（电力系统及其自动化专业论文）电力系统暂态稳定控制策略研究.pdf

浙江大学博十学位论文 后，将所提出的方法应用于发电机励磁与调速综合协调控制设计，给出了发电机励 磁和调速综合协调控制规律，并通过数字仿真显示了所设计控制器对于提高系统暂 态稳定性的效用。 第四章，提出了利用系统动态贯量中心c o i ( c e n t e ro fi n e r t i a ) 信号设计非线性 暂态稳定控制器的思想，简称“c o i 跟踪”思想。一般来讲，系统c o i ( 包括功角 c o i 和频率c o i ) 曲线能够反映系统中所有发电机运转的总体趋势，且其较为平 滑，容易跟踪，因此，如果系统中所有的发电机都能够动态地跟踪c o i 的变化， 而不只是停留于原有运行点，则各发电机更容易保持同步，系统暂态稳定性更能够 得到保证。广域测量系统w a m s ( w i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m s ) 技术的发展为 该思想的实现提供帮助，各发电机在通过w a m s 得到系统c o l 信息后，动态的跟 踪c o i 的变化以达到同步运行，且一定范围内的w a m s 信号时滞是被允许的。根 据传统的“分散本地化”控制思想和本章提出的“c o i 跟踪”控制思想，采用相 同的非线性控制方法设计了两种励磁控制器，数字仿真实验表明，后者更有利于提 高系统的暂态稳定性。 第五章，提出利用区域c o i 信号阻尼两区域互联系统功角和频率c o i 振荡的 高压直流输电系统( h v d c ) 直流功率调制和晶闸管控制串联电容器( t c s c ) 电 抗调节控制方法。h v d c 直流功率调制和t c s c 电抗调节都能改变区域间传输的有 功功率，从而影响系统的暂态稳定性。h v d c 和t c s c 控制环节均采用一阶环节表 示，设计的控制目标是阻尼区域功角和频率c o i 间的振荡，控制器设计采用非线 性鲁棒控制方法，保证了全部状态变量的一致最终有界性和区域间功角及频率c o i 振荡的收敛。数字仿真表明，所提出方案相比于传统型调制控制器更有利于故障后 发电机功角摇摆的收敛，更有利于提高系统的暂态稳定性。所提出的方法同样可扩 展应用于多区域互联电网的暂态稳定控制，用于阻尼多区域间的功角和频率c o i 振荡。 第六章，对全文做出总结，并分析了本文中存在的未解决问题及有待进一步解 决的问题。 关键词：暂念稳定，非线性鲁棒自适应控制，发电机，励磁，调速，m i m o ， c o i ，h v d c ，t c s c 4 浙江大学博士学位论文 a bs t r a c t t h eg e n e r a t i o nc a p a c i t ya n dv o l t a g eg r a d eh a v e b e e ng r e a t l yi m p r o v e di nm o d e m p o w e rs y s t e m s a tt h es a m et i m e ，t h es t r u c t u r ea n dt h em o d e lo ft h es y s t e m sb e c o m e m o r ec o m p l i c a t e d ，a n dm a n yu n c e r t a i nf a c t o r sa r eb r o u g h tt ot h es y s t e mb e c a u s eo ft h e a p p l i c a t i o no fh v d c a n df a c t s ，t h ei n t e r c o n n e c t i o no ft h ea r e ap o w e rs y s t e m s ，a n dt h e o p e no ft h ep o w e rm a r k e t t h e s eb r i n gm a n yh i d d e nt r o u b l e so ft h es y s t e ms e c u r i t y m a n y s e v e r ea c c i d e n t si np o w e rs y s t e m sa l lo v e rt h ew o r l di nt h e s ey e a r sa r o u s ea g a i nt h e f o c u so np o w e rs y s t e ms e c u r i t y m a n ys e v e r ea c c i d e n t si np o w e rs y s t e m sa s c r i b et h el o s s o fa n g l es t a b i l i t yu n d e rl a r g ed i s t u r b a n c e s a n g l es t a b i l i t yu n d e rl a r g ed i s t u r b a n c e si s a l w a y sc a l l e dt r a n s i e n ts t a b i l i t ya n di st h ef o u n d a t i o no