（电力系统及其自动化专业论文）包含statcom的电力系统模糊滑模变结构控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 - e ! s ! ! ! 自目l _ l l 皇i ! l i i i ! 一目g e ! 自 a bs t r a c t 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 r ( s t a t c o m ) i sav e r yi m p o r t a n td e v i c eo ff a c t s t h ek e r n e le q u i p m e n to fs t a t c o mi sp o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e r b yi n je c t i n gt h es m o o t h a n dr a p i dr e a c t i v ec u r r e n t ，i tc a l l 。m a i n t a i nt h eb u sv o l t a g es t a b i l i t yo ft h ed e v i c ei ni t s s e t t i n gp o i n t m e a n w h i l ei tc o u l da l s oi n c r e a s et h es y s t e md a m p i n ga n di m p r o v et h e t r a n s i e n ts t a b i l i t yl i m i to fp o w e rs y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c m a n u f a c t u r i n ga n dt h em a t u r i t yo ft h ef a c t s ，t h ee n o r m o u se c o n o m i cb e n e f i t sa n d t e c h n i c a la d v a n t a g e so fs t a t c o mh a v eb e e nw i d e l yr e c o g n i z e d i nf a c t ，s t a t c o m e q u i p m e n t sh a v eb e e ni n s t a l l e di ns o m ep r a c t i c a lp r o j e c t s a sm o r ea n dm o r es t a t c o m sa r ec o n n e c t e di n t ot h eg r i d ，t h ei s s u eo ft h ei n t e r a c t i o n s a m o n gt h es t a t c o ma n do t h e rd e v i c e se x i s t e di nt h ep o w e rs y s t e mh a sa r o u s e dg r e a t a t t e n t i o n t h ed e s i g n i n go fam u l t i o b j e c t i v ec o o r d i n a t e dc o n t r o l l e rh a sb e c o m eav e r y i m p o r t a n tw o r k t h ep o w e rs y s t e mr e q u i r e sam u l t i o b j e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yt om a i n t a i ni t ss t a b i l i t y m e a n w h i l e ，s t a t c o mh a sm a n yc o n t r o lf u n c t i o n s ，w h i c ha r eh e l p f u li ne n h a n c i n gt h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e m h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec o n f l i c t i n ga m o n gt h ed i f f e r e n tc o n t r o l o b j e c t i v e s t l l ，i ti s h a r dt od e s i g nac o n t r o l l e rw h i c hc o u l ds a t i s f ya l lt h eo b j e c t i v e r e q u i r e m e n t s h o w t od e s i g nam u l t i