（电力系统及其自动化专业论文）可控串联补偿系统基于能量函数的暂态稳定控制策略研究.pdf

上_ 簪变通天擎电力学麓妒士学位静j t 进行了研究。主要成果归纳如下： 对经典模型和详细模型下单机无穷大系统，推导了暂态能量函数 导数的表达式。在此基础上进一步推导了详细模型下多机系统的 该导数的表达式，并指出所得公式普适于发电机其它模型。 提出了一种新的t c s c 稳定控制设计思想，即以能量函数对时间 的导数d v d t 最小化原则设计t c s c 的稳定控制策略。该方法以 暂态能量值作为系统经受大扰动后暂稳控制和阻尼后续振荡的 指标，使其尽快归零，能同时实现t c s c 的暂态稳定控制和对后 续功率振荡的阻尼。 进行了t c s c 暂态稳定动态模拟实验，通过实验波形数字记录和 数值仿真结果进行对比和分析，进一步验证了t c s c 对提高系统 暂态稳定的作用，提出工程实用时应注意的问题。实验验证了基 于能量函数导数设计的t c s c 稳定控制策略，对于各种对称和非 对称故障，都能得到满意的结果。 引入支路能量函数方法来寻找网络中最脆弱的输电环节，以确定 t c s c 在系统中的最佳装设地点。推导了基于支路能量函数法的 能量函数导数的表达式，分别由各支路的分量表示。在装设多个 f a c t s 的系统中，各支路的稳定控制可互相解耦，实现分散控 制。 又以阳城一淮阴送出工程为例进行了稳定分析。将系统中的常规 i i 上_ 摹芷通天学电力学蓖博士学往论文 串补改为可控串补，研究了采用本文提出的t c s c 稳定控制策略 对提高系统稳定水平的作用。提出了进一步提高系统稳定水平应 、 j 考虑的措施。 ， 关键词：电力系统，遮蓟输电系统，可控串联补偿，能量函数， 暂态稳定，控制策略，动态模拟试验 t i 洚变通走学电力学钝犀士垆拉敞 t c s ct r a n s i e n t s t a b i l i t yc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do n e n e r g y f u n c t i o n a b s t r a c t f o rl o n gd i s t a n c e ，h e a v yl o a d e da ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，s e r i e s c a p a c i t o rc o m p e n s a t i o nm a y s h o r t e ne l e c t r i c a ld i s t a n c e ，i m p r o v et r a n s i e n t s t a b i l i t ya n d ，t h e r e f o r e ，i n c r e a s e t r a n s f e r c a p a b i l i t y a s o n e t y p e o f 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 ) ，t h y r i s t o rc 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 ) p u s h e s t r a d i t i o n a ls e r i e sc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y t oa t o t a l l y n e w l e v e l b yu s i n gt h y r i s t o rs 研t c h i n g ，t c s c c a n c o n s e c u t i v e l yc h a n g el i n e r e a c t a n c ei nal a r g er a n g er a p i d l y , t h e r e b y , + f l e x i b l ya d j u s tl o a df l o wa th i g hs p e e d ，d a m pp o w e ro s c i l l a t i o n ，m i f i g a t e s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ( s s r ) a n de n h a n c es y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t y e f f e c t i v e l y t c s c s t a b i l i t yc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c h h a sa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o no f r e s e a r c h e r sb o t hd o m e s t i ca n da b r o a d ，i st h es t u d yf o c u sa n