如何利用IPC提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性論文

摘要PAGEIVPAGEIII摘要隨著社會對電能的需求日益增長，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，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)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)行改造和控制，提高輸電線路的輸送能力，為解決此類問題提出了有效的手段。相間功率控制器(InterphasePowerController，IPC)被電力工作者認(rèn)為是當(dāng)前最適合開發(fā)應(yīng)用的FACTS設(shè)備之一,它通過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。我國的遠(yuǎn)距離輸電較多，而且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對比較薄弱，開展如何利用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基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡述了IPC潮流控制的基本原理；說明可以通過晶閘管觸發(fā)控制IPC的電感和電容支路構(gòu)成TCIPC，并建立了TCIPC在dq0坐標(biāo)下控制功率與晶閘管觸發(fā)延遲角之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)TCIPC功角特性說明了調(diào)節(jié)IPC電感支路參數(shù)可以控制聯(lián)絡(luò)線傳輸功率達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的機(jī)理。根據(jù)TCIPC的PI控制的基本原理和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TCIPC晶閘管觸發(fā)控制的同步信號，將感抗期望值作為該控制器的參考信號，設(shè)計(jì)了TCIPC觸發(fā)角校正的PI定阻抗控制器；并搭建了帶IPC簡單系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制器的有效性，并說明通過對TCIPC感抗的控制，可以改善帶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)控制器。仿真結(jié)果表明該控制方法與傳統(tǒng)的PI控制相比，系統(tǒng)的阻尼性能增強(qiáng)，能夠抑制系統(tǒng)的功角振蕩，可以較大幅度的提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：相間功率控制器；PI控制器；非線性最優(yōu)控制；暫態(tài)穩(wěn)定AbstractAbstractWiththeconstantexpansionofpowersystem,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PAGEV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)的發(fā)展概況 81.3.1FACTS概念的提出 81.3.2FACTS控制器的分類 91.4相間功率控制器（IPC）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 91.5本文的主要研究內(nèi)容 11第2章相間功率控制器的潮流控制機(jī)理 132.1引言 132.2IPC基本工作原理 142.2.1IPC基本結(jié)構(gòu) 142.2.2IPC的潮流控制 142.3可控相間功率控制器（TCIPC）的基本工作原理 162.3.1TCIPC的基本結(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對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析 213.2.1可控相間功率控制器的基本結(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阻抗控制器設(shè)計(jì) 254.1引言 254.1.1線性控制策略分析 254.1.2非線性控制策略分析 254.1.3智能控制策略分析 274.2TCIPC的PI阻抗控制原理 274.2.1PID控制原理 274.2.2TCIPC常規(guī)PI阻抗控制原理 284.2.3TCIPC觸發(fā)角校正的PI阻抗控制原理 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)控制器的設(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)控制器設(shè)計(jì) 445.3.1調(diào)諧型與非調(diào)諧型IPC功率控制特性比較 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非線性控制模型 495.3.4最優(yōu)控制器設(shè)計(jì) 515.3.5控制器最優(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6465-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，隨著工業(yè)自動化的突飛猛進(jìn)的發(fā)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)電已經(jīng)不是唯一的發(fā)電方式，風(fēng)電、太陽能發(fā)電，由于實(shí)用化程度不斷提高，得到了越來越廣泛的應(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。總而言之，高電壓、遠(yuǎn)距離輸電、大規(guī)模的互聯(lián)電網(wǎng)已經(jīng)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)化配置方面還是環(huán)保方面都帶來了效益。首先，電網(wǎng)互聯(lián)對能源的遠(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)程的發(fā)展，自動化程度越來越高，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)備的廣泛采用，不僅給電能質(zhì)量帶來了不利的影響，對供電可靠性也造成了威脅。與此同時(shí)，雖然現(xiàn)代電網(wǎng)的運(yùn)行技術(shù)有了很大提高，但依舊不能避免會發(fā)生大電網(wǎng)瓦解性的崩潰事故。通過互聯(lián)電網(wǎng)的適時(shí)調(diào)整控制，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、上海等省市通過向鄰近的安徽、四川、湖北等省份購電，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)電資源和采用較高效率的大型發(fā)電機(jī)組，這樣可以使發(fā)電成本最小化；通過加強(qiáng)電力供需平衡的分析和預(yù)測，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)為電力市場改革奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。電能是通過電網(wǎng)進(jìn)行流通的，所以通過電網(wǎng)才能夠進(jìn)行電力的交易。電網(wǎng)互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)電力市場改革的必然要求。第五，由于火電這種發(fā)電方式，排放出的有害氣體，會對環(huán)境造成很大影響。電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)后，用戶可以選擇相對環(huán)保清潔的風(fēng)力發(fā)電、水利發(fā)電等發(fā)電方式，這樣不僅降低了發(fā)電成本還帶來了巨大的環(huán)保效益[2]。由于電網(wǎng)互聯(lián)存在如此顯著的優(yōu)勢，所以電網(wǎng)互聯(lián)已經(jīng)成為了世界各國電力系統(tǒng)的共同發(fā)展方向。