（农业电气化与自动化专业论文）静止同步补偿器滑模变结构控制及数字系统设计.pdf

江苏大学博士学位论文 摘要 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 是柔性交流输电系统( f a c t s ) 的重要组成部件， 它以电力电子变流器为装置核心，通过向电力系统注入方向与幅值均可连续动态调节的 无功补偿电流，以维持装置接入点母线电压的稳定，同时阻尼功率振荡，提高暂稳极限。 与传统的静止无功补偿器( s v c ) 相比，s t a t c o m 具有无功调节连续、响应快、运行 范围宽、体积小、产生谐波和损耗低等明显优势。因此，s t a t c o m 装置的研究和设计 受到了国内外电力界的广泛关注。 考虑到电力系统强非线性、变结构、变参数的特点，应用非线性控制理论来进行 s t a t c o m 控制器设计，以充分挖掘s t a t c o m 的工作潜能，始终是s t a t c o m 技术研 究领域的热点问题。本文在详细分析了当前s t a t c o m 非线性控制研究现状的基础上， 应用模糊控制、滑模变结构控制、直接反馈线性化技术以及相关非线性控制方法，对电 力系统s t a t c o m 无功补偿内、外环控制器进行了较深入的研究，同时理论联系实际， 完成了一台配电端无功补偿应用的s t a t c o m 数字系统设计方案。全文的主要内容如 下： 1 深入分析了s t a t c o m 装置的组成结构与工作原理。利用输入输出建模方法和能 量方程，建立了s t a t c o m 装置时域数学模型和稳态数学模型；运用数学模型，对 s t a t c o m 装置主电路的基本工作特性进行了分析；针对大容量补偿应用，讨论了 s t a t c o m 多重化主电路结构的设计方法及其电路控制参数，并利用m a t l a b s i m u l i n k 平 台对相关电路设计内容进行了数字仿真验证。 2 提出电力系统s t a t c o m 控制器的两层模型。推导出直接相角控制和有功无功 电流解耦控制这两种基本无功电流内环控制方法，利用s t a t c o m 装置缴的控制系统数 字建模与仿真，完成了装置动态工作特性的深入分析；讨论了系统级外环控制的功能、 结构原理、纯电压控制对电力系统阻尼的影响和提升系统暂稳特性的补偿方法；它们为 s t a t c o m 控制器的具体参数设计提供理论依据。 3 应用电力系统暂态稳定分析的李雅普诺夫直接法( 暂态能量函数法) 对含 s t a t c o m 的单机无穷大系统( s m i b ) 稳定域进行了分析，在考虑系统阻尼效应的前 提下，运用首次积分法建立了系统能量函数，并进行了实例估算，得出系统稳定域随着 s t a t c o m 等效无功电流的增加而扩大的趋势。 静止同步补偿器滑模变结构控制及数字系统设计 4 针对s t a t c o m 无功电流内环控制系统，提出了一种无功电流滑模变结构控制策 略。根据s t a t c o m 的装置级非线性数学模型，应用极点配置法设计出滑动模态超平面， 在考虑外界扰动因素的条件下。完成了变结构控制规律的设计。数字仿真结果表明，设 计的无功电流滑模变结构控制器较传统的p i d 控制器，在无功电流的追踪能力上具有更 快的响应速度，对系统摄动和外加干扰具有较强的鲁棒性。 5 针对s t a t c o m 电力系统无功补偿需求，提出了一种自治型s t a t c o m 外环模糊 滑模控制器( f s m c ) 。根据含s t a t c o m 的单机无穷大系统三阶非线性数学模型，应 用m 型模糊控制方法设计了滑模控制律，为了消除模糊控制死区，保证电压控制精度， 将传统p i 控制器串入系统。数字仿真实验验证了该f s m c 在电力系统大参数变动条件下 的算法有效性和鲁棒性。 6 对发电机附加励磁与s t a t c o m 协调非线性控制器设计进行了研究。提出了基于 t s 型模糊滑模控制方法的发电机附加励磁控制器和基于t s 型模糊的非线性变增益 s t a t c o m 控制器。协调控制器以满足发电机功角稳定和s t a t c o m 接入节点电压稳定 为目标，其控制增益能够根据电力系统当前状态依据规则产生大范围的非线性平滑调 整，在较大的系统工作空间内均可有效提高电力系统电压调节能力和暂态稳定性能。协 调控制器实现了本地量输入，在单机无穷大系统的仿真中，展示了良好的性能。 7 立足于配电端小容量无功补偿场合的s t a t c o m 应用，完成了一台5 0 k v a r 配电端小容量无功补偿的s t a t c o m 整体方案设计。分析了配电端s t a t c o m 逆变器 主电路的拓扑结构及其工作原理，给出了主电路各参数的设计依据；研究了基于瞬时无 功功率理论的勿幻方法的电网谐波和无功电流实时检测算法；阐述了电流跟踪型 s v p w m 控制方法；在此基础上，对d s p + c p l d 复合功能结构的数字控制器相关硬件 及关键软件流程进行了详细叙述。最后完成了系统的动模实验。 关键词：静止同步补偿器；电力系统；滑模变结构控制；模糊控制；儆a g i s u g e n o 模 糊模型；李雅普诺夫函数；空问矢量脉宽调制；数字信号处理器 江苏大学博士学位论文 a b s t r a c t v o l t a g e - s o u r c e s - c o n v e r t e r - b a s e df l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) p l a y sa l l i m p o r t a n tr o l ei nm o d e mh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o ns y s t e m 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 sc l a s s i f i e da ss e c o n dg e n e r a t i o nf a c t s t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo f s t a t c o mi st h eg e n e r a t i o no fac o n t r o l l a b l ea cv o l t a g es o u r c eb yv o l t a g es o u r c ei n v e r t e r s c o n n e c t e dt oad cc a p a c i t o r i nt h i sw a y , s t a t c o mc a np r o v i d es m o o t ha n dr a p i dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nt