（电力系统及其自动化专业论文）可控串补的鲁棒控制策略研究.pdf

广东t 业人学硕十学位论文 在对系统建模的过程中，充分考虑了系统模型参数的不确定性及外界未 知扰动的影响，体现了鲁棒儿h 。控制的优势。 仿真研究，以t c s c 非线性鲁棒峨h 。稳定控制器在线计算的阻抗 值作为命令阻抗，通过阻抗p i d 控制器使t c s c 实现该命令阻抗。分别 对单机无穷大系统和双机系统进行仿真，结果表明论文所设计的t c s c 的鲁棒日，日。稳定控制器能有效地改善系统运行参数变化和发生故障后 的动态品质和暂态稳定性。 关键词：电力系统；t c s c ；鲁棒控制；稳定性 i i a b s t r a c t a b s t r a c t 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 s ( f a c t s ) i so n eo ft h ef a s t e s t g r o w i n ga n dm o s ti n f l u e n t i a lt e c h n o l o g i e se m e r g i n gi n r e c e n ty e a r s h o m ea n da b r o a d i t a p p l i e s am o d e r n h i g h - p o w e r e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g ya n dc o m b i n e dw i t ha d v a n c e dc o n t r o lt h e o r ya n dc o m p u t e r i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h r o u g hm o r er a p i d ，c o n t i n u o u s a n df r e q u e n t a d j u s t m e n t so fo p e r a t i n gp a r a m e t e r se x c h a n g e a n d v a r i a b l e s ，a ct r a n s m i s s i o nn e t w o r k s e f f i c i e n c y ，s t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yc a nb ea c h i e v e d t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o rd e v i c e ( t c s c ) i sa ni m p o r t a n t p a r to ff a c t s ( f l e x i b l ea l t e r n a t i n gc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ) d e v i c e w i t hi t s a b i l i t yo fl a r g e - s c a l es m o o t hr e g u l a t i o n o ft h e i m p e d a n c eb yc h a n g i n gt h et r i g g e ra n g l eo ft h et hy r i s t o r ，i th a st h e a d v a n t a g e s o f e n h a n c i n gt h e t r a n s i e n t s t a b i l i t y ，r e s t r a i n i n g t h e l f o ( l o wf r e q u e n c yo s c 川a t i o n ) a n ds s o ( s u b s y n c h r o n o u s o s c i l l a t i o n ) a n da c h i e v i n gp o w e rf l o wc o n t r 0 1 t c s ci s ak i n do fa m o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no ff a c t st e c h n o l o g yw o r k s t h eq u a l i t yo ft c s cc o n t r o le x e r t sad i r e c ti n f l u e n c eo ni t s e f f e c t t h e a p p l i c a t i o n o fa na d v a n c e dc o n t r o l t h e o r y a n da n a c h i e v e m e n to ff l e x i b l ea n de f f e c t i v ec o n t r o lc a nm a k et c