ft h eo p e r a t i o no ft h ep o w e r s y s t e m s s o ，t r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n t r o li sa ni m p o r t a n tb a r r i e ro ft h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t y t h et o p i c sd i s c u s s e di n t h i sp a p e ra r eo nt r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n t r o ls t r a t e g i e si n p o w e rs y s t e m s ，a n dt h e ya l e ； i as u r v e yo ft r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n t r o li sm a d e ，w h i c hi n c l u d e sc o n t r o lo b j e c t i v e s ， c o n t r o lt e c h n i q u e sa n ds oo n a n dab r i e fi n t r o d u c t i o no fn o n l i n e a rs y s t e ma d a p t i v e c o n t r o lt h e o r i e sa n dt h e i ri m p l i c a t i o n si np o w e rs y s t e m si sm a d e i i an o n l i n e a rr o b u s ta d a p t i v ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rt h eg e n e r a t o r s i nm u l t i - m a c h i n ep o w e rs y s t e m s t h eu n c e r t a i n t i e so fd a m p i n gc o e f f i c i e n t ，s y n c h r o r e a c t a n c ea n dt r a n s i e n tr e a c t a n c eo nda x i so ft h eg e n e r a t o r s ，a n dt h em o d e le r r o r sa n d o u t e rd i s t u r b a n c e sa l ec o n s i d e r e d t h ec o n t r o l l e rg u a r a n t e e st h ec o n v e r g e n c e so ft h e g e n e r a t o ra n g l ea n df r e q u e n c yi nas m a l ln e i g h b o r h o o do f t h ep r i m eo p e r a t i o np o i n t a c h a r a c t e r i s t i co ft h ed e s i g n e dc o n t r o l l e ri st h a tt h em o d e le r r o r sa n do u t e rd i s t u r b a n c e sa r e r e q u e s t e do n l yt ob eb o u n d e db u tt h eb o u n d n e s s e sa r en e e d l e s s i nt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r , ad y n a m i ce s t i m a t o ri sd e s i g n e df o re a c hu n c e r t a i ni t e r m ，t h eg l o b a l l yu n i f o r m l y u l t i m a t e l yb o u n d e d n e s so fa l ls t a t ev a r i a b l e sa n d t h ec o n v e r g e n c yo ft h es y s t e mo u t p u ta r e g u a r a n t e e d ，a n de a c hc o n t r o l l e ri sd e c e n t r a l i z e do rl o c a l t h ed i g i t a ls i m u l a t i o nd i s p l a y s t h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g n e dc o n t r o l l e ru s e dt oi m p