di sh a r dt o r e s o l v ef o rt c s c p r a c t i c a lu s e u pt on o w , t h e r ea r es om a n y a d v a n c e d c o n t r o lt h e o r i e sa p p l i e di nt h i sf i e l d t r a n s i e n te n e r g yf u n c t i o n s ( t e f ) m e t h o di so n eo ft h e r r lh o w e v e r , i ts t i l ln e e d sf u r t h e rs t u d y t e fi sak i n do fd i r e c tm e 廿1 0 db a s e do l ll y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r y , 上雄芏遥戈擎咆力学虎 醇壬学证静戈 w h i c hd e s c r i b e ss y s t e m e n e r g yd u r i n gf a u l ta n dp o s tf a u l t t h ev a l u eo f t e fs h o w st h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h ep o i n ta tt h em o m e n tc o m p a r e d w i mt h es t a b l ee q u i l i b r i u mo n ed u r i n gp o w e rs y s t e md y n a i n j cp r o c e s s a n dt h e r e f o r ec a l lb eu s e da st h ea s s e s s m e n to ft c s c s t a b i l i t yc o n t r 0 1 i n t h e d i s s e r t a t i o n ，a n e wc o n t r o l s t r a t e g y b a s e do nt e fm e t h o di s i n t r o d u c e d m a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s d e d u c et h ed e r i v a t i v eo ft e ff o rs i n g l em a c h i n ei n f i n i t eb u s ( s m i b ) s y s t e mw i t hc l a s s i cm o d e la n d d e t a i l e dm o d e l t h e nt h ee x p r e s s i o n f o rm u l t i m a c h i n es y s t e mw i t hd e t a i l e dm o d e li s d e r i v e d ，w h i c hi s u n i v e r s a la n d a p p l i c a b l ef o ra n y o t h e r t y p eo fg e n e r a t o r m o d e l s an e wt c s c s t a b i l i t yc o n t r o ls 仃a t e g yi sd e s i g n e db yc h e c k i n gt h e d e r i v a t i v eo ft e f t h eo b j e c to ft c s ci st om i n i m i z et h ed e r i v a t i v e ： d r d r = m i n t h i s m e t h o du s e st h ev a l u eo ft e fa st h ea s s e s s m e n t o fs y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t ya n ds u b s e q u e n tp o w e ro s c i l l a t i o n ，a n d p u l i st h es y s t e mb a c kt oi t ss t e a d ys t a t em o s tr a p i d l y n e wc o n t r o l s t r a t e g yc o m b i n e s t r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n t r o la n d d a m p i n g w i t ht h e c o m p a r i s o n o fl a bm e a s u r e dr e s p o n s ea n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ee