s cp l a ya m o r e i m p o r t a n t r o l ei nt h e p o w e rs y s t e m r e s e a r c h e s o nt h e t h y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n ( t c s c ) a r en o tr a r eh o m e a n da b r o a da n ds o m et h e o r i e sa n dm e t h o d o l o g i e sh a v eb e e ne x i s t i n g a l lt h e s ey e a r s t h i sd i s s e r t a t i o no nt h eb a s eo fs u m m a r i z i n gr e c e n t m e t h o d so ft h e t h y r i s t o r c o n t r o l l e d s 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 s ，f o c u s e so nt h ed e s i g no fac o n t r o l l e rf o rt h et c s c b a s e do nt h er o b u s th 。c o n t r o lw i t c hf u l la c c o u n to ft h eu n c e r t a i n t y o fp o w e rs y s t e mm o d e la n dt h eu n c e r t a i n t yo fe x t e r n a ld i s t u r b a n c e i i i 广东t 业人学硕一i ：学位论文 a n a l y s i st h eb a s i cs t r u c t u r eo ft c s c ，o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n do p e r a t i o nm o d e ，e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft c s c a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fh i e r a r c h i c a ld e s i g no ft c s cc o n t r o l l e r ， w ec a ng e tac o m p r e h e n s i v ec o n t r o lm o d e l a c c o u n t i n gt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fr o b u s tc o n t r o lt os o l v et h e r i c c a t ie q u a t i o ni s c o n s e r v a t i v e ，w ec a nt a k et h er i c c a t ie q u a t i o n a p p r o a c h t ol i n e a rm a t r i x i n e q u a l i t ya p p r o a c h a p p l i c a t i o n t h i s m e t h o dt os o l v et h er o b u s tc o n t r o lp r o b l e m ，d o e sn o tn e e dt oa d j u s t a n yp a r a m e t e r sa n dp o s i t i v e d e f i n i t e s y m m e t r i cm a t r i x ，t h u s c a n g r e a t l yr e d u c et h ep r o b l e mo ft h ec o n s e r v a t i v es o l u t i o n s o nt h eb a s eo fr e s e a r c ho f h 2 r o b u s tc o n t r o lt h e o r ya n dh 。 r o b u s tc o n t r o lt h e o r ya n du s i n gm a t l a b l m it o o l - b o xa n dt h ef o u n d o ft h em o d e l so fu n i t - - m a x i m u mp o w e rs y s t e ma n dd o u b l e - g e n e r a t o r s 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 rr o b u s th 2 h 。 