op o w e rs y s t e m i th a sb e e nr e p o r t e dt h a ts t a t c o mc a no f f e ra n u m b e ro fp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e sf o rr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l a p p l i c a t i o n s o v e rt h e c o n v e n t i o n a ls t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) b e c a u s eo fi t sg r e a t e rr e a c t i v ec u r r e n to u t p u t c a p a b i l i t ya td e p r e s s e dv o l t a g e ，f a s t e rr e s p o n s e , b e t t e rc o n t r o ls t a b i l i t y , l o w e rh a r m o n i c s ，a n d s m a l l e rs i z e ，e t c u pt on o w , ag r e a tm a n ys u c c e s s f u la p p l i c a t i o n so fs t a t c o me q u i p m e n t f o rv o l t a g ec o n t r o la n dt r a n s i e n ts t a b i l i t yi m p r o v e m e n th a v e b e e nr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e c o n v e n t i o n a l l y , t h es t a t c o mr e g u l a t o ri sd e s i g n e df r o mas m a l l - s i g n a lm o d e la ta g i v e no p e r a t i n gp o i n t b u tt h et r a d i t i o n a lc o n t r o l l e rs u f f e r sf r o mt h ei n a d e q u a c i e so f p r o v i d i n gs u i t a b l ec o n t r o la n dt r a n s i e n ts t a b i l i t ye n h a n c e m e n to v e raw i d er a n g eo fp o w e r s y s t e mo p e r a t i o nc o n d i t i o n s n ep o w e rs y s t e mi sat y p i c a ln o n l i n e a rs y s t e m t h u s i ti s r e a s o n a b l et od e s i g nt h e c o n t r o l l e rf o rs t a t c o mu s i n gn o n l i n e a rc o n t r o lt h e o r y a f t e r h a v i n gi n v e s t i g a t e dt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fs t a t c o mn o n l i n e a rc o n t r o l l e r , t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e so nas e r i e so fe f f e c t i v en o n l i n e a rc o o r d i n a t e dr e g u l a t o r sf o rs t a t c o m i n n e r - l o o pa n do u t e r - l o o pc o n t r o l l e r sb yu s i n gf u z z yc o n t r o l ( f c ) ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l ( s m c ) ， d i r e c tf e e d b a c kl i n e a r i z a t i o n ( d f l ) ，e t c b e s i d e s ，ad s p - b a s e dl a bp r o t o t y p em o d e li sb u i l tt o v a l i d a t et h ec o n c e p t so ft h r e e p h a s ed i s t r i b u t i o nl e v e ls m a l lc a p a c i t ys t a t c o ma n dt h e c o n t r o ls c h e m ep r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o nf a l l si n t ot h ef o l l o w i n gs e v e np a r t s ： 1 t h es y s t e ms t r u c t u r ea n d o p e r a t i o np r i n c i p l eo fs t a t c o ma r et h o r o u g h l y i n v e s t i g a t e d u s i n gi n - o u tm o d e l i n ga n de n e r g ye q u a t i o n s ，at i m ed o m a i na n das t e a d ys t a t e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fas t a t c o ma r ed e v e l o p e d b a s e do nt l l em a t h e m a t i c a lm o d e l t h e f u n d a m e n t a lr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i co fs t a t c o mm a i nc i r c u i ti s