（电力系统及其自动化专业论文）facts控制器间的交互影响分析及协调控制研究.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t c h i n ae l e c t r i cp o w e rg r i di sb e i n go n eo ft h el a r g e s tp o w e rs y s t e m si nt h ew o r l d ，w h i c h h a st h em o s tc o m p l e xn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n w i t hd e v e l o p i n gt h ei n t e r c o n n e c t e d 班do fl a r g e s c a l e ，t h ep r o b l e m so fp o w e rs y s t e m ，s u c ha ss e c u r i t y , s t a b i l i t ya n dv u l n e r a b i l i t y , a l eb e i n g m o r ep r o m i n e n t t h et e c h n i q u eo ff 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 ) a p p e a r i n gt o p r o v i d ea l le f f e c t i v em e a n , w h i c hc a ni m p r o v et h ec o n t r o lo fp o w e rf l o w , a n de n h a n c et h e c a p a c i t yo ft r a n s m i s s i o nl i n e a sf a s ta n df l e x i b l ec o n t r o l l a b l ep o w e r - e l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ，f a c t sa r ew i d e l y a p p l i e dt o t h eg r i d ，w h i c hp r o v i d e san e wr e g u l a t i v em e a n s ，b u ta l s ob r i n g ss o m en e w p r o b l e m s h o wt om a i n t a i nc o o r d i n a t e do p e r a t i o no f t h em u l t i p l ef a c t s c o n t r o l l e r si so n eo f k e y i s s u e s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hs t u d i e db ys o m ea c a d e m i c i a n ：t h e r ec o u l db ei n t e r a c t i o n s b e t w e e nm u l t i p l ef a c t s c o n t r o l l e r si nac o m p l i c a t e dp o w e rs y s t e m s ，w h i c hm a k ei n s t a b i l i t y o f f a c t s c o n t r o l l e r s t h e r e f o r e ，t oa n a l y z et h ed e t e r m i n a t i v ef a c t o r so ft h ei n t e r a c t i o n s ，a n d t od e s i g nt h ec o o r d i n a t e do p e r a t i o no ff a c t sa r en e c e s s a r y a n di t ss i g n i f i c a n tt od e v e l o p f u r t h e rt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ff a c t s f o c u s i n go nt h i si s s u e ，t h e p a p e rb a s e du p o nt h ew o r ko f p r e v i o u sl e c t u r e r , i n c l u d et h ef o l l o w i n gp a r t s ： i nt h ef i r s tp a r t ，t h ep h y s i c a ls t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e l so ff o u rt y p i c a lf a c t s d e v i c e s ，i e ，s v c ，t c s c ，s t a t c o ma n du p f ca r ei n t r o d u c e d a n dt h ed y n a m i cm o d e lo fa m u l t i - m a c h i n ep o w e rs y s t e mi n s t a l l e dw i t hf a c t si sd e r i v e d u p o nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ， t h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h ep o w e rs y s t e mc a nb eg a i n e db yl i n e a r i z a t i o nm e a n t h e n ，t h e g r a m i a ni n d e xi su s e dt oa s s e s st h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nf