c o n t r o l l e r s i m p l ea si ti s ，c o n t r o l l e rs t r u c t u r eu s i n gl o c a lp a r a m e t e r s o fc o n t r o l ，d o e sn o tn e e dal o to fc o m p u t i n ga n da c c e s st od i s t a n t s i g n a l s ，a n d i nt h ep r o c e s so fs y s t e mm o d e l i n g ，s y s t e mt a k e sf u l l a c c o u n to ft h eu n c e r t a i n t yo fm o d e lp a r a m e t e r sa n dt h ei m p a c to f e x t e r n a lu n k n o w nd i s t u r b a n c er e f l e c t s ，r e f l e c t st h ea d v a n t a g e so f r o b u s tc o n t r 0 1 u s et h ep i dc o n t r o l l e rt oc a r r yo u tt h eo r d e ri m p e d a n c ew h i c h w a sc a l c u l a t e db yt h et c s cn o n l i n e a rr o b u s t h 2 h 。c o n t r o l l e ra n d d a m pt h ep 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 h b a s e do nu n i t - - m a x i m u mp o w e rs y s t e r ma n dd o u b l e - g e n e r a t o rs y s t e m i 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 di nt h i sp a p e rh a v eg o o d p 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 ft h e s es y s t e m s k e y w o r d s：p o w e r s y s t e m ；t h y r i s t o r c o n t r o l l e d s e r i e s c o m p e n s a t i o n ；r o b u s tc o n t r o l ；s t a b i l i t y i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并 表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此 声明。 指删：俑始父 论文作者签字： d p 6f j l 5e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国电力系统的飞速发展，电网的规模及复杂程度不断增大， 当前已进入了大区电网互联、超高压远距离输电、全国统一联网的新阶 段 1 1 。随着2 0 2 0 年以后三峡电站的全部投产，全国将形成大范围内的水、 火电补偿和跨区域调节的统一大区互联电网。大区电网互联具有很多优 势，不但提高了供电可靠性，也实现了能源的远距离传输，优化了能源 资源配置，提高了经济效益。但在获得诸多好处的同时，也使得由此带 来的潮流控制、电网稳定性等问题更加突出【2 1 。由于社会、环境与经济 方面的原因，限制了新的发电厂和输电网络的建设，需要在原有电力网 络的基础上对系统进行改造。这就使得电力系统当前面临的主要问题之 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、如何最大限度地保持电力系统的稳定性1 3 1 。 在大容量电力电子技术得到应用以前，进行潮流控制和提高系统稳 定性虽然有很多种方法，但它们有一个共同的基点，即采用机械开关( 如 在控制潮流方法中采用固定串联电容器f s c 或机械式投切并联电容器 m s c 电抗器m s r ) 或调整移相器变压器分接头1 4 1 。这些机械式控制方 法不但速度慢，还有可能导致次同步谐振。这些因素制约了潮流控制的 灵活性和系统稳定性的提高，难以充分利用电力设备的输电能力。 近年来，电力电子技术、计算机技术、控制技术得到了飞速发展， 电力工业技术也在随之不断进步，其中柔性交流输电技术( 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 a c t s ) 的发展为解决电力系统中存在的潮 流控制、经济运行和安全稳定问题提供了有效的手段。f a c t s 技术是电 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 广东t 业火学硕 = 学位论文 构的灵活快速控制。