先验知识首先进行离线训练，在系统实 际运行时再进行在线学习。虽然上述这些非线性控制理论和方法是不同的，但它 们都能反映系统的非线性和复杂性，并把阻尼控制和暂态稳定性控制有机的结合 起来，从而使电力系统的运行性能得到相当大的改善。 1 2 3t c s c 阻抗控制方法研究 t c s c 具有抑制低频振荡和次同步谐振，调节系统潮流等作用。这些都是以 t c s c 能够在命令阻抗下稳定地运行，并能够快速响应阶跃命令阻抗为前提的。 所以t c s c 的阻抗控制是整个t c s c 装置成功与否的关键，是实现其它t c s c 控制的 硕上论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 基础。以往的研究大多侧重于t c s c 的系统层控制，也就是上述的系统稳定控制策 略，关于下层的阻抗控制方面的研究不多。传统的t c s c 阻抗控制还是采用的常规 p i d 控制，而常规p i d 控制由于参数不能自整定，在命令阻抗从不同阻抗阶跃到同 一阻抗时控制性能不好。文献 1 1 提出了一种用于t c s c 阻抗控制的积分投切式 p i d 控制方法，该方法在接到阻抗阶跃命令后切除积分环节，而在测量阻抗第一 次超越命令阻抗时才投入积分环节，与常规p i d 控制的仿真结果比较表明，该方 法在响应各种阶跃命令阻抗时具有较强的鲁棒性，良好的动态和静态性能，能满 足工程要求。文献 1 0 提出了用于t c s c 阻抗控制的变参数p i d 方法，该方法克服 了传统p i d 控制器的缺点，有较强的鲁棒性，可适用于不同命令阻抗。 1 2 4t o s o 控制器的应用 国外，t c s c 已在多处运行，s l a t t 变电站5 0 0 k v 的t c s c 实验工程、k a y e n t a 变 电站2 2 0 k v 先进串联补偿工程和k a n a w h ar i v e r 变电站单相串补投切工程的t c s c 设备均采取了线性控制的阻尼控制方式。中国也将在伊敏至冯屯、阳城至淮阴的 5 0 0 k v 书店系统中应用t c s c 技术，其控制方式可能会注入一些如非线性和模糊控 制等先进控制方式。t c s c 稳定控制在工程实际运用仍然存在一些问题，国外的 t c s c 采用的基本上是传统的控制方式，而文献中的一些控制方式可能不太实用。 以往关于t c s c 控制的研究大都分成两类，一类主要研究稳定控制策略，另一 类主要研究阻抗控制，关于t c s c 稳定控制控制策略与阻抗控制的综合控制方法的 研究还不多，论文尝试一种将非线性稳定控制与模糊p i d 的阻抗控制配合在一起 对t c s c 进行控制，提高系统稳定性。 1 3 论文的主要工作及章节安排 本文选择可控串联电容补偿( t c s c ) 控制器研究作为课题。论文主要研究一 种模糊自适应参数的p i d 阻抗控制器，并采取非线性最优控制方法设计非线性稳 定控制器。 本文的主要工作及章节安排如下： 第一章绪论部分论述了课题研究的意义，可控串补( t c s c ) 对电力系统的作 用及其控制方法研究的现状。 第二章讨论$ t c s c 的基本结构及工作原理，并以单机无穷大系统为例研究了 t c s c 对系统的阻尼特性，分别分析t t c s c 阻抗控制与暂态稳定控制的基本原理。 第三章对模糊控制理论进行了深入的研究，并设计了一种模糊控制器对p i d 控制器的三个参数进行在线整定，结合了这两种控制器的优点，克服两者的缺点， 形成了模糊自适应整定p t d 控制器。通过数字仿真，对基于t c s c 的一阶惯性环节 模型进行阻抗控制。研究了基于模糊p i d 控制与b a n g b a n g 控制相结合的t c s c 阻抗 4 硕士论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 控制方法。 第四章研究了线性最优控制的基本理论及其控制器设计方法，分析了逆系统 方法的反馈线性化方法的基本原理，并利用逆系统方法对含有t c s c 的单机无穷大 系统进行全局线性化，运用二次型最优控制理论设计了基于逆系统方法的t c s c 非线性最优控制器。 