a c t s c o n t r o lc h a n n e l s i nt h e t w o - a r e af o u rm a c h i n ep o w e rs y s t e m ，t h en e g a t i v ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nf a c t s c o n t r o l l e r s a r ed e m o n s t r a t e d m o r e o v e r , c o n s i d e r i n gd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ei n f l u e n c e so nt h e i n t e r a c t i o n sc a u s e d b ys y s t e m l o a da n de l e c t r i c a l p a r a m e t e r s a r e i n v e s t i g a t e d 1 1 1 e e f f e c t i v e n e s so fg r a m i a ni n d e xi na n a l y z i n gi n t e r a c t i o n si sv a l i d a t e db yt i m e - d o m a i n s i m u l a t i o nm e t h o d t h e n , f r o mt h ee l e c t r i c a la r c h i t e c t u r ep o i n to fv i e w , u s i n gt h ed e v i c em o d e l sp r o v i d e db y p o w e rs y s t e ma n a l y s i sp a c k a g e - p s a - t t h es i m u l i n km o d e lo ft h ei e e e 14 - b u sp o w e r s y s t e mi n s t a l l e d 谢ms t a t c o ma n du p f c i sb u i l t o nt h i sb a s i s f r o mt w oa s p e c t si n c l u d i n g t h es m i l es t a b i l i t ya n dd y n a m i cs t a b i l i t y , t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nf a c t s c o n t r o l l e r sa r e a n a l y z e d b ys i m u l a t i o n , t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep r o p o s e di n s t a l l a t i o nl o c a t i o no ff a c t s c a l l n 硕士论文 f a c t s 控制器问的交互影响分析及协调控制研究 r e d u c et h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ec o n t r o l l e r si sa c h i e v e d u s u a l l y , f a c t s c o n t r o l l e r sa l ed e s i g n e du n d e rs i s oc o n d i t i o n ，t h e r ea lei n t e r a c t i o n s d e m o n s t r a t e da b o v e t os o l v et h i sq u e s t i o n , t h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nu s i n ga r t i f i c i a l i m m l l l l ea l g o r i t h mi s p r o p o s e dt oo p t i m i z et h ec o n t r o l l e r s p a r a m e t e r s s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h en e g a t i v ei n t e r a c t i o n sc a l lb er e d u c e d ，a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff a c t s c o n t r o l l e r si sm e l i o r a t e d ，b yu s i n gt h eo p t i m i z e dc o n t r o l l e r s p a r a m e t e r s m e a n w h i l e ，t h e c o o r d i n a t e dd e s i g no ft h em u l t i p l ef a c t s c o n t r o l l e r si saf e a s i b l es c h e m e , w h i c hc a n i m p r o v et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fp o w e rs y s t e ma f t e ri n m f e r e n c e ，a n de n h a n c et h e s t a b i l i t y k e yw o r d ：f l e x i b l ea l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) ，i n t e r a c t i o n , g r a m i a na r r a y , p o w e rs y s t e ma n a l y s i st o o l b o x ( p s a t ) ，m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i m m u n ea l g o r i t h m ，c o o r d i n a t i o nd e s i g n i i i 硕士论文 f a c t s 控制器间的交互影响分析及协调控制研究 图表目录 图1 1 主要输电型f a c t s 控制器的工作原理图3 图2 1t c r 斗t s c 构成的s v c 示意图13 图2 2t c r 和t s c 的单相结构。