f a c t s 技术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。与传统的解决方 法相比，f a c t s 把原来的断续动作、不可重复、慢速、欠准确和不够灵 活的旧式机电型控制器式刚性控制提升为可快速、准确、平滑、重复控 制、其组成和功能可灵活变动的柔性控制，从而使原来稳态控制措施更 有效，兼具更为优良的暂态和动态控制性能 5 1 。因而具有更快的响应速 度、更好的可控性和更强的控制功能。 可控串联补偿( t c s c ) 是柔性交流输电系统( f a c t s ) 中比较成熟 的技术。t c s c 结构简单，可以实现对线路阻抗灵活而连续的调节，对 提高系统暂态稳定、抑制系统功率振荡和次同步振荡都有明显的效果。 1 2f a c t s 技术的发展与研究应用现状 f a c t s 作为一个完整的技术概念，最早是由美国电力科学院( e p r i ) n a r a i ng h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年提出来的1 6 j 。其概念一经提出就引起 世界范围的广泛关注，并被专家预测为“现代电力系统中三项具有变革 性的前沿课题之一( f a c t s 技术、先进的控制中心和综合自动化技术) 。 i e e e 的f a c t s 工作组于1 9 9 7 年的冬季会议上将f a c t s 定义为： “f a c t s 控制器是指基于电力电子技术的系统或其他静态的设备，它能 对交流输电系统的某个或某些参数进行控制 【7 l 。f a c t s 装置作为在交 流输电系统中引入的可控制的一次设备，其应用可实现对电力系统电压、 参数( 如线路阻抗) 、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提 高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗，为未来 电力系统动态和稳定性控制的新策略提供了必要手段。 f a c t s 技术的概念提出后，大量的柔性输电装置先后被提出。根据 柔性输电装置与电网中能量传输的方向是串联( 平行) 或并联( 垂直) 关系，可将f a c t s 控制器分为四种基本类型1 8 】：串联型、并联型、串联 并联组合型和串联串联组合型。并联型f a c t s 控制器主要有静止无功 补偿器( s v c - s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m ： 2 第一章绪论 s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) ，静止同步发电机( s s g ：s t a t i c s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ) 、静止无功发生吸收器( s v g ：s t a t i cv a r g e n e r a t o r a b s o r b e r ) 等；串联型f a c t s 控制器主要有晶闸管控制串联电 容器( 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 a p a c i t o r ) 、晶闸管控制串联电抗 器( t c s r ：t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e s r e a c t o r ) 、静止同步串联电抗器 ( s s s c ：s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ) 等；并联串联组合型 f a c t s 控制器主要有统一潮流控制器( u p f c ：u n i f i e dp o w e rf l o e c o n t r o l l e r ) 、晶闸管控制电压调节器( t c v r ：t h y r i s t o rc o n t r o l l e dv o l t a g e r e g u l a t o r ) 、相间功率控制器( i p c ：i n t e r p h a s ep o w e rc o n t r o l l e r ) 等；串 联一串联组合型f a c t s 控制器主要有线间潮流控制器( i p f c ：i n t e r l i n e p o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 等。 不同的f a c t s 装置在电网中能控制的参数是不一样的，由于电网中 的电流、电压、阻抗、有功功率和无功功率等因素都是紧密联系的，每 一种控制器可以同时具备多种功能，如可以控制电压、潮流和提高系统 的稳态以及动态特性等，但有些控制器在特定场合却只能有一种功能。 