第五章运用基于逆系统方法的t c s c t e 线性最优控制器对t c s c 进行稳定控制， 阻尼电力系统振荡；运用模糊p z d 控制器对t c s c 进行阻抗控制，使其实现由非线 性控制策略得到的最优命令阻抗。对单机无穷大系统以及双机系统进行仿真，并 讨论了控制器参数对系统稳定性的影响。 硕士论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 2 可控串联电容补偿( t c s c ) 的结构及工作原理 2 1t c s c 的结构与工作方式 t c s c 结构简图如图2 1 所示，t c s c 主要由四个元器件组成：电力电容器c ， 旁路电感l ，两个反相并联大功率晶闸管s c r 。实际装置中还包括保护用的金属 氧化物压敏限压器m o v ，旁路断路器等。通过对触发脉冲的控制，改变晶闸管的 触发角，即可改变由其控制的电感支路中电流的大小，因而可以连续改变总的等 效电抗，也即使线路的串补程度连续的变化。通常设计的运行范围使得晶闸管触 发角在约1 4 5 u _ 1 8 0 。范围内时，其等效电抗呈容性；而触发角在约9 0 1 4 0 范 围时，其等效电抗呈感性，这段特性使其在系统故障时具有限制短路电流的作用。 图2 1t c s c 单相结构框幽 通过对晶闸管触发角的口控制，可以快速、连续地改变t c s c 的基波阻抗。 设f ( f ) = i 。s i n o ) t 。为基波角频率。随着晶闸管正、正的导通和截止，在电抗 器中的电流将发生相应的变化，从而使电流瓣) 和可控串补两端电压“，( f ) 中，除 t i 频分量外，将含有各种不同频率的分量。显然“，o ) 7 0 i ( t ) 中的工频分量将狭 定可控串补的工频等值阻抗，从“。( f ) 和f ( ，) 中频率为厶的分量便可求出可控串 补在次同步频率下的等值阻抗。稳态时，t c s c 的基波阻抗与晶闸管触发角口的 关系如公式( 2 1 1 ) 所示。 。， i t 一2 a - 2 n - - ) f z n 、d ，2 爿一2 万一瓦f x - - 丽- - j 石一二瓦f 瓦下 x 4 0 2 ( o oc o s 2a 切_ i l ( 兰堑( 行一口) ) + ( 2 + ( 9 02 ) s i n2 a 式中，a 为晶闸管触发角，= 了击，x r c s c 的符号为正时表示感性阻抗， 为负时表示容性阻抗。对于这样的超越方程，由一求解a 角相当复杂。工程 中常采用查表的方法，事先形成x 一与口角的对应关系存在表中，以便快速获 得触发角。 硕士论文 可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 图2 2 是t c s c 基波阻抗图，有图可见，当1 2 。a 1 8 0 。时，t c s c 呈容性阻 抗；当9 0 。口时，t c s c 程感性阻抗。当触发角g = 时，理论上t c s c 处 于谐振状态，为防止t c s c 发生内部谐振，设定了晶闸管的最小容性触发角。 和最大感性触发角吼一。在控制回路的设计中，应限制a 避免使其工作在谐振 区。 阻抗 感性 ，| 容性 i 9 0 口口o 一 1 8 0 图2 2 可控串补单元综合阻抗与触发角瑾的关系 由上图可见，t c s c 在容性范围工作时，减小o ：- 而增大5 ( 导通角) ，使流过 电抗器的电流增加时，容抗将增加。反之，增大口，使流过电抗器的电流减小时， 容抗将减小。在容性范围内，最低的串补出现在可控硅完全关断，即口= 1 8 0 。 t c s c 主要工作在三种典型的运行模式：晶闸管阻断模式，晶闸管旁路模式 和阻抗调节模式。 a ) 晶闸管阻断模式：晶闸管始终处于关断状态，t c s c 相当于常规串补。 b ) 晶闸管旁路方式：晶闸管全导通，t c s c 模块电感支路与电容并联呈小感 抗，主要起保护电容器和限制故障电流作用。 