外文翻译译文-静止无功补偿器控制方法综述

静止无功补偿器控制方法综述摘要：为了分析加装在电力系统静止无功补偿器中附加控制器的控制机理，并且从工程应用的角度来获取现代控制方法，介绍含SVC附加控制器的电力系统的原理，在对用于静止无功补偿器中的9种控制理论的应用原理和现状进行了详细说明的基础上，比较不同控制方法应用于不同控制目标时控制效果的差异。最终，从工程应用的可行性和未来发展前景进行考虑，提出了几种可行的改进型SVC控制方法。索引词汇：静止无功补偿器、电力系统、附加控制1.引言静止无功补偿装置（StaticVarCompensator，简写SVC）是现代电力系统的重要元件之一，它通过从电网吸收或向电网输送可连续调节的无功功率，来实现对装设点电压的控制；此外，在调节过程输出阻抗不断变化，还能够改善系统的功角稳定。20世纪70年代以来，以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展，近年来，随着大功率可控硅器件制造技术的日趋完善，SVC在电力系统中的应用越来越广泛；与此同时，随着电力工业的飞速发展，电力系统的容量日益增加，电网结构也日益复杂和庞大，SVC系统稳定性问题日益突出。因此，研究SVC的附加控制方法以便提高电力系统的稳定性和动态品质已成为当今电力系统的一项重要研究课题。本文将简要介绍SVC元件的运行特性以及SVC对电力系统稳定性影响的机理，然后把用于SVC中的附加控制方法分为传统控制和现代控制，PID控制(比例积分微分)作为最常见的一种传统控制方法将被介绍。为了方便对比，将属于非线性控制范畴的变形PI(比例积分)控制与传统PID控制方法一起陈述，现代控制方法包括：非线性控制（非线性鲁棒控制、变结构控制、非线性自适应控制、微分几何控制、逆系统方法、李雅普诺夫直接控制方法等）、最优变目标策略控制、智能控制（模糊控制、遗传算法）。配有SVC的电力系统附加控制方法总是基于传统的线性控制理论设计。在项目上，人们总是根据根轨迹法、频率响应和状态空间法进行分析和设计。如果扰动力矩系统工作点没有变化，按传统方法设计的控制器就有很好的控制效果。但SVC系统具有较强的非线性特性，它也受运行过程的不确定性影响。因此，在大型系统，特别是在大扰动情况下的大型系统，传统控制方法不能保证整个系统的性能达到最优控制，甚至使系统性恶化，不能满足工程要求。近年来，国内外学者在这个问题上进行了广泛研究，逐步发展了许多现代控制方法，比如：非线性变结构控制、非线性自适应控制、反馈线性化方法，最优变目标控制和智能控制等。首先介绍当今工程普遍应用的传统PI控制，然后介绍一些SVC应用中的现代附加控制方法。2.运行特性如图1所示，以单机无穷大系统为例，介绍SVC的运行特性以及加装SVC的控制机理。SVC的工作原理以及发电机和线路参数如图2所示。图1加装SVC的单机无穷大系统图2SVC的工作原理示意图为了保证发电机功角和电压的稳定性，建立了发电机协调控制模型和SVC单机无穷大系统。.=0=DH(0+0Hw0E,qVSsinHX,d+1)BL=-1(BL-BL0-KSs+s2)(1)h1(x)=-0h2(x)=Vm-Vm0=V.(2)式中：是发电机功角、稳态运行点的转速；BL为SVC电感值，其初值为00BL0；BC为SVC电容值；TS为SVC时间常数；KS为SVC调节系统的放大倍数；为待设计的SVC控制量；系统阻抗，其中,=1+2+12()1=,1+，X2=XL2，Xd是发电机d轴同步电抗，是发电机d轴暂态电抗，Xt是变压器电1,1抗，XL1输电线路电抗，XL2是SVC与系统间电抗值；1和2是模拟系统受到的扰动。式(1)和式(2)构成装有SVC的单机无穷大系统数学模型，式(2)随着控制目的变化而变，不难看出含SVC的电力系统呈现非线性特性，SVC附加控制的加装位置如图3所示。图3含附加控制的SVC控制器结构图3.控制原理及其控制目的SVC的基本功能是从电力网吸收或向电网输送可连续调节的无功功率，以维持装设点的电压恒定，并有利于电网的无功功率平衡，SVC主控制一般采用传统PI控制，来维持SVC所在线路的电压稳定，附加控制由于控制目的不同以及使用的控制方法不同而呈现多样化，控制系统通过改变等效电抗值的大小，来控制晶闸管的触发角，调节其输出的无功功率，所以SVC可以等效为可控电抗器，SVC装置输出的无功功率与系统电压的平方成正比，因此当电力系统电压下降时，SVC装置输出的无功功率会以与系统电压下降平方的比例下降。