如s v c ，其阻尼功率振荡与提高电压稳定性这两个功能在特定时刻只能 以一个为主；而u p f c 则可以通过控制节点电压和线路潮流而同时实现 这两个功能。但总体来说，在不改变电网结构的前提下，f a c t s 装置可 以使电网的输电能力及潮流和电压的可控性大为提高。f a c t s 的主要功 能可归结如下 9 1 ： ( 1 ) 按需控制电网潮流。使潮流的分布符合合同规定或用户需求， 或满足某种最优化指标或能经受某些紧急运行情况； ( 2 ) 提高电网的传输容量； ( 3 ) 提高系统的电压稳定性、暂态稳定性和中长期稳定性，有效地 阻尼电气系统的低频功率振荡和电气与机械系统之间的次同步谐振，限 制短路电流，防止连锁性故障和大范围停电事故，从而提高电力系统的 安全性。 ( 4 ) 为两个或多个电网之间提供可靠地连接，通过功率交换和互备， 降低总的备用装机容量； ( 5 ) 通过就地无功补偿，可降低线路上的无功潮流，从而可使线路 3 广东t 业人学硕十学位论文 传输更多的有功功率； ( 6 ) 减小电网环流，降低网损； ( 7 ) 快速的提供电压控制，提高系统的电压稳定性。 1 3t c s c 在电力系统中的应用及研究现状 基于晶闸管的可控串联补偿装置( 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 o m p e n s a t o r ) 是柔性交流输电装置中的重要成员之一，能够有效而经济 地提高远距离输电系统性能，是目前世界上应用最广泛的串联型柔性交 流输电系统设备。t c s c 的电抗可以在一定的范围内连续、快速的变化， 因而，它不但可以连续灵活地调节线路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，还可以有 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 性和动态稳定性，提高输送功率。 1 3 1t c s c 的作用 由于远距离输电系统线路长、损耗大，其输送功率往往大大低于其 热稳定极限。虽然输电线路一般在设计设计时取有很大的储备系数，有 很高的热稳定极限。但是由于稳定性问题的限制使得线路只能在大大低 于热极限的状态下运行，从而导致输电线路利用率不高。因此如何保持 系统稳定性成为一个突出的问题。即要求处于系统送端的发电机在正常 运行的情况下，系统受到小干扰后，机组与受端系统之间不失去同步； 另外系统遭受大干扰冲击时，比如短路故障，发电机组也不会从同步运 行状态过渡到异步运行状态。 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。 4 第章绪论 当系统中装有t c s c 时，以上的稳定性问题与低频振荡问题即可以 得到很好的解决。t c s c 采用快速可控的晶闸管开关代替原有的机械开 关，使其能更好地处理动态问题。t c s c 通过控制晶闸管的导通角度， 改变流过电抗器的电流值，从而改变t c s c 的阻抗值。如果控制策略合 适，t c s c 可视为一个大范围快速平滑可调并在容性和感性之间快速切 换的阻抗，并可以提供如下主要功能：动态潮流控制；阻尼功率振荡； 抑制s s r ；提高暂态稳定水平和输送能力；优化潮流分布，降低网损； 抑制非对称分量；降低短路电流等。 与常规的串联电容补偿相比，t c s c 主要有以下优点和应用领域1 1 0 1 ： ( 1 ) 提高输电系统的输送能力。利用t c s c 可以提高系统某一输电 走廊的输送能力和改善输电走廊上的电压分布； ( 2 ) 提高系统稳定水平。如果安装位置合适，串联补偿能够减少机 组间电气距离，增加同步力矩，提高稳定水平。由于t c s c 可以利用电 容器的短时过载能力，因而提高系统暂态稳定水平的能力通常比常规串 补高； ( 3 ) 在网状电网中，t c s c 可根据系统运行条件( 线路开断，发电 机出力分布调整等) 控制线路潮流，从而降低网损，改善潮流分布，防 止过负荷，提高输送能力； ( 4 ) 增强系统阻尼。互联电网或地区电网之间在一定条件下会存在 弱阻尼或负阻尼的振荡模式。利用t c s c 可以改善阻尼，提高系统动态 稳定性； ( 5 ) t c s c 可消除次同步谐振，使补偿度提高。造成电网和汽轮发 电机轴系之间相互作用的主要起因有：串联电容补偿以及h v d c 、开关 操作、故障等。t c s c 可通过一定的触发控制规律控制串联电容器和汽 轮发电机轴系之间的能量交换，抑制系统中的次同步分量，从而可以提 高串补度而无发生次同步谐振的风险； ( 6 ) t c s c 在故障期间，通过晶闸管旁路可降低短路电流和m o v 的能量定值。 5 广东t 业人学硕l ：学位论文 1 3 2t c s c 的应用现状 和其它串联型f a c t s 器件相比，t c s c 实用性强，经济性好，而且 能够有效地解决常规固定串补中存在的一些问题：如系统功率振荡、次 同步谐振( s s r ) 、动态潮流控制等，故t c s c 得到较为广泛的应用。 自从1 9 9 1 年第1 套可控串补设备投运以来，目前世界上已经有数十套可 控串补设备投入商业运行1 1 1 1 。 