c ) l 堆l 抗调节模式：晶闸管部分导通。通过对触发时刻的控制，可以平滑调节 t c s c 的容抗或感抗。在暂态稳定控制和阻尼控制过程中，t c s c 通常运行在容 性范围内，稳态时触发角在口。s 口1 8 04 范围内。 2 2t c s c 的数学模型 t c s c 装置简化等值电路如图2 3 所示，它包括两个部分：固定的电容x c ， 以及与晶闸管控制电抗器( t c r ) 支路并联的电容互。：。通过对触发脉冲的控制， 改变晶闸管的触发角，即可改变由其控制的电感支路中电流大小，因而可以连续 改变总的等效电抗，也即使线路的串补程度连续变化。 硕士论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 图2 3t c s c 简化等值电路 采用文献 1 9 】的方法，所得t c s c 阻抗为： x 2 与等一a , c 。， 其中i m 为线路电流峰值；w 为电感电流基波分量幅值；珊为系统频率；c 为电容。运用拉氏变换，同时考虑控制量可得t c s c 的数学模型为： 量一：生+ 堑+ 生 tt t ( 2 2 2 ) 当触发角改变后。t c s c 要经过一段时间才能达到稳定运行状态。这是因为 电容中存储的能量要重新补充或释放，这个过渡过程需要经过一段时间，且必须 与t c r 支路发生相互作用，并以振荡的形式表现出来。 在触发角较小，且采用固定触发角控制方式的情况下，这个过渡过程会持续 较长时间，对系统稳定造成的影响是不能忽略的。这时，控制系统在过渡过程中 的作用是至关重要的。通常的暂态稳定模型中，将t c s c 以与线路串联的稳态基 波阻抗来表示，而将控制系统假设为具有理想的特性，忽略了t c s c 固有的暂态 过程，这个假设通常是很难满足的。 2 3t c s c 的阻尼特性 对于如图2 4 所示的单机无穷大系统，其等值电路如图2 5 所示。 图2 4 单机无穷大系统原理接线图 图2 5 等值电婿 在以上这个含有t c s c 的单机无穷大系统中，假设发电机暂态电势层和机 械功率p 卅恒定，略去线路与装置的电磁暂态过程t 则具有t c s c 的单机无穷大 系统可用如下的非线性状态方程表示。 占o ) = 国一0 9 0 r 一 ( 2 3 1 ) 西o ) = 鲁h 。旦o ) o 白( r ) 一0 9 0 ) 一只l 其中，只；卫s i n 艿 x l 十z 2 十。x l s c 式中只为发电机电磁功率；只为发电机机械功率；j 为发电机转子运行角； 珊为发电机转速；砜为同步转速；h 为转动惯量；d 为阻尼系数a 当系统不含t c s c 时， x = 5 x a 。+ x t i + x r 2 + 号= x i + x ：，将e 在瓯处按泰勒级数展开，略去占的 二次项和高次项得系统微分方程为： f a 3 1 m a & = - 等c o s 删隰。：， 求得e 式的特征值a 为 一嗣 f 2 3 3 ) 从上式可以看出，当0 0 8 瓯 o 时，由于不计发电机的固有阻尼，系统为等 幅振荡模式。为了使系统避免发生振荡，需要有额外的调节功率加入来阻尼系统 的振荡，假设所加入的调节功率为： p = 置a g + k 2 国( 2 3 4 ) 微分方程变为： fr 酣= a ( o ， 面= 等l t ：+ c 毛一半，a 占i 2 3 5 9 壁主堡壅里鳖皇坠! ! 竺! ! ! 塑型塑鲨塑里窒 求得该式的特征值为： 旯：七2 0 j o ：1 2 h 2 ( 2 3 6 ) 由上式可以看出，当七z o 时系统振荡，表明阻尼转矩不足，七2 影响系统的 稳定，七。只影响系统的振荡频率。为了引入异步转矩，加入t c s c 以改变x z ， 假设工s c 为0 9 的函数，且令 。勰= - k a o o ( 七 0 ) j ：= x ：+ x + x ，：+ + x 捌 对只进行泰勒展开，得到： 北：娑c 。s 瓯厶占+ 华s i n 瓯尬 ( 2 3 7 ) jx2 特征值为： a ：一堕辈s i n 聃、( 堕警s i n 釉：一4 m o e q v o ，sc 。