a n a l y z e d a i ma tl a r g e c a p a c i t yc o m p e n s a t i o ns i t u a t i o n ，t h ed e s i g nm e t h o do fs t a t c o mm u l t i p l em a i nc i r c u i t c o n f i g u r a t i o na n di t sc o n t r o lp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i v ee x p e r i m e n t a r eg i v e nt ov 丽母t h ef e a s i b i l i t yo ft h em a i nc i r c u i ts c h e m e 2 t w o - l e v e ls t r u c t u r ec o n t r o lm o d e lo fp o w e rs y s t e ms t a t c o mc o n t r o l l e ri sp r o p o s e d f i r s t l y , t w ob a s i c r e a c t i v ec u r r e n ti n n e r - l o o pc o n t r o ll a w sa r ed e f t v e d b a s e do i l m a t l a b s i m u l i n kt o o l s ，as t a t c o md e v i c el e v e lc o n t r 0 1s y s t e mi sm o d e l e d t h 锄t h ed i g i t a l s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h em o d e li sc o r r e c ta n dt h e s ec o n t r o ll a w s 静止同步补偿器滑模变结构控制及数字系统设计 a r ee f f e c t i v e n e s s f i n a l l y , c o n c e r n i n gp o w e rs y s t e ms t a b i l i t yc o n t r o l ，t h eo u t e r - l o o pc o n t r o l s y s t e ms t r u c t u r ea n dv o l t a g et y p ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so fs t a t c o m a r ec o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e d t h e s ec o n c l u s i o n sa t en e c e s s a r yt ot h ef u t u r es t u d yi nt h ef o l l o w i n gs e c t i o n s 3 t h es t a b l er e g i o no fo n e - m a c h i n ei n f i n i t e - b u sp o w e rs y s t e mw i t hs t a t c o mi s s t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ep o w e rs y s t e mm a t h e m a t i cm o d e l ，ad a m p i n g - r e f l e c t e de n e r g y f u n c t i o ni sd e r i v e dw i t hf i r s ti n t e g r a l b a s e do nt h ee n e r g yf u n c t i o n , t h es y s t e ms t a b l er e g i o n i se s t i m a t e d , a n ds o m es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec h a n g i n g t e n d e n c yo f t h es y s t e ms t a b l er e g i o ni se q u i v a l e n tt or e a c t i v ec u r r e n tc a p a c i t yo fs t a t c o m ， w h i c hi n d i c a t e ss t a t c o mi sb e n e f i c i a lf o rt h es y s t e ms t a b l eo p e r a t i o na n de f f i c i e n t l y e x p a n dt h ep o w e rs y s t e ma s y m p t o t i cs t a b l er e g i o n 4 as l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r ( s m c ) f o rs t a t c o mr e a c t i v ec u r r e n ti n n e r - l o o pc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e d f i r s t l y , t h er e a c t i v ec u r r e n tc o n t r o lm o d e li sb u i l tu pb a s e do ns t a t c o m d e v i c el e v e ln o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e l - t h em o d e li st r a n s f o r m e di n t oal i n e a rs y s t e m u s i n gd i r e c tf e e d b a c kl i n e a r i z a t i o n ( d f l ) t e c h n i q u e t h e nap o l e p l a c e m e n tm e t h o di s e m p l o y e dt os e l e c tas u i t a b l es l i d i n gm o d eh y p e rp l a n e ，f r o mw h i c ht h ev