r o v ep o w e rs y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t y i an o n l i n e a rr o b u s ta d a p t i v ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o ram i m on o n l i n e a rs y s t e m w i t hu n c e r t a i np a r a m e t e r sa n dm o d e le r r o r s ，a n di sa p p l i e dt ot h ei n t e g r a t e dc o n t r o lo f g e n e r a t o re x c i t a t i o na n dt u r b i n eg o v e r n o r t h ew o r ki nt h ea b o v ec h a p t e rw h i c hi so nt h e s i s oc o n t r o lo fn o n l i n e a rs y s t e mi se x t e n d e di nt h i sc h a p t e rt om i m oc o n t r o lo f n o n l i n e a rs y s t e m s a ni n c r e a s e o r d e ro p e r a t i o ni sm a d e ，f i r s t ，i ft h ea n t e r i o rn - 1c o n t r o l v a r i a b l e so fa l ln o r d e rn o n l i n e a rs y s t e mc o n v e r g e n c et oz e r o ，a n dt h en - ! c o n t r o l 5 浙江大学博十学位论文 v a r i a b l e sa r er e g a r d e da ss t a t ev a r i a b l e s ，t h a tb r i n g sn - in e wc o n t r o lv a r i a b l e s t h e n ，t h e w h o l es y s t e mb e c o m e st ob ea2 n 一1o r d e rn o n l i n e a ru n c e r t a i ns y s t e mw i t h ，lc o n t r o l v a r i a b l e s a tt h ee n d ，u s i n gb a c k - s t e p p i n gt e c h n i q u e ，c o n t r o ll a w sa r ed e s i g n e df o re a c h c o n t r o lv a r i a b l et og u a r a n t e et h eg l o b a l l yu n i f o r m l yu l t i m a t e l yb o u n d e d n e s so fa l ls t a t e v a r i a b l e sa n dt h ec o n v e r g e n c yo fs y s t e mo u t p u t t h ed e s i g nm e t h o di sa p p l i e dt ot h e i n t e g r a t e dc o n t r o lo fg e n e r a t o re x c i t a t i o na n dt u r b i n eg o v e m o rt oi m p r o v et r a n s i e n t s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m s t h ed i g i t a l s i m u l a t i o nd i s p l a y st h ee f f e c t i v e n e s so ft h e d e s i g n e dc o n t r o l l e r s a “c o i t r a c k i n g c o n c e p ti sp r o p o s e df o r t h ed e s i g no ft r a n s i e n ts t a b i l i t y e x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri nm u l t i m a c h i n ep o w e rs y s t e m s g e n e r a l l y , t h ec o ic u r v e so ft h e p o w e rs y s t e mc a nr e f l e c tt h eg l o b a lt r e n do ft h ec h a n g i n g so fa l lg e n e r a t o r si nt r a