文献3论述了SVC对于改善电压稳定性的作用，说明在其调节范围内，SVC对系统的电压稳定是有利的。SVC在电力系统中至少有以下几个作用：（1）调相调压；（2）提高系统的暂态和动态稳定性；（3）抑制系统的功率振荡和冲击负荷引起的电压闪变；（4）抑制过电压。相比FACTS中的其他装置，SVC（静止无功补偿器）主要有以下优点：（1）响应速度快控制器的响应在毫秒以内，使用前馈控制技术的调节器，其响应速度甚至达到微秒左右。（2）优异的动态性能和连续的无功调节功能此外，SVC损耗低，运行、维护方便，比同容量的调相器有全面的技术和经济优势。4.分类描述A.PID控制PID控制被称为比例-积分-微分控制，是SVC中最常用的校正方法。常规PID控制系统原理框图如图4所示。图4PID控制器结构图没有微分环节的PI控制是SVC中最常用的传统控制方法。文献4设计了可以提高电力系统动态稳定性的静止无功补偿器的PI阻尼控制器，使用极点配置法定位PI控制器的增益值；文献4针对抑制次同步振荡设计了SVC的PI附加控制器，来抑制各种转矩扭转模式引发的振荡，设计了一种根据发电机转速变化实时调节SVC输出功率的PI控制器。工程上，用于SVC的PID控制器参数通常是现场调节，常用的调节方法有齐格勒尼柯尔斯调节法、频率响应法及计算最佳化法，利用这些方法可以对PID控制器进行精确细致地现场调解。此外，已经研究发现一些自动调节方法，因此有些PID控制器具有在线自动调节能力。PID控制器的变形，比如I-PD控制和多自由度PID控制，已经应用到工程中。PID控制的价值在于对大部分控制系统的广泛适用性，虽然在多数情况下不能实现最佳控制，但是控制器简单易懂，需要确定的调节参数较少，还易于SVC的工程实现，且具有一定的鲁棒性，因此它在工程中有广泛的应用，在SVC的工程应用中仍然占据主导地位。传统PID应用于SVC非线性复杂系统上，无法同时保证快速性与稳定性，无法满足对SVC输出阻抗的精确控制，为了适应未来电网的发展要求，必须要结合现代控制方法。B.改进PI控制改进PI控制属于现代控制理论中的非线性控制，其中模糊PI控制应用最广泛。模糊PI控制器结构如图5所示。在智能协调器的控制下，软件开关S能根据不同情况自动切换到模糊控制器工作状态或PI控制器工作状态。文献5根据上述原理提出一种多目标统一控制器。在大偏差情况下，采用模糊控制获取更好的瞬态性能；在小偏差情况下，采用PI控制获取更好的稳态性能。文献6结合PI控制和一种新型自适应逆推方法设计一个SVC附加控制器。文献7基于模糊、遗传算法等设计非线性PI附加控制器，用到SVC上取得了良好控制效果。图5模糊PI附加控制器的结构图相较于传统的PI控制，改进PI控制克服了SVC非线性复杂系统中对精确数学模型的依赖，解决了适应性及鲁棒性较差的缺陷，模糊PI控制器具有实用性强、易于工程实现的优点，但相对于传统控制操作简单、成本低的优点，改进PI控制由于控制结构复杂而未能投入到工程实践。C.非线性鲁棒控制鲁棒控制的实质就是设计一个满足指标而且有一定域度的闭环系统稳定控制器，域度包括H控制、增益控制L2、分析控制。非线性控制理论是在H的空间通过一些反应性能指标的无穷范数优化而获得具有鲁棒性能控制器的一种控制理论，其优势体现在处理多变量系统的性能设计和鲁棒稳定性上。增益L2实质是为了保证不确定干扰的鲁棒性。该方法（结构奇异值）的基本思想就是把实际控制问题归结为求结构奇异值的问题上，从而进行运动控制系统的设计。它的缺陷是算法的改min(G，K)进和坏条件数系统的分析方法。文献8采用了SVC与发电机励磁非线性H理论协调控制的方法，设计一种协调控制策略，能够有效抑制系统振荡，提高系统的暂态稳定性。文献9中提出一种在增益L2下的干扰抑制法，获得实现干扰抑制的控制规律。结合电力系统的强非线性和不确定性，提出了一种新的SVC与发电机励磁的鲁棒非线性协调控制规律。用在SVC中的非线性鲁棒控制的一般性问题仍未解决。H范数考虑了最大扰动的情况，鲁棒性比较保守，依赖于设计者的经验选取权函数，根据不同参数及所选加权不同而重新设计控制器23；虽然非线性H控制鲁棒性保守，但是鲁棒控制具有较强的鲁棒性，对于外界干扰、参数偏差、模型不确定性以及抑制系统噪声有良好的稳定性，且控制率基于输入输出、频域类型，由于工程上易于实现，所以它可用于工程应用。D.非线性变结构控制非线性变结构控制根据被调量偏差及其导数，迫使任何初始条件下的系统状态按一定的趋近率到达并保留在预先设计好的超平面上，并在该平面上逐渐趋于稳定24。由于控制规律不唯一，所以它能够为工程设计者提供更多选择。