a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r o ls c h e m ec o n s i d e r i n gd i s t u r b a n c ei sc o n s t r u c t e d t h ec h a t t e r i n gi nt h ec o n t r o ls i g n a li s s u p p r e s s e db yr e p l a c i n gt h es i g nf u n c t i o nw i t has m o o t h i n gf u n c t i o ni nt h ec o n t r o lf u n c t i o n f i n a l l y , t h ec o n t r o ll o g i ci se v a l u a t e di nm a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g o c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o ld e s i g n i ti ss h o w nt h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hi s s u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lp i dm e t h o di nr e s p o n s ep e r f o r m a n c e ，h a ss t r o n g e rr o b u s t n e s s a g a i n s te x t e r n a ld i s t u r b a n c e 5 a c c o r d i n gt ot h en o n l i n e a rm o d e lo ft h ep o w e rs y s t e mi n c l u d i n gs t a t c o m ，t h e p a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no fan o n l i n e a rf u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r ( f s m c ) f o r s t a t c o mt oe n h a n c et h et r a n s i e n ts t a b i l i t yp e r f o r m a n c eo fp o w e rs y s t e m f o rt h e t h r e e - o r d e rn o n l i n e a rs y s t e mm o d e l ，i ti sb et r a n s f o r m e di n t oal i n e a rs y s t e mb yn s eo ft h e d f lt e c h n i q u e b a s e do nt h el i n e a rs l i d i n gm o d eh y p e rp l a n ed e s i g n e db ym e a n so f p o l e p l a c e m e n tm e t h o d ，am a m d a n i t y p ef u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o ls c h e m ei sc a r r i e do u t t h ep a r a m e t e r so ft h ef u z z yc o n t r o l l e rc a nb ev a r i e dw i d e l yb yas u i t a b l ec h o i c eo f m e m b e r s h i pf u n c t i o n sa n dp a r a m e t e r si nt h er u l eb a s e i no r d e rt oe l i m i n a t et h ec o n t r o l d e a d - z o n eo ff s m cs i g n a la n di m p r o v ev o l t a g er e g u l a t i o na c c u r a c y , ap r o p o r t i o n a l - i n t e g r a l ( p i ) r e g u l a t o ri si m p l e m e n t e di n t ot h ec e n t r e ls y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e e f f e c t i v e n e s sa n dr o b u s t n e s so ft h ep r o p o s e da p p r o a c ho v e raw i d er a n g eo fo p e r a t i n g c o n d i t i o nc h a n g e s 6 ac o o r d i n a t e dn o n l i n e a rc o n t r o l l e ro fs t a t c o ma n dg e n e r a t o re x c i t a t i o ni sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ed f lt e c h n i q u ea n dt h et - st y p ef s m ct h e o r y t h ep r o p o s e dc o o r d i n a t e d c o n t r o l l e rc a ni m p r o v eb o t ht h ep o w e ra n g l es t a b i l i t yo f g e n e r a t o ra n dt h ev o l t a g eb e h a v i o ra t t h es t a t c o ml o c a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i e so ft h eg a i nv a r i a t i o na r ep a r a m e t e r i z e da n d i v 江苏大学博士学位论文 g o v e r n e db yt h er o l ep r o p o r t i o n a l i t y t h ec o n t r o l l e rc a np r o v i d es u