目前，電網(wǎng)互聯(lián)已經(jīng)不僅僅局限于一個(gè)國家的內(nèi)部了，許多國家與國家之間，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400kV電網(wǎng)互聯(lián)之后，近年來又通過兩條容量為200MW的直流輸電線路跨海與英國400kV系統(tǒng)相連，就此西歐十一國的大互聯(lián)電網(wǎng)已經(jīng)基本形成；此后東歐的互聯(lián)電網(wǎng)又通過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；美國在已有的由2021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)非常復(fù)雜、龐大的北美聯(lián)合電力系統(tǒng)[3,4]。我國幅員遼闊，各區(qū)域的能源分布、電源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)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的西部與北部地區(qū)，而用電負(fù)荷主要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)形成和發(fā)展成為必然。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)志著我國的超大規(guī)?？鐓^(qū)交流同步互聯(lián)電網(wǎng)已經(jīng)基本形成。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)境保護(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)帶來如此多的好處的同時(shí)也附帶了一些具有挑戰(zhàn)性的問題，如：電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)后，若沒有合適的控制，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，過多的無功功率充斥著系統(tǒng)的不同部分，這會導(dǎo)致各個(gè)部分的動態(tài)波動的相互影響，使得系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定性的問題；電網(wǎng)互聯(lián)使輸電系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，情況也越來越復(fù)雜，運(yùn)行中容易出現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線功率波動、事故的連鎖反應(yīng)、環(huán)流等問題，這給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與控制帶來了困難。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，面對電網(wǎng)互聯(lián)出現(xiàn)的這些問題，必須采取新的技術(shù)措施，提高控制裝置的響應(yīng)速度，使其能對系統(tǒng)的參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速調(diào)整，并且實(shí)時(shí)控制電網(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，影響電網(wǎng)傳輸容量的主要因素包括[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，一般情況下會發(fā)熱并升溫，而且發(fā)熱量隨著載流量的增大而增加，如果載流量過大，溫升達(dá)到其上限，就會破壞設(shè)備本身的機(jī)械和物理特性，使其不能正常工作。對有上限溫升值的傳輸功率稱為設(shè)備的熱穩(wěn)定極限。在電網(wǎng)中，主要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，我國電力系統(tǒng)輸電能力基本上不受熱穩(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)備的耐壓值都是有限的，在傳輸功率增加時(shí)，必須保證所有的電力設(shè)備無論是在穩(wěn)定情況下還是暫態(tài)過程中都工作于允許電壓限值以內(nèi)（一般不超過額定值的10％）。通常電力設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)都會有較大的冗余，并且電網(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)一般不會超出電壓限制。采用無縫避雷器和在變電所安裝過壓抑制器可以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，一條無損的理想線路上能流過的最大功率，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，可見極限傳輸功率與線路的等效阻抗成反比，通過調(diào)節(jié)等效阻抗可以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)幕緱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)到允許的平衡狀態(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)定平衡和無擾動情況下維持正常運(yùn)行的特性，也包括在各種擾動或者故障打破穩(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不會超過其極限值。長期以來，穩(wěn)定性是限制電網(wǎng)傳輸容量最關(guān)鍵的因素，穩(wěn)定性分析和控制成為國內(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，自動恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)的能力。由于擾動足夠小，可以采用近似線性化方法對系統(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)遭受嚴(yán)重暫態(tài)擾動下還能保持同步運(yùn)行的能力。由于發(fā)生的是大擾動，一般不能采用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)原來的運(yùn)行方式、擾動的方式以及系統(tǒng)對擾動的響應(yīng)方式?jīng)Q定。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時(shí)，擾動的出現(xiàn)的概率以及嚴(yán)重程度都會在很大范圍內(nèi)變化。大擾動發(fā)生后，系統(tǒng)的保護(hù)裝置會立刻動作，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）動態(tài)穩(wěn)定性動態(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、失步的主要原因是系統(tǒng)阻尼不足。通常情況下，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)控制不當(dāng)，或者低頻振蕩的影響等因素都會使系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)阻尼，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，采用合理的勵(lì)磁控制策略或在發(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)無論是在正常運(yùn)行條件下還是在遭受擾動之后系統(tǒng)中所有母線的電壓都能持續(xù)保持在可接受的水平上。電壓穩(wěn)定的核心問題是系統(tǒng)的無功功率特性。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)別可能并不明顯。