怎樣利用IPC提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性論文

1-/NUMPAGES100摘要隨著社會(huì)對(duì)電能的需求日益增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，但資金、地理環(huán)境等因素的限制在原有網(wǎng)絡(luò)難以建設(shè)新的輸電線路，致使有的輸電線路在接近于極限附近運(yùn)行，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)展而出現(xiàn)的靈活交流輸電系統(tǒng)（FlexibleACTransmissionSystem，F(xiàn)ACTS）技術(shù)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行改造和操縱，提高輸電線路的輸送能力，為解決此類(lèi)問(wèn)題提出了有效的手段。相間功率操縱器(InterphasePowerController，IPC)被電力工作者認(rèn)為是當(dāng)前最適合開(kāi)發(fā)應(yīng)用的FACTS設(shè)備之一,它通過(guò)等效改變線路的電抗、移相角等參數(shù)改變線路的輸送能力，在增加線路的傳輸功率、增強(qiáng)線路潮流的可控性、限制短路電流等方面都具有優(yōu)良的特性。我國(guó)的遠(yuǎn)距離輸電較多，而且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較薄弱，開(kāi)展如何利用IPC提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的意義。本文在介紹IPC差不多結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡述了IPC潮流操縱的差不多原理；講明能夠通過(guò)晶閘管觸發(fā)操縱IPC的電感和電容支路構(gòu)成TCIPC，并建立了TCIPC在dq0坐標(biāo)下操縱功率與晶閘管觸發(fā)延遲角之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)TCIPC功角特性講明了調(diào)節(jié)IPC電感支路參數(shù)能夠操縱聯(lián)絡(luò)線傳輸功率達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的機(jī)理。依照TCIPC的PI操縱的差不多原理和TCIPC的感抗參數(shù)與聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的關(guān)系，以電流作為T(mén)CIPC晶閘管觸發(fā)操縱的同步信號(hào)，將感抗期望值作為該操縱器的參考信號(hào)，設(shè)計(jì)了TCIPC觸發(fā)角校正的PI定阻抗操縱器；并搭建了帶IPC簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該操縱器的有效性，并講明通過(guò)對(duì)TCIPC感抗的操縱，能夠改善帶IPC系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。分析了調(diào)諧型IPC與非調(diào)諧型IPC的功率調(diào)節(jié)能力，基于微分幾何理論的狀態(tài)反饋精確線性化方法將帶調(diào)諧型IPC的簡(jiǎn)單系統(tǒng)非線性狀態(tài)方程進(jìn)行精確線性化，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了TCIPC的非線性最優(yōu)操縱器。仿真結(jié)果表明該操縱方法與傳統(tǒng)的PI操縱相比，系統(tǒng)的阻尼性能增強(qiáng)，能夠抑制系統(tǒng)的功角振蕩，能夠較大幅度的提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：相間功率操縱器；PI操縱器；非線性最優(yōu)操縱；暫態(tài)穩(wěn)定AbstractWiththeconstantexpansionofpowersystem,itisdifficulttobuildnewtransmissionlinesduetocapital、geographicalenvironmentandotherfactors,leadingtransmissionlinesrunnearthelimit.Itthreatsthestabilityofpowersystemoperation.Inrecentyears,withthedevelopmentofpowerelectronicstechnology,theFlexibleACTransmissionSystems(FACTS)technologyemergesanditcanimprovethetransmissioncapacityoftransmissionlinestoprovidesomeeffectivemeanstosolvethisproblem.InterphasePowerController(IPC)isconsideredthemostsuitableforthedevelopmentandapplicationinFACTSdevicesbypowerworkers.Itchangesthelinetransmissioncapacity,increasesthelinetransmissionpower,enhancesthecontrollabilityofthepowerflowlineandlimitsshort-circuitcurrentbychangingthelinereactance、shiftangleandotherparameters.InChina,therearemorelong-distancetransmissionandgridstructureisrelativelyweaker.SohowtouseIPCtoenhancesystemstabilityisofgreatsignificance.Inthispaper,basedonthebasicstructureofIPC,theprincipleofthepowerflowofIPCisintroduced.ThyristorControlledInterphasePowerController(TCIPC)iscomposedbytheequivalentsusceptanceoninductivebranchandcapacitivebranchcontrolledbythyristortrigger.Mathematicalmodelcoordinatesofrelationshipbetweenthecontrolledtransmissionpowerandtrigger-delayedangleofthyristorinthedq0isestablished.Accordingtopower-anglecharacteristicofTCIPC,regulatingtheinductivebranchparametersofIPCwillimprovetransientstabilityisexplained.BasedontheprincipleofPIcontrolofTCIPCandrelationshipbetweeninductanceparametersandtie-linetransmissionpower,thecurrentisselectedasthesynchronicsignaltoshutthyristorandtheexpectedvalueofinductanceisselectedasreferencesignal,thenPIfixedimpedancecontrolleroftriggeringanglecorrectionisdesigned.SetupsimulationofasimplesystemmodelwithIPC.SimulationresultsshowcontrollingtheinductiveparametersofTCIPCcanimprovethetransientstabilityofthepowersystemwithTCIPC.Theabilityofthetuned-IPCandthenontuned-IPCofpowercontrolisanalyzed.Basedonthedifferentialgeometrytheoryofexactfeedbacklinearization,nonlinearstateequationwiththetuned-IPCinsimplesystemisturnedintoexactlinearizationandthetunedTCIPCnonlinearoptimalcontrollerisderivedanddesigned.SimulationresultsshowcomparedwithtraditionalPIcontroller,thetunedTCIPC’snonlinearoptimalcontrollerisabletoincreasedampinganddampthepower-angleoscillationofsystemremarkably,improvingthetransientstabilityofsysteminagreatdeal.Keywords:InterphasePowerController;PIController;NonlinearOptimalControl;TransientStability目錄摘要 IAbstract III第1章緒論 11.1課題研究的目的和意義 11.2提高傳輸容量的研究現(xiàn)狀 31.2.1決定傳輸容量的因素 31.2.2電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性 41.2.3提高電網(wǎng)傳輸容量的措施 51.3FACTS技術(shù)的進(jìn)展概況 81.3.1FACTS概念的提出 81.3.2FACTS操縱器的分類(lèi) 91.4相間功率操縱器（IPC）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 91.5本文的要緊研究?jī)?nèi)容 11第2章相間功率操縱器的潮流操縱機(jī)理 132.1引言 132.2IPC差不多工作原理 142.2.1IPC差不多結(jié)構(gòu) 142.2.2IPC的潮流操縱 142.3可控相間功率操縱器（TCIPC）的差不多工作原理 162.3.1TCIPC的差不多結(jié)構(gòu)模型 172.3.2TCIPC在dq0坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型 182.4本章小結(jié) 20第3章TCIPC提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究 213.1引言 213.2TCIPC對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性阻礙分析 213.2.1可控相間功率操縱器的差不多結(jié)構(gòu)原理 213.2.2TCIPC改善系統(tǒng)穩(wěn)定性機(jī)理 233.3本章小結(jié) 24第4章提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的TCIPC阻抗操縱器設(shè)計(jì) 254.1引言 254.1.1線性操縱策略分析 254.1.2非線性操縱策略分析 254.1.3智能操縱策略分析 274.2TCIPC的PI阻抗操縱原理 274.2.1PID操縱原理 274.2.2TCIPC常規(guī)PI阻抗操縱原理 284.2.3TCIPC觸發(fā)角校正的PI阻抗操縱原理 294.3算例分析 314.3.1感抗發(fā)生階躍變化 314.3.2三相短路 324.4本章小結(jié) 35第5章調(diào)諧型TCIPC非線性最優(yōu)操縱器的設(shè)計(jì) 365.1引言 365.2基于微分幾何理論的狀態(tài)反饋精確線性化方法 375.2.1非線性系統(tǒng)的關(guān)系度等于系統(tǒng)階數(shù)的線性化設(shè)計(jì)原理 375.2.2一般情況下的非線性系統(tǒng)的線性化設(shè)計(jì)原理 395.3調(diào)諧型TCIPC非線性最優(yōu)操縱器設(shè)計(jì) 445.3.1調(diào)諧型與非調(diào)諧型IPC功率操縱特性比較 445.3.2調(diào)諧型TCIPC仿射非線性系統(tǒng)模型 475.3.3基于反饋精確線性化方法的調(diào)諧型TCIPC非線性操縱模型 495.3.4最優(yōu)操縱器設(shè)計(jì) 515.3.5操縱器最優(yōu)性討論 535.4算例分析 545.5本章小結(jié) 55結(jié)論 56參考文獻(xiàn) 58攻讀學(xué)位期間取得的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 63致謝 64第1章緒論1.1課題研究的目的和意義進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化的突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，電力行業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。