n h a n c e m e n te f f e c to ft c s cf o rt r a n s i e n t s t a b i l i t ya n dp r o b l e m st h a ts h o u l db en o t e df o rt c s cp r a c t i c ea r e s t u d i e di np h y s i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mt e s t t h er e s u l to f e x p e r i m e n t s v 上 摹霓通大擎咆力学蘑 葶士学盘语丈 w i t hv a r i o u st y p e so ff a u l tp r o v e st h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yd e s i g n e d i se f f e c t i v e b r a n c ht r a n s i e n te n e r g yf u n c t i o nm e t h o di si n t r o d u c e dt os e a r c ht h e b o t t l e n e c ki nt h en e t ，w h e r ei st h eb e s ti n s t a l l a t i o np l a c ef o rt c s ct o i m p r o v es y s t e ms t a b i l i t y t h ed e r i v a t i v ee x p r e s s i o no f b r a n c he n e r g y f u n c t i o ni sd e d u c e d ，w h i c hi sc o n s t i t u t e db yc o m p o n e n t so fe a c hl i n e b yi t so w n f o rs y s t e mw i t hm u l t if a c t s ，ad e c e n t r a l i z e dc o n t r o l c a nb e d e s i g n e d ，s i n c e e a c hf a c t sc o n t r o l s t r a t e g y i s o n l y d e t e r m i n e db yt h ee n e r g yd e r i v a t i v eo ft h er e l a t e dl i n e a n a l y z et h es t a b i l i t ys t a t u s o fy a n g c h e n g h u a i y i nt r a n s m i s s i o n s y s t e m u p g r a d i n g t h et r a d i t i o n a ls e r i e sc o m p e n s a t i o nt ot c s c ，t h e i m p a c t o ft c s cu s i n g d e s i g n e d c o n t r o l s t r a t e g y f o r t r a n s i e n t s t a b i l i t y i ss t u d i e d s o m e s u g g e s t i o n s a r e p r e s e n t e d f o rf h r t h e r s t a b i l i t yi m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ，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 ( f a c t s ) ， t 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 ) ，e n e r g y f u n c t i o n ， t r a n s i e n ts t a b i l i t y , c o n t r o ls t r a t e g y , d y n a m i cs i m u l a t i o n t e s t 上海建通走学电力学蓖 犀士学拉苛戈 1 1 概述 第l 章绪论 随着国民经济的发展，用电负荷急剧增加，供电范围扩大，电力系统向大容 量、高电压、远距离输电的互联系统方向发展。2 0 世纪8 0 年代咀来由于省网 的互联，我国已步入5 0 0 k v 区域电网阶段，全国已经形成了东北、华北、华东、 华中、西北、和南方六大跨省电网。9 0 年代以来，由于葛洲坝水电站与上海南 桥变电站间5 0 0 k v 直流输电线的开通，实现了华中、华东联网。三峡工程建成 后。总装机容量将达1 8 2 0 g w ，由1 5 回5 0 0 k v 交直流输电出线多方向送出届 时全国联合电网也将逐渐形成。 