n s i e n t t i m e ，a n dt h ec u r v e sa r eu s u a l l ys m o o t h s o ，i fa l lg e n e r a t o r si nt h ep o w e rs y s t e mt r a c k t h ed y n a m i cc o lo ft h es y s t e m ，b u tn o tt r yt os t a ya tt h ei n i t i a lo p e r a t i o np o i n t ，t h e g e n e r a t o r sc o u l dk e e ps y n c h r o n o u sm o r ee a s i l ya n dt h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo ft h es y s t e m c o u l db eg r e a t l yi m p r o v e d t h ed e v e l o p m e n to fw a m st e c h n i q u ec o u l dh e l pt h e r e a l i z a t i o no fp r o p o s e dg l o b a lc o n t r o lc o n c e p t ，a n dt h et i m ed e l a yo fw a m ss i g n a l s w i t h i nac e r t a i nr a n g ei sa c c e p t a b l e w i t ht h ep r o p o s e dc o n c e p t ，a ne x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri s d e s i g n e df o rg e n e r a t o r su s i n gb a c k - s t e p p i n gt e c h n i q u ea n di s c o n t r a s t e dw i mt h e d e c e n t r a l i z e d l o c a lc o n t r o l l e rd e s i g n e db yt h es a m et e c h n i q u e d i g i t a ls i m u l a t i o n ss h o w t h a tt h ep r o p o s e de x c i t a t i o nc o n t r o l l e ru s i n gc o i - t r a c k i n gc o n c e p tc a ni m p r o v et r a n s i e n t s t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mo b v i o u s l ya n di sm u c hb e t t e rt h a tt h eo t h e ro n e v u s i n ga r e ac o lt od e s i g nt h ep o w e rm o d u l a t i o nc o n t r o l l e ro fh v d ca n d r e a c t a n c ec o n t r o l l e ro ft c s c ，t od a m pt h es w i n gb e t w e e nt w o a r e ai n t e r c o n n e c t e dp o w e r s y s t e m si sp r o p o s e d d i r e c t c u r r e n tp o w e rm o d u l a t i o no fh v d ca n dt h er e a c t a n c e m o d u l a t i o no ft c s cc a na f f e c tt h ea c t i v ep o w e rt r a n s f e r e db e t w e e na r e a sa n d ，f u r t h e r , a f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m t h em o d e l so fh v d ca n dt c s cm o d u l a t i o na r e e x p r e s s e db yo n eo r d e rm o d e l si n t h i sp a p e r w i t ht h eo b j e c t i v eo fd a m p i n gt h es w i n g b e t w e e nt h ea r e a c o io ft h et w oa r e a s ，n o n l i n e a rr o b u s tc o n t r o l l e r sa l ed e s i g n e df o r p o w e r m o d u l a t i