故深入理解功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定對于弄清楚問題的本質(zhì)所在，以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式和控制措施來提高系統(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)輸電能力最直接的辦法。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。所以，針對我國現(xiàn)在的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來說，必須采用新型技術(shù)手段對電網(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，這樣就可以有效的增加電力系統(tǒng)的輸電能力，成為研究的重要課題。對于提高電力系統(tǒng)輸電能力的措施主要包括：一、采用新型輸電技術(shù)；二、對電力系統(tǒng)相關(guān)元件進(jìn)行更加準(zhǔn)確合理的控制；三、改造制約輸電能力的電氣設(shè)備，如輸電線路、安全自動裝置等。采用新型輸電技術(shù)新型輸電技術(shù)主要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，此時(shí)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)勢是，其不存在同步性要求和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，而且不必采用提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施，具有很好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。另外，通過控制換流站內(nèi)的換流器可以對直流電壓和直流電流進(jìn)行快速的調(diào)節(jié)，從而有效的控制直流系統(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)可以迅速的控制和調(diào)整輸出的有功功率，所以使電力系統(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]，很好的體現(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]是通過現(xiàn)代控制技術(shù)與電力電子技術(shù)的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對電力系統(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控制器是FACTS技術(shù)的核心，主要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，使其能夠控制交流輸電系統(tǒng)的某個(gè)或某些參數(shù)。改善對電力系統(tǒng)元件的控制水平（1）勵(lì)磁控制為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，可以采用勵(lì)磁控制方式對同步發(fā)電機(jī)的磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前，勵(lì)磁控制方式已經(jīng)從傳統(tǒng)的線性勵(lì)磁方式發(fā)展到非線性勵(lì)磁和智能勵(lì)磁方式[8]。線性勵(lì)磁控制雖然原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時(shí)卻不能有效的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。非線性勵(lì)磁控制和智能勵(lì)磁控制能夠適應(yīng)系統(tǒng)各種運(yùn)行方式的變化，而且控制能力優(yōu)于線性勵(lì)磁控制。因此，非線性勵(lì)磁控制和智能勵(lì)磁控制的應(yīng)用已經(jīng)成為勵(lì)磁控制方式發(fā)展的必然趨勢。（2）FACTS控制最初，線性控制方法常被應(yīng)用于FACTS控制策略中，線性控制器最主要的缺點(diǎn)是控制的穩(wěn)定范圍小，對非線性系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)變化時(shí)適應(yīng)性、魯棒性較差。而非線性控制和智能控制作為最近幾年快速發(fā)展起來的控制方法，可有效的彌補(bǔ)線性控制策略的這些缺點(diǎn)和不足。在FACTS控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多的非線性控制策略有：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)控制、非線性自適應(yīng)控制等。這些控制方法理論上雖然比傳統(tǒng)的FACTS線性控制策略先進(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。而智能控制方法的出現(xiàn)，解決了這一難題，在FACTS控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。由于新型控制策略的出現(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?？梢詫⒕o湊型輸電技術(shù)應(yīng)用到即將建設(shè)的輸電線路上。其不但可以節(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]。而對于已建設(shè)的輸電線路來說，可采用靜態(tài)增容和動態(tài)增容措施來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，就是通過提高導(dǎo)線最高允許運(yùn)行溫度使線路的正常輸電能力得到提高。可根據(jù)耐熱導(dǎo)線本身的材料特性，使得電能可以大容量的被傳輸而不致產(chǎn)生熱穩(wěn)定的問題，從而提高線路的傳輸能力，這樣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。但是采用此方法有一定的弊端，例如運(yùn)行費(fèi)用較高、線損大等問題[11]。而另一種方法是直接提高導(dǎo)線允許運(yùn)行溫度，但必須保證當(dāng)常規(guī)的輸電線路允許運(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)度仍在允許范圍內(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)測量各種可影響系統(tǒng)線路的輸送能力的環(huán)境因素，對輸電線路的實(shí)際功率進(jìn)行動態(tài)的確定，這種充分利用線路的輸電能力的方法被稱為動態(tài)增容法[14,15]。而其在熱容等級的計(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，可以通過提高安全自動裝置和繼電保護(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)的潮流控制的方法，如架設(shè)新的輸電線路、串聯(lián)阻抗補(bǔ)償、采用移相器、在線路中間采用并聯(lián)無功補(bǔ)償?shù)榷伎梢杂糜谔岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定性。但電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性其實(shí)是一種動態(tài)特性，需要通過快速的調(diào)節(jié)潮流使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。因此，一些響應(yīng)速度慢或者不能動態(tài)、連續(xù)的潮流控制方法，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用會受到限制。如機(jī)械開關(guān)投切式并聯(lián)補(bǔ)償電容器，因?yàn)椴荒軐?shí)現(xiàn)動態(tài)、連續(xù)的調(diào)節(jié)，所以它在提高電力系統(tǒng)振蕩穩(wěn)定性方面的作用就非常有限。