19 91 年12 月在美国a e p ( a m e r i c a ne l e c t r i cp o w e r ) 的k a n a w h ar i v e r 站的3 4 5 k v 线路上，第一个晶闸管投切的可控串联补偿器( t s s c ) 投入运 行，这标志着t c s c 技术实用化阶段的开始。 1 9 9 2 年美国西部电业管理局( w a p a ) 在k a y e n t a 变电站的2 3 0 k v 系 统侧安装了一套晶闸管控制的串联补偿器( t c s c ) 装置。该装置包括两组 工频容抗为5 5q 的串联电容器组。其中第一组为固定串联电容器，第二 组分为两部分，一部分是4 0q 的固定串联电容器，另一部分是在1 5q 的 电容器两端并联带有晶闸管控制的电抗器支路的可控电容器。该t c s c 装置的安装为研究t c s c 装置的特性及其应用提供了现场试验条件。 1 9 9 3 年美国邦纳维尔电业管理局在所属的s l a t t 变电站5 0 0 k v 系统 侧安装了一套多模块t c s c 装置，该装置由6 个相同的t c s c 模块组成， 每个模块的串联电容器容抗为1 3 3q ，三相电容器总容量为2 0 2 m v a r 。 和单模块t c s c 装置相比较而言，多模块t c s c 装置具有阻抗可控范围 宽，连续调节性能好的优点。研究人员在此基础上针对t c s c 装置的特 性及其在阻尼电力系统功率振荡和抑制次同步谐振等应用方面丌展了大 量的理论和试验研究工作。 1 9 9 7 年瑞典对安装在s t o d e 变电站的串联补偿装置进行了改造，其 补偿容量的3 0 由t c s c 装置实现，另外7 0 的补偿容量仍然是通过固 定串联电容器实现。这是专门为解决s s r 问题而安装的t c s c 装置。 1 9 9 7 年巴西在其北南电网互联工程中从i m p e r a t r i z 到s a m a m b a i a 长 达1 2 0 0 k m 的5 0 0 k v 输电线路上安装了串联补偿装置，包括6 组容量为 1 6 1m v a r 的固定串联补偿装置以及2 组容量为1 0 8 m v a r 的t c s c 装置， 6 第一章绪论 用于阻尼系统低频振荡和抑制可能发生的s s r 问题，以提高系统的输电 能力。 我国对于t c s c 技术的研究起步较晚。1 9 9 6 年，由中国电力科学研 究院联合东北电管局、国内高等院校和相关研究所，针对东北电网伊敏 至冯屯的5 0 0 k v 输电线路采用t c s c 装置提高系统输电容量的问题，开 展了广泛深入的t c s c 装置特性与应用方面的关键技术研究。 2 0 0 3 年11 月，亚洲首个5 0 0 k v 可控串补工程天广交流输变电平果 站正式投运。天广可控串补系统提高了广西5 0 0 k v 交流电网天生桥一平 果输电线路的输电容量。天广可控串补系统是首个使用光直接触发晶闸 管( l t t ) 的串补工程，它不仅可用作控制装置还可用作快速旁路开关装 置，并能承受很大的交流故障电流。 2 0 0 5 年，由中国电力科学院主研的第一套国产化t c s c 装置在甘肃 省壁口一成县2 2 0 k v 电网投运，线路串补度达到5 0 。 我国正在实施规模宏大的西电东送能源战略以及全国联网系统工 程，可以预计，可控串联补偿技术必将在未来我国电力系统中得到广泛 应用。 1 3 3t c s c 的研究现状 从上世纪8 0 年代末开始，国内外学术界和工业界就针对t c s c 的应 用问题开展了大量卓有成效的研究工作。 为了能仔细分析t c s c 控制器在电力系统动态分析中的作用以及采 取相应的控制策略，必需有一个实用且有足够精确度的数学模型。t c s c 的动态行为包括连续( 由电感和电容上的电流和电压决定) 和离散( 由 可控硅的导通与关断决定) 两类过程，使对其动态行为的描述变得十分 复杂。在对其进行数学建模方面，主要有以下几种方法：( 1 ) 准稳念变阻 抗模型。该模型用一个时问常数来表示t c s c 触发控制的延迟和自然响 应，简化了t c s c 的慢动态，使得一些动态研究的结果不够精确；( 2 ) 平 均法。建立晶闸管导通和关断时的状态方程，按通断时间平均后得整体 近似的状念方程。但因t c s c 并非高频丌断的元件，这种平均法随t c s c 7 广东t 业人学硕十学位论文 导通角的增大而误差增大，此法仅适用于t c s c 导通角较小时的近似情 况；( 3 ) p o i n c a r e 映射法。这是一种建立在动力系统几何理论之上的判断 周期轨线稳定性的严格的分析方法，根据当前时刻的线路电流、触发角、 电容电压，用p o i n c a r e 变换预测半周期后的电容电压。这种模型将非线 性系统对一周期信号的响应进行比较精确地线性化，但模型的推导十分 复杂，所以这种方法目前仅用于单机无穷大系统1 1 2 1 ；( 4 ) 独立的动态解析 模型。在合理的假定条件下( 通常是线路电流全波或部分符合正弦波形) ， 建立独立的t c s c 小信号动态解析模型。此种模型对轴系扭振分析可给 出精确和快速的结果。 关于t c s c 模型的建立，国内外已有很多相关文献。