o b j e c t i v ec o n t r o l l e rb e c o m e sav e r ys i g n i f i c a n tw o r k t h i sp a p e rc o m b i n e st h ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o dw i t ht h ef u z z yc o n t r o l m e t h o dt od e s i g nam u l t i o b j e c t i v ec o n t r o l l e ri ns y s t e ml e v e l i no r d e rt oa v o i dt h ei n t e r a c t i o n s ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e di nt h i s p a p e rf o rc o o r d i n a t e dt h es t a t c o ma n dg e n e r a t o re x c i t a t i o nd e v i c e f u z z yc o n t r o l m e t h o di su s e dh e r ef o rr e d u c i n gt h ec h a t t e r i n gi nav a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e r a m u l t i o b j e c t i v ec o n t r o l l e rb a s e do nt h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e di nt h i s p a p e r t h ec o n t r o l l e rc o u l dd e t e r m i n et h es y s t e ms t a t eb y t h ef e e d b a c ks i g n a la n d 刎u s tt h e c o n t r o l l e r sp a r a m e t e r sd y n a m i c a l l y i nt h a tw a y , t h ec o n t r o l l e rc o u l df i n dac o m p r o m i s e d s o l u t i o na m o n gt h ec o n f l i c t i n gc o n t r o lo b j e c t i v et oi m p r o v et h ed y n a m i cc h a r a c t e ro ft h e s y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t si nm a t l a bv e r i f yt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e di nt h i s p a p e r i se f f e c t i v e k e yw o r d s ：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 r ；v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ；c o o r d i n a t e d c o n t r o l l e r ；f u z z yc o n t r o l ；m u l t i - o b j e c t i v ec o n t r o l l e r ；p o w e rs y s t e ms t a b i l i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密0 ，在年解密后适用本授权书； 2 不保密舶用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作糍髯删呼。 日期：伽7 莎、6 - 雌名：立 日期： 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 将滑模变结构控制与模糊控制相结合，运用到s t a t c o m 的系统级控制器 设计中。分别针对s t a t c o m 与电力系统其他控制设备联合控制问题和 s t a t c o m 的多目标协调控制问题，设计了两种不同的控制器。 在所设计的s t a t c o m 与发电机励磁装置协调控制器中，主要应用滑模变 结构控制来协调两种设备的出力，避免两种设备间发生冲突。在抑制抖振影响 方面，摒弃了传统的利用饱和函数的办法，转而采用模糊控制技术来抑制变结 构控制中产生的抖振现象。 在所设计的s t a t c o m 多目标控制器中，利用模糊规则的灵活性，针对系 统的不同状态，实时改变控制系统参数，优化了控制效果，改善了系统的动态 特性。