總之，傳統(tǒng)的機(jī)械式解決方法，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和潮流控制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)的問題提供了有效的解決途徑。1.3FACTS技術(shù)的發(fā)展概況1.3.1FACTS概念的提出1986年，美國電力科學(xué)院副總裁NarainG.Hingorani博士將FACTS作為一個(gè)完整的技術(shù)概念在美國電力科學(xué)院雜志上提出來。FACTS技術(shù)是基于電力電子技術(shù)或其它靜態(tài)控制器以提高系統(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)。通過控制和電力電子技術(shù)對電力系統(tǒng)中的阻抗、功角和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。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)主要電氣參數(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FACTS技術(shù)能夠提高網(wǎng)絡(luò)中的功率輸送能力、增強(qiáng)控制電壓和潮流的能力，并且最突出優(yōu)點(diǎn)是這些都不會改變網(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)的發(fā)展帶來了前所未有的契機(jī)，從而立即受到廣大的電力界工作者的高度重視。1.3.2FACTS控制器的分類FACTS控制器在歷經(jīng)四十余年的發(fā)展后，其家族成員的隊(duì)伍越來越壯大。根據(jù)FACTS控制與電網(wǎng)中能量傳輸?shù)姆较蚴谴?lián)或并聯(lián)關(guān)系，將其可以分為四種類型：串聯(lián)型控制器：控制器與線路串聯(lián)，可以等效為一個(gè)與線路串聯(lián)的電壓源，電壓源輸出無功功率甚至有功功率，功率的大小通過調(diào)節(jié)電壓的相位和幅值來改變，并且直接就能夠改變線路的等效參數(shù)（阻抗），例如相間功率控制器（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)型控制器：可以等效為一個(gè)并聯(lián)連接點(diǎn)處的電流源，通過調(diào)節(jié)電流的幅值和相位來改變電流源輸出的有功功率和無功功率的大小，間接起到調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓和功率的作用，從而可以對電網(wǎng)的潮流分布進(jìn)行調(diào)整，如靜止無功功率補(bǔ)償器（StaticVarCompensator，SVC），靜止無功發(fā)生/吸收器（StaticVarGenerator，SVG）；串聯(lián)-串聯(lián)組合控制器：將多個(gè)獨(dú)立的串聯(lián)型的FACTS控制器組合而成或者將不同回路上的串聯(lián)型FACTS控制器的變換器的直流側(cè)連接在一起，這樣既可以調(diào)節(jié)有功功率的傳輸也可以平衡有功功率的分配，使得多回路的有功和無功潮流平衡，如電力潮流控制器（InterlinePowerFlowControlle，IPFC）；串聯(lián)-并聯(lián)組合型控制器：將獨(dú)立的串聯(lián)型FACTS控制器和并聯(lián)型FACTS控制器組合起來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，并且有功功率可以通過連接部分交換，如統(tǒng)一潮流控制器（UnifedPowerFlowController，UPFC），晶閘管控制電壓調(diào)節(jié)器（ThyristorControlledVoltageRegulator，TCVR）等?；谶@四種控制器是FACTS控制器的基本類型，更為復(fù)雜的FACTS控制器均由這四種控制器結(jié)合而成。1.4相間功率控制器（IPC）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀相間功率控制器（InterphasePowerController，IPC）是一種新型的串聯(lián)型的FACTS控制器。IPC的單相通用模型是由電感和電容分別連接能夠?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，通過機(jī)械開關(guān)或者電力電子器件調(diào)節(jié)IPC的感抗和容抗，可以對線路的有功功率和無功功率進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[16]通過含相間功率控制器的原理圖的網(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對于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。并通過這些關(guān)系式，對含相間功率控制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會進(jìn)入串聯(lián)諧振狀態(tài)，電容和電感上會出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓現(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)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)IPC隔離故障的特性，但同時(shí)會給正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。文獻(xiàn)[17]以具體的相間功率控制器的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用MATLAB/SIMULINK對帶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)，通過調(diào)節(jié)電感、電容參數(shù)值的大小，可以改變聯(lián)絡(luò)線的潮流。在擾動情況下，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)刻的問題進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[20]中根據(jù)相間功率控制器的電感和電容的工頻阻抗值是否形成共軛對，將IPC分為調(diào)諧型與非調(diào)諧型IPC兩種類型。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?？梢詫⒄{(diào)諧型相間功率控制器分為IPC120型和IPC240型。文中以IPC120為例，說明了當(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很強(qiáng)的魯棒性，并且具有很好的限制短路電流、電壓解耦等特性。并通過仿真分析表明，線路的串補(bǔ)度越高，相間功率控制器越能體現(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控制器。與傳統(tǒng)的相間功率控制器相比，電壓注入型的IPC需要的電感、電容、移相器等器件的容量小，并且損耗低。同時(shí)，其工作點(diǎn)可以通過改變電感和電容的內(nèi)部移相角來進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以電壓注入型IPC在運(yùn)行過程中具有更好的靈活性。文獻(xiàn)[23]分析了非調(diào)諧型相間功率控制器的結(jié)構(gòu)和基本原理，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)諧型的相間功控制器不但可以節(jié)省設(shè)備的投資、簡化維修和運(yùn)行，而且并聯(lián)電容型相間功率控制器還可以提高輸電能力，降低線路損耗。文獻(xiàn)[24]介紹了將IPC的感抗和容抗分別進(jìn)行晶閘管的觸發(fā)控制，則可以構(gòu)成可控相間功率控制器（TCIPC），通過控制晶閘管的觸發(fā)延遲角，可以等效的改變其感抗和容抗參數(shù)，從而連續(xù)的、動態(tài)的控制聯(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對于加強(qiáng)聯(lián)絡(luò)線潮流的穩(wěn)定性較有效，但尚未提出具體的控制策略。