與上個(gè)世紀(jì)相比，用戶對(duì)電力的需求增加了，與此同時(shí)，火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電差不多不是唯一的發(fā)電方式，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電，由于有用化程度不斷提高，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用；其次，高壓、特高壓輸電和機(jī)組容量的加大提高了能源的利用效率；再次，各大電網(wǎng)間的互聯(lián)提高了能源利用效率和輸電可靠性?？偠灾唠妷?、遠(yuǎn)距離輸電、大規(guī)模的互聯(lián)電網(wǎng)差不多成為了現(xiàn)代電力系統(tǒng)的最重要特征之一[1]。電網(wǎng)互聯(lián)所組成的大型電力系統(tǒng)不管從經(jīng)濟(jì)方面，資源的優(yōu)化配置方面依舊環(huán)保方面都帶來(lái)了效益。首先，電網(wǎng)互聯(lián)對(duì)能源的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。由于電能的生產(chǎn)地和負(fù)荷中心之間存在地理位置上的差距，使得傳輸電能成為生產(chǎn)生活的客觀需求。其次，由于現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程的進(jìn)展，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，一些人工智能、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)尤其是電力電子設(shè)備的廣泛采納，不僅給電能質(zhì)量帶來(lái)了不利的阻礙，對(duì)供電可靠性也造成了威脅。與此同時(shí)，盡管現(xiàn)代電網(wǎng)的運(yùn)行技術(shù)有了專(zhuān)門(mén)大提高，但依舊不能幸免會(huì)發(fā)生大電網(wǎng)瓦解性的崩潰事故。通過(guò)互聯(lián)電網(wǎng)的適時(shí)調(diào)整操縱，這種互聯(lián)的輸電網(wǎng)能夠在電能生產(chǎn)和電能用戶之間架起一座和平橋。在輸電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)后，不僅能夠保證經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和能源稀少地區(qū)的用電，而且還能夠在發(fā)生電能緊張情況下實(shí)現(xiàn)異地電源與用電用戶間的相互支援，例如，我國(guó)每年的7~9月份的夏季家庭用電高峰期，浙江、江蘇、上海等省市通過(guò)向鄰近的安徽、四川、湖北等省份購(gòu)電，緩解了用電高峰時(shí)段電力供應(yīng)不足的現(xiàn)狀。第三，電網(wǎng)互聯(lián)能夠在資源的優(yōu)化配置上帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是多方面的。電網(wǎng)互聯(lián)后能夠充分利用成本較低的發(fā)電資源和采納較高效率的大型發(fā)電機(jī)組，如此能夠使發(fā)電成本最小化；通過(guò)加強(qiáng)電力供需平衡的分析和預(yù)測(cè)，能夠做好電網(wǎng)錯(cuò)峰、水火電互補(bǔ)、功率緊急支援等，實(shí)現(xiàn)電力需求平衡調(diào)度；電網(wǎng)互聯(lián)后有利于安排發(fā)電機(jī)組和供電設(shè)備檢修，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性和抗沖擊的能力。第四，電網(wǎng)互聯(lián)為電力市場(chǎng)改革奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。電能是通過(guò)電網(wǎng)進(jìn)行流通的，因此通過(guò)電網(wǎng)才能夠進(jìn)行電力的交易。電網(wǎng)互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)改革的必定要求。第五，由于火電這種發(fā)電方式，排放出的有害氣體，會(huì)對(duì)環(huán)境造成專(zhuān)門(mén)大阻礙。電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)后，用戶能夠選擇相對(duì)環(huán)保清潔的風(fēng)力發(fā)電、水利發(fā)電等發(fā)電方式，如此不僅降低了發(fā)電成本還帶來(lái)了巨大的環(huán)保效益[2]。由于電網(wǎng)互聯(lián)存在如此顯著的優(yōu)勢(shì)，因此電網(wǎng)互聯(lián)差不多成為了世界各國(guó)電力系統(tǒng)的共同進(jìn)展方向。目前，電網(wǎng)互聯(lián)差不多不僅僅局限于一個(gè)國(guó)家的內(nèi)部了，許多國(guó)家與國(guó)家之間，甚至各洲際板塊之間也進(jìn)行了電網(wǎng)互聯(lián)。例如，早些年西歐各國(guó)400kV電網(wǎng)互聯(lián)之后，近年來(lái)又通過(guò)兩條容量為200MW的直流輸電線路跨海與英國(guó)400kV系統(tǒng)相連，就此西歐十一國(guó)的大互聯(lián)電網(wǎng)差不多差不多形成；此后東歐的互聯(lián)電網(wǎng)又通過(guò)在奧地利的杜埃諾爾變電站與西歐大互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)系在一起；美國(guó)在已有的由2000多個(gè)電力公司構(gòu)成的東部、西部和德克薩斯洲三個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，與墨西哥、加拿大的加利福尼亞半島進(jìn)行互聯(lián)，組成了一個(gè)特不復(fù)雜、龐大的北美聯(lián)合電力系統(tǒng)[3,4]。我國(guó)幅員寬闊，各區(qū)域的能源分布、電源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)進(jìn)展不平衡。產(chǎn)生電能的煤炭資源及水利資源大多分布在我國(guó)的西部與北部地區(qū)，而用電負(fù)荷要緊集中在中東南部以及沿海地區(qū)，這就使得跨區(qū)域的電網(wǎng)互聯(lián)形成和進(jìn)展成為必定。隨著華中與華北500kV交流聯(lián)絡(luò)線的建成，東北、華北、福建-華北、華中-華北、川渝-華中等七個(gè)跨省區(qū)的孤立的大區(qū)域電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)的組成，標(biāo)志著我國(guó)的超大規(guī)模跨區(qū)交流同步互聯(lián)電網(wǎng)差不多差不多形成。電網(wǎng)互聯(lián)所組成的大型電力系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)越的技術(shù)性能和環(huán)境愛(ài)護(hù)性能，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。電力網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)在給電力系統(tǒng)帶來(lái)如此多的好處的同時(shí)也附帶了一些具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，如：電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)后，若沒(méi)有合適的操縱，就不能保證系統(tǒng)的發(fā)電與傳輸間的平衡；在系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜的背后，過(guò)多的無(wú)功功率充斥著系統(tǒng)的不同部分，這會(huì)導(dǎo)致各個(gè)部分的動(dòng)態(tài)波動(dòng)的相互阻礙，使得系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定性的問(wèn)題；電網(wǎng)互聯(lián)使輸電系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，情況也越來(lái)越復(fù)雜，運(yùn)行中容易出現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)、事故的連鎖反應(yīng)、環(huán)流等問(wèn)題，這給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與操縱帶來(lái)了困難。如發(fā)生在美加電網(wǎng)的“8.14”大停電，這次停電事故包括100多個(gè)發(fā)電廠，22個(gè)核電廠，幾十條高壓輸電線路雪崩似的停運(yùn)，50萬(wàn)人被困，直接造成了高達(dá)數(shù)百億美元的經(jīng)濟(jì)損失。因此，面對(duì)電網(wǎng)互聯(lián)出現(xiàn)的這些問(wèn)題，必須采取新的技術(shù)措施，提高操縱裝置的響應(yīng)速度，使其能對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速調(diào)整，同時(shí)實(shí)時(shí)操縱電網(wǎng)潮流的走向和分布，從而使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和線路的傳輸能力得到提高。1.2提高傳輸容量的研究現(xiàn)狀1.2.1決定傳輸容量的因素電網(wǎng)的傳輸容量是指電網(wǎng)在一系列的約束條件下能夠傳輸功率的能力。目前，阻礙電網(wǎng)傳輸容量的要緊因素包括[5]：熱穩(wěn)定極限，設(shè)備絕緣限制，理想線路的極限傳輸功率以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性限制。（1）熱穩(wěn)定極限電力設(shè)備在運(yùn)行中由于存在內(nèi)部損耗，一般情況下會(huì)發(fā)熱并升溫，而且發(fā)熱量隨著載流量的增大而增加，假如載流量過(guò)大，溫升達(dá)到其上限，就會(huì)破壞設(shè)備本身的機(jī)械和物理特性，使其不能正常工作。對(duì)有上限溫升值的傳輸功率稱(chēng)為設(shè)備的熱穩(wěn)定極限。在電網(wǎng)中，要緊是架空線的熱容量限制傳輸容量。架空線的熱容量是導(dǎo)線物理參數(shù)（尺寸、材料、分裂方式等）、風(fēng)況、環(huán)境溫度、運(yùn)行歷史和離地高度等多種因素的函數(shù)。目前，我國(guó)電力系統(tǒng)輸電能力差不多上不受熱穩(wěn)定水平的限制，系統(tǒng)傳輸?shù)墓β室话愣荚谙到y(tǒng)的熱穩(wěn)定極限范圍內(nèi)。