i t a b l ev o l t a g ec o n t r o la n d t r a n s i e n ts t a b i l i t ye n h a n c e m e n to v e raw i d er a n go fp o w e rs y s t e mo p e r a t i n gc o n d i t i o n s i ti s d e s i g n e db a s e do nl o c a lm e a s u r e m e n t sa n dp o s s e s s9 0 0 dr o b u s t n e s s n es i m u l a t i n gs t u d i e s i n d i c a t et h ep r o p o s e dc o o r d i n a t e dc o n t r o l l e rc a ni m p r o v et h ea c c u r a c yo f v o l t a g ec o n t r o la n d s t r e n g t h e nt h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m 7 t h ea l g o r i t h mo fh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o nb y 勿一qm e t h o db a s e do n i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yi sa n a l y z e d v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ( v s i ) m a i nc i r c u i t o fs m a l lc a p a c i t ys t a t c o mi si n t r o d u c e da n di t so p e r a t i o n a lp r i n c i p l e sa r ed e d u c e d n e m a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sd e s i g nm e t h o da n dt h ec u r r e n t - t r a c k - m e t h o d ss v p w mc o n t r o l a l g o r i t h ma r ep r e s e n t e d i no r d e r t om e e tt h er e a lt i m er e q u i r e m e n to fs t a t c o mw i t hd i r e c t c u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yt or e f e r e n c ec u r r e n ta c q u i s i t i o n , ah a r dc i r c u i tb a s e do nd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 12a n dc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) e p m 712 8 s l ci sd e s i g n e d t h ek e yh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs y s t e ma r ep r e s e n t e d t h e a l g o r i t h ms i m u l a t i o no nt h r e e - p h a s ea cc i r c u i ti sd o n e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r mt h e v a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d 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 ( s t a t c o m ) ；p o w e rs y s t e m ；s l i d i n g m o d ec o n t r o l ( s m c ) ；f u z z yc o n t r o l ；t a k a g i - s u g e n of u z z ym o d e l ；l y a p u n o vf u n c t i o n ； s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) v 江苏大学学位论文版权使用授权书 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学鼍? 拜蔫哗 喝年月f de t 。 指致三叶指导教师签名： 。 沁吕年c , e jf 。e t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲萼请啐 日期：沙皂年6 月【勺日 江苏大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力是国家的支柱能源和经济命脉。无论从规模、结构还是从特性上看，电力系统 都已成为人类历史上最复杂的工业系统【l 】。为了保障电力系统高安稳度和优化经济运 行，半个多世纪以来，各国政府和研究机构一直投入大量人力和财力进行研究。虽然该 难题至今尚未解决，但作为一点共识，人们已经认识到：提高电力系统的安全运行水平 和电能质量，除了电网结构本身要合理外，还必须要有先进的调节控制手段。 2 0 世纪毂生代，美国著名电力系统专家ngh i n g o r a n i 博士提出的柔性( 灵活) 交流输电系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ) 和用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 两 个概念( 统称为柔性交流输配电技术一f a c t s ) ，从技术上根本性地改变了交流输配电 系统过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的调控技术及措施的局面。f a c t s 装 置为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力，同时可 以确保系统稳定性，并有助于在事故时防止连锁反应造成的电压崩溃2 1 。