在一定程度上解决了多控制目标间相互制约的控制难题；为充分发挥 s t a t c o m 的多目标控制能力做出了有益的尝试。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 碑 一啾j 耳 “ 、， 趴 玺 幻 作 肌 划 瑚 削 日 位 学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的研究背景和意义 第1 章绪论 改革开放三十多年以来，由于国民经济的快速发展，对电能的需求也不断增长。电 网负荷强度的不断提高，使得电力系统稳定性问题日益突出【3 】。同时，随着我国电力改 革的不断深入，电网的开放程度和商业化运营程度进一步提高，为控制电网运营成本， 电力系统运行越来越接近系统极限，经济性和安全稳定性相互制约，两者之间的矛盾也 越来越突出，这就使得系统的安全稳定性问题愈加复杂。因此，如何在不影响经济发展 的前提下，最大限度的提高系统的安全稳定性，就成为一项广大电力科研工作者们热衷 研究的课题。 进入到上世纪8 0 年代后期，随着大功率电力电子技术和计算机控制技术的发展， 电力系统控制技术进入到一个崭新的时代。柔性交流输电技术( f a c t sf 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 ) 就是在这一时期应运而生。它的出现，给电力系统增添了新的控 制手段【4 】，为电力系统控制领域翻开了新的纪元。静止同步补偿器( s t a t c o m ，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 ) 作为f a c t s 家族的重要一员，以其优越的性能表现，得到 专家学者的广泛关注。针对s t a t c o m 的研究力度也在逐年增大。当前，对于s t a t c o m 的研究主要分为两大方向： 一是着眼于器件级的层面，不断采用新器件【5 - 7 1 、新技术0 1 。目前投产的新型 s t a t c o m 普遍采用i g b t 、i g c t 等替代过去的g t o ；主电路的拓扑结构也由过去的 多重化方案向链式方案发展，以满足不同客户的特殊要求。 二是加大对s t a t c o m 控制手段的研究力度。因为s t a t c o m 的结构较为复杂，各 相之间存在的复杂的电磁耦合现象，使得控制变得非常复杂。另外，电力系统本身就是 一个典型的多维数动态大系统，具有明显的非线性和时变性等特征。因此，对包含 s t a t c o m 的电力系统进行准确有效的控制就变得异常困难，对其控制方法的研究也就 有了特别重要的意义。 1 2s t a t c o m 控制方法的研究现状 对包含s t a t c o m 的电力系统进行控制，数学建模是基础，控制理论是手段。 在建模方面依照不同的研究目的与分析角度，主要分为器件级、装置级与系统级三 类。文献 1 1 ，1 2 就是典型的关于s t a t c o m 的器件级分析，文献 1 1 中采用f o u r i e r 级数 和开关函数建立s t a t c o m 的暂态模型；文献 1 2 则应用开关函数和沃尔什级数展开与 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 节点容抗模型来逼近t c r 开关特性。在对s t a t c o m 装置的研究中，p q 解耦、p a r k 变换等理论被引入。文献 1 3 在此基础上，应用瞬时电流检测技术及电流优化算法设计 不平衡负载的控制方法，可以对不平衡系统中的负序电流进行有效控制，减少系统的不 平衡度。s t a t c o m 本身是非常复杂的非线性元件，而包含s t a t c o m 、发电机、p s s 、 以及其他f a c t s 元件的电力系统就更是一个高度复杂的系统，对包含s r c o m 的电 力系统进行系统级的建模，是为了能够从宏观的角度进行理论分析，推导s n 盯c o m 的 控制方式与电力系统各控制目标之间的关系，提高电力系统的稳定性，从而实现电力系 统安全稳定运行的目的。文献 1 4 将包含s t a t c o m 的电力系统表示成标准的哈密尔顿 系统，运用哈密尔顿系统理论以及李雅普诺夫函数来分析受控电力系统的暂态稳定 性。得到了较好的结果。 根据控制器设计过程对系统信息的提取和综合过程的不同，将s t a t c o m 的控制策 略分为三种【l5 j ： 基于系统内部结构的控制方法。如李雅普诺夫能量函数法、最优控带l j 1 6 , 1 7 】、非线性 系统的线性化方法【1 8 。2 1 1 、鲁棒控制 2 2 ，2 3 】等； 基于系统外部特征的控制方法，如传统的p i d 控制【2 4 ，2 5 1 、白抗扰控制； 综合智能控制方法，如模糊逻辑控制【2 6 2 8 1 、人工神经网络控制【2 9 1 、专家控制、迭代 学习控制【3 0 等 通过以上的介绍，可以看出，应用于s t a t c o m 的控制理论可以是多种多样的。