在电力系统规模不断增大的过程中，各种问题也随之不断出现，其中稳定问 题尤为突出。我国的发电能源分布极不均匀：煤炭储量的8 2 和可开发水电的 6 7 5 主要集中在西部地区，而电力消费主要集中在中部和沿海地区，发电中心 与负荷中心往往相距甚远，因此大容量、远距离输电势在必行。对于这种远距离、 大容量的高压输电系统，送受端间的电压相角差较大稳定裕度较小。如果受到 干扰，系统的稳定运行容易受到破坏，使这些长距离、重载、跨区间交流输电系 统的传输容量受到其稳定极限的限制。8 0 年代我国每回5 0 0 k v 输电线的输电能 力太多在6 0 0 9 0 0 m w ，随着电网建设的加强，目前已达到8 0 0 1 0 0 0 m w ，与 国外先进水平相比，还存在一定的差距【l 】。随着三峡工程、西南水电基地、西北 煤电基地的开发建设，这些问题急待解决。 串联补偿技术是一种提高稳定极限的经济有效的方法。在输电线中间加入串 联电容器，用以抵消线路电抗，从而缩小线路两端的电压相角差，获得较高的稳 定裕度及较大的传输功率。串联补偿技术已发展得十分成熟，在电力系统中的应 用已经有7 0 多年的应用历史，其中最高串补度可达8 0 。据不完全统计，目前 世界上在2 2 0 k v 及以上电网中投运的串联补偿容量已超过9 0 g m v a r 。我国也曾 在新安江至上海的2 2 0 k v 输电线路和刘家峡至天水、关中的3 3 0 k v 输电线路上 采用过串联补偿，后因设备质量问题和系统条件变化而相继退出运行。为提高系 统的稳定极限，增加线路输电能力，减少征地，降低输电工程投资，串联补偿技 术在我国又重新得到应用。目前在东北的伊敏一冯屯、华东的阳城一淮阴等线路 上装设了串补装置，东北、华北、西北、华东、内蒙古等电网都有采用串补技术 提高线路输送能力、减少线路投资的项目和设想。 上肇戈遥土擎电力学魔 搏士擎崔敞 美国电力科学院的n g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年提出了灵活交流输电系统 ( f a c t s f l c x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 的概念给传统交流电力系统带来 了革命性的变化【2 3 1 。它倚靠电力电子技术的发展，利用大功率可控硅元件以及 新型电力电子元件，使电力系统控制研究进入了一个崭新的阶段。 可控串联补偿( t c s c t h y n 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 ) 是f a c t s 技术中的重要一员，它在继承了常规串联补偿的各种优点的基础上使串补的作 用更为明显和广泛。可控串联补偿装置的电路示意图如图1 所示它采用可控硅 控制的电抗器与串联电容器相并联的t c r ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t a n c e ) 方式， 根据系统的不同要求，利用可控硅快速通断的特性，通过改变可控硅在一个周波 内的导通时间，能够在很大范围内快速、连续地调节线路的电抗，从而提高系统 阻尼和快速、连续地调节线路传输的功率。 图1 - 1 t c s c 电路示意图 f i g 1 - 1c i r c u i td i a g r a m o f t c s c t c s c 有三种基本运行方式：阻断( b l o c k e d ) 模式、旁路( b y p a s s ) 模式和 微调( v e r n i e r ) 模式。阻断模式下，可控硅不导通，t c s c 模块相当于常规串联 补偿：旁路模式下，可控硅连续导通，串联电容被旁路t c s c 模块相当于一个 小感抗；微调模式下，可控硅栅极触发信号采用相控，模块的阻抗性质取决于可 控硅的触发角，采用不同的触发角可以在一定范围内平滑调节感抗或容抗。 由此可见，可控串补大大提高了常规串补的运行灵活性。相比之下t c s c 能够实现： 进一步提高传输容量； 进一步提高暂态稳定极限； 阻尼次同步振荡s s r 及线路功率振荡； 在无次同步振荡危险的情况下增加串补度可提高静态稳定极限； 减小故障电流： 连续调节、控制潮流； 2 上海变通走学电力学院 薄士学崔静戈 控制电压偏差。 t c s c 的这些优势是很有吸引力的，它的研究受到了国内外的普遍重视，并 已取得了较大的进展。回顾一下发展历程 “。美国e p r i 的十年f a c t sr & d 计 划中包括了六个t c s c 项目。目前已有三个t c s c 示范工程投入运行： 1 9 9 1 年，a e p ( a m e r i c a ne l e c t r i c a lp o w e r ) 在其1 7 4 k r n 长的3 4 5 k v 线路上 的k a n a w h ar i v e r 变电站安装了由a b b 公司制造的串联电容补偿装置，使线路 的输送能力从9 5 0 m w 提高到1 4 5 0 m w 5 i 。它将可控硅并接在b 相补偿度占i o 的电容模块上。主要为三相潮流平衡用。通过采用合适的可控硅投切方式可 阻尼系统的功率振荡。由于没有并联电抗器，它还不是真正意义上的t c s c 。 