文獻(xiàn)[26]闡述了相間功率控制器的“控方主導(dǎo)”特性，并借助仿真工具說明了IPC的控方主導(dǎo)特性可以有效控制聯(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)基本不會影響到控方電網(wǎng)。文獻(xiàn)[27]在相間功率控制器的末端安裝一個(gè)接地電阻，通過調(diào)節(jié)接地電阻阻抗參數(shù)，可以改善通過IPC輸出的功率，從而降低在上述情況下出現(xiàn)的過電壓。到目前為止，國外已經(jīng)研制出了世界上第一臺IPC的實(shí)際裝置，并已實(shí)際安裝和投入運(yùn)行。文獻(xiàn)[28]介紹了安裝在美國的VELCO（VermontElectricCompany）和NYPA(NewYorkPowerAuthority)之間的115kV線路上的相間功率控制器，這臺相間功率控制器是通過高壓電感器并聯(lián)線路中已有的移相變壓器而形成的。這是相間功率控制器第一次安裝在實(shí)際工程中，并且IPC投運(yùn)后,線路傳輸功率定值從199MW提高到249MW。1.5本文的主要研究內(nèi)容國內(nèi)外對相間功率控制器所做的許多的研究工作都證明了相間功率控制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IPC的研究主要集中在其運(yùn)行特性的研究上，而對其如何控制參數(shù)改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制器設(shè)計(jì)方面的研究相對較少。本文基于含IPC互聯(lián)電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)模型，著眼于可控相間功率控制器（TCIPC）提高系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法的研究。主要研究內(nèi)容如下：（1）基于IPC簡化模型分析潮流控制的機(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)成可控相間功率控制器(TCIPC)?；赥CIPC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的基本結(jié)構(gòu)原理，指出TCIPC可以等效成電壓控制的電流源。并根據(jù)簡單系統(tǒng)的功角特性曲線說明了調(diào)節(jié)IPC電感支路參數(shù)可以控制聯(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）根據(jù)TCIPC的PI控制基本原理，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定阻抗控制器；并搭建帶IPC的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：通過對TCIPC感抗參數(shù)的控制，可以改善帶IPC系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。（4）著重研究了調(diào)諧型TCIPC非線性控制策略。首先，采用狀態(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)控制方法，設(shè)計(jì)了TCIPC非線性最優(yōu)控制器。并搭建同一單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，與傳統(tǒng)的PI控制相對比，基于狀態(tài)反饋精確線性化方法的最優(yōu)控制器使系統(tǒng)的阻尼性能增強(qiáng)，并可以較明顯地提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。第2章相間功率控制器的潮流控制機(jī)理第2章相間功率控制器的潮流控制機(jī)理2.1引言經(jīng)過100多年的發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)與早期相比，已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。世界上已經(jīng)形成了多個(gè)橫跨多國的超大規(guī)模電網(wǎng)。目前我國已經(jīng)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，形成全國聯(lián)網(wǎng)的巨型電力系統(tǒng)。電網(wǎng)互聯(lián)的諸多優(yōu)勢已得到了充分的論證，但電網(wǎng)互聯(lián)依然存在著聯(lián)絡(luò)線功率波動、連鎖反應(yīng)的事故波及等問題，應(yīng)引起電力工作者的高度重視。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)，可以有效解決上述問題的技術(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)償由于可以直接改變線路的等效阻抗，可以很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)，會產(chǎn)生通過電流而增加的無功功率。其次，串聯(lián)補(bǔ)償由于可以針對特定的用戶進(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)備對安裝地點(diǎn)沒有特定的要求，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。我國要想大力發(fā)展超高壓、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模的電網(wǎng)互聯(lián)，可以吸取國外的成功經(jīng)驗(yàn)，采用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)來提高線路的輸電能力，降低工程投資。相間功率控制器（IPC）作為一種新型串聯(lián)FACTS器件，具有許多優(yōu)良的特性，而且控制策略簡單[31]，已經(jīng)成為電網(wǎng)互聯(lián)最適宜的控制器之一。通過調(diào)節(jié)相間功率控制器各個(gè)元件的參數(shù)來改變網(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，因此相間功率控制器特別適用于改變電網(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基本工作原理2.2.1IPC基本結(jié)構(gòu)相間功率控制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別受控于移相角為、的移相器。如果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，也可以這兩個(gè)支路的工頻阻抗的絕對值不相等則構(gòu)成非調(diào)諧型IPC。相間功率控制器移相角、電感和電容參數(shù)可按具體運(yùn)行條件進(jìn)行取值，從而組成不同類型的相間功率控制器。其中對于特定類型的相間功率控制器的移相角、是確定的，例如IPC240,；IPC120，。圖2-1IPC單相通用等值電路圖2-1中，和分別為相間功率控制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的潮流控制利用圖2-1所示的單相通用等值電路圖可以推導(dǎo)出經(jīng)由相間功率控制器傳輸?shù)氖芏穗娋W(wǎng)的有功功率和無功功率為式（2-1）和式（2-2）：（2-1）（2-2）從式（2-1）~（2-2）可以看出，經(jīng)由相間功率控制器向受端輸送的有功功率和無功功率與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，因此如果要對聯(lián)絡(luò)線的潮流進(jìn)行控制可以調(diào)節(jié)相間功率控制器的電感、電容和移相角這四個(gè)參數(shù)[33]。若，則式（2-1）和（2-2）可以簡化為：（2-3）（2-4）從式（2-3）和（2-4）可知，若，相間功率控制器向受端電網(wǎng)輸送的有功功率與相間功率控制器所在聯(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)一步簡化，則可以得到通過相間功率控制器向受端電網(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，所以通過IPC輸送的有功功率基本上保持不變，具有很強(qiáng)的魯棒性。