（2）設(shè)備絕緣限制電力設(shè)備的耐壓值差不多上有限的，在傳輸功率增加時(shí)，必須保證所有的電力設(shè)備不管是在穩(wěn)定情況下依舊暫態(tài)過(guò)程中都工作于同意電壓限值以內(nèi)（一般不超過(guò)額定值的10％）。通常電力設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)都會(huì)有較大的冗余，同時(shí)電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)電壓是嚴(yán)格限制的，因此穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)一般可不能超出電壓限制。采納無(wú)縫避雷器和在變電所安裝過(guò)壓抑制器能夠有效的提高線路和變電所的耐壓水平。（3）理想線路的極限傳輸功率由式（1-1）可知，一條無(wú)損的理想線路上能流過(guò)的最大功率，即靜態(tài)穩(wěn)定極限功率為：（1-1）這時(shí)該線路兩端節(jié)點(diǎn)電壓的相位差為，可見(jiàn)極限傳輸功率與線路的等效阻抗成反比，通過(guò)調(diào)節(jié)等效阻抗能夠改變傳輸功率極限值。（4）電力系統(tǒng)穩(wěn)定性限制保持系統(tǒng)穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)電網(wǎng)功率傳輸?shù)牟畈欢鄺l件，即正常運(yùn)行條件下的平衡狀態(tài)且在遭受干擾后能夠恢復(fù)到同意的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定是維持發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題，即系統(tǒng)中所有的同步發(fā)電機(jī)在滿足一定的電壓、頻率約束下能彼此保持同步運(yùn)行；穩(wěn)定是維持負(fù)荷兩端的電壓在其正常范圍內(nèi)，防止負(fù)荷電壓崩潰。穩(wěn)定性不僅包括穩(wěn)定平衡和無(wú)擾動(dòng)情況下維持正常運(yùn)行的特性，也包括在各種擾動(dòng)或者故障打破穩(wěn)態(tài)平衡后系統(tǒng)重新恢復(fù)正常運(yùn)行的能力。因?yàn)殡娏υO(shè)備的熱穩(wěn)定水平和絕緣水平一般可不能超過(guò)其極限值。長(zhǎng)期以來(lái)，穩(wěn)定性是限制電網(wǎng)傳輸容量最關(guān)鍵的因素，穩(wěn)定性分析和操縱成為國(guó)內(nèi)外電力學(xué)者研究的核心課題之一。1.2.2電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性功角穩(wěn)定性（1）靜態(tài)穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定是電力系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或周期性失步，自動(dòng)恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)的能力。由于擾動(dòng)足夠小，能夠采納近似線性化方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。靜態(tài)穩(wěn)定可能產(chǎn)生兩種形式的不穩(wěn)定現(xiàn)象，一種是由于同步轉(zhuǎn)矩不足使轉(zhuǎn)子角持續(xù)增加而失去穩(wěn)定，另外一種是由于缺乏阻尼轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子角發(fā)生增幅振蕩而失去穩(wěn)定。（2）暫態(tài)穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)遭受?chē)?yán)峻暫態(tài)擾動(dòng)下還能保持同步運(yùn)行的能力。由于發(fā)生的是大擾動(dòng)，一般不能采納近似線性化分析方法，而考慮非線性功角關(guān)系。暫態(tài)穩(wěn)定性由系統(tǒng)原來(lái)的運(yùn)行方式、擾動(dòng)的方式以及系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)方式?jīng)Q定。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)的出現(xiàn)的概率以及嚴(yán)峻程度都會(huì)在專(zhuān)門(mén)大范圍內(nèi)變化。大擾動(dòng)發(fā)生后，系統(tǒng)的愛(ài)護(hù)裝置會(huì)趕忙動(dòng)作，切除故障設(shè)備，甚至在緊急情況下切除機(jī)組或負(fù)荷，使系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生改變。（3）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受到干擾后，不發(fā)生振幅不斷增大的振蕩而失步。一般系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩、失步的要緊緣故是系統(tǒng)阻尼不足。通常情況下，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)操縱不當(dāng)，或者低頻振蕩的阻礙等因素都會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)阻尼，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，采納合理的勵(lì)磁操縱策略或在發(fā)電機(jī)組上安裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）等措施，使系統(tǒng)中的負(fù)阻尼減小，達(dá)到提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的目的。電壓穩(wěn)定性電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)不管是在正常運(yùn)行條件下依舊在遭受擾動(dòng)之后系統(tǒng)中所有母線的電壓都能持續(xù)保持在可同意的水平上。電壓穩(wěn)定的核心問(wèn)題是系統(tǒng)的無(wú)功功率特性。通常電壓不穩(wěn)定并不總單獨(dú)發(fā)生，而是經(jīng)常與功角不穩(wěn)定同時(shí)發(fā)生。一種形式的不穩(wěn)定可引起另一種形式的不穩(wěn)定，而且區(qū)不可能并不明顯。故深入理解功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定關(guān)于弄清晰問(wèn)題的本質(zhì)所在，以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式和操縱措施來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性是十分必要的。1.2.3提高電網(wǎng)傳輸容量的措施目前，建設(shè)新的輸電線路是提高電力系統(tǒng)輸電能力最直接的方法。但該方法受到資金、地理環(huán)境等因素的限制，而且架設(shè)新的輸電線路，其施工周期也比較長(zhǎng)。因此，針對(duì)我國(guó)現(xiàn)在的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)講，必須采納新型技術(shù)手段對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行快速的、實(shí)時(shí)的調(diào)控，并合理優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行方式，如此就能夠有效的增加電力系統(tǒng)的輸電能力，成為研究的重要課題。關(guān)于提高電力系統(tǒng)輸電能力的措施要緊包括：一、采納新型輸電技術(shù)；二、對(duì)電力系統(tǒng)相關(guān)元件進(jìn)行更加準(zhǔn)確合理的操縱；三、改造制約輸電能力的電氣設(shè)備，如輸電線路、安全自動(dòng)裝置等。采納新型輸電技術(shù)新型輸電技術(shù)要緊包括高壓直流輸電技術(shù)（HVDC）和靈活交流輸電技術(shù)（FACTS）。（1）高壓直流輸電技術(shù)高壓直流輸電系統(tǒng)由兩個(gè)換流站、直流輸電線路以及兩個(gè)交流輸電系統(tǒng)1和2組成。當(dāng)系統(tǒng)1向系統(tǒng)2輸送電能時(shí)，換流站工作于整流狀態(tài)，將交流電變換為直流電，經(jīng)直流線路傳輸?shù)搅硪粋€(gè)換流站，現(xiàn)在換流站工作于逆變狀態(tài)，使直流電變換成交流電輸送到系統(tǒng)2。高壓直流輸電系統(tǒng)與交流輸電系統(tǒng)相比最大的優(yōu)勢(shì)是，其不存在同步性要求和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的問(wèn)題，而且不必采納提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施，具有專(zhuān)門(mén)好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。另外，通過(guò)操縱換流站內(nèi)的換流器能夠?qū)χ绷麟妷汉椭绷麟娏鬟M(jìn)行快速的調(diào)節(jié)，從而有效的操縱直流系統(tǒng)輸出的有功功率。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)與交流輸電系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于直流輸電系統(tǒng)能夠迅速的操縱和調(diào)整輸出的有功功率，因此使電力系統(tǒng)整體的輸電能力和穩(wěn)定水平得到提高。例如，天廣交直流混合系統(tǒng)的投入運(yùn)行[6]，專(zhuān)門(mén)好的體現(xiàn)了直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)越性。（2）靈活交流輸電技術(shù)靈活交流輸電技術(shù)[7]是通過(guò)現(xiàn)代操縱技術(shù)與電力電子技術(shù)的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而改變電力系統(tǒng)潮流分布，可明顯提高電力系統(tǒng)的傳輸能力和穩(wěn)定水平。FACTS操縱器是FACTS技術(shù)的核心，要緊是指基于電力電子技術(shù)的系統(tǒng)或其他的靜態(tài)的設(shè)備，使其能夠操縱交流輸電系統(tǒng)的某個(gè)或某些參數(shù)。改善對(duì)電力系統(tǒng)元件的操縱水平（1）勵(lì)磁操縱為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，能夠采納勵(lì)磁操縱方式對(duì)同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前，勵(lì)磁操縱方式差不多從傳統(tǒng)的線性勵(lì)磁方式進(jìn)展到非線性勵(lì)磁和智能勵(lì)磁方式[8]。線性勵(lì)磁操縱盡管原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)卻不能有效的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。非線性勵(lì)磁操縱和智能勵(lì)磁操縱能夠適應(yīng)系統(tǒng)各種運(yùn)行方式的變化，而且操縱能力優(yōu)于線性勵(lì)磁操縱。因此，非線性勵(lì)磁操縱和智能勵(lì)磁操縱的應(yīng)用差不多成為勵(lì)磁操縱方式進(jìn)展的必定趨勢(shì)。