美国西部电力管理局( w a p - - w e s t e r na m e r i c ap o w e ra d m i n i s t r a t i o n ) 于 1 9 9 2 年在亚利桑那州东北部2 3 0 k v 系统k a y e n t a 变电站安装了由德国s i e m e n s 公司制造的部分可控的串联电容补偿装置，它由可控硅控制电抗器与串联电容并 联组成，称为先进串联补偿a s c ( a d v a n c e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n ) 6 “o | 。其输电 线路总长3 2 0 k m ，工程包括两组1 6 5 m v a r 串联电容器组，每组容抗5 5 f 2 ，其中 一组中4 5 m v a r ( 1 5 n ) 电容器组上加有可控硅控制的电抗器。使用开环阻抗控 制用p i 控制器实现闭环电流控制。并以“b a n g - b a n g ”控制作为备选方案以阻 尼功率摇摆。 1 9 9 3 年g e 公司制造的可控串联补偿装置被安装在美国西北部俄勒冈州 b 队( b o u n e v i l l ep o w e ra d m i n i s t r a t i o n ) 5 0 0 k v 电力系统s l a t t 变电站。称为t c s c ( t h 州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 i o n ) 。卅。线路的输送容量为2 5 0 0 m w 。 其设计为三相全控，每相由6 个相同模块串联而成。每个模块的额定容抗为 l _ 3 3 q ，具有4 o q 的暂态过载能力。其动态运行能力比连续运行能力大两倍，可 以应用于任何有s s r 危险的输电线上。工程为t c s c 设计了闭环控制，监测一 有关功率摇摆的信号，通过串补度的变化阻尼功率摇摆。该线路投入运行时，进 行了全面的现场试验，包括s s r 控制试验，阻尼功率振荡试验，及故障试验等。 试验结果证明了t c s c 的潜在功能，并且全部达到设计要求。 除美国之外其它国家也对t c s c 的应用抱以极大的热情【i 。”j 。瑞典电力 系统在位于s t o c k h o l m 以北4 0 0 k r n 、f o r s m a r k 以南3 0 0 k i n 的4 0 0 k v 输电线上安 装了部分可控的串联补偿，主要用于减少次同步振荡，提高线路的传输能力。巴 西北部到东北部的5 0 0 k v 输电网络中装设有t c s c ，它主要用于暂态稳定控制、 潮流控制和抑制次同步振荡。此外，还有一些t c s c 项目在研究中：印度中部的 4 0 0 k v 输电线路上将安装t c s c 装置，以提高稳定水平，增加功率传输能力。澳 大利亚q u e e n s l a n d 南部系统与n e w s o u t hw a l e s 北部系统相联的3 0 0 k v 输电线路 3 _ _ _ _ - _ 。_ _ - - _ - l - - - - _ - l - _ _ _ - _ _ - - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一一一 上辟芷逼土擎电力学魔 岸壬学拉毋j 亡 上也在研究采用t c s c 装置，用于改善系统阻尼性能和提高传输能力。 我国地域辽阔。资源分布不均衡，导致电能的跨区域输送如西电东送、北电 南送等，送电距离长，系统网架薄弱，稳定问题突出，可控串联补偿技术无疑是 增加线路输送能力，提高系统稳定性的一种较为经济的选择，应用前景十分广阔。 目前，我国在典型的远距离输电工程伊敏至冯屯5 0 0 k v 线路，以及阳城至淮阴 5 0 0 k v 线路上采用串联补偿技术，并为解决系统稳定问题进行了t c s c 可行性研 究。这使我国对可控串补技术的研究蓬勃开展起来。电力科学研究院、清华大学、 上海交通大学、东南大学等单位对采用串联补偿技术后可能产生的过电压、次同 步谐振s s r 、继电保护、以及t c s c 的稳定控制策略等问题进行了全面的研究， 并取得了一定的成果，为t c s c 的工程实用打下了基础。 1 2 可控串联补偿系统的研究现状 国内外的专家学者对可控串联补偿技术展开了大量的研究，在t c s c 模型及 基本特性、潮流控制、抑制s s r 、过电压保护、继电保护、模拟实验、稳定控制 等方面取得了许多成果【l ”“。 提高电力系统的暂态稳定水平，有效阻尼系统振荡是可控串联补偿的重要功 能。为达到这一目的，必须辅以适当的控制策略。目前国内外有许多文献对t c s c 的控制策略进行了研究，其中应用了许多先进的控制理论，以下对一些主要理论 ， 进行了例举p 5 】： 非线性系统反馈化方法，它以电力系统非线性数学模型为基础将原系统转 化为线性系统，然后结合线性系统的控制方法，如基于微分几何法的线性最优控 制f 3 7 1 ，逆系统方法 3 8 - 4 0 i ，直接大范围反馈线性化方法 4 】等。 自适应控制f 4 副，它的目标是使控制系统对过程中参数的变化。以及对未建 模部分的动态过程不敏感。当过程动态交化时，自适应控制系统试图感受这一变 化并实时地调节控制器参数或控制策略。 