s 玩 ( 2 3 8 ) h x2 = yhx2总矿z 从上式看到：特征值的实部始终在负半轴上，系统是稳定的。说明t c s c 可 以阻尼系统的机电振荡，即当a c o 增大时，互、减小，从而导致式( 2 3 8 ) 的实 部的绝对值增大，使系统阻尼增强；同时阻尼的效果也随着系统负载的增加而增 强，即当负荷增大时，艿变大，导致实部的绝对值变大，从而增大了系统阻尼。 2 。4t c s c 控制器 控制器是设计t c s c 装置的关键，其性能的优劣直接影响整个系统的运行性 能。由于系统对t c s c 控制器响应的速度不同。以系统对控制命令的响应时间作 为依据，将t c s c 控制器分为底层、中层和上层控制【l ”。 底层控制就是取t c s c 模块本身参数变量作为控制输入，实施对晶闸管触发 角控制，加速不同阻抗控制模式之间的转换及抑制次同步谐振( s s r ) 等振荡现象。 该层次的功能主要通过控制器硬件和逻辑结构来实现。 中层控制也叫阻抗控制，是对t c s c 实旆的内环控制，潮流控制和其它上层 控制的功能通过阻抗控制来实现。 上层控制也叫稳定控制，是实现暂态稳定控制，增加功率摇摆时的阻尼，并 根据具体控制策略取不同系统变量为反馈量。 1 0 筝 一 一杜日 一卜一降 硕士论文 可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 t c s c 控制器基本框图如图2 6 所示。 圈26t c s c 控制器框图 分层控制中，底层控制提供抑制低频振荡和次同步振荡( s s r ) 的功能，而 且应具有很强的鲁棒性，即不依赖于网络参数，这样，在网络结构和运行状态发 生变化时，控制器仍能保证对系统振荡的抑制作用。本论文重点讨论的是t c s c 的中层控制与上层控制，也即阻抗控制与稳定控制( 或暂态控制) 。 t c s c 的触发控制的同步信号通常可以选用线路电流或电容电压。文【1 5 】通过 数字仿真和动模实验证实：在线路电流为同步信号的开环控制下，t c s c 装置暂 态特性近似表现为一个变时间常数的一阶惯性环节( 无超调，无振荡) ，而选择 电容电压为同步信号则出现明显的超调和振荡。以电容电压为同步信号的开环方 案在动态过程中( 如阻抗阶跃、系统故障等) ，由于电容电压相位的抖动，会造 成触发角的精确度下降，引起t c s c 各个电气参数的剧烈变化。文 1 0 3 也通过仿 真结果表明电容电压信号尽管包涵较丰富的信息但是对阻抗的阶跃过程很难把 握而以线路电流为同步信号则可以得到很好的控制效果。所以本文选取的t c s c 模型是以线路电流作为同步信号的一阶惯性环节。 2 4 1 阻抗控制与暂态稳定控制 1 ) t c s c 阻抗控制 t c s c 对电力系统控制所具有的潜力是基于t c s c 的快速调节阻抗能力，阻抗 控制的优劣影响着整个控制系统响应速度与稳定性。t c s c 阻抗控制分为开环控 制与闭环控制。 a ) 开环控制 开环控制实际上就是根据命令容抗值x 。直接查表，得到相应的触发表口， 用于晶闸管导通控制。其原理框图如图2 7 所示。 图2 7 开环控制原理框例 但是，如果采用简单的开环控制，则调节时间和超调量受命令电抗的影响较 大。所谓命令电抗就是由控制策略所要求的电抗1 4 】。由于没有反馈量作为修正， 硕上论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 调节的时间较长，超调也较大，而且对于不同命令电抗，开环控制的调节时间和 超调量也不同，命令阻抗越大，调节效果越差【1 0 】。因此开环阻抗控制用于暂态 稳定控制是不太理想的。 b 1 闭环控制 闭环阻抗控制能够加快t c s c 响应的动态过程以及提高控制的精度，除了有 开环控制的查表过程外，触发角还能被由命令阻抗与实际阻抗的差值构成的反馈 量进行修正。采用闭环阻抗控制如p i 控制后，相应的阻抗调节时问和超调量都 有所减小【1 5 l 。图2 8 是闭环阻抗控制的原理框图。 当同步信号取线路电流时。