（2）FACTS操縱最初，線性操縱方法常被應(yīng)用于FACTS操縱策略中，線性操縱器最要緊的缺點(diǎn)是操縱的穩(wěn)定范圍小，對(duì)非線性系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)變化時(shí)適應(yīng)性、魯棒性較差。而非線性操縱和智能操縱作為最近幾年快速進(jìn)展起來(lái)的操縱方法，可有效的彌補(bǔ)線性操縱策略的這些缺點(diǎn)和不足。在FACTS操縱系統(tǒng)中應(yīng)用較多的非線性操縱策略有：微分幾何方法、直接反饋線性化方法、李雅普諾夫方法、逆系統(tǒng)方法、變結(jié)構(gòu)操縱、非線性自適應(yīng)操縱等。這些操縱方法理論上盡管比傳統(tǒng)的FACTS線性操縱策略先進(jìn)許多，但應(yīng)用它們的前提是必須要建立電力系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型，而電力系統(tǒng)是典型的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，因此要推導(dǎo)出系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型并不容易。而智能操縱方法的出現(xiàn)，解決了這一難題，在FACTS操縱系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。由于新型操縱策略的出現(xiàn)與應(yīng)用，使得FACTS裝置能更為有效的提高電力系統(tǒng)輸電能力和穩(wěn)定水平。改造輸電設(shè)備輸電線路是電力系統(tǒng)輸送功率的關(guān)鍵元件。能夠?qū)⒕o湊型輸電技術(shù)應(yīng)用到立即建設(shè)的輸電線路上。其不但能夠節(jié)約輸電走廊、減少工程投資還可減小線路等效電抗，從而使功率傳輸能力增強(qiáng)[9,10]。而關(guān)于已建設(shè)的輸電線路來(lái)講，可采納靜態(tài)增容和動(dòng)態(tài)增容措施來(lái)使線路的功率傳輸能力增強(qiáng)。（1）靜態(tài)增容法所謂靜態(tài)增容方法，確實(shí)是通過(guò)提高導(dǎo)線最高同意運(yùn)行溫度使線路的正常輸電能力得到提高?？梢勒漳蜔釋?dǎo)線本身的材料特性，使得電能能夠大容量的被傳輸而不致產(chǎn)生熱穩(wěn)定的問(wèn)題，從而提高線路的傳輸能力，如此的方法是利用耐熱導(dǎo)線使線路的正常輸電能力得到提高。然而采納此方法有一定的弊端，例如運(yùn)行費(fèi)用較高、線損大等問(wèn)題[11]。而另一種方法是直接提高導(dǎo)線同意運(yùn)行溫度，但必須保證當(dāng)常規(guī)的輸電線路同意運(yùn)行溫度由70℃上升到80℃時(shí)，配套金具的握力和導(dǎo)線強(qiáng)度仍在同意范圍內(nèi)[12,13]，這時(shí)輸電容量可明顯得到提高。因此，目前這種方法已在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。（2）動(dòng)態(tài)增容法在確保線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)測(cè)量各種可阻礙系統(tǒng)線路的輸送能力的環(huán)境因素，對(duì)輸電線路的實(shí)際功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)的確定，這種充分利用線路的輸電能力的方法被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)增容法[14,15]。而其在熱容等級(jí)的計(jì)算精度和數(shù)學(xué)模型的選用方面還有待于進(jìn)行進(jìn)一步的研究。另外，能夠通過(guò)提高安全自動(dòng)裝置和繼電愛(ài)護(hù)設(shè)備的性能，使其能夠更迅速的切除故障，達(dá)到提高線路的輸電能力和改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)質(zhì)上是功率的平衡，因此傳統(tǒng)的潮流操縱的方法，如架設(shè)新的輸電線路、串聯(lián)阻抗補(bǔ)償、采納移相器、在線路中間采納并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償?shù)榷寄軌蛴糜谔岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定性。但電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性事實(shí)上是一種動(dòng)態(tài)特性，需要通過(guò)快速的調(diào)節(jié)潮流使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。因此，一些響應(yīng)速度慢或者不能動(dòng)態(tài)、連續(xù)的潮流操縱方法，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用會(huì)受到限制。如機(jī)械開(kāi)關(guān)投切式并聯(lián)補(bǔ)償電容器，因?yàn)椴荒軐?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、連續(xù)的調(diào)節(jié)，因此它在提高電力系統(tǒng)振蕩穩(wěn)定性方面的作用就特不有限。總之，傳統(tǒng)的機(jī)械式解決方法，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和潮流操縱的靈活性等方面受到限制，使得電力設(shè)備的輸電能力難以充分利用。因此，靈活交流輸電技術(shù)為上述出現(xiàn)的問(wèn)題提供了有效的解決途徑。1.3FACTS技術(shù)的進(jìn)展概況1.3.1FACTS概念的提出1986年，美國(guó)電力科學(xué)院副總裁NarainG.Hingorani博士將FACTS作為一個(gè)完整的技術(shù)概念在美國(guó)電力科學(xué)院雜志上提出來(lái)。FACTS技術(shù)是基于電力電子技術(shù)或其它靜態(tài)操縱器以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、潮流及傳送容量的可控性的交流輸電系統(tǒng)。通過(guò)操縱和電力電子技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)中的阻抗、功角和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)操縱。這一技術(shù)的本質(zhì)是把電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的元器件的機(jī)械開(kāi)關(guān)用大功率可控硅元件代替，因此使線路阻抗、電壓和功率角這三個(gè)要緊電氣參數(shù)能夠快速、適時(shí)的調(diào)節(jié)，從而改變系統(tǒng)的潮流分布。通過(guò)FACTS技術(shù)能夠提高網(wǎng)絡(luò)中的功率輸送能力、增強(qiáng)操縱電壓和潮流的能力，同時(shí)最突出優(yōu)點(diǎn)是這些都可不能改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)。FACTS首次從整體上作為一種技術(shù)概念被提出，因給電力系統(tǒng)的進(jìn)展帶來(lái)了前所未有的契機(jī)，從而立即受到寬敞的電力界工作者的高度重視。1.3.2FACTS操縱器的分類(lèi)FACTS操縱器在歷經(jīng)四十余年的進(jìn)展后，其家族成員的隊(duì)伍越來(lái)越壯大。依照FACTS操縱與電網(wǎng)中能量傳輸?shù)姆较蚴谴?lián)或并聯(lián)關(guān)系，將其能夠分為四種類(lèi)型：串聯(lián)型操縱器：操縱器與線路串聯(lián)，能夠等效為一個(gè)與線路串聯(lián)的電壓源，電壓源輸出無(wú)功功率甚至有功功率，功率的大小通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的相位和幅值來(lái)改變，同時(shí)直接就能夠改變線路的等效參數(shù)（阻抗），例如相間功率操縱器（InterphasePowerController，IPC），可控串聯(lián)補(bǔ)償器（ThyristorControlledSeriesCompensation，TCSC），靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（StaticSynchronousSeriesCompensator，SSSC）等；并聯(lián)型操縱器：能夠等效為一個(gè)并聯(lián)連接點(diǎn)處的電流源，通過(guò)調(diào)節(jié)電流的幅值和相位來(lái)改變電流源輸出的有功功率和無(wú)功功率的大小，間接起到調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓和功率的作用，從而能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的潮流分布進(jìn)行調(diào)整，如靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器（StaticVarCompensator，SVC），靜止無(wú)功發(fā)生/汲取器（StaticVarGenerator，SVG）；串聯(lián)-串聯(lián)組合操縱器：將多個(gè)獨(dú)立的串聯(lián)型的FACTS操縱器組合而成或者將不同回路上的串聯(lián)型FACTS操縱器的變換器的直流側(cè)連接在一起，如此既能夠調(diào)節(jié)有功功率的傳輸也能夠平衡有功功率的分配，使得多回路的有功和無(wú)功潮流平衡，如電力潮流操縱器（InterlinePowerFlowControlle，IPFC）；串聯(lián)-并聯(lián)組合型操縱器：將獨(dú)立的串聯(lián)型FACTS操縱器和并聯(lián)型FACTS操縱器組合起來(lái)或者將二者的直流側(cè)連接，串聯(lián)型部分向線路注入電壓，并聯(lián)型部分向線路注入電流，同時(shí)有功功率能夠通過(guò)連接部分交換，如統(tǒng)一潮流操縱器（UnifedPowerFlowController，UPFC），晶閘管操縱電壓調(diào)節(jié)器（ThyristorControlledVoltageRegulator，TCVR）等?；谶@四種操縱器是FACTS操縱器的差不多類(lèi)型，更為復(fù)雜的FACTS操縱器均由這四種操縱器結(jié)合而成。1.4相間功率操縱器（IPC）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀相間功率操縱器（InterphasePowerController，IPC）是一種新型的串聯(lián)型的FACTS操縱器。IPC的單相通用模型是由電感和電容分不連接能夠?qū)㈦妷旱南辔晦D(zhuǎn)換一定角度的移相器后組成的并聯(lián)電路，通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)或者電力電子器件調(diào)節(jié)IPC的感抗和容抗，能夠?qū)€路的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行操縱。文獻(xiàn)[16]通過(guò)含相間功率操縱器的原理圖的網(wǎng)絡(luò)電路模型，借助網(wǎng)絡(luò)解析的方法，推導(dǎo)出送端出口電壓和受端出口電壓，送端電網(wǎng)、聯(lián)絡(luò)線及受端電網(wǎng)的相電流，電感器和電容器兩端的電壓相關(guān)于IPC的電感、電容參數(shù)值，以及IPC送端、受端電網(wǎng)戴維南等值參數(shù)的關(guān)系式。