变结构控制 4 3 埘】，在高速响应、良好的暂态性能以及对摄动不敏感等方面 有其许多独特的优点。其设计思想是利用“开关”变更控制律，因而具有不断改 变系统结构的特征，以此来达到控制目标。 自抗扰控制及鲁棒控制4 3 1 ，通过固定的反馈控制结构使系统的运行行为 受外部的干扰或模型本身的不确定性影响达到最小。它可解决具有建模误差，参 监丑三瑾塞堡王圭垦圭塑竺竺兰堂墨! ! ! 堂鱼! 坦堂l 垄蛰隧毒瞅了鲁棒控制问题。 。 迭代学习控制阱”1 ，不依赖于被控系统的详细模型，有很好的适应性。它 上津交通走拳电卉学簏 蓐士擎碰番j 亡 用前一次的控制量和系统误差修正本次的控制量使系统误差尽快收敛为零。该 方法的关键是设计合适的算法。 能量函数方法【5 刖，是基于l y a p u n o v 稳定理论的直接法，可以用于系统动 态安全分析。它以电力系统非线性数学模型为基础，根据沿事故后轨线积分得到 的系统暂态能量设计控制策略。 针对电力系统中大量的不确定因素，智能控制也引用到了电力系统中如遗 传算法【矧、模糊控制6 习、人工神经网络【删等。于是通过和各种控制方式相结 合，衍生出许多新的控制技术，如神经网络0 i , 阶逆系统控制、模糊变结构控制、 自适应或自组织模糊控制、神经网络变结构控制、模糊神经网络控制、专家神经 网络控制等。 还有一些t c s c 控制策略仅根据系统中部分状态量的变化进行控制如线路 有功。发电机转速差等【6 7 - - - 6 9 。 从控制目的上看，可以将这些方法分为三大类： 机电振荡阻尼控制。它包括传统的p s s 类型设计方法，线性最优控制，非 线性b a n g b a n g 控制，模糊控制等； 暂态稳定控制。它包括传统的开环控制，优化的b a n g b a n g 控制等 阻尼控制与暂态稳定控制相结合： 非线性控制： 非线性预估控制，变结构控制，微分几何控制，直接反馈线性化，自抗扰控 制，暂态能量函数法控制等； 智能控制： 神经网络控制，逆系统控制，模糊控制等： 传统的控制方法如p i d 控制、线性化阻尼控制、投切式暂稳控制等的最大 优点在于简单易行，因此在工程中得到较多应用，现有的t c s c 工程也都采用了 此类常规控制方法。但与结合了先进控制理论的方法相比，传统的控制方法效果 较差。 先进的控制策略几乎涵盖了各种现代控制理论，它们在理论上大都较为完 备。考虑到电力系统的非线性、复杂性和不确定性，还要保证控制方法的实现简 单、可靠、实用，为此，这些控制策略要真正用到实际系统中去，还必须作进一 步的完善，并解决相关的关键性问题，它们从理论走向实际应用还有很长的距离。 5 上肇定逼天学电力勒 萍士擎拉苛j 芒 1 。3 能量函数法在可控串联补偿系统中的应用 1 3 1 能量函数法简介 1 8 9 2 年俄国学者l y a p u n o v 提出了解决稳定性问题的两种方法，从而奠定了 稳定性理论的基础。l y a p u n o v 第一方法是寻求受扰运动微分方程组的通解或特 解，用级数形式将其表达出来，并以此为基础研究稳定性问题：l y a p u n o v 第二 方法亦称为直接法，它不需要求解受扰运动微分方程组，而是借助于某个称为 l y a p u n o v 函数的辅助函数v ( t ，x ) 及其沿受扰运动轨迹的导数d v d t 的符号性质直 接判别系统的稳定性。由于现实的系统本质上都是非线性系统求出受扰运动微 分方程解的具体表达式的可能性极小，因而用l y a p u n o v 直接法解决非线性动态 系统的稳定性问题具有极大的吸引力。 电力系统是典型的大规模、复杂的非线性系统，其暂态稳定与控制的研究有 很大的难度。作为一种在线暂态稳定评定与控制的方法。暂态能量函数( t e f t r a n s i e n t e n e r g y f u n c t i o n s ) 方法已成为当今国内外电力系统中的一个重要研究领 域，它具有简明、快速、能够提供稳定裕度指标和适合灵敏度分析等优点。从本 质上来看，暂态能量函数法是一种脱胎于l y a p u n o v 稳定理论的直接法。该函数 用系统的状态变量表示，描述了在故障时及故障后不同时刻系统的暂态能量y ， 它包括动能咋，和势能0 。两个分量，由故障激发，并在故障阶段形成。其中暂 ， 态动能是由故障造成系统趋于分离的能量：暂态势能包括位置能量( 联系到暂态 中发电机的功角) 、磁能( 联系到发电机、负载和网络中的磁场储能) 和耗散能 量( 联系到网络中的转移电导和负载中的有功功率) 。当故障发生时，动能和势 能均明显增长。故障清除时刻，动能开始减小而势能继续增长。在故障清除后， 若不考虑阻尼，系统的全部暂态能量是守恒的，系统将经历动能向势能转换的过 程，如果系统能吸收剩余动能，即动能可全部转化为势能，则系统稳定：反之， 则系统不稳定【7 “。 经过数十年的发展，暂态能量函数方法取得了许多突破性的进展主要表现 在用详细元件模型构造能量函数以及稳定域的研究从启发性研究、仿真研究发展 到分析研究，在应用方面增强了时域仿真在计算稳定裕度和决定极限参数方面的 能力。所采用的系统模型实现了从最初的经典电力系统模型到网络结构保持模型 鸭”1 的飞跃。