通过模拟仿真来观察闭环阻抗控制时t c s c 对阶 跃命令阻抗的响应，发现t c s c 的暂态特性近似表现为一个一阶惯性环节，闭环 控制具有更快的相应速度。 为了改善p i 控制的动态特性，在此基础上引入微分校正环节，构成p i d 控 制。微分环节能够预测偏差，产生超调矫正作用，有利于提高动态性能。 图2 8 刚讣阻抗p i 控制的原理框图 2 ) t c s c 稳定控制 稳定控制有两个目标：其中之一是在电力系统受到大干扰后，使同步发电机 在第一或第二振荡周期不失步；还有就是在交流系统发生振荡时，增加系统抑制 振荡的阻尼。t c s c 的稳定控待4 器及其理论分为两种：阻尼系统振荡类型和暂态 稳定控制类型。 阻尼系统振荡类型的t c s c 控制器都适用于暂态稳定控制，相反，以暂态稳 定控制为目标的控制器就不一定可用来阻尼系统的机电振荡。 论文采用的稳定控制为阻尼系绞振荡类型的控制器，同样也可以阻尼系统振 荡，应用线性最优控制理论里面的l q r 技术来优化控制环节的增益，x 、3 2 ：n - n i ：l j 逆系统的反馈线性化方法，结果不似能够体现电力系统的： f 谶性，丽且具有很好 的自适应性。 3 ) t c s c 的综合控制 t c s c 的综合控制是指先将系统参数信号送给阻尼控制器或暂态稳定控制 颁士论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 器，得到一个命令阻抗，再由t c s c 的阻抗控制( 如p i 控制) 来模拟得到的命 令阻抗x 。，x 一口之间的实际控制的数学模拟问题常用的有用一个惯性环节 模拟。以t c s c 传统的控制模型为例进行说明，控制模型如图2 9 所示。 强屁控麓环节 图2 9t c s c 传统控制模型 图中，尸r 为线路功率，反馈控制信号为有用功功率，为了抑制线路有功低 频振荡，传递函数中引入了两级超前滞后环节以产生纯阻尼。图中上面的部分为 阻尼功率振荡控制，中间为t c s c 阻抗控制，下面的部分是暂态稳定控制。当系 统发生大的扰动时，暂态稳定控制环节探测到故障信号，t c s c 的等效基波阻抗 被设置在最大，经过乃时间后，系统转入阻尼功率振荡环节，以实现对后续功 率振荡的阻尼。阻尼控制是以传递函数为基础的线性控制。对触发控制的暂态过 程用时间常数为z k 。的一阶惯性环节模拟【9 j 。 2 4 2 基于t c s c 阻抗控制的常规p i d 控制 由于受控的t c s c 的阻抗和触发角之间有很强的非线性关系，而t c s c 所在的 电力系统也是一个非线性关系。从理论上讲，应用某种非线性方法控制t c s c 的 阻抗，才能收到理想效果。但由于非线性理论在应用中还存在某些不稳定因素， 对稳定的要求又非常高，所以目前应用在电力系统工程中的控制方法，一般还是 传统的线性控制方法，最普遍的就是p i d 控制【1 2 1 。 t c s cp i d 阻抗控制的原理框图如图2 1 0 所示。 硕士论文 可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 图2 1 0t c s c 阻抗控制原理图 如图，以t c s c 命令阻抗作为基准值，与实际测得的t c s c 阻抗值比较产生 误差信号作为p i d 控制器的输入，其输出为触发角教正量，从而实现t c s c 的 变阻抗控制。 通过一些仿真表明( 1 1 l ，如果不改变p i d 控制器参数，则当阻抗阶跃较大时， 动态过程会加长，不能在短时问内消除误差。由查表得到的触发角和命令阻抗之 间的非线性关系是相当严重的，而常规的p i d 控制是一种线性控制系统，所以 它只能在一定的范围内有效，很难有良好的鲁棒性。因而只有找到某种使p i d 参数在线修正的方法，比如，变参数的p i d 控制和模糊自适应整定p i d 控制。 2 5 本章小结 1 ) 分析了t c s c 的结构及其工作原理； 2 ) 以单机系统为例分析了t c s c 的阻尼特性： 3 ) 讨论了t c s c 稳定控制和阻抗控制的控制原理，由于系统的非线性，采 用常规p i d 阻抗控制不能有效控制t c s c 。 