并通過(guò)這些關(guān)系式，對(duì)含相間功率操縱器的線路的短路和斷路的故障情況進(jìn)行了分析，分析表明在短路故障情況下，IPC具有的高阻抗特性能夠限制短路電流，有效的進(jìn)行電壓解耦。在斷路情況下，IPC會(huì)進(jìn)入串聯(lián)諧振狀態(tài)，電容和電感上會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)峻的過(guò)電壓現(xiàn)象。只有選擇合理的電容、電感元件參數(shù)值，才能使IPC的優(yōu)良特性得到發(fā)揮，若參數(shù)選取不當(dāng)，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)IPC隔離故障的特性，但同時(shí)會(huì)給正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象。文獻(xiàn)[17]以具體的相間功率操縱器的差不多結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用MATLAB/SIMULINK對(duì)帶IPC弱聯(lián)系的兩側(cè)電網(wǎng)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電感、電容參數(shù)值的大小，能夠改變聯(lián)絡(luò)線的潮流。在擾動(dòng)情況下，當(dāng)IPC連接的受端電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，IPC具有電壓解耦、隔離兩互聯(lián)電網(wǎng)的優(yōu)良特性。文獻(xiàn)[18,19]對(duì)IPC連接于交流互聯(lián)電網(wǎng)之間的參數(shù)選取和參數(shù)選取時(shí)刻的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[20]中依照相間功率操縱器的電感和電容的工頻阻抗值是否形成共軛對(duì)，將IPC分為調(diào)諧型與非調(diào)諧型IPC兩種類(lèi)型。文獻(xiàn)[21]中闡述了當(dāng)變壓器的接線方式不同時(shí)，將引起移相角的不同。能夠?qū)⒄{(diào)諧型相間功率操縱器分為IPC120型和IPC240型。文中以IPC120為例，講明了當(dāng)調(diào)諧型IPC兩側(cè)功角在±25°范圍內(nèi)變化時(shí)，受端的有功功率具有專(zhuān)門(mén)強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)具有專(zhuān)門(mén)好的限制短路電流、電壓解耦等特性。并通過(guò)仿真分析表明，線路的串補(bǔ)度越高，相間功率操縱器越能體現(xiàn)出有功功率的魯棒性。文獻(xiàn)[22]介紹了電壓注入型IPC，它是一種新型的相間功率操縱器。與傳統(tǒng)的相間功率操縱器相比，電壓注入型的IPC需要的電感、電容、移相器等器件的容量小，同時(shí)損耗低。同時(shí)，其工作點(diǎn)能夠通過(guò)改變電感和電容的內(nèi)部移相角來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此電壓注入型IPC在運(yùn)行過(guò)程中具有更好的靈活性。文獻(xiàn)[23]分析了非調(diào)諧型相間功率操縱器的結(jié)構(gòu)和差不多原理，將非調(diào)諧型IPC應(yīng)用已有的移相器進(jìn)行改造，分為并聯(lián)電感型和并聯(lián)電容型IPC。并闡述了非調(diào)諧型的相間功操縱器不但能夠節(jié)約設(shè)備的投資、簡(jiǎn)化維修和運(yùn)行，而且并聯(lián)電容型相間功率操縱器還能夠提高輸電能力，降低線路損耗。文獻(xiàn)[24]介紹了將IPC的感抗和容抗分不進(jìn)行晶閘管的觸發(fā)操縱，則能夠構(gòu)成可控相間功率操縱器（TCIPC），通過(guò)操縱晶閘管的觸發(fā)延遲角，能夠等效的改變其感抗和容抗參數(shù)，從而連續(xù)的、動(dòng)態(tài)的操縱聯(lián)絡(luò)線潮流。文獻(xiàn)[25]依據(jù)IPC的功角特性，分析了參數(shù)可調(diào)控的IPC關(guān)于加強(qiáng)聯(lián)絡(luò)線潮流的穩(wěn)定性較有效，但尚未提出具體的操縱策略。文獻(xiàn)[26]闡述了相間功率操縱器的“控方主導(dǎo)”特性，并借助仿真工具講明了IPC的控方主導(dǎo)特性能夠有效操縱聯(lián)絡(luò)線潮流變化，且當(dāng)受控方電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)差不多可不能阻礙到控方電網(wǎng)。文獻(xiàn)[27]在相間功率操縱器的末端安裝一個(gè)接地電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)接地電阻阻抗參數(shù)，能夠改善通過(guò)IPC輸出的功率，從而降低在上述情況下出現(xiàn)的過(guò)電壓。到目前為止，國(guó)外差不多研制出了世界上第一臺(tái)IPC的實(shí)際裝置，并已實(shí)際安裝和投入運(yùn)行。文獻(xiàn)[28]介紹了安裝在美國(guó)的VELCO（VermontElectricCompany）和NYPA(NewYorkPowerAuthority)之間的115kV線路上的相間功率操縱器，這臺(tái)相間功率操縱器是通過(guò)高壓電感器并聯(lián)線路中已有的移相變壓器而形成的。這是相間功率操縱器第一次安裝在實(shí)際工程中，同時(shí)IPC投運(yùn)后,線路傳輸功率定值從199MW提高到249MW。1.5本文的要緊研究?jī)?nèi)容國(guó)內(nèi)外對(duì)相間功率操縱器所做的許多的研究工作都證明了相間功率操縱器具有增加線路傳輸功率、增強(qiáng)線路潮流的可控性、限制短路電流和電壓解耦等優(yōu)良特性。目前，對(duì)IPC的研究要緊集中在其運(yùn)行特性的研究上，而對(duì)其如何操縱參數(shù)改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的操縱器設(shè)計(jì)方面的研究相對(duì)較少。本文基于含IPC互聯(lián)電網(wǎng)的差不多結(jié)構(gòu)模型，著眼于可控相間功率操縱器（TCIPC）提高系統(tǒng)穩(wěn)定性操縱方法的研究。要緊研究?jī)?nèi)容如下：（1）基于IPC簡(jiǎn)化模型分析潮流操縱的機(jī)理。將電力電子器件晶閘管應(yīng)用于IPC的電感和電容支路構(gòu)成可控相間功率操縱器(TCIPC)。基于TCIPC的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了TCIPC在dq0坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。（2）基于TCIPC的差不多結(jié)構(gòu)原理，指出TCIPC能夠等效成電壓操縱的電流源。并依照簡(jiǎn)單系統(tǒng)的功角特性曲線講明了調(diào)節(jié)IPC電感支路參數(shù)能夠操縱聯(lián)絡(luò)線傳輸功率達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的機(jī)理。（3）依照TCIPC的PI操縱差不多原理，基于TCIPC的感抗參數(shù)與聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的關(guān)系，設(shè)計(jì)了TCIPC觸發(fā)角校正的PI定阻抗操縱器；并搭建帶IPC的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)TCIPC感抗參數(shù)的操縱，能夠改善帶IPC系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。（4）著重研究了調(diào)諧型TCIPC非線性操縱策略。首先，采納狀態(tài)反饋精確線性化方法將電力系統(tǒng)非線性狀態(tài)方程精確線性化為一個(gè)線性方程；其次，應(yīng)用線性最優(yōu)操縱方法，設(shè)計(jì)了TCIPC非線性最優(yōu)操縱器。并搭建同一單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，與傳統(tǒng)的PI操縱相對(duì)比，基于狀態(tài)反饋精確線性化方法的最優(yōu)操縱器使系統(tǒng)的阻尼性能增強(qiáng)，并能夠較明顯地提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。第2章相間功率操縱器的潮流操縱機(jī)理2.1引言通過(guò)100多年的進(jìn)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)與早期相比，差不多發(fā)生了巨大的變化。世界上差不多形成了多個(gè)橫跨多國(guó)的超大規(guī)模電網(wǎng)。目前我國(guó)差不多完成了東北、華北、福建-華北、華中-華北、川渝-華中等七個(gè)跨省區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)，隨著“西電東送、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的實(shí)施，將進(jìn)一步與西北、新疆、西藏等電網(wǎng)連接，形成全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的巨型電力系統(tǒng)。電網(wǎng)互聯(lián)的諸多優(yōu)勢(shì)已得到了充分的論證，但電網(wǎng)互聯(lián)依舊存在著聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)、連鎖反應(yīng)的事故波及等問(wèn)題，應(yīng)引起電力工作者的高度重視。隨著電力電子技術(shù)和操縱技術(shù)的進(jìn)展，出現(xiàn)了靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)，能夠有效解決上述問(wèn)題的技術(shù)[29,30]。串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)作為FACTS的一種組成部分，與并聯(lián)補(bǔ)償相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先串聯(lián)補(bǔ)償由于能夠直接改變線路的等效阻抗，能夠?qū)ｉT(mén)顯著的提高輸電線路的傳輸能力。在減小線路有效電抗和增加有功功率的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生通過(guò)電流而增加的無(wú)功功率。其次，串聯(lián)補(bǔ)償由于能夠針對(duì)特定的用戶進(jìn)行潮流和電壓的調(diào)節(jié)，故適合用于特定用戶的補(bǔ)償。再者，由于串聯(lián)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備對(duì)安裝地點(diǎn)沒(méi)有特定的要求，故安裝成本要低于并聯(lián)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備。因此在國(guó)外的一些典型輸電工程中，串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。如在20世紀(jì)90年代初，美國(guó)西部電力公司為了提高輸電線路的傳輸能力，將一個(gè)三相的串聯(lián)補(bǔ)償裝置（ThyristorControlledSeriesCompensation，TCSC）安裝在連接Ganyon發(fā)電廠和Shiprock變電所之間的一條230kV的輸電線上。TCSC投入運(yùn)行后，輸電線的傳輸能力提高約100MW。