文献f 1 0 1 结合 t c s c 的谐波特征，应用动态相量法建立了t c s c 系统化的动态模型， 分析了t c s c 动态相量模型在容性工作区和感性工作区时电容电压的谐 波分量主要是三次和五次谐波，而在感性区域并不具备这一特征，以及 在容性工作区触发角较大时，电容电压可以用时变的基波分量来表示； 文献【11 】对基于广域测量信号的可控串补系统进行了分析，建立了基于 广域测量的t c s c 系统模型。通过引入附加状态变量，将含有时滞的系 统转换为不含时滞的离散控制系统，并采用离散滑模控制的方法设计了 状态反馈控制器，在减小离散滑模变结构中的高频抖振问题上，采用了 改进的离散趋近律方法，对克服控制器中的抖振问题提出了有效的解决 方法；文献【1 2 1 介绍了动态相量法，它可以用来建立电力系统元件的非 线性、大信号、时不变的模型。动态相量法可能为电力系统电磁暂态与 机电暂态混合仿真提供有利的工具。 t c s c 控制策略的研究是一个重要的课题，应用先进的控制理论， 实现灵活有效的控制方式，可以达到更好的控制效果。可以说，t c s c 控制器的设计是整个t c s c 装置的关键。 在控制策略方面，主要有三种途径：将非线性受控系统线性化后，应 用线性控制器的设计方法、直接运用非线性控制理论设计非线性控制器、 基于人工智能的智能控制器。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，含t c s c 的电力系统也是非线性的。从理论上讲， t c s c 采用非线性控制策略j 能达到理想效果。非线性控制方法主要有 第一章绪论 以下几种：反馈线性化方法、基于l y a p u n o v 稳定性理论的控制方法、非 线性变结构控制方法、非线性自适应控制、人工神经网络控制和综合智 能控制、鲁棒控制等。鲁棒控制理论在设计过程中考虑了数学模型所具 有的不确定误差，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对象均能满足理想特性 要求。日。鲁棒控制理论是目前解决鲁棒控制问题比较成功的体系。 文献【1 3 1 将鲁棒h ：h 。控制理论应用到t c s c 的控制设计中，通过采 用直接反馈线性化的方法建立了包括t c s c 在内的单机一无穷大电力系 统的鲁棒模型；文献【1 4 1 针对带有t c s c 的单机无穷大系统的非线性二 阶模型，使用逆推方法设计了t c s c 的非线性控制器；文献【x 5 l 利用微 分几何法和最小方差自校正原理，设计了t c s c 非线性自校正自适应控 制器。能实时监测系统的外扰并自动进行校正；文献 16 】基于非线性最 优预测控制( n o p c ) 理论，设计了一种具有闭合的解析控制律的可控 串联补偿电容器( t c s c ) 的控制器；文献【7 】针对带有t c s c 的单机无 穷大电力系统，提出一种新的t c s c 自适应非线性控制b a c k s t e p p i n g 方 法。除了完整保留系统的非线性特性外，与传统的b a c k s t e p p i n g 方法比 较，系统的响应速度和自适应速度均可由设计误差动态时强加的增益进 行调节来满足工程上的需求；文献【a 7 1 结合了模糊控制理论和变结构的 控制理论，设计了t c s c 的模糊变结构控制规律，可以根据系统的动态 特性灵活地改变补偿容量，提高系统的稳定性；文献【1 8 研究了模糊控 制的基本原理和模糊控制器的原理，并设计了t c s c 的模糊自适应整定 的p i d 控制器；文献【1 9 采用非线性最优控制策略结合模糊p i d 阻抗控 制对t c s c 进行控制，控制过程中采用了结合b a n g b a n g 控制的模糊p i d 阻抗控制，使t c s c 能很好地跟踪命令阻抗，提高的系统稳定性；文献 2 0 】利用逆推方法与l 2 性能准则相结合，设计了多机系统t c s c 非线性 鲁棒控制器，该控制器可以抑止干扰对系统输出的影响；文献【2 1 介绍 了基于坐标变换和反馈控制理论的一种反馈线性化方法一逆系统方法。 运用逆系统方法将含可控串联补偿电容器( t c s c ) 的非线性电力系统线 性化，并且对该线性化的系统运用具有二次型性能指标的线性最优控制 9 广东t 业人学硕一i ：学位论文 方法设计了t c s c 的稳定控制器；文献【2 2 研究了含有参数不确定性及 外部扰动的t c s c 单机无穷大母线系统的鲁棒h 。控制问题，使用自适应 b a c k s t e p p in g 方法及l y a p u n o v 方法构造出系统的存贮函数，同时设计 出鲁棒日。控制器及参数替换律；文献【2 3 1 针对带有t c s c 单机无穷大母 线系统的三阶鲁棒模型，在考虑阻尼系数未知及系统受外部扰动的情况 下，将自适应b a c k s t e p p i n g 方法与非线性l 2 增益干扰抑制理论融合，构 造出系统的存贮函数，并获得自适应鲁棒控制器及参数替换律；文献【2 4 】 分析了广域测量系统的通信延迟时间对可控串联电容补偿器( t c s c ) 非 线性控制器稳定特性的影响，基于线性矩阵不等式理论设计了t c s c 控 制器以提高电力系统对时滞的不敏感性。 