1 3 图2 3s v c 的稳态等值电路。1 4 图2 4s v c 动态模型结构图1 5 图2 5t c s c 单相结构图1 5 图2 6t c s c 的稳态等值电路1 6 图2 7t c s c 的动态模型16 图2 8t c s c 功率控制框图1 7 图2 9s t a t c o m 简化原理图。17 图2 1 0s 仉盯c o m 的稳态等值电路1 8 图2 1 1 链式s t a t c o m 的一相等值电路18 图2 1 2u p f c 结构示意图1 9 图2 1 3u p f c 的电压源等值电路2 0 图2 1 4 装设f a c t s 的多机电力系统结构图。2 2 图3 1 装设t c s c 和s v c 的两区域四机电力系统2 7 图3 2 单独运行时，s v c 和t c s c 的控制性能2 8 图3 3s v c 与t c s c 联合运行情况1 2 8 图3 4s v c 与t c s c 联合运行情况2 2 8 图3 5 单独运行时，t c s c # 1 和t c s c # 2 的性能曲线2 9 图3 6 两台t c s c 联合运行情况l 2 9 图3 7 两台t c s c 联合运行情况2 3 0 图3 8 交互影响分析流程图一3 3 图3 9 线路阻抗z 。= o 0 1 1 + 0 2 5 j 时，s v c 与t c s c 联合运行的仿真波形3 5 图3 1 0 线路阻抗z 衄卸0 1 1 + 0 5 5 j 时，s v c 与t c s c 联合运行的仿真波形3 5 图3 1 1 负荷s 5 = 8 6 7 + 1 o j 时，两台t c s c 联合运行的仿真波形3 7 图3 1 2 负荷s 5 = 1 0 6 7 + 1 o j 时，两台t c s c 联合运行的仿真波形3 7 图4 1 含f a c t s 的i e e e l 4 节点系统模型4 1 图4 2 励磁系统结构图4 2 图4 3s t a t c o m 控制模型4 2 图4 4u p f c 并联控制模型4 3 v i l 图表目录硕士论文 图4 5u p f c 串联砌控制模型4 3 图4 6 正e e l 4 系统特征根分布图4 4 图4 7 装设s t a t c o m 后系统特征根分布图4 5 图4 8 含u p f c 的系统特征根分布图。4 5 图4 9 含s t a t c o m 和u p f c 的系统特征根分布图。4 6 图4 1 0 三相短路故障时，i e e e l 4 节点电力系统响应曲线4 8 图4 11 系统装设s t a t c o m 后，三相短路故障时的响应曲线4 9 图4 1 2 系统装设u p f c 后，三相短路故障时的响应曲线5 0 图4 1 3 三相短路故障时，含s t a t c o m 和u p f c 系统的响应曲线5 1 图4 1 4 单独运行s t a t c o m 时系统特征根分布图5 2 图4 15s t a t c o m 和u p f c 联合运行时系统特征根分布图5 3 图4 1 6s t a t c o m 和u p f c 联合运行时系统响应曲线5 5 图5 1 体液免疫机理的作用关系5 8 图5 2 人工免疫算法流程6 0 图5 3 测试函数1 图像6 2 图5 4 测试函数1 的实验结果6 2 图5 5 测试函数2 图像6 3 图5 6 测试函数2 的实验结果一6 3 图5 7 测试函数2 的实验结果二6 4 图5 8 时域仿真流程图6 6 图5 9 第一种扰动下不同控制策略的响应曲线6 7 图5 1 0 第二种干扰下两种控制策略的响应曲线6 8 图5 1 1 小干扰情况下两种控制策略的系统特性比较7 0 图5 1 2 三相短路情况下不同控制策略的系统特性比较7 1 表1 1t c s c 投入运行情况列表4 表1 2 主要s t a t c o m 运行情况4 表1 3 实际运行的u p f c 装置5 表1 4s m e s 应用实例5 表3 1s v c 与t c s c 控制器交互分析结果3 4 表3 2 两台t c s c 控制器交互分析结果一3 6 表4 1i e e e l 4 系统的小信号稳定特性。4 6 表4 2 含s t a t c o m 的系统小信号稳定特性。4 6 硕士论文f a c t s 控制器间的交互影响分析及协调控制研究 表4 3 含u p f c 的系统小信号稳定特性4 7 表4 4 含s t a t c o m + u p f c 的系统小信号稳定特性4 7 表4 5s t a t c o m 安装于节点9 时系统的小信号稳定特性5 3 表4 6s 卫玎c o m h 卯f c 系统的小信号稳定特性5 3 表5 1 免疫学概念和优化算法的关系5 8 表5 2m o i a 和n s g a 对测试问题的比较6 4 表5 3 第一种干扰下p a r c t o 优化解集的部分数据6 7 表5 4 第二种干扰下p a r e t o 优化解集的部分数据6 8 表5 5 小扰动下p a r c t o 优化解集的部分数据6 9 表5 6 三相短路时p a r e t o 优化解集的部分数据7 0 表a 1i e e e l 4 节点系统发电机参数( p u ) 8 3 表a 2 无功可调母线数据8 4 表a 3i e e e l 4 节点系统支路数据( p u ) 8 4 表a 4 励磁系统数据8 5 表a 5s t a t c o m 控制器数据8 5 表a 6u p f c 控制器数据8 5 i x 声明声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名i 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 丞竺毖弦，口年莎月，少目 硕士论文f a c t s 控制器间的交互影响分析及协调控制研究 1 绪论 f l e x i b l ea l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t 锄灵活交流输电系统，其理论是由 美国电力研究院( e p r i ) 的n g h i n g o m a i 先生于1 9 8 6 年创立的 1 】。