我國(guó)要想大力進(jìn)展超高壓、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模的電網(wǎng)互聯(lián)，能夠吸取國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，采納串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)來(lái)提高線路的輸電能力，降低工程投資。相間功率操縱器（IPC）作為一種新型串聯(lián)FACTS器件，具有許多優(yōu)良的特性，而且操縱策略簡(jiǎn)單[31]，差不多成為電網(wǎng)互聯(lián)最適宜的操縱器之一。通過(guò)調(diào)節(jié)相間功率操縱器各個(gè)元件的參數(shù)來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)。從而使聯(lián)絡(luò)線潮流也發(fā)生了相應(yīng)的改變，因此相間功率操縱器特不適用于改變電網(wǎng)潮流的分布和進(jìn)行大區(qū)域電網(wǎng)的交流互聯(lián)[32]。2.2IPC差不多工作原理2.2.1IPC差不多結(jié)構(gòu)相間功率操縱器的單相通用等值電路如圖2-1所示。它包括一組并聯(lián)的感抗和容抗支路，而感抗和容抗支路分不受控于移相角為、的移相器。假如電感和電容支路的工頻阻抗是共軛關(guān)系則構(gòu)成調(diào)諧型IPC，也能夠這兩個(gè)支路的工頻阻抗的絕對(duì)值不相等則構(gòu)成非調(diào)諧型IPC。相間功率操縱器移相角、電感和電容參數(shù)可按具體運(yùn)行條件進(jìn)行取值，從而組成不同類(lèi)型的相間功率操縱器。其中關(guān)于特定類(lèi)型的相間功率操縱器的移相角、是確定的，例如IPC240,；IPC120，。圖2-1IPC單相通用等值電路圖2-1中，和分不為相間功率操縱器電感元件支路和電容元件支路的移相角，其余參數(shù)均與上面相同。2.2.2IPC的潮流操縱利用圖2-1所示的單相通用等值電路圖能夠推導(dǎo)出經(jīng)由相間功率操縱器傳輸?shù)氖芏穗娋W(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率為式（2-1）和式（2-2）：（2-1）（2-2）從式（2-1）~（2-2）能夠看出，經(jīng)由相間功率操縱器向受端輸送的有功功率和無(wú)功功率與IPC中的電感、電容等效阻抗成反比，與移相角和兩端電壓相角差呈三角函數(shù)關(guān)系，因此假如要對(duì)聯(lián)絡(luò)線的潮流進(jìn)行操縱能夠調(diào)節(jié)相間功率操縱器的電感、電容和移相角這四個(gè)參數(shù)[33]。若，則式（2-1）和（2-2）能夠簡(jiǎn)化為：（2-3）（2-4）從式（2-3）和（2-4）可知，若，相間功率操縱器向受端電網(wǎng)輸送的有功功率與相間功率操縱器所在聯(lián)絡(luò)線的兩端電壓相角差呈余弦函數(shù)關(guān)系，傳輸?shù)臒o(wú)功功率與兩端電壓相角差呈正弦函數(shù)關(guān)系[33]。當(dāng)，式（2-3）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，則能夠得到通過(guò)相間功率操縱器向受端電網(wǎng)輸送的有功功率的最大值表達(dá)式：（2-5）而當(dāng)時(shí)，輸送的無(wú)功功率為零。由式（2-5）得出，當(dāng)IPC兩端電壓相角差在以為中心，小范圍內(nèi)變化時(shí)，有功功率表達(dá)式中正弦值變化較小，因此通過(guò)IPC輸送的有功功率差不多上保持不變，具有專(zhuān)門(mén)強(qiáng)的魯棒性。以IPC120為例，若，其有功功率和無(wú)功功率特性曲線如圖2-2和圖2-3所示[34]。圖2-2IPC的有功功率特性圖2-3IPC的無(wú)功功率特性由圖2-2和圖2-3能夠看出，當(dāng)功角在±15°變化范圍內(nèi)，相間功率操縱器向受端輸送的有功功率差不多可不能變化，這體現(xiàn)了經(jīng)IPC向受端電網(wǎng)輸入有功功率的魯棒性。同樣當(dāng)功角在那個(gè)角度范圍內(nèi)變化時(shí)，無(wú)功功率幾乎成為一條斜線，這講明無(wú)功功率隨著IPC兩端功角的變化呈線性規(guī)律變化[34]，這使得無(wú)功功率操縱具有靈活性。2.3可控相間功率操縱器（TCIPC）的差不多工作原理常規(guī)IPC對(duì)參數(shù)的調(diào)整方法是操作機(jī)械開(kāi)關(guān)投切電感器、電容器的組數(shù)，來(lái)改變電感、電容元件的參數(shù)的大小，從而操縱聯(lián)絡(luò)線上的潮流分布。但由于機(jī)械式開(kāi)關(guān)的延時(shí)性，使IPC專(zhuān)門(mén)難對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)、快速的操縱。可控相間功率操縱器（ThyristorControlledInterphasePowerController，TCIPC）是將電力電子器件晶閘管應(yīng)用于IPC的電感、電容支路的產(chǎn)物。它通過(guò)操縱晶閘管觸發(fā)角的改變實(shí)現(xiàn)IPC內(nèi)感抗和容抗的平滑操縱。晶閘管的投入使得IPC能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)潮流的動(dòng)態(tài)、連續(xù)操縱。由于不采納傳統(tǒng)的機(jī)械式投切方法，對(duì)電抗參數(shù)的操縱同樣能夠滿足速度的要求。2.3.1TCIPC的差不多結(jié)構(gòu)模型可控相間功率操縱器（TCIPC）是將IPC的電感和電容支路分不由晶閘管進(jìn)行觸發(fā)操縱。其中兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與電感支路串聯(lián)，通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)延遲角，相當(dāng)于改變電感支路的等效感抗值；通過(guò)晶閘管操縱投切不同組數(shù)的電容器，相當(dāng)于改變電容支路的等效容抗值[35]。圖2-4為晶閘管觸發(fā)操縱的TCIPC結(jié)構(gòu)模型。圖2-4TCIPC的結(jié)構(gòu)模型圖圖中，、分不是送端和受端的電壓有效值。以作為參考向量，是超前的角度。、分不是可控相間功率操縱器向受端輸送的有功功率和無(wú)功功率。為聯(lián)絡(luò)線上的電流。、分不為可控相間功率操縱器中與電感和電容串聯(lián)的移相器的移相角。、分不為正向、反向?qū)ǖ木чl管。由文獻(xiàn)[36]可知，晶閘管的觸發(fā)延遲角與電納之間的關(guān)系為：（2-6）由于TCIPC通過(guò)晶閘管的操縱投切不同組數(shù)的電容器來(lái)等效的調(diào)節(jié)電容支路的容抗值，能夠按照二進(jìn)制方法來(lái)選擇不同組成部分的電容器的容量，如此就能夠?qū)﹄娙輩?shù)的調(diào)節(jié)接近無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。在這種方案中，選擇電納為的電容器為n-1個(gè)，而選擇電納為的電容器只有一個(gè)，如此就能夠?qū)㈦娙萜魅萘孔兓目偛綌?shù)擴(kuò)大為2n。TCIPC電容支路電容器投切組數(shù)與電納之間的關(guān)系為[36]：（2-7）2.3.2TCIPC在dq0坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型通常對(duì)IPC參數(shù)的調(diào)節(jié)能夠分為兩種情況：一是同時(shí)調(diào)節(jié)IPC的電感和電容參數(shù)，使其工作于調(diào)諧狀態(tài)；二是單獨(dú)調(diào)節(jié)電感或者電容參數(shù)，使IPC在調(diào)節(jié)過(guò)程中工作于非調(diào)諧狀態(tài)。第二種情況中，單獨(dú)調(diào)節(jié)電容參數(shù)涉及電壓及無(wú)功的變化，情況相對(duì)復(fù)雜。因此本文先由簡(jiǎn)入手，單獨(dú)操縱電感參數(shù)，操縱聯(lián)絡(luò)線傳輸功率。帶有TCIPC聯(lián)絡(luò)線連接的兩側(cè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2-5，兩系統(tǒng)之間通過(guò)帶TCIPC雙回聯(lián)絡(luò)線相連，為雙回輸電線的等效電抗。圖2-5帶TCIPC聯(lián)絡(luò)線弱聯(lián)系兩側(cè)電網(wǎng)等值電路圖依照電路差不多原理能夠得出TCIPC電感支路電流、觸發(fā)延遲角及端口電壓等參數(shù)之間的如下關(guān)系表達(dá)式:（2-8）（2-9）（2-10）式中：，是電感、電容支路電流瞬時(shí)值；是聯(lián)絡(luò)線上的電流瞬時(shí)值；，是IPC入口電壓經(jīng)兩個(gè)移相器后的移相電壓瞬時(shí)值；是IPC出口與聯(lián)絡(luò)線連接處電壓瞬時(shí)值；是受端電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值；是TCIPC的晶閘管觸發(fā)延遲角。將式（2-8）、(2-9)、（2-10）通過(guò)派克變換，得到如下表達(dá)式：（2-11）(2-12)（2-13）式中：，和，分不是電感支路電流和電容支路電流的d軸、q軸重量；、分不是聯(lián)絡(luò)線電流的d軸、q軸重量；、和、分不是IPC入口電壓經(jīng)移相器1和移相器2后的移相電壓的d軸、q軸重量；、分不是IPC出口與聯(lián)絡(luò)線連接處電壓的d軸、q軸重量；、分不是受端電網(wǎng)電壓的d軸、q軸重量。有功功率在dq0坐標(biāo)系的表達(dá)式為：（2-14）依照式(2-11)~（2-14），能夠得到可控相間功率操縱器（TCIPC）在dq0坐標(biāo)下的操縱功率與觸發(fā)延遲角之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。如圖2-6所示：圖2-6dq0坐標(biāo)下TCIPC功率與觸發(fā)延遲角之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型由圖2-6可見(jiàn)，通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)延遲角，能夠有效地操縱聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)墓β省?.4本章小結(jié)本章基于相間功率操縱器的單相通用等值電路圖分析了通過(guò)調(diào)節(jié)IPC電感、電容支路的參數(shù)進(jìn)行潮流操縱的差不多原理。闡述了可控相間功率操縱器（TCIPC）的差不多結(jié)構(gòu)，講明了通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)延遲角可等效地操縱電感支路的電抗參數(shù)；通過(guò)晶閘管操縱投切不同組數(shù)的電容器可等效操縱電容支路的電抗參數(shù)?；趲CIPC聯(lián)絡(luò)線弱聯(lián)系的兩側(cè)電網(wǎng)等值電路圖，建立了TCIPC在dq0坐標(biāo)下的操縱功率與觸發(fā)延遲角之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，指出通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)延遲角可有效地操縱聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)墓β?。?章TCIPC提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究3.1引言近年來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平增長(zhǎng)迅速，電力工業(yè)自動(dòng)化水平大大提高，遠(yuǎn)距離、大容量的輸電差不多成為必定。