以IPC120為例，若，其有功功率和無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的無功功率特性由圖2-2和圖2-3可以看出，當(dāng)功角在±15°變化范圍內(nèi)，相間功率控制器向受端輸送的有功功率基本不會變化，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)功角在這個(gè)角度范圍內(nèi)變化時(shí)，無功功率幾乎成為一條斜線，這說明無功功率隨著IPC兩端功角的變化呈線性規(guī)律變化[34]，這使得無功功率控制具有靈活性。2.3可控相間功率控制器（TCIPC）的基本工作原理常規(guī)IPC對參數(shù)的調(diào)整方法是操作機(jī)械開關(guān)投切電感器、電容器的組數(shù)，來改變電感、電容元件的參數(shù)的大小，從而控制聯(lián)絡(luò)線上的潮流分布。但由于機(jī)械式開關(guān)的延時(shí)性，使IPC很難對系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)、快速的控制?？煽叵嚅g功率控制器（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。它通過控制晶閘管觸發(fā)角的改變實(shí)現(xiàn)IPC內(nèi)感抗和容抗的平滑控制。晶閘管的投入使得IPC可以實(shí)現(xiàn)對潮流的動態(tài)、連續(xù)控制。由于不采用傳統(tǒng)的機(jī)械式投切方法，對電抗參數(shù)的控制同樣可以滿足速度的要求。2.3.1TCIPC的基本結(jié)構(gòu)模型可控相間功率控制器（TCIPC）是將IPC的電感和電容支路分別由晶閘管進(jìn)行觸發(fā)控制。其中兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與電感支路串聯(lián)，通過連續(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；通過晶閘管控制投切不同組數(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)控制的TCIPC結(jié)構(gòu)模型。圖2-4TCIPC的結(jié)構(gòu)模型圖圖中，、分別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。、分別是可控相間功率控制器向受端輸送的有功功率和無功功率。為聯(lián)絡(luò)線上的電流。、分別為可控相間功率控制器中與電感和電容串聯(lián)的移相器的移相角。、分別為正向、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通過晶閘管的控制投切不同組數(shù)的電容器來等效的調(diào)節(jié)電容支路的容抗值，可以按照二進(jìn)制方法來選擇不同組成部分的電容器的容量，這樣就可以對電容參數(shù)的調(diào)節(jié)接近無級調(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)，這樣就可以將電容器容量變化的總步數(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IPC參數(shù)的調(diào)節(jié)可以分為兩種情況：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)涉及電壓及無功的變化，情況相對復(fù)雜。因此本文先由簡入手，單獨(dú)控制電感參數(shù)，控制聯(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)等值電路圖根據(jù)電路基本原理可以得出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）通過派克變換，得到如下表達(dá)式：（2-11）(2-12)（2-13）式中：，和，分別是電感支路電流和電容支路電流的d軸、q軸分量；、分別是聯(lián)絡(luò)線電流的d軸、q軸分量；、和、分別是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軸分量；、分別是IPC出口與聯(lián)絡(luò)線連接處電壓的d軸、q軸分量；、分別是受端電網(wǎng)電壓的d軸、q軸分量。有功功率在dq0坐標(biāo)系的表達(dá)式為：（2-14）根據(jù)式(2-11)~（2-14），可以得到可控相間功率控制器（TCIPC）在dq0坐標(biāo)下的控制功率與觸發(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，通過改變晶閘管的觸發(fā)延遲角，可以有效地控制聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)墓β省?.4本章小結(jié)本章基于相間功率控制器的單相通用等值電路圖分析了通過調(diào)節(jié)IPC電感、電容支路的參數(shù)進(jìn)行潮流控制的基本原理。闡述了可控相間功率控制器（TCIPC）的基本結(jié)構(gòu)，說明了通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)延遲角可等效地控制電感支路的電抗參數(shù)；通過晶閘管控制投切不同組數(shù)的電容器可等效控制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)下的控制功率與觸發(fā)延遲角之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，指出通過改變晶閘管的觸發(fā)延遲角可有效地控制聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)墓β省５?章TCIPC提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究第3章TCIPC提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究3.1引言近年來，我國的經(jīng)濟(jì)水平增長迅速，電力工業(yè)自動化水平大大提高，遠(yuǎn)距離、大容量的輸電已經(jīng)成為必然。因此，現(xiàn)階段迫切需要解決的問題是如何才能提高此類電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力?？煽叵嚅g功率控制器（TCIPC）可以通過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，對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有一定的影響。3.2TCIPC對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析3.2.1可控相間功率控制器的基本結(jié)構(gòu)原理相間功率控制器具有增強(qiáng)線路潮流的可控性和限制短路電流等特性，所以將其應(yīng)用于電網(wǎng)互聯(lián)具有一定的作用，同時(shí)對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也具有一定的影響。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可以由流過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)可以看出，在TCIPC電容支路的電容參數(shù)和兩個(gè)支路的移相角的值都是固定的情況下，TCIPC可以通過控制晶閘管觸發(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，通過改變晶閘管觸發(fā)延遲角，可以有效地控制聯(lián)絡(luò)線功率。