在这类模型中，电力网络结构保持，负载可以计入静态特性或动 态特性，发电机可以计入凸极效应、磁链衰减以及励磁控制等的作用，发电机可 采用一轴模型或双轴模型【7 3 】，甚至是更详细的p a r k 方程模型p4 1 ，从而更接近实 际系统。 上肇冀通天尹咆力学蔗博士笋越静t 在实用上，也已有一系列基于能量函数方法的商业化软件包相继推出，用于 动态安全分析。如美国e p r i 的d i r e c t 、巴西c a t a r i n a 大学开发的i p e b s 、英 国帝国大学开发的i c - - p e b s 、比利时l i e g e 大学及我国南京自动化研究所开发 的e e a c 等。基于结构保持模型的直接法也已开发出来，如美国e p r i 的d i r e c t 4 0 。 1 3 2 研究现状 能量函数法也被引入到t c s c 的研究领域。如根据临界能量灵敏度确定 f a c t s 设备的安装地点 7 2 1 ，t c s c 的振荡阻尼控制i8 3 罐8 】和暂态稳定控弗l j e 5 6 , 8 9 ， 等。 在t c s c 稳定控制方面，文献1 8 “9 】利用能量函数方法为开关式串联电容或 t c s c 设计了稳定控制策略，用一次投切、确定强补时间，b a n g b a n g 控制等 方法来实现阻尼控制或暂态稳定控制。在文献洋】中根据位能边界曲面( p e b s p o t e n t i a le n e r g yb o u n d a r ys u r f a c e ) 方法的原理设计t c s c 的暂态稳定控制，取 得了很好的效果。文献中还证明了系统势能可用支路能量的方法来表示，进而实 现装有多个可控串补的多机系统的t c s c 分散控制。文献1 8 8 2 i 贝u 用定义化的语 言更为详尽地阐述了支路能量函数方法，并指出该方法能更简单地确定系统的最 脆弱输电环节，以判断系统的临界割集和f a c t s 元件的最佳装设地点。这一理 论有助于t c s c 稳定控制的研究。中国电科院在t c s c 暂态稳定t n a 试验中考 核了多种控制方法【则，其中一种为常规p i d 控制加能量函数判断强补时间，结 果采用这种方法时故障后发电机功角摇摆幅度最小。这说明了能量函数法在 t c s c 稳定控制的设计上有其自身的优势。 现有的基于能量函数的t c s c 稳定控制策略尚存在不足之处： 系统模型简单。由于采用详细模型将使能量函数的表达式交得非常复 杂，从而大大增加了控制策略的设计难度，因此绝大多数采用了简单的 发电机经典模型，或针对单机无穷大系统，两机系统等简单系统； 控制目的单一。所设计的控制策略或针对机电振荡阻尼，或针对暂态稳 定控制，两者没有很好地统一起来； 设计思想直观。以能量函数与系统状态之间的关系直观地进行设计，不 能保证得到的控制方法最优，保证暂态能量在动态过程中以最快的速度 衰减。 上净芷遥大学电力学蔚 博士学位论文 1 4 论文的研究目的和主要工作 本文工作的重点为t c s c 稳定控制策略的研究。一种好的t c s c 控制策略， 应该能够使系统在经受大扰动后尽量保持暂态稳定，并尽快地回到故障后稳定运 行点。由于系统的暂态能量在故障中激发，它的大小可以看作是系统在动态过程 中距事故后稳定平衡点的“偏离度”，值越小，说明系统越逼近稳定状态，为此 本文提出了一种新的设计思想，即用能量函数导数d v d t = r a i n 为指标设计 t c s c 的稳定控制策略，目的是使系统暂态能量以最快的速度归零，亦即以最快 的速度回到故障后稳定平衡点。这种能量函数导数最小化的方法能同时实现 t c s c 的暂稳控制和阻尼控制。并在理论分析的基础上，进行了动模试验研究和 仿真计算。论文的主要内容如下： 第二章针对远距离输电系统的特点，研究了单机无穷大系统中t c s c 的稳定 控制策略。在分析了t c s c 对系统暂态稳定的影响后，推导了发电机采用经典模 型和详细模型两种情况下系统暂态能量函数导数的表达式，根据理论推导的结果 设计了t c s c 的稳定控制策略。在经典模型情况下还设计了当系统后续振荡减小 到一定程度之后的一次投切方法，并与前人基于能量函数的t c s c 控制策略【5 卅 进行了优劣比较。 第三章介绍了t c s c 的暂态稳定动模实验研究，以了解t c s c 对实际系统暂 态稳定性能的作用以及工程实用时应注意的一些问题。针对各种故障类型，通过 实验波形和数值仿真结果的对比和分析，验证了基于能量函数导数设计的稳定控 制策略。在t c s c 等值阻抗的计算，动态过程中强补度的影响，投入稳定控制的 时间等方面作了进一步的研究。 第四章主要研究了多机系统中t c s c 的稳定控制。首先推导了详细模型下多 机系统暂态能量函数导数的表达式它同样适用于发电机其它类型的模型。根据 所得公式的特点可根据控制侧重点的不同设计相应的控制策略。引入支路能量函 数法，它能以定量的方式确定系统中的最脆弱输电环节，从而确定系统临界割集， 这有助于t c s c 控制的研究。系统最脆弱输电环节应为t c s c 的最佳装设地点。 推导了基于支路能量函数法得到的能量函数导数的表达式，它由各支路的分量表 示这使得在装设有多个f a c t s 元件的系统中各元件的稳定控制互相解耦，实 现了分散控制。