因此，現(xiàn)時(shí)期迫切需要解決的問(wèn)題是如何才能提高此類(lèi)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力?？煽叵嚅g功率操縱器（TCIPC）能夠通過(guò)等效的改變線路的電抗、移相角等參數(shù)改變線路的輸送能力，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有一定的阻礙。3.2TCIPC對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性阻礙分析3.2.1可控相間功率操縱器的差不多結(jié)構(gòu)原理相間功率操縱器具有增強(qiáng)線路潮流的可控性和限制短路電流等特性，因此將其應(yīng)用于電網(wǎng)互聯(lián)具有一定的作用，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也具有一定的阻礙。帶有TCIPC聯(lián)絡(luò)線連接的兩側(cè)電網(wǎng)等值電路如圖2-5所示。由圖上可得流經(jīng)雙回輸電線的電流與輸電線兩端的電壓之間的關(guān)系表達(dá)式為(3-1)同時(shí)，流經(jīng)雙回輸電線的電流又能夠由流過(guò)IPC電感支路和電容支路的電流表示為（3-2）聯(lián)立式（3-1）、（3-2），求解方程組，則可得（3-3）加裝TCIPC后通過(guò)TCIPC流入線路的有功功率表達(dá)式為（3-4），功率特性曲線如圖3-1所示（3-4）a)IPC有功功率特性曲線PP變小變小δδb)TCIPC有功功率特性曲線圖3-1TCIPC功角特性曲線綜合圖3-1a)、b)能夠看出，在TCIPC電容支路的電容參數(shù)和兩個(gè)支路的移相角的值差不多上固定的情況下，TCIPC能夠通過(guò)操縱晶閘管觸發(fā)角等效地減小電感支路的感抗提高功率傳輸極限。如第二章所述，通過(guò)改變晶閘管觸發(fā)延遲角，能夠有效地操縱聯(lián)絡(luò)線功率?；赿q0坐標(biāo)下功率與晶閘管觸發(fā)延遲角之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，能夠得到功率與觸發(fā)延遲角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3-2。當(dāng)TCIPC的電容參數(shù)兩個(gè)移相角固定的情況下，隨著晶閘管觸發(fā)延遲角的增大有功功率會(huì)減小，可見(jiàn)有功功率和晶閘管觸發(fā)延遲角呈反比例關(guān)系。當(dāng)角為90度時(shí)有功功率的最大值接近角為0度時(shí)有功功率的最大值的一半。圖3-2有功功率隨觸發(fā)角變化圖若令,將式（3-3）代入式(3-2)可消去線路的阻抗，得流經(jīng)雙回輸電線的電流為（3-5）由式（3-5）可見(jiàn)，可控相間功率操縱器能夠等效成電壓操縱的電流源[37]。同時(shí)，經(jīng)TCIPC流入線路的有功功率可近似表示為（3-6）3.2.2TCIPC改善系統(tǒng)穩(wěn)定性機(jī)理由以上分析可見(jiàn)，經(jīng)帶IPC的雙回聯(lián)絡(luò)線連接后，忽略線路的有功功率損耗，輸入受端電網(wǎng)的功率表達(dá)式能夠近似如式（3-6）所示，極限功率與TCIPC的電感參數(shù)直接相關(guān)。假如在單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)雙回輸電線的始端配置可控相間功率操縱器，依照式（3-6），其功角特性曲線近似如圖3-3所示。假設(shè)正常運(yùn)行時(shí)經(jīng)IPC向系統(tǒng)輸送的有功功率為P0，近似忽略電阻、風(fēng)阻等損耗，P0應(yīng)等于原動(dòng)機(jī)輸出功率，運(yùn)行工作點(diǎn)如圖中k點(diǎn)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的功角曲線如圖所示。若一回輸電線的始端發(fā)生三相短路故障的同時(shí)，及時(shí)減小TCIPC的電感參數(shù)，依據(jù)等面積定則及TCIPC的功角特性曲線，盡管在故障期間加速面積無(wú)明顯變化，但在故障切除后，減小IPC的電感參數(shù)后，功角曲線變?yōu)槿鐖D所示?，F(xiàn)在最大可能的減速面積為ach圍成的陰影面積。與TCIPC參數(shù)未發(fā)生變化時(shí)圍成的減速面積abd相比有明顯的增大，增大的程度與調(diào)節(jié)的參數(shù)大小有關(guān)，因此操縱TCIPC參數(shù)能夠改善系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。圖3-3簡(jiǎn)單系統(tǒng)的功率特性曲線從以上分析能夠看出，通過(guò)調(diào)節(jié)TCIPC的感抗參數(shù)，能夠提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。而調(diào)節(jié)TCIPC的感抗參數(shù)需要對(duì)晶閘管進(jìn)行觸發(fā)操縱，設(shè)計(jì)TCIPC的阻抗操縱方式。3.3本章小結(jié)本章基于TCIPC的差不多結(jié)構(gòu)原理，指出TCIPC可等效成電壓操縱的電流源。并依照簡(jiǎn)單系統(tǒng)的功角曲線講明了調(diào)節(jié)TCIPC電感參數(shù)能夠操縱聯(lián)絡(luò)線傳輸功率達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的機(jī)理。第4章提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的TCIPC阻抗操縱器設(shè)計(jì)4.1引言 電力系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)特不復(fù)雜，存在專(zhuān)門(mén)強(qiáng)的不確定性和時(shí)變性，而且電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式總是在發(fā)生變化?；谝陨弦蛩?，如何對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行操縱成為了一個(gè)難題。目前，研究比較多的FACTS操縱策略要緊包括：線性操縱、非線性操縱、智能操縱。4.1.1線性操縱策略分析關(guān)于復(fù)雜非線性系統(tǒng)采納線性操縱策略進(jìn)行操縱時(shí)，通常情況下是將系統(tǒng)的狀態(tài)方程在某一平衡點(diǎn)處加以近似線性化后，得到原非線性系統(tǒng)近似線性化的數(shù)學(xué)模型，最后應(yīng)用線性操縱理論的方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。如PID操縱這種常用的線性操縱方法，其具有原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，且在某些實(shí)際工程中也得到了普遍應(yīng)用。但線性操縱器存在操縱穩(wěn)定范圍小、適應(yīng)性、魯棒性較差等缺點(diǎn)。4.1.2非線性操縱策略分析目前，能夠采納兩種方式進(jìn)行非線性操縱器的設(shè)計(jì)：一、將非線性系統(tǒng)進(jìn)行精確線性化后得到一個(gè)線性系統(tǒng)，然后應(yīng)用線性操縱方法進(jìn)行操縱器設(shè)計(jì)。二、采納非線性操縱理論，針對(duì)系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)非線性操縱器，同時(shí)滿足適應(yīng)性的要求。以上這兩種操縱方式設(shè)計(jì)出的非線性操縱器，對(duì)系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)都適用。將非線性系統(tǒng)進(jìn)行精確線性化，然后設(shè)計(jì)操縱器目前，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確線性化的要緊方法有：微分幾何法[38]、直接反饋線性化[39]、逆系統(tǒng)方法[40]。該方法是以含F(xiàn)ACTS裝置的電力系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)非線性因素的處理，將原來(lái)的非線性系統(tǒng)變換成為線性系統(tǒng)，然后應(yīng)用線性操縱方法，如最優(yōu)操縱、解耦操縱等，設(shè)計(jì)出滿足電力系統(tǒng)要求的FACTS操縱器。（1）微分幾何線性最優(yōu)操縱它通過(guò)局部微分同坯坐標(biāo)變換，對(duì)仿射非線性系統(tǒng)在滿足可控性、矢量場(chǎng)生成、對(duì)合性三個(gè)條件下，將非線性系統(tǒng)變換成線性系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)用線性最優(yōu)操縱理論來(lái)設(shè)計(jì)操縱規(guī)律。目前，微分幾何方法已具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，易推廣應(yīng)用于較復(fù)雜和抽象的模型上。文獻(xiàn)[41]采納微分幾何最優(yōu)操縱法設(shè)計(jì)了可控串聯(lián)補(bǔ)償器(TCSC)的非線性操縱器。（2）直接反饋線性化方法關(guān)于一個(gè)非線性系統(tǒng)來(lái)講，假如通過(guò)非線性反饋的引入，使得該閉環(huán)系統(tǒng)成為具有線性形式的“偽”系統(tǒng)，則能夠采納線性操縱方法進(jìn)行操縱器設(shè)計(jì)。直接反饋線性化方法作為微分幾何線性化方法中輸入輸出線性化的一個(gè)特例，其原理相對(duì)簡(jiǎn)單，也不需要進(jìn)行繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和復(fù)雜的坐標(biāo)變換，同時(shí)保留了原系統(tǒng)狀態(tài)變量的物理意義，在實(shí)際工程中有用性較強(qiáng)。但構(gòu)成該方法的虛擬反饋操縱量中，由于需要系統(tǒng)輸出高階導(dǎo)數(shù)或者系統(tǒng)的全部狀態(tài)，這一點(diǎn)在物理實(shí)現(xiàn)上存在一定的困難。（3）逆系統(tǒng)方法所謂逆系統(tǒng)方法，即若系統(tǒng)可逆，那么使輸入信號(hào)先后通過(guò)逆過(guò)程和原過(guò)程，如此就相當(dāng)于進(jìn)行了一次標(biāo)準(zhǔn)的單位映射，將之前求取被控過(guò)程的逆過(guò)程串聯(lián)在被控過(guò)程的前面，如此就能夠?qū)⒉倏v對(duì)象解耦，然后采納線性操縱方法對(duì)解耦的操縱對(duì)象進(jìn)行操縱器的設(shè)計(jì)。由此可知，使用逆系統(tǒng)方法的前提是，推斷系統(tǒng)是否可逆和如何求取逆系統(tǒng)。應(yīng)用非線性操縱理論設(shè)計(jì)非線性操縱器由于非線性操縱理論對(duì)非線性系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)都能體現(xiàn)專(zhuān)門(mén)好的適應(yīng)性，如此就彌補(bǔ)了線性操縱方法的適應(yīng)性、魯棒性較差的不足，理論上具有更優(yōu)越的操縱性能。目前研究比較多的，如非線性PID操縱，李雅普諾夫方法[42,43]；魯棒操縱；自適應(yīng)操縱[44]等都屬于非線性操縱方法。因?yàn)閷?duì)非線性系統(tǒng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的適應(yīng)性和系統(tǒng)關(guān)于干擾情況下的魯棒性進(jìn)行了比較充分的考慮，因此非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般比較復(fù)雜，非線性操縱器的設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)難實(shí)現(xiàn)。