文献10引入有源抗扰控制技术，实现了SVC与发电机励磁的非线性变结构协调控制，然后设计出一种能够同时改善电力系统功角稳定和电压动态特性的变结构协调附加控制器。文献11运用非线性系统理论和变结构控制理论，推导出协调控制率，并设计SVC与HVDC的非线性协调滑模变结构控制器。尽管变结构控制存在高频抖振和到达切换面困难的局限，但是滑模变结构具有的干扰和摄动不变性，能够有效解决SVC的鲁棒性问题，并保证系统整体渐近稳定，因此确保这种方法在SVC中具有工程应用的可行性。E.非线性自适应控制自适应控制（AdaptiveControl，AC）是将系统辨识和控制结合在一起的次最优控制理论，它可以随系统工作状况的改变在线辨识控制对象的参数或结构的动态变化，不断修正与调整控制器的参数或结构，最后，使其可以自动跟踪对象变化以达到最佳控制。文献12对SVC提出了自适应反步法，它完整保留系统的非线性特性并且提高系统的响应速度，而且突破了经典确定性等价性原理。自适应控制在开始阶段不一定能保证系统稳定，而且实现精确跟踪输入需要一定时间，另外它无法处理非线性结构变化系统，所以不具备工程应用的可行性，预测将来研究的重点是模糊、神经网络、鲁棒等非线性自适应控制。F.微分几何方法和逆系统方法控制微分几何方法通过合适的局部微分同胚变换，找到了非线性反馈，在非线性反馈作用下，能够把非线性系统映射为线性系统，然后利用线性控制方法设计控制器。文献13将逆系统方法应用于电力系统，建立起非仿射非线性模型，设计出SVC的非线性附加控制器。许多现代控制方法需要把SVC非线性系统线性化，这两种方法作为其他控制方法的基础，主要应用在实际系统的线性化34。逆系统方法的原理比精确线性化方法更简单，也更易于工程人员接受，但这两种方法对数学模型的精度要求非常高，这限制了它的工程应用。G.最优变目标控制最优变目标控制（OptimalVariableAimControl，OVAC）首先驱动系统到达暂态能量函数估算的最大稳定域的人工中间平衡点，然后驱动系统达到故障后的稳定平衡点36。这种方法能有效改善系统首摆动的暂态稳定性，提高了后续摆的动态稳定性，它的关键在于人工中间平衡点的选取。文献14在建立（交直流混合系统中）HVDC与SVC的综合控制模型基础上，推导出基于最优变目标控制理论的HVDC和SVC非线性综合控制策略。最优变目标策略控制能够解决加装SVC的系统可能存在多个稳定平衡点的问题，并且能系统调回到其动力学稳定平衡状态，实现对该系统的分区分时分层的控制，很易于在线实现，具备工程应用的可行性。H.智能控制遗传算法（GeneticAlgorithm，GA）不存在求导和函数连续性的限制，直接对结构对象进行操作，而且能够自动获取和指导搜索空间，自适应地调节搜索方向。模糊控制（FuzzyControl，FC）以相关专家的知识或现场人员的控制经验为出发点，直接采用语言型控制规则，不用对被控对象建立精确的数学模型。文献15提出结合禁忌搜索的遗传算法，它能够弥补遗传算法的缺点，进而基于联合算法提出PSS和SVC的协调措施。文献16将模糊控制理论、协同进化算法和免疫算法结合，解决了SVC元件的协调控制问题，因此它可以使多个控制器保持良好的阻尼振荡特性。文献17提出新型神经网络PID控制结构来维持系统电压稳定性。智能控制的优势在于结合人工智能理论，具有自学能力，适用于解决非线性、不确定性问题，提高了SVC的自适应能力和鲁棒性。目前，智能技术本身仍存在大量基础问题有待解决，也仍处在研究阶段，模糊PI控制、模糊变结构控制等协调控制方法在工程应用上仍可行。V.发展趋势相比传统控制，现代控制方法具有更好的自适应性、容错性、并行性、多功能性。经过理论研究和仿真对比，一些学者分析说明，应用现代控制方法可以实现对SVC输出阻抗的无差调节。然而，大部分方法无法应用到工程实践中，因为根据现代控制方法设计出的控制器，其良好的控制效果主要是用高反馈增益、大参数设置换来的，这在实际应用中会使得成本很高，不符合经济运行的准则，因此现阶段PI控制仍是SVC工程应用的主流控制方法。一种控制方法能否设计出控制器应用到实际工程中，不但要考虑这种方法自身的鲁棒性、抗扰性和智能化等良好的性能，而且还要满足经济性和操作简单、容易的特点，因此，现阶段智能控制、自适应非线性以及微分几何化等控制规律复杂的方法不具备工程应用的可行性。变结构控制的滑动模态上具有完全的抗扰性，最优目标策略控制的自适应性强，可以实现分区分时分层控制，而且其控制规律比其他方法简单、控制器易操作，作为附加控制器加装在SVC中具有更好的发展前景和