基于dq0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，可以得到功率與觸發(fā)延遲角的對應(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減小，可見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，可控相間功率控制器可以等效成電壓控制的電流源[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，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)式可以近似如式（3-6）所示，極限功率與TCIPC的電感參數(shù)直接相關(guān)。如果在單機(jī)-無窮大系統(tǒng)雙回輸電線的始端配置可控相間功率控制器，根據(jù)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，雖然在故障期間加速面積無明顯變化，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。此時(shí)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)，所以控制TCIPC參數(shù)能夠改善系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。圖3-3簡單系統(tǒng)的功率特性曲線從以上分析可以看出，通過調(diào)節(jié)TCIPC的感抗參數(shù)，可以提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。而調(diào)節(jié)TCIPC的感抗參數(shù)需要對晶閘管進(jìn)行觸發(fā)控制，設(shè)計(jì)TCIPC的阻抗控制方式。3.3本章小結(jié)本章基于TCIPC的基本結(jié)構(gòu)原理，指出TCIPC可等效成電壓控制的電流源。并根據(jù)簡單系統(tǒng)的功角曲線說明了調(diào)節(jié)TCIPC電感參數(shù)可以控制聯(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阻抗控制器的設(shè)計(jì)第4章提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的TCIPC阻抗控制器設(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)非常復(fù)雜，存在很強(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?；谝陨弦蛩兀绾螌﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行控制成為了一個(gè)難題。目前，研究比較多的FACTS控制策略主要包括：線性控制、非線性控制、智能控制。4.1.1線性控制策略分析對于復(fù)雜非線性系統(tǒng)采用線性控制策略進(jìn)行控制時(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)用線性控制理論的方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。如PID控制這種常用的線性控制方法，其具有原理簡單、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。但線性控制器存在控制穩(wěn)定范圍小、適應(yīng)性、魯棒性較差等缺點(diǎn)。4.1.2非線性控制策略分析目前，可以采用兩種方式進(jìn)行非線性控制器的設(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)用線性控制方法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。二、采用非線性控制理論，針對系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)非線性控制器，并且滿足適應(yīng)性的要求。以上這兩種控制方式設(shè)計(jì)出的非線性控制器，對系統(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)控制器目前，對系統(tǒng)進(jìn)行精確線性化的主要方法有：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)，通過對系統(tǒng)非線性因素的處理，將原來的非線性系統(tǒng)變換成為線性系統(tǒng)，然后應(yīng)用線性控制方法，如最優(yōu)控制、解耦控制等，設(shè)計(jì)出滿足電力系統(tǒng)要求的FACTS控制器。（1）微分幾何線性最優(yōu)控制它通過局部微分同坯坐標(biāo)變換，對仿射非線性系統(tǒng)在滿足可控性、矢量場生成、對合性三個(gè)條件下，將非線性系統(tǒng)變換成線性系統(tǒng)，并且應(yīng)用線性最優(yōu)控制理論來設(shè)計(jì)控制規(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]采用微分幾何最優(yōu)控制法設(shè)計(jì)了可控串聯(lián)補(bǔ)償器(TCSC)的非線性控制器。（2）直接反饋線性化方法對于一個(gè)非線性系統(tǒng)來說，如果通過非線性反饋的引入，使得該閉環(huán)系統(tǒng)成為具有線性形式的“偽”系統(tǒng)，則可以采用線性控制方法進(jìn)行控制器設(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，其原理相對簡單，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，并且保留了原系統(tǒng)狀態(tài)變量的物理意義，在實(shí)際工程中實(shí)用性較強(qiáng)。但構(gòu)成該方法的虛擬反饋控制量中，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，那么使輸入信號先后經(jīng)過逆過程和原過程，這樣就相當(dāng)于進(jìn)行了一次標(biāo)準(zhǔn)的單位映射，將之前求取被控過程的逆過程串聯(lián)在被控過程的前面，這樣就可以將控制對象解耦，然后采用線性控制方法對解耦的控制對象進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。由此可知，使用逆系統(tǒng)方法的前提是，判斷系統(tǒng)是否可逆和如何求取逆系統(tǒng)。應(yīng)用非線性控制理論設(shè)計(jì)非線性控制器由于非線性控制理論對非線性系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)都能體現(xiàn)很好的適應(yīng)性，這樣就彌補(bǔ)了線性控制方法的適應(yīng)性、魯棒性較差的不足，理論上具有更優(yōu)越的控制性能。目前研究比較多的，如非線性PID控制，李雅普諾夫方法[42,43]；魯棒控制；自適應(yīng)控制[44]等都屬于非線性控制方法。因?yàn)閷Ψ蔷€性系統(tǒng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的適應(yīng)性和系統(tǒng)對于干擾情況下的魯棒性進(jìn)行了比較充分的考慮，所以非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般比較復(fù)雜，非線性控制器的設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)。因此，盡管非線性控制有明顯的理論優(yōu)勢，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智能控制策略分析智能控制方法不需要推導(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)，這是智能控制方法與其他控制方法相比最大的優(yōu)勢。另外，智能系統(tǒng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自協(xié)調(diào)的能力很強(qiáng)，且具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能總體自尋優(yōu)，對系統(tǒng)提供的信息能夠進(jìn)行快速的判斷、決策，從而使控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強(qiáng)[45]。