硕士论文可控串朴( t c s c ) 控制方法的研究 3t c s c 的模糊自适应整定p i d 控制器设计 3 1 引言 在工业生产过程中，许多被控对象随着负荷的变化或干扰及故障因素的影 响，其对象特性参数或结构发生改变( 如电力系统发生三相短路后切除故障后系 统结构发生改变) 。自适应控制运用现代控制理论在线辩识对象特征参数，实时 改变其控制策略，从而把控制系统的品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果 的好坏取决于辩识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此在实际工 业生产过程中，大量采用的仍然是p i d 算法。p i d 控制算法作为一种传统的控制 方法以其计算量小、实时性好、易于实现等特点广泛应用于过程控制，当建立其 控制对象的精确数学模型时，只要正确设定参数k ，、k ，和k 。，p i d 控制器便 可实现其作用。但是，由于电力系统是强非线性系统，存在许多不确定因素，p i d 参数修改不方便、不能进行自整定，控制效果难以达到预定的目标。p i d 参数的 整定方法有很多，但大多数都以对象特征为基础。 随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作 为知识存入计算机中，根据现场实际情况让计算机自动调整p i d 参数，这样就出 现了智能p i d 控制器。这种控制器把经典p i d 控制与先进的专家系统结合，实现 系统的最佳控制。这种控制必须精确地确定对象模型，首先将操作人员长期实践 积累的经验知识用控制规则模型化，然后利用推理便可对p i d 参数实现最佳整 定。由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量及评价标准不易定量 表示。模糊理论是解决这一问题的有效途径，模糊控制不依赖对象模型，它不是 用数值变量而是用语言变量来描述系统特征，具有较强的鲁棒性，但其控制精度 不高。人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示， 并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根 据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，就可以实现p i d 参数的最佳整定，这 就是模糊自适应整定p i d 控制( 以下可以称作模糊p i d ) 。 模糊自适应整定p i d 的控制方法能发挥p i d 和模糊控制两者的优点，克服两 者的缺点，对被控系统的适应性强，鲁棒性好，特别是在系统参数发生改变时同 样可以获得另人满意的控制效果，能很好地适应现实生产过程中的控制要求。 3 2 模糊控制的基本原理 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智 能控制，其基本概念是由著名教授l a z a d e h 首先提出的。它是一种非线性的智 能控制，适合于工业生产过程和大系统控制。 硕士论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 模糊控制的基本原理框图如图3 1 所示。它的核心部分为模糊控制器，模糊 控制器的控制规律由计算机的程序实现。实现一步模糊控制算法的过程描述如 下：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差 信号p ，一般选取误差信号e 作为模糊控制器的一个输入量，把误差信号e 的精 确量进行模糊化变成模糊量。误差信号e 的模糊量可用相应的模糊语言表示，得 到误差e 的模糊语言集合的一个子集e ( p 是一个模糊矢量) ，再由模糊控制规 则r ( 模糊算子) 根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量“。 “= po r( 3 2 1 ) ? 。一一一一一一一一。一一一一一一。一。一一： 模糊控制 图3 1 模糊控制的基本原理框图 3 3 模糊控制器的设计原理 3 3 1 模糊控制器的结构选择 在模糊控制系统中，在确定性控制系统中，根据输入变量和输出变量的个数， 可分为单变量模糊控制和多变量模糊控制。在单变量模糊控制中，将其输入变量 的个数定义为模糊控制器的维数。 一般来说，一维模糊控制器主要用于一阶被控对象，由于这种控制器输入量 只选一个误差变量e ，它的动态控制性能不佳。三维及其以上的控制器，尽管理 论上讲控制更加精细，但由于维数太高，控制规则也变的更加复杂，算法实现起 来比较困难，所以在设计模糊控制系统时，多采用二维模糊控制器。 论文设计的t c s c 阻抗控制器采用命令阻抗值与实际电抗差值和差值变化 量作为模糊控制器的两个输入，p i d 控制器的三个参数修正量作为输出。 3 3 2 模糊化 将精确量转化成模糊量的过程成为模糊化( f u z z i f i c a t i o n ) 。模糊控制器的输 硕士论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 入必须通过模糊化才能用于控制输出的求解，因此它实际上是模糊控制的输入接 口。输入的精确数字量要转化成模糊矢量，即模糊化；另一方面，输出的模糊控 制量要转化成精确控制量，即反模糊化。 对于一个模糊输入变量e ，其模糊集论域通常这样形成： 将模糊论域划分成 个档次，其模糊子集论域为 e = 一”，一竹+ 1 ，- - ，- 1 ，0 ，l r l 一1 ，” 其模糊集又常进行如下划分： e = 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 _ n 8 ，船，n m ，z d ，p m ，雕，p b 模糊化一般采用的方法是：把精确量离散化，如把【6 ，6 】之间连续变化的连 续量分为7 个档次，每个档次对应一个模糊集，这样处理使模糊化过程简单。否 则，将每个精确量对应一个模糊子集，使模糊化过程复杂。 如果精确量x 的实际变化范围为【口，b 】，将【口，b 】区间的精确量转换为 一6 ，6 区间变化的变量y ，采用如下公式： y ：1 2 x - ( a + b ) ( 3 3 1 ) b 一日 由上式计算的y 值若不是整数，可以把它归入最接近于y 的整数。 当由计算机实现模糊控制算法进行模糊控制时，每次采样得到的被控量需经 计算机计算，便得到模糊控制器的输入变量误差及误差变化。为了进行模糊化处 理，得将输入变量从基本论域转换到相应的模糊论域，这中间要将输入变量乘以 相应的量化因子。 3 3 3 建立模糊控制规则 根据现场操作人员的操作经验，可以总结出一套模糊控制规则。根据人的直 觉思维推理，根据系统输出的误差及误差变化趋势来消除系统误差的模糊控制规 则。模糊控制语句构成了描述众多被控过程的模糊模型，例如，卫星的姿态与作 用的关系，工业锅炉中的压力与加热的关系等。因此在条件语句中，对于不同被 控对象，误差e 、误差变化e c 以及控制量“都有不同意义。 模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如i ft h e n 、e l s e 、a l s o 、a n d 、 o r 等。某模糊控制系统输入变量为误差e 和误差变化e c ，输出控制量为u ，它们 对应的语言变量为e 、e c 和u ，这类模糊控制的控制规则通常有模糊条件语句： i fea n de ct h e nu 来表达，这是模糊控制中最常用的一种控制规则，它反映了非线性比例加微 分的控制规律。由一组若干条模糊条件语句表达的控制规则，还可以写成一种模 糊控制规则表格，它是控制规则的另一种表达方式。 硕上论文可控串补( t c s c ) 控制方法的研究 模糊条件推理：设4 、b 是模糊控制器的输入模糊集合，c 是其输出模糊 集合。模糊条