o no fh v d ca n dr e a c t a n c em o d u l a t i o no f t c s c t h eg l o b a l l yu n i f o r m l y u l t i m a t e l yb o u d e d n e s so fa l ls t a t ev a r i a b l e sa n dt h ec o n v e r g e n c yo ft h es w i n g sb e t w e e n a r e a - c o l sa r eg u a r a n t e e d d i g i t a ls i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r sa l e b e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lm o d u l a t i o nc o n t r o l l e r si ni m p r o v i n gp o w e rs y s t e ms t a b i l i t y t h ep r o p o s e dc o n c e p tc o u l da l s ob ee x t e n d e dt ot h ed a m p i n gc o n t r o lo fm u l t i a r e ap o w e r 6 浙江大学博士学位论文 s y s t e m s a tt h ee n d ，ac o n c l u s i o ni sm a d ef o rt h ew h o l ep a p e r s o m eo p e np r o b l e m si nt h i s p a p e ra r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：t r a n s i e n ts t a b i l i t y , n o n l i n e a rr o b u s ta d a p t i v ec o n t r o l ，g e n e r a t o r , e x c i t a i t o n , g o v e r n o r , m i m o ，c o i ，h v d c ，t c s c 7 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 电力是国家的主要能源和经济命脉，近年来，我国电力工业得到了迅速发展， 为了国民经济的持续发展，我国计划在今后数十年间建成安全可靠、满足电能传输 和市场化运作的全国范围联合大电网，面临着开发大型水电资源、大容量远距离输 电和区域电网互联等艰巨任务1 1 翻。 现代电力系统中主要包括了发电机及其控制系统、灵活交流输电元件、各电压 等级交直流输电网络、配电网、负荷端及控制中心等基本部分。现代电力系统的发 展可以归结为以下几个方面： 电力系统的容量越来越大，输电电压等级也逐级升高。目前我国发电装机容 量以每年7 以上的速度增长，截止2 0 0 7 年底已接近7 1 3 亿千瓦，居世界第二， 三峡等地大型电厂的建成和投产，在我国已出现了超大规模的联合电力系统。在世 界范围内，输电线路电压等级从3 0 年代出现的2 3 0 k v ，到5 0 年代的3 8 0 k v 和 5 0 0 k v 、6 0 年代的7 3 5 k v ，发展到今天的7 5 0 k v 及1 0 0 0 k v 等级。 高压直流输电h v d c 技术的应用。现代的高压直流输电h v d c ( h i g l l v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ) 技术建立在大容量电力电子技术发展的基础之上，其与交流 输电相比优势主要表现在：线路走廊小、造价小、损耗低；输送容量大、距离远、 控制快速灵活；稳定性及可靠性高等。因此h v d c 从出现至今一直处在不断的快 速发展之中，目前世界上已投入运行7 0 余个直流输电工程，直流输电在远距离大 容量输电、海底电缆和地下电缆输电以及电力系统非同步联网工程中得到广泛应 用。目前，世界上具有代表性的大容量直流输电工程有：美国的太平洋3 1 0 0 m w ( 输送容量) 直流联络线工程、加拿大的纳尔逊河3 4 6 8 m w 直流系统，以及巴西 的伊泰普6 3 0 0 m w 直流系统等，还有我国四川上海+ 8 0 0 千伏、6 4 0 0 m w 特高压 直流输电示范工程，是目前规划建设的世界上电压等级最高、输送距离最远、容量 最大的直流输电工程。 灵活交流输电技术的应用。灵活交流输电系统( f a c t s ) 的概念是由美国电 科院( e p r i ) 的n g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年提出的。8 0 年代电力电子技术和计 9 浙江大学博十学位论文 算机技术的飞速发展为f a c t s 的产生奠定了基础。作为在交流输电系统中引入的 一次设备，f a c t s 元件可以按需要快速、灵活地对交流输电系统的电压、线路阻 抗和相位实施控制，使得在不改变电网结构的条件下，灵活地控制有功和无功潮 流，大幅提高线路的传输能力，增强系统阻尼，提高电力系统的稳定水平。