4.2TCIPC的PI阻抗控制原理如上章所述，通過調(diào)節(jié)TCIPC的感抗參數(shù)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以調(diào)節(jié)TCIPC的感抗參數(shù)需要通過晶閘管的觸發(fā)控制，需要設(shè)計(jì)TCIPC阻抗控制器。TCIPC阻抗控制的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對期望阻抗準(zhǔn)確、快速的跟蹤。在電力系統(tǒng)中，比例、積分、微分控制被譽(yù)為應(yīng)用最普遍的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，簡稱PID控制。在電力系統(tǒng)中PID控制器已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，它由于控制原理簡單、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)的增加不僅可以消除系統(tǒng)階躍響應(yīng)的靜態(tài)誤差,同時(shí)可以克服系統(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)用的控制器。由于電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其控制過程都普遍存在非線性、比較大的延遲和時(shí)變等動態(tài)特性，這使得傳統(tǒng)的PID控制理論應(yīng)用于工程實(shí)際中的控制效果不夠理想。所以，對于傳統(tǒng)的PID控制進(jìn)行改進(jìn)，使其達(dá)到更理想的控制效果，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。4.2.1PID控制原理PID控制是一種線性控制方式。如圖4-1是常規(guī)的PID控制的系統(tǒng)框圖。圖4-1PID控制系統(tǒng)框圖PID控制器根據(jù)給定的期望值與實(shí)際值之間的控制偏差來糾正和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。（4-1）PID控制的輸入與輸出的關(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)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。文獻(xiàn)[46]詳細(xì)的闡述了PID控制中，比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)的作用，這里不再詳述。由于微分環(huán)節(jié)容易引起調(diào)節(jié)過程中的振蕩，所以將微分環(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控制。4.2.2TCIPC常規(guī)PI阻抗控制原理通常情況下，將控制中引入阻抗反饋，且采用閉環(huán)控制方法，這樣就可以達(dá)到阻抗控制快速平穩(wěn)的要求。閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是可以使TCIPC響應(yīng)的動態(tài)過程加快，并且使控制的精度提高。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常采用PI阻抗控制方式。其阻抗控制原理框圖如圖4-2所示。圖4-2TCIPC常規(guī)PI阻抗控制器由圖4-2可以看出，常規(guī)的PI阻抗控制器采用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，該修正量通過查表得到其對應(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阻抗控制原理為了在系統(tǒng)發(fā)生大擾動時(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阻抗控制方式進(jìn)行了改造，采用的是觸發(fā)角校正的PI定阻抗控制方式。將感抗期望值作為該控制器的參考信號，而控制器的作用是使實(shí)際的感抗保持在這個(gè)值上。根據(jù)仿真中搭建的該控制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。為了提高控制響應(yīng)速度，根據(jù)該感抗值預(yù)測出一個(gè)觸發(fā)延遲角。再根據(jù)感抗的參考值與實(shí)際值之差，通過一個(gè)PI控制器，就生成了觸發(fā)延遲角的修正量，它與預(yù)測值之和經(jīng)過限幅后就構(gòu)成了實(shí)際的晶閘管觸發(fā)延遲角，TCIPC定阻抗控制器如圖4-3所示。圖4-3TCIPC觸發(fā)角校正的PI定阻抗控制器該控制器與TCIPC常規(guī)PI阻抗控器對比，對于每一個(gè)參考感抗，通過查表環(huán)節(jié)確定其對應(yīng)的觸發(fā)延遲角后，就可以用數(shù)字電路鎖存起來直至下一次變更參考感抗，然后再與修正觸發(fā)角相加以控制觸發(fā)脈沖；這樣就可以避免每次修正都要查表的繁瑣，使實(shí)際控制器的響應(yīng)速度得到提高。線路的電壓和電流都可以作為晶閘管觸發(fā)控制的同步信號，文獻(xiàn)[48]對阻抗開環(huán)控制時(shí)分別選取端電壓和線路電流作為同步信號進(jìn)行了仿真比較。結(jié)果表明，選取電壓作為同步信號會造成阻抗變化的不穩(wěn)定，而選取電流作為同步信號能夠使得阻抗變化較為平緩。并且，選擇電流做晶閘管控制的同步信號，因?yàn)殡娏鲙缀跏钦倚盘?，這樣就不用擔(dān)心電壓作為同步信號會含有大量的諧波和虛假的噪音信號。最后，根據(jù)定阻抗控制器輸出的晶閘管觸發(fā)延遲角和所選取的同步信號，在MatlabR2021a/Simulink中搭建了晶閘管觸發(fā)模塊，用來產(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定阻抗控制器的控制效果以及通過TCIPC定阻抗控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用如圖4-5所示的單機(jī)-無窮大系統(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)無窮大系統(tǒng)圖圖中，為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，為無窮大系統(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,、線路長度均為300km。TCIPC的感抗為0.18H，容抗為21.5μF。阻抗控制器的控制效果直接取決于實(shí)際阻抗能否快速的跟蹤參考阻抗。即TCIPC響應(yīng)阻抗過渡時(shí)間越短，控制效果越好。4.3.1感抗發(fā)生階躍變化為了驗(yàn)證該定阻抗控制器的控制效果，對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中可以看到，對TCIPC進(jìn)行定阻抗控制后，響應(yīng)感抗對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)果可以看出：在階躍激勵(lì)作用下，TCIPC的響應(yīng)阻抗過渡時(shí)間大概為0.6s左右。與文獻(xiàn)[49]中TCSC采用常規(guī)PI阻抗控制時(shí)，TCSC的響應(yīng)阻抗的過渡時(shí)間縮短約0.2s左右，說明TCIPC的定阻抗控制具有較快的速度，同時(shí)響應(yīng)基本沒有超調(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。分別對短路發(fā)生后TCIPC不裝設(shè)阻抗控制和短路后TCIPC裝設(shè)有阻抗控制這兩種情況下的單機(jī)無窮大系統(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，短路后，若TCIPC不加控制手段時(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不含控制的發(fā)電機(jī)功角曲線為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，對TCIPC裝設(shè)觸發(fā)角校正的定阻抗控制。對參考感抗分別為和時(shí)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4-9、圖4-10所示。