1 4 本文的研究目的及主要内容 本文以可控串联补偿装置t c s c 的控制系统为研究对象，按照分层 化设计t c s c 控制系统的思想，结合系统层控制和阻抗控制实现t c s c 的综合控制。深入研究了鲁棒控制策略在非线性系统中的应用，设计了 t c s c 的鲁棒，h 。控制器。对设计出的鲁棒控制器在 m a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真，结果表明采用此控制器可以阻尼系统 振荡，提高系统的稳定性。 本文的主要工作及章节安排如下： 第一章综述柔性交流输电系统的可控串联补偿t c s c 技术在电力系 统的作用及其研究应用现状。 第二章介绍可控串补的结构和运行方式，详细分析t c s c 基波阻抗 与触发角的关系，概述t c s c 的分层控制系统，总结了系统层控制结合 阻抗控制实现的t c s c 综合控制。 第三章介绍鲁棒控制理论的基本概念，总结了具有参数不确定因素 和外部扰动的非线性系统鲁棒h ，h 。控制，以及应用l m i 方法求解h 。控 制律的方法，引入m a t l a b 中l m i 工具箱进行设计。 第四章运用鲁棒控制理论，针对单机无穷大系统设计了t c s c 的鲁 棒h ，i h 。控制器。在对电力系统建模的过程中，充分考虑了电力系统的 1 0 笫一章绪论 参数不能精确测量和未知外部扰动的影响。针对多台发电机并联运行的 复杂系统，设计了等效双机系统的t c s c 鲁棒h ：h 。控制器。 第五章在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对设计出的鲁棒h 2 h 。控制 器进行仿真。结果表明，采用鲁棒h ：h 。控制策略对系统参数摄动有较 好的鲁棒性，有利于提高电力系统的稳定性。 广东t 业人学硕i ：学位论文 第二章t c s c 的工作原理与分层控制方式 在远距离输电系统中，t c s c 能有效的提高系统传输容量、改善系 统稳定性。由于在输电线路中间加入串联电容器，可以抵消线路串联电 感的作用，缩小线路两端的相角差，即可获得较大的传输功率及较高的 稳定裕度。另外，与其他的f a c t s 装置相比，t c s c 的电路结构较为简 单( 由一个串联在线路上的电容器和一个与之并联的由晶闸管控制的电 抗器组成) ，这使得对现有的常规串联补偿站改建有很好的经济性。且 t c s c 可以容许无限次的操作而不会磨损；可以连续快速地改变线路的 电抗补偿度，实现对线路潮流良好的控制；可在容性阻抗和感性阻抗间 快速的切换，这些特点对于进一步实现电力系统的控制起到了很好的作 用 7 1 。 本章介绍t c s c 装置的基本结构、运行原理及其工作特性，并基于 分层化控制思想分析t c s c 的控制系统。 2 1t c s c 的基本结构 。 图2 1t c s c 基本结构 f i g 2 - 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft c s c t c s c 能成为迄今为止最有吸引力的f a c t s 装置的一个重要原因在 于：t c s c 有着非常简单的主电路结构，可以直接串接于输电线路中而 无须高压变压器设备。基本的、概念性的t c s c 模块由一个串联电容器 c 与一个晶闸管控制的电抗器l 并联组成1 2 0 | ，如图2 1 所示。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 第二二章t c s c 的t 作原理与分层摔制方式 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 连续变化。 而实际的t c s c 模块还包括通常与串联电容器一起安装的保护设备 如金属氧化物压敏限压器m o v 、旁路断路器等，其结构简图如图2 2 所 示。 图2 2t c s c 结构框图 f i g 2 - 2b l o c kd i a g r a mo ft c s c 图2 2 中m o v 为金属氧化物压敏限压器，本质上为一个非线性电 阻器，跨接在串联电容器上，用以防止电容器上发生高的过电压。m o v 不但能限制电容器上的电压，而且能使电容器保持接入状态，即使在故 障情况下也是如此，从而有助于提高系统的暂态稳定性。 旁路断路器c b 同样跨接在电容器上，用以控制电容器是否接入电 路。在发生严重故障或设备工作不正常时，可用旁路断路器将电容器旁 路。 此外，t c s c 还有专门的控制和保护回路 2 1 1 。对t c s c 装置的保护 由一复合系统实现。保护的主要元件包括电容器组保护和输电线路保护。 电容保护和线路继电保护都能使t c s c 控制系统在相应的故障状态下去 触发可控硅阀，使其连续导通，利用t c s c 最小阻抗状态起到保护作用。 在实际工程应用中，既可以将单个t c s c 模块直接串接于输电线路 中，也可以将多个小容量t c s c 单元同时串接于输电线路中，分别对每 个t c s c