因此在 其问世以后得到了广泛的推广应用，如：基于晶闸管的s v c 始于7 0 年代，到8 0 年代后期全世界s v c 已逾2 0 g v a r ；9 0 年代以来，国外在研究开发的基础上开始将 f a c t s 技术应用于实际的电力工程，比较具有代表性的有：美国斯拉脱5 0 0 k v 可 控制串补工程、瑞典斯多德可控制串补工程、美国t v a 公司沙利文静止同步补偿 器工程和美国a e p 公司依乃兹u p f c 工程等。 大电网跨地域互联。跨区域、跨国大系统互联是现代电力系统发展到一定程 度的必然趋势，也是目前世界各国电网发展的总趋势。美国在7 0 年代中期实现了 地区电网的联网运行，并在1 9 9 5 年与加拿大、墨西哥的部分地区组建了世界上最 大的北美联合电力系统；西欧电网、英国电网、北欧电网和中欧电网在1 9 9 5 年实 现互联，组成了包含2 3 个国家的交直流互联电网；前苏联在7 0 年代末期建成了世 界上最大的全国统一电力系统，并在1 9 9 2 年与东欧各国1 3 个系统，8 0 多个地区实 现交直流互联。就我国来讲，电网发展的总战略是“西电东送 、“南北互供 、“全 国联网 。目前已形成了7 个跨省区域性电网及5 个独立的省级电网。1 9 9 0 年华中 与华东电网实现了直流非同步联网，2 0 0 1 年东北与华北电网实现了交流同步联 网，同年，福建电网实现了与华东电网的交流同步联网。随着三峡电力系统的建成 与投入运行，我国电网的发展将经过以三峡为中心的北、中、南三大区域电网格局 而最终发展成为真正的全国联网。 电力系统市场化运行。为了最大程度地从电力系统运营中取得经济效益和提 高生产效率，电力系统经常运行到接近稳定极限的工作点，其稳定裕度小；同时， 市场环境下发电公司以生产利润为目标，可能产生不利于系统稳定的因素，电力用 户可能采用新能源发电和分布式发电技术，当这些电源投入电网时，稳定控制和协 调会产生新的问题。 随着我国电力系统规模的不断发展，电网呈现出分层、分块、高维以及强非线 性的结构形式【2 l ，电网在各方面都变得日益复杂( 图1 1 ) 。系统电压等级的提升、 大容量机组的投入运行、f a c t s 元件的使用等因素增加了电力系统的复杂度和对 干扰的敏感度，区域电网的互联使暂态稳定和电压稳定问题更加突出，我国电力系 1 0 浙江大学博士学位论文 统覆盖面积大、负荷密度小，电源往往远离负荷中心，远距离高压输电方式使得网 架结构薄弱，电力市场的推行增加了运行规划的不确定性并使系统运行点更加接近 临界值【3 j 。这众多因素都使系统的运行环境变得更加严峻，使电网稳定性问题变得 更加难以分析。大量潜在的不稳定因素诱使了众多严重停电事故的发生，给国家经 济和民生带来了灾难性后果【4 l 。仅在2 0 0 3 年，世界范围内就发生了多起严重的停 电事故。“9 2 8 意大利全国大停电，时间近2 0 个小时，全国陷入瘫痪； “9 2 3 ”瑞典一丹麦大停电，时间长达六个半小时，损失负荷1 8 0 0 m w ，5 0 0 万 人的生活受到影响；“8 1 4 美加大停电”是历史上最大的停电事故，事故期间上 百台机组跳机，5 0 0 0 万人失电，据估计停电期间经济损失高达每天3 0 0 亿美元； 2 0 0 8 年因受雪灾影响，我国许多地区特别是湖南省发生大面积停电事故，损失严 重；我国近二十年来，各大电网因稳定性破坏造成的停电事故约有一百多起，每次 损失以亿计，近几年来事故次数虽有所下降，但规模和影响却大幅扩大和上升，这 说明我国电网已处于失稳停电的高危害期【2 】。 图1 。1电力系统结构示意图 f i g 1 1p o w e rs y s t e ms l a u c t u r e 电力系统的发展中最为重要的问题是保持其稳定运行，增强电力系统稳定性一 直是电力系统发展中面临的一项长期而艰巨的任务。目前，对于稳定性的划分没有 统一的标准，i e e e c i g r e 将电力系统的稳定现象分为三大类：功角稳定、电压稳 定和频率稳定1 5 j ，其中，功角稳定又分为大扰动功角稳定和小干扰功角稳定，大干 扰功角稳定又称暂态稳定：此外，我国电力系统安全稳定导则根据动态过程的 特征和参与动作的元件及控制系统，也将电力系统稳定分为功角稳定、频率稳定和 浙江大学博十学位论文 电压稳定三大类1 6 j 。为了解决电网稳定性问题，各国政府和研究机构长期以来一直 投入大量的人力财力进行研究，众多科技工作者都为之奋斗，但到现在为至，人们 还不能真正有效地驾驭电力系统，电网稳定性研究在国际上一直是个开放性课题。 许多极具破坏性的电力系统稳定事故的根本原因是发电机功角失稳。电力系统 受到大扰动以后，其运行状态会偏离原平衡点，发电机组的机械功率输入与电磁功 率输出发生不平衡，引起发电机转子间产生相对摇摆，暂态稳定控制即要对这种功 角振荡提供足够的阻尼，使系统达到新的平衡状态而稳定1 7j 。暂态稳定分析的主要 目的是检查系统在大干扰下( 如故障、切机、切负荷、重合闸操作等情况) ，各发 电机组间能否保持同步运行，如果能保持同步运行，并具有可以接受的电压和频率 水平，则称此电力系统在这一大扰动下是暂态稳定的【7 1 。 