但 由于其本身的非线性特征，因此，根据传统的线性化方法设计的控制器存在比较大的局 限性。当系统偏离初始运行点很远时，所设计的控制器往往无法达到控制效果，甚至对 系统产生不利的影响。近年来，各种非线性控制理论以及智能控制理论逐渐成为 s t a t c o m 控制策略的首选。得到广泛认可的主要是以下几种： 1 李雅普诺夫直接法 李雅普诺夫稳定性理论是在1 8 9 2 年提出的，但是直到1 9 7 4 年才由美国m a g n u s s o n ”】 提出应用李雅普诺夫能量函数研究电力系统暂态稳定的论文【3 2 1 。李雅普诺夫直接法原来 主要用于分析电力系统的稳定性及估计稳定域等，将其用于非线性控制设计也是很好的 一种手段。这种方法的优点是建立在原有非线性系统之上，直接考虑系统的非线性特性， 物理意义清晰。但李雅普诺夫直接法的缺点在于寻找l y a p u n o v 函数比较困难，因为 l y a p u n o v 函数的构造没有确定的方法，一个系统中还有可能存在几个l y a p u n o v 函数。 事实上，构造l y a p u n o v 函数在高维、强非线性电力系统中是件非常困难的事，故往往 将它与其它一些控制方法结合起来设计系统的控制器。 2 微分几何法 近代微分几何方法与非线性控制系统的设计问题相结合，形成了一门新的学科体 系，即非线性控制系统几何结构理论体系1 3 3 。罗马大学著名的a i s i d o r i 教授曾经发表 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 文章预言用微分几何方法研究非线性控制系统将会给控制理论带来突破性的进展【3 4 1 。 微分几何方法通过微分同胚映射实现坐标变换，根据变换后的系统设计非线性反 馈，实现非线性系统的精确线性化。系统经精确线性化后，可采用其他控制理论完成对 被控对象的综合，这种方法是目前最常用的解决非线性控制问题的手段之一。文献 3 5 ，3 6 就是通过这种办法将非线性系统首先进行精确线性化后再结合变结构控制方法对 f a c t s 系统进行控制器设计。 基于微分几何法的精确线性化方法适用于以下仿射非线性系统( 以单输入单输出系 统为例) 文2 ( ! ：1 2 + g ( x ) “( 1 - 1 ) 【y = 乃( x ) 其中x r 刀为状态向量，u r 为输入变量，f ( x ) 、g ( x ) r ”为向量函数，y r 为 系统输出，h ( x ) r 为标量函数。称系统有相对阶，若满足 l , l k ：h 揪( x ) ) = 0 0 ( 1 - 2 ) 【t 巧1 乃( x ) 。 其中k = o ，1 ，一2 。如果，= n ，则可通过非线性状态反馈u = 口( x ) + ( x ) v 以及 微分同胚映射 毛 z 2 ： z n = ( x ) = 使得原系统变换为一个完全能控的线性系统 办0 ) l ，h ( x ) 巧1 办( z ) ( 1 3 ) 乙2 乞 乞2 乞 i ( 1 - 4 ) z n 一12 乙 乙2 1 如果厂 o ( 1 1 1 ) “5 ll 。llj l “f ( x ) ，s i ( x ) 以时，从系统流向s t a t c o m 的电流相位超前系统电压9 0 。， s t a t c o m 工作于“容性”区，输出感性无功；反之，当呶 吐时，从系统流向 s t a t c o m 的电流相位滞后系统9 0 。s t a t c o m 工作于“感性 区，吸收感性无功； 由此可见，s t a t c o m 输出无功功率的极性和大小决定于阢和以的大小，通过控 制d ，的大小就可以连续调节s t a t c o m 发出或吸收无功的多少。 2 3s t a t c o m 在电力系统中的作用 s t a t c o m 是目前实际投入电力系统使用的最先进的f a c t s 装置之一。代表着 柔性交流输电技术的最新发展方向。它的功能非常强大，对系统的改善效果十分明显。 通过在系统适当位置安装s t a t c o m 可以达到以下目的： 1 ) 稳定弱系统电压； 2 ) 减少传输损耗； 3 ) 提高传输容量，使现有电网发挥最大效率； 4 ) 提高系统稳定极限； 5 ) 增加系统阻尼； 6 ) 缓冲功率振荡； 7 ) 提高系统功率因数； 8 ) 抑制电压波动及闪变； 9 1 消除谐波； 1 0 ) 抑制三相不平衡； 11 ) 增强潮流控制的灵活性； 2 4s t a t c o m 与s v c 的比较 s t a t c o m 是基于电压源型变流器的补偿装置，实现了无功补偿方式质的飞跃。 它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现 无功能量的变换。s t a t c o m 不仅与传统的无功补偿装置相比具有优势，与同属于并 联补偿f a c t s 装置的s v c 相比较，其优势也是相当明显的： 1 响应速度更快 s t a t c o m 可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的 相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。 