因此，盡管非線性操縱有明顯的理論優(yōu)勢(shì)，但若在工程實(shí)際得到廣泛應(yīng)用還需要電力工作者的進(jìn)一步研究和推廣。4.1.3智能操縱策略分析智能操縱方法不需要推導(dǎo)出被控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，尤其適用于具有高度的非線性、參數(shù)不確定和復(fù)雜的系統(tǒng)，這是智能操縱方法與其他操縱方法相比最大的優(yōu)勢(shì)。另外，智能系統(tǒng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自協(xié)調(diào)的能力專(zhuān)門(mén)強(qiáng)，且具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能總體自尋優(yōu)，對(duì)系統(tǒng)提供的信息能夠進(jìn)行快速的推斷、決策，從而使操縱系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強(qiáng)[45]。4.2TCIPC的PI阻抗操縱原理如上章所述，通過(guò)調(diào)節(jié)TCIPC的感抗參數(shù)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此調(diào)節(jié)TCIPC的感抗參數(shù)需要通過(guò)晶閘管的觸發(fā)操縱，需要設(shè)計(jì)TCIPC阻抗操縱器。TCIPC阻抗操縱的操縱目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)期望阻抗準(zhǔn)確、快速的跟蹤。在電力系統(tǒng)中，比例、積分、微分操縱被譽(yù)為應(yīng)用最普遍的調(diào)節(jié)器操縱規(guī)律，簡(jiǎn)稱(chēng)PID操縱。在電力系統(tǒng)中PID操縱器差不多應(yīng)用了幾十年，它由于操縱原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，使用中不需要精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，而且PID環(huán)節(jié)的增加不僅能夠消除系統(tǒng)階躍響應(yīng)的靜態(tài)誤差,同時(shí)能夠克服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的不精確以及參數(shù)的不確定，因而在工程實(shí)際中成為普遍應(yīng)用的操縱器。由于電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其操縱過(guò)程都普遍存在非線性、比較大的延遲和時(shí)變等動(dòng)態(tài)特性，這使得傳統(tǒng)的PID操縱理論應(yīng)用于工程實(shí)際中的操縱效果不夠理想。因此，關(guān)于傳統(tǒng)的PID操縱進(jìn)行改進(jìn)，使其達(dá)到更理想的操縱效果，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。4.2.1PID操縱原理PID操縱是一種線性操縱方式。如圖4-1是常規(guī)的PID操縱的系統(tǒng)框圖。圖4-1PID操縱系統(tǒng)框圖PID操縱器依照給定的期望值與實(shí)際值之間的操縱偏差來(lái)糾正和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。（4-1）PID操縱的輸入與輸出的關(guān)系為（4-2）其傳遞函數(shù)為（4-3）式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)刻常數(shù)，為微分時(shí)刻常數(shù)。文獻(xiàn)[46]詳細(xì)的闡述了PID操縱中，比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)的作用，那個(gè)地點(diǎn)不再詳述。由于微分環(huán)節(jié)容易引起調(diào)節(jié)過(guò)程中的振蕩，因此將微分環(huán)節(jié)去掉，只剩下比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PI操縱。4.2.2TCIPC常規(guī)PI阻抗操縱原理通常情況下，將操縱中引入阻抗反饋，且采納閉環(huán)操縱方法，如此就能夠達(dá)到阻抗操縱快速平穩(wěn)的要求。閉環(huán)操縱的優(yōu)點(diǎn)是能夠使TCIPC響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程加快，同時(shí)使操縱的精度提高。觸發(fā)角還能被參考值和與之相應(yīng)的實(shí)際測(cè)量值的差值構(gòu)成的反饋量進(jìn)行修正[47]。在實(shí)際工程中，TCIPC常采納PI阻抗操縱方式。其阻抗操縱原理框圖如圖4-2所示。圖4-2TCIPC常規(guī)PI阻抗操縱器由圖4-2能夠看出，常規(guī)的PI阻抗操縱器采納阻抗反饋的方式得到了參考阻抗與實(shí)際阻抗之間的修正量，該修正量通過(guò)查表得到其對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角，最后觸發(fā)TCIPC的晶閘管導(dǎo)通。4.2.3TCIPC觸發(fā)角校正的PI阻抗操縱原理為了在系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)能及時(shí)調(diào)整TCIPC的感抗參數(shù)，從而提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，本章將常規(guī)的PI阻抗操縱方式進(jìn)行了改造，采納的是觸發(fā)角校正的PI定阻抗操縱方式。將感抗期望值作為該操縱器的參考信號(hào)，而操縱器的作用是使實(shí)際的感抗保持在那個(gè)值上。依照仿真中搭建的該操縱器模型的電感支路的電壓和電流計(jì)算出TCIPC當(dāng)前的感抗。為了提高操縱響應(yīng)速度，依照該感抗值預(yù)測(cè)出一個(gè)觸發(fā)延遲角。再依照感抗的參考值與實(shí)際值之差，通過(guò)一個(gè)PI操縱器，就生成了觸發(fā)延遲角的修正量，它與預(yù)測(cè)值之和通過(guò)限幅后就構(gòu)成了實(shí)際的晶閘管觸發(fā)延遲角，TCIPC定阻抗操縱器如圖4-3所示。圖4-3TCIPC觸發(fā)角校正的PI定阻抗操縱器該操縱器與TCIPC常規(guī)PI阻抗控器對(duì)比，關(guān)于每一個(gè)參考感抗，通過(guò)查表環(huán)節(jié)確定其對(duì)應(yīng)的觸發(fā)延遲角后，就能夠用數(shù)字電路鎖存起來(lái)直至下一次變更參考感抗，然后再與修正觸發(fā)角相加以操縱觸發(fā)脈沖；如此就能夠幸免每次修正都要查表的繁瑣，使實(shí)際操縱器的響應(yīng)速度得到提高。線路的電壓和電流都能夠作為晶閘管觸發(fā)操縱的同步信號(hào)，文獻(xiàn)[48]對(duì)阻抗開(kāi)環(huán)操縱時(shí)分不選取端電壓和線路電流作為同步信號(hào)進(jìn)行了仿真比較。結(jié)果表明，選取電壓作為同步信號(hào)會(huì)造成阻抗變化的不穩(wěn)定，而選取電流作為同步信號(hào)能夠使得阻抗變化較為平緩。同時(shí)，選擇電流做晶閘管操縱的同步信號(hào)，因?yàn)殡娏鲙缀跏钦倚盘?hào)，如此就不用擔(dān)心電壓作為同步信號(hào)會(huì)含有大量的諧波和虛假的噪音信號(hào)。最后，依照定阻抗操縱器輸出的晶閘管觸發(fā)延遲角和所選取的同步信號(hào)，在MatlabR2008a/Simulink中搭建了晶閘管觸發(fā)模塊，用來(lái)產(chǎn)生產(chǎn)所需的晶閘管觸發(fā)脈沖，從而觸發(fā)晶閘管。晶閘管觸發(fā)模塊如圖4-4所示。圖4-4TCIPC晶閘管觸發(fā)模塊4.3算例分析為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的TCIPC定阻抗操縱器的操縱效果以及通過(guò)TCIPC定阻抗操縱提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采納如圖4-5所示的單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)，在傳輸線路中點(diǎn)裝設(shè)TCIPC為例進(jìn)行仿真。圖4-5安裝TCIPC的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)圖圖中，為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，為無(wú)窮大系統(tǒng)母線電壓。發(fā)電機(jī)容量=2100MVA，變壓器為升壓變壓器，變比為13.8/735kV,、線路長(zhǎng)度均為300km。TCIPC的感抗為0.18H，容抗為21.5μF。阻抗操縱器的操縱效果直接取決于實(shí)際阻抗能否快速的跟蹤參考阻抗。即TCIPC響應(yīng)阻抗過(guò)渡時(shí)刻越短，操縱效果越好。4.3.1感抗發(fā)生階躍變化為了驗(yàn)證該定阻抗操縱器的操縱效果，對(duì)TCIPC感抗階躍進(jìn)行了仿真分析。參考感抗為，在t=1s時(shí)，參考感抗階躍至，從圖4-6中能夠看到，對(duì)TCIPC進(jìn)行定阻抗操縱后，響應(yīng)感抗對(duì)參考感抗的跟蹤性能。其中實(shí)線是參考感抗，虛線是響應(yīng)感抗。圖4-7是階躍過(guò)程中聯(lián)絡(luò)線上有功功率的變化曲線。圖4-6TCIPC感抗階躍響應(yīng)變化曲線圖4-7感抗階躍時(shí)聯(lián)絡(luò)線有功功率變化曲線由仿真結(jié)果能夠看出：在階躍激勵(lì)作用下，TCIPC的響應(yīng)阻抗過(guò)渡時(shí)刻大概為0.6s左右。與文獻(xiàn)[49]中TCSC采納常規(guī)PI阻抗操縱時(shí)，TCSC的響應(yīng)阻抗的過(guò)渡時(shí)刻縮短約0.2s左右，講明TCIPC的定阻抗操縱具有較快的速度，同時(shí)響應(yīng)差不多沒(méi)有超調(diào)量，體現(xiàn)一定的魯棒性。4.3.2三相短路當(dāng)一回傳輸線路在0.1s發(fā)生三相短路接地故障，0.2s后切除故障。分不對(duì)短路發(fā)生后TCIPC不裝設(shè)阻抗操縱和短路后TCIPC裝設(shè)有阻抗操縱這兩種情況下的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)初值如下：聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)墓β蕿?200MW,參考感抗=125Ω,。圖4-8為發(fā)電機(jī)功角變化曲線圖。由圖4-8可見(jiàn)，短路后，若TCIPC不加操縱手段時(shí)是不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的。當(dāng)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，發(fā)電機(jī)功角發(fā)生“爬坡”失穩(wěn)，系統(tǒng)失去穩(wěn)定。這是因?yàn)楹琓CIPC的系統(tǒng)同步功率不足。圖4-8TCIPC不含操縱的發(fā)電機(jī)功角曲線為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)TCIPC裝設(shè)觸發(fā)角校正的定阻抗操縱。對(duì)參考感抗分不為和時(shí)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4-9、圖4-10所示。圖4-9=110Ω時(shí)發(fā)電機(jī)功角曲線圖4-10=70Ω時(shí)的發(fā)電機(jī)功角曲線仿真結(jié)果表