如今，f a c t s 技术的快速发展已使其成为电力科研中的热点，也是各种电网技术会议中讨论的重点专 题【3 1 。f a c t s 技术己被称为“未来输电系统新时代的三项支撑技术( f a c t s 技术、先 进的控制中心和综合自动化技术) 之一【4 】，或是“现代电力系统中的三项具有变革性 影响的前沿性课题( 柔性输电技术、智能控制、基于全球卫星定位系统( g p s ) 的新一 代动态安全分析与监测系统) 之一 【5 】。 1 2 柔性交流输电系统( f a c t s ) 概述 1 2 1f a c t s 技术的定义 所谓f a c t s 即是装有电力电子或静止型控制器，以加强可控性和增大电力传输能 力的交流输电系统【6 】。这是1 9 9 7 年国际电力工程学会( p e s ) 的冬季会议上，f a c t s 术 语和定义的专题组给出了明确的定义，它也可以解释为：f a c t s 控制器是可提供一个 或多个控制交流传输系统( 包括发电、输电和配电环节) 参数的电力电子型系统和其它 静止型设备。 从这个定义出发，可以将f a c t s 理解为在交流输配电系统中，基于电力电子技术 静止同步补偿器滑模变结构控制及数字系统设计 及其它新技术和新材料，并具有柔性，即快速、精确、平滑、连续和灵活的控制能力， 用以提高运行可控性和抵御事故能力以及支持电力市场顺利运营的所有新型电力设备 及其协调控制的技术。它是电力电子技术与电力系统的阻抗控制元件、功角控制元件以 及电压控制元件，如串连电容、并联电容、并联电抗、电气制动电阻以及移相器等，相 结合的产物，也是现代控制技术、计算机技术、通讯技术取得巨大进展的结果。 在高压输电系统调控应用中，f a c t s 控制器为互连电力系统提供了极其强有力的 控制手段，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。它可以使电力系统中影响潮流分 布的三个主要电气参数：电压、线路阻抗及功率角可按照系统的需要迅速调整，以有效 地提高了系统的静态、暂态稳定极限及电压稳定性，从而将输电线路输送容量提高至其 热稳定极限，极大地提高了输电线路资源的利用率【5 。 在低压配电系统及用户负荷端补偿应用中，f a c t s 控制器已成为改善电能质量的 有力工具，其快速的响应能力可为抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、瞬时扰动， 稳态电压调整等现代电能质量问题提供有效解决方案4 1 。 自从lg y u g y i 提出利用变流器进行无功补偿的理论以来，2 0 年的研究成果与运行 经验表吲1 4 】：f a c t s 技术不论是在理论上还是在实际上均是提高电力系统供电质量 的一个十分有力的工具。 1 2 2f a c t s 装置的发展历程 f a c t s 技术随着大功率高电压电力电子技术、微处理机技术和控制技术在近1 0 年的高速发展和同益成熟，在装置性能和功能上也出现了几个不同发展阶段。美国电力 科学研究院( e p r i ) 从f a c t s 控制器在其发展进程或技术进步角度上，将f a c t s 装 置划分为以下三代【2 , 1 5 】： ( 1 ) 第一代f a c t s 装置 从2 0 多年前就出现的静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 丌始。主要 由晶闸管开关快速控制的电容器和电抗器组成的装置，以提供动态电压支持，其技术基 础是常规晶闸管整流器( s c r ) ，后来出现的第一代f a c t s 装置是晶闸管控制的串联电 容补偿器( 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 ，t c s c ) ，它利用s c r 控制串接在输电 线路中的电容器组来控制线路阻抗，从而提高输送能力。 ( 2 ) 第二代f a c t s 装置 2 江苏大学博士学位论文 这一代装置同样具有支持电压和控制功率等功能，但在外部回路中不需要加设大型 的电力设备，如电容器和电抗器组或移相变压器等。这些新装置如静止同步补偿器 ( 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 ，s t a t c o m ) 和静止同步串联补偿器( s t a t i c s 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 ，s s s c ) 是借助于由大功率电力电子开关元件，如g t o 、 i g b t 、i g c t 等一类全控型器件构成的装置，以电子回路模拟出电抗器或电容器的作用， 装置造价大大降低，性能却明显提高。 ( 3 ) 第三代f a c t s 装置 将两台或多台控制器复合成一组f a c t s 装置，并使其具有一个共同的、统一的控 制系统，即称为第三代f a c t s 控制器。第一种典型装置就是由一台s t a t c o m 和一台 s s s c 复合而成的统= 潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n 仃0 l l e f ，u p f c ) 。它的功能更 强大，它以控制线路阻抗、电压或功角的办法同时控制输电的有功和无功潮流。调节双 回路潮流的线间潮流控制器( i n t e r l i n ep o w e rf l o wc o n t r o l l e r ，i p f c ) 、晶闸管控制的移 相变压器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dp h a s es h i f tt r a n s f o r m e r ，t c p s ) 、广义统一潮流控制器 ( g e n e r a lu n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ，g u p f c ) 和可变静态补偿器( c o n v e r t i b l es t a t i c c o m p e n s a t o r ，c s c ) 都属于复合控制器。 f a c t s 技术并不是以上所述的某一个单独的大功率控制器而是一系列功率控制器 的总和，它既可以单个独立运行也可以由多个控制器协调运行来控制电网中的相关参 数。f a c t s 技术能够在现有设备不做重大改动的条件下，针对当时、当地的具体问题， 采用经济有效的、相应的解决方案( 如串联、并联和串、并联混合) ，以充分发挥现有 电网的潜力，以渐进的方式改变电力系统的面貌，因此，在当前电力系统应用中已形成 第一代、第二代和第三代f a c t s 控制器并存发展的局面。 1 3 静止同步补偿器( s 仉盯c o m ) 的研究应用概况 1 3 1s t a t c o m 的功能与特点 f a c t s 家族