图2 4 所示为日本电热委员会实测的闪变补偿效果与补偿容量和响应时间的曲 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 线。在相同的补偿容量下，响应时间越小腓 、偿装置对电压闪变的补偿效果越好；在 同等闪变抑制要求下，响应时间越小的补偿装置所需要的补偿容量也越小。如果装置 响应速度慢，不仅对闪变抑制不起作用，还可能加剧系统电压闪变。 图2 4 闪变补偿效果与补偿容量和响应时间曲线 s v c 闭环响应时间约4 0 6 0 m s ，而s t a t c o m 闭环响应时间约为5 m s 。受响应 时间限制，s v c 抑制电压闪变的能力很有限。s t a t c o m 则是非常有效的抑制电压 闪变的措施。国际大电网( c i g r e ) 早在几年前就做出结论：s v c 的无功调整速度太慢， 抑制电压闪变的能力非常有限，即使增大容量也无济于事；而s t a t c o m 的无功调整 速度很快，抑制电压闪变的能力比s v c 强4 5 倍。 2 运行范围更宽 s t a t c o m 比s v c 的运行范围宽很多，能够在额定感性到额定容性的范围内工作， 且其输出的补偿电流不受母线电压影响。而s v c 具有阻抗型特性，输出的补偿电流 随母线电压线性降低。当s t a t c o m 和s v c 用于对系统电压进行控制时，s t a t c o m 显然更具优势，因为系统电压越低，越需要动态无功支撑电压，s 可玎c o m 输出无功 电流与系统电压没有关系，在系统电压变低时，s t a t c o m 还能够输出与额定工况相 近的无功电流，但是当系统电压变低时，s v c 输出无功电流的能力却随之下降。 图2 5 为s t a t c o m 和s v c 补偿的电压电流特性比较。由图中可看出，s t a t c o m 的无功电流输出能力与系统电压无关，而s v c 的补偿容量随着系统电压的下降而急 剧下降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 系统电压 图2 - 5s t a t c o m 与s v c 运行范围对比图 c o m 3 s t a t c o m 具备较强的短时过载能力，s v c 不具备任何过载能力 s t a t c o m 具备很强的过载能力，可用于一些偶发性的冲击或干扰补偿，例如系 统扰动后的电压恢复、配电网内故障引起的电压暂降补偿等，而s v c 不具备任何过 载能力。 4 可短时输出有功功率 s t a t c o m 的直流侧安装储能装置后，不仅可以调节系统无功功率，还能够在一 定范围内调节系统有功功率，减少有功功率冲击，还可与s s s c 组成统一潮流控制器， 控制系统潮流方向。这一特点，对于提高系统的安全稳定性具有重要的意义，而s v c 只能提供无功功率，不具备提供有功功率的功能。 5 谐波特性好 s t a t c o m 内部拓扑结构和所采用的p w m 技术，不仅令自身产生的谐波含量非 常低，而且还能够对负载的谐波进行补偿，实现有源滤波的功能。而s v c 需要配置 固定电容器和固定电抗器组成的滤波支路来滤除谐波，不仅会增加投资而且有发生谐 振的可能。 6 运行成本低 s t a t c o m 的等效运行损耗大大小于s v c ，运行耗电量也远低于s v c ，节能效果 显著，运行维护费用较s v c 低5 0 左右。 7 占地面积小 图2 - 6 为同等补偿容量的s t a t c o m 与s v c 占地面积的示意图。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 圈2 - 6 同等容量s t a t c o m 与s v c 占地面积比较图 从图中可以清楚的看到，由于无需高压大容量的电容器和电抗器做储能元件， s t a t c o m 的占地面积较相同容量s v c 小得多( 约3 0 5 0 ) 。在场地建设和基础设 施投资方面的经济优势比较突出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章滑模变结构控制理论与微分几何法 3 1 滑模变结构控制理论 3 1 1 变结构控制理论的发展历史 变结构控制理论诞生于前苏联。五十年代前苏联学者e m e l y a n o v 首先提出了变结 构控制系统的概念，并且逐步形成了控制系统的综合方法，u t k i n 等在此基础上进一 步发展、完善了变结构控制理论使得变结构控制理论成为控制科学中的一个重要的分 支。七十年代中期，欧美学者开始研究这一理论。八十年代中，此理论引起了我国学 者的重视，高为炳教授的专著变结构控制理论基础是我国在变结构控制领域的经 典之作【5 8 】。 在变结构产生与发展的这5 0 多年中，根据u t k i n 的看法，变结构系统的研究历史 可以划分为三个阶段【5 9 】： 1 ) 从滑模变结构控制理论的诞生到单输人控制系统的时