暂态稳定控制是互联系统稳定及控制研究的一个重要方面，也是电力系统稳定 运行的一道重要防线1 2 1 。在电力系统规划、设计、运行等工作中都要进行大量的暂 态稳定分析，通过暂态稳定分析还可以研究和考察各种稳定措施的效果以及稳定控 制的性能，具有很大的意义1 7 j 。 1 2 电力系统暂态稳定非线性控制综述 对于电力系统暂态稳定控制问题，国内外已有了大量的研究成果，本小节主要 针对暂态稳定控制研究的对象和非线性控制方法进行总结和概括。 1 2 1 按控制对象分类 能够对改善系统暂态稳定性发挥作用的控制因素有很多，这其中主要包含了发 电机励磁系统控制系统、水汽轮机调速控制系统、f a c t s 元件的控制系统，以及 h v d c 功率调制和换流站控制等。 发电机励磁控制 现代大型发电机组励磁控制的主要目标包括：调节机端电压、提供振荡阻尼和 提高系统稳定性，以及调节无功功率等。控制励磁电压是电力系统暂态稳定控制最 有效和最经济的手段，长期以来都是各种新型控制理论和方法在电力系统中应用的 “试金石”【引。随着8 0 年代基于微分几何理论线性化方法的出现，非线性控制技 术应用于发电机励磁控制成为了一个新的研究热点。在应用微分几何理论实现非线 性系统大范围线性化基础上结合线性最优控制理论，出现了不依赖于网络结构参数 1 2 浙江大学博士学位论文 和系统运行点的非线性最优励磁控制【9 】。 在近二十年来，励磁控制的研究主要集中在解决控制对系统运行点、网络结构 参数、模型参数等不确定因素的鲁棒性和自适应性，以及控制的分散局部化等方 面。所应用的控制理论包括直接针对系统非线性模型的l y a p u n o v 直接法，和旨在 解决鲁棒性问题的比鲁棒控制舶，变结构控制1 3 - 1 4 等，和旨在解决控制对变化 的适应性问题的自适应控制【1 5 6 1 ，以及各种智能控制方法等。由于数学推导的复杂 性等问题，目前所进行的研究主要建立在发电机三阶模型的基础上，也有部分学者 对发电机五阶【1 7 1 ，七阶模型的励磁控制进行了研究，结果表明用更详细的发电 机模型设计的控制器比基于三阶模型的控制器具有更大的稳定范副1 9 】，但这些研究 又都是在单机无穷大系统基础上推导控制规律，还没有扩展到多机系统。 另外，自动电压调节器a v r ( a u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t o r ) 能够在系统受到小 波动时能起到调节机端电压的作用，但在重负荷条件下的暂态过程中会产生负阻尼 效应，对稳定不利。a v r + p s s 的非线性设计是考虑到励磁系统的惯性，即在发电 机模型加a v r 环节基础上，应用非线性控制理论来设计反馈信号，所采用的 方法有变结构控制【2 1 1 和自适应控锘0 j 2 2 1 等。 水汽轮扭调速控剑 原动机水汽门开度控制又称为“调速”，其主要任务就是：当电力系统负荷发 生变化或系统遭受干扰，系统内各发电机组转速出现偏差时，通过水汽门开度调 节器相应地改变原动机输出功率，使原动机与发电机之间的力矩达到平衡，以维持 发电机转速( 或频率) 在一定的范围内，如此可以明显改善电力系统暂态稳定水 平，是一种耗资少，效果显著的控制方式。 随着非线性控制理论的发展与应用，发电机原动机调速控制得到了更进一步 的研究。文【2 3 】应用大范围精确线性化与李亚普诺夫方法相结合，设计了多机系统 汽门分散控制规律，该控制与网络参数和运行点无关，具有一定的鲁棒性。文 2 4 】 以单机无穷大系统为例，采用微分几何与变结构控制理论相结合设计了汽轮发电机 汽门变结构控制规律。文 2 5 】考虑到水轮发电机的水锤效应，以及模型参数的不确 定性因素，设计了多机系统水轮机水门开度的分散鲁棒控制规律。文【2 6 】将发电机 输出功率的波动视为影响功角稳定的主扰动，并将其作为反馈的部分，避免了机 组间的非线性耦合问题，在此基础上设计了多机系统的原动机输入功率鲁棒控制方 1 3 浙江大学博士学位论文 案。文【2 7 应用线性矩阵不等式相关理论设计了多机系统的分散鲁棒调速控制规律 以提高系统暂态稳定性，该控制规律具有计算效率高，可进行附加再设计等特点。 f a c t s 五鲑控剑 f a c t s 按其联接形式来分可分为：串联型，如t c s c ，s s s c ；并联型，如 s t a t c o m ；混合型，如u p f c ，c s c 。f a c t s 的广泛应用原因之一在于它的快 速、精确控制这一优点。国内外大量的研究资料表明，电力系统失去暂态稳定的原 因多数情况下是因为单一故障发生后，切除某些线路，造成部分线路过负荷而引发 连锁跳闸，从而使系统失去稳定。采用f a c t s 控制，可在紧急情况下迅速调整系 统潮流分布，从而大大减少系统失稳的概率【2 8 1 。目前较多采用的f a c t s 控制系统 是由多个p i 控制器来满足不同控制目标的要求，非线性因素则化为函数关系插入 p 控制回路。但这类控制器的自适应性较差，并且多个p i 控制器增加了造价并使系 统复杂化，相互间也难于很好地协调1 2 9 1 。近年来，f a c t s 的非线性控制得到了广 泛研究。 s t a t c o m 也称为a s v g ，可看作是一个并联于线路上的电压源逆变器，通过 点火角的p w m 控制来控制逆变电压和无功电流，从而调节与系统交换的无功功 率，最终控制交流系统电压。