以阳城一淮阴送出工程为例，验证了t c s c 采用所设计的稳定控 制策略对系统暂态稳定的改善作用。并提出了进一步提高稳定水平可考虑的措施 第五章为全文总结，列举了论文的主要工作和结论，并突出了作者工作的创 新之处。 上海交通走荦电寿拳睫 烀士笋盘椒 第2 章远距离输电系统可控串联补偿 稳定控制策略研究 对于远距离、大容量输电系统，送受端间的电压相角差较大，稳定裕度较小。 且远距离输电系统将涉及大量无功功率的产生和消耗。无功功率的不平衡会造成 较大的电压偏差，从而可能导致系统电压的不稳定。而系统的稳定极限往往限制 了线路的输送能力。采用常规串补或可控串补能够大幅度提高系统的稳定极限， 同时也提高线路的输送能力，从而得到较高的经济效益。 远距离输电系统常常表现为大型发电厂向远处的负荷中心输电，因此在本章 中，将以单机无穷大系统作为研究对象，对发电机采用经典模型和详细模型的两 种情况，分别推导基于能量函数导数的t c s c 稳定控制策略，并给出相应的仿真 计算结果。 2 1 可控串联补偿对系统暂态稳定性能的影响 用一忽略阻尼的单机无穷大系统可以清楚地解释t c s c 对系统暂态稳定性 能的作用。 图2 - 1 单机无穷太系统 f i g 2 - 1s m i bs y s t e m 图2 1 为装有t c s c 的单机无穷大系统的接线图，如果可控硅一直保持闭锁， t c s c 相当于常规串补。在升压变压器高压侧三相短路，在不同的故障清除时间 下，可以得到一组相平面曲线簇，在图2 - 2 中用实线表示；如果故障前t c s c 闭 锁，故障清除时t c s c 投入并一直保持强补状态，也可相应得到一组相平面曲线 簇，在图2 2 中用虚线表示。由于在故障清除之前t c s c 都处于闭锁状态，所以 9 i 海交通走学电力学院博士学盘舣 这两种情况下的事故时故障轨线是相同的。 贫 訇 巴 、- 一 ； 1 0 5 o t c s cb i o c k - - 。t c s cf o r c e d c o m p e n s a t i o n 荔 蓬 01 23 d e l t a ( r a d ) 图2 - 2 相平面轨线 f i g 2 - 2p h a s ep l a n ep l o t 如前所述，在图2 2 所示的单机无穷大系统相平面图上，实线对应t c s c 不 投入的情况，其中a 点为系统事故前的稳定平衡点s e p ( b f ) ，因事故前后系统网 络结构相同，则a 点同时为系统事故后稳定平衡点s e _ p ( p 0 ，c 点为不稳定平衡 点u _ e p ，故障期间发电机转子在过剩转矩下加速，功角占和角速度c o 不断增大， 系统运行点从a 向b 移动。在临界故障清除时间的情况下系统可到达b 点，此时 故障清除，开始减小，占继续增大，系统运行点向c 点移动，然后依次到达点 d 、e 和g o 由于阻尼为零，之后系统将围绕a 点在封闭圈b c d e g c 上等幅振荡 图中虚线对应故障后t c s c 强补的情况，a 点为系统事故前的稳定平衡点 s c p ( b 0 因为故障清除后t c s c 一直保持强扑，则系统事故后的稳定平衡点s e p ( p f ) 将不再是a 点，而是处于a 点的左方。c 点为不稳定平衡点u e _ p ，在临界故 上肇史通土学l 电力学魔搏士学盘静戈 障清除时间下系统在故障清除时刻可到达b 点，之后将围绕事故后稳定平衡点 在封闭圈b c d e f g c 上等幅振荡。 比较图2 2 中实线部分和虚线部分的差别可见，由于t c s c 可以通过可控硅 触发角的变化快速地改变线路参数，在强补状态下其容抗值可达2 倍p u 甚至更 高，利用t c s c 这种能灵活调节串补容抗值的特性可以扩大系统的稳定域，提高 临界故障清除时间，改善系统的暂稳性能。 2 2 发电机经典模型 在本节中，对发电机采用经典模型的单机无穷太系统，推导了能量函数导数 d v d t 的公式，以d 矿出= r n i n 为目标设计了t c s c 的稳定控制策略，并在算例 分析时同文献 5 6 基于能量函数设计的控制方法作比较，结果表明本文的方法在 改善系统动态性能上更优越。 2 2 1 系统模型及其能量函数 对于图2 - 1 所示的系统，系统的摇摆方程为： 吖警= 气一b ( 2 - 1 ) 塑；脚( 2 2 ) d t 最：删n 占：掣s i n 占( 2 - 3 ) 其中。m 为惯性时间常数乃与同步角速度也。的比值；占t ，气，b 分 别表示发电机功角、转速差( 相对于同步转速龇) 、原动机的机械输入功率和发 电机的电磁输出功率；匕为发电机电磁功率的顶值，它随着故障阶段和t c s c 状态的变化而变化：f 为发电机暂态电抗t 后电势，u 为无穷大母线电压；石中 包括变压器电抗、线路电抗和t c s c 的电抗，为： x = x d + x t + 工l 一工艘 ( 2 4 ) j 将根据t c s c 状态的变化而变化。 假设故障前t c s c 闭锁。 以系统事故后网络结构，对公式( 2 1 卜( 2 3 ) 作首积分可以得到系统事故后 上_ 簪交通土学电力学魔 葶士学扯甜芷 任意时刻的总能量的表达式【9 2 】： v ( 8 ，) = k f + ：三坳： z p 矗= 一