由于它几乎不受线路电压的影响，因此其无功补偿性 能要优于常规的s v c 。近年来，s t a t c o m 的非线性控制方法得到了大量研究，其 中：文【3 0 】在s t a t c o m 基本模型的状态量中加入线路电压，并应用反馈线性化技 术来设计控制器，并在单机系统的仿真中与传统的分层控制手法作了比较，证明了 控制律对于提高功角稳定的有效性；文【3 1 】将多机系统中安装的s t a t c o m 简化成 一个输出为线路电压的一阶惯性环节，并应用微分几何法设计其控制规律以提高系 统的暂态稳定性；文 3 2 】以一个两区域四机系统为例，应用模糊逻辑理论来设计 s t a t c o m 的控制律，通过仿真表明能明显阻尼两区域间的功角振荡。 t c s c 简称为可控串补，通过控制晶闸管的点火角可使其等值电抗在一定范围 内连续变化，因此可串联在线路当中以补偿线路电抗。在提高暂态稳定性，抑制振 荡方面t c s c 的作用已得到了公认【3 3 1 。在一般的机电暂态分析中，t c s c 常被视为 一个串联在线路中的可变电抗，通过改变其电抗值来达到各种控制目的。文【3 3 】通 过对多机电力系统进行等值处理，应用直接大范围线性化方法，设计了一种只需当 地量把馈的t c s c 非线性控制器，并提出了确定系统等值参数的优化方法，以提高 控制器性能，并以东北电网简化系统为例进行了数字仿真，结果表明该控制能有效 1 4 浙江大学博十学位论文 提高系统的暂态稳定性；文【3 4 】在单机无穷大系统，发电机经典模型基础上，利用 精确线性化方法设计了t c s c 的控制规律；文【3 5 】应用l q g ( l i n e a rq u a d r a t i c g a u s s i a n ) 技术来设计用于阻尼系统功角振荡的t c s c 鲁棒控制器，该文详细介绍 了控制设计的步骤，并讨论了在应用l t r ( l o o pt r a n s f e rr e c o v e r y ) 技术提高控制 器鲁棒性时所存在的缺陷。 u p f c 主要由一个串联和一个并联的电压型逆变器( v o l t a g es o u r s ei n v e r t e r ； v s l ) 构成，其中，串联的逆变器可视为是s s s c ，它通过向输电线注入幅值和相 位可调的可控电压，来控制线路的有功功率和无功功率；而并联的逆变器可视为是 s t a t c o m ，它除满足串联侧逆变器的有功需求外，还可为线路提供无功补偿。它 能够对线路的电压，相角，阻抗三大参数进行统一的控制，功能非常强大，是当前 最新型最先进的f a c t s 控制器之一。u p f c 通过可调节电压改变输电线路的有功 和无功分布，改善系统的潮流分布和输送能力，提高动态系统的暂念稳定性，因此 具有很大的研究和应用价值。针对电力系统暂态稳定的控制方面，文【3 6 】首先建立 了u p f c 非线性微分方程组表示的动态模型，然后提出了u p f c 的线性最优控制规 律，最后在单机无穷大系统上的仿真表明所得控制可以有效地控制节点电压和线路 潮流，同时改善系统的暂态稳定。而文【3 7 】从u p f c 控制潮流的基本原理出发，详 细地讨论了它对线路潮流的调节情况，建立了利用u p f c 控制潮流的三种优化模 型，并针对u p f c 对潮流的控制受功角变化的影响较大的特点，提出了一种有效分 段潮流控制策略。文【3 8 】指出传统u p f c 控制器并不能很好地适应运行条件的变 化，因此应用模糊控制理论设计了u p f c 主控制器中的辅助阻尼控制律，在两区域 四机系统上的仿真表明了控制律的有效性和对运行条件变化的鲁棒性。 目前来看，在时域模型基础上进行动态解析的建模方法是最有前途的方法，而 暂态分析更适合于采用时间平均化后的时不变模型【3 9 1 。 i t v i ) c 系统控制 高压直流( h v d c ) 输电系统是一个高度可控，复杂多变的非线性系统。由于 采用了可控电力电子设备及先进的计算机通信与控制系统，h v d c 系统具有高可控 性，响应快速灵活等特点。够能在大干扰和紧急状态下利用其快速响应和短时过载 能力，提高交直流互联系统的暂态稳定性和对功率突然严重短缺的地区进行紧急功 率支援。因此，h v d c 系统的控制对于现代大规模电力系统暂态稳定性而言，具有 越来越重要和现实的研究价值。在目前实际工程中应用较广泛的直流输电形式是交 15 浙江大学博士学位论文 直流并联输电的方式，它是先有交流输电在运行，随着负荷的增长而新建直流输电 线路形成的，适合于远距离，大容量输电。如美国的太平洋联络线交直流并联输电 系统，我国的天生桥一广州交直流并联输电系统等。 对于h v d c 系统的分析与控制设计，首先必须选择合适的数学模型。近年 来，h v d c 模型一直向着简化的方向发展，目前国内大多数电力系统机电暂态仿真 程序使用的都是准稳态模型。准稳态模型适合于对系统稳定性影响不大的偏远的直 流联络线，或与强交流系统相联的直流系统，但对于需要复杂直流调节的弱交流一 直流系统和多端直流系统，则有必要使用更详尽的模型，同时，准稳态模型也不适 用于不对称故障。文【2 8 】针对详细模型的复杂和简单模型的不足，提出了分析比 较，和修改它们的思路，并据此提出