根据i e e e 的定义， 是指“装有电力电子型或其它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”【2 j ，对于f a c t s 是否包含h v d c 尚无定论【3 1 。在c i g r e 会议上，n g h i n g o n a r i 先生指出“为了避免任何混淆，作为f a c t s 概念的创始者，我给它定义为：除了直流 输电以外的所有将电力电子技术用于输电的实际应用技术 【4 】。 1 1 灵活交流输电技术( f a c t s ) 概述 1 1 1 灵活交流输电技术产生的背景 随着电力工业的发展，电力系统已进入超高压远距离输电，跨区域互联的新阶段。 同时，由于经济和环保的原因，限制了输电线路的新建，这就要求灵活调节线路潮流， 增加输送能力，以充分利用电网现有资源。因此，电网发展的需求促进了灵活交流输电 ( f a c t s ) 这项新技术的发展和应用【粥】。 1 ) 解决交流输电运行困难的客观需要 在电力工业生产中，由于发电能源分布不均匀，发电中心与负荷中心地理位置通常 不同，需要远距离输送大量的电力。今天的大电厂( 容量至少1 0 0 m w ) 通常通过变压 器与长距离输电系统相联，整个输电系统把邻近区域、国家的电厂和电力公司以 1 2 0 k v - 7 6 5 k v 的电压等级联接在一起。当采用常规超高压输电系统实现远距离大容量输 电目的时，稳定性条件约束下的输送能力将随距离的增加不断减小，中等输电距离已无 法达到自然功率，面临线路电气距离长、两端功角差大、暂态稳定裕度小、易失步等诸 多问题【引。 虽然计算机技术已在现代交流输电系统中得到了广泛应用，但是其控制手段仍是机 械式的。机械开关的机械惯性限制了动作速度的提高，且可靠性差、器件寿命短，严重 阻碍了其在事故处理及系统稳定控制中的应用。因此，目前采用的机械式控制已无法满 足现代电力系统的要求【1 0 1 。 现代电力系统面临的这一系列问题，促使人们去寻求能够根据系统参数和网络结构 迅速反应的控制手段及设备，从而方便地控制电网功率的走向及分布，以大幅度提高电 力系统的稳定运行水平。 2 ) 直流输电应用的竞争压力 直流输电便于定向输电，具有精确快速调节电网运行状态的能力，可以隔离两个交 流电网动态过程中的相互影响，提高整个互联系统的抗干扰能力和运行可靠性。同时， l l 绪论硕士论文 直流输电具有可异步联网( 或准异步联网) 和突破水下或地下交流输电的长度限制等技 术优点。此外，多端直流输电的发展将进一步扩大h v d c 的应用范卧1 1 。1 4 】。 直流输电的控制优势和巨大发展，使其在输电方案的比较中更具竞争力。 3 ) 电力电子元器件技术快速发展的支持 大容量电力电子元器件的商品化，以及配套技术的日趋完善，使电力电子元器件的 性能不断改善，为f a c t s 在电力系统中的应用创造了条件。 灵活交流输电系统( f a c t s ) 正是在这样的背景下产生的新技术，结合先进的控制 理论和计算机信息处理技术，采用现代大功率电力电子技术，实现对交流输电网运行参 数和变量的灵活控制，达到提高系统运行效率、稳定性和可靠性的目的【1 5 彩】。 1 2 1 灵活交流输电装置的分类 f a c t s 技术的出现，突破了过去单一控制器的局部作用，开辟了提高交流输电网运 行水平和整体控制能力的技术渠道，指明了高压和超高压交流输电性能的革新方向，近 年来发展十分迅速。 i e e et f 建议将f a c t s 按其与交流输电系统的联接方式分为并联联接、串联联接 和串并联联接三类，详细的介绍见文献 2 4 】。n g h i n g o n a r i 先生在文献 2 5 】中将f a c t s 分为线路阻抗控制型、相角控制型和电压控制型等三种类型。而中国电力专家何大愚先 生认为可将提高输送容量的常规型措施、f a c t s 控制器和用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 合在一起分为：发电型控制器、输电型控制器和供电型控制器瞄】。 本文的研究对象为直接作用于输电的f a c t s 装置。目前主要的输电型f a c t s 控制 器及其工作原理如图1 1 所示。基于电压源型变流器的f a c t s 控制器结构如图所示，具 有相似功能的基于晶闸管的f a c t s 控制器标示于括号中。各控制器的定义及具体结构 参见文献【5 6 ，2 7 】。 1 3 1 灵活交流输电技术的应用现状 作为输电系统新时代的三项支撑技术( 能量管理系统技术、f a c t s 技术和综合自动 化技术) 之一的f a c t s 技术是各国电力界研究的热点。近年来，各国都在大力推进 f a c t s 的基础理论 2 8 - 3 4 1 、应用技术【3 5 4 2 】和装置开发m 3 4 5 1 等方面的研究。同时，各国际学 术组织( 如c i g r e ，i e e e ，e p r i 等) 相继设立委员会或工作组，召开专题国际会议， 促进f a c t s 技术的发展。 2 硕士论文f a c 书控制器问的交互影响分析及协调控制研究 图1 1 主要输电型f a c t s 控制器的工作原理图 世界上第1 个静止无功补偿器( s t a t i c v a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 的功能在内布拉斯加 州首次得到论证，并由美国通用公司和西屋电气公司在明尼苏达州将其做成产品，1 9 7 7 年在t r i s t a t eg t 系统投入商业运行。以此为标志，f a c t s 的研究和开发工作进入了快 速发展期。至今世界上安装的高压s v c 约为9 0 0 套，其中用于超高压输电系统的s v c 已有2 0 0 多套，容量最大的s v c 安装于墨西哥t e m a s c a l4 0 0 k v 变电站，动态调节容量 达6 0 0 m v a r 。我国广东江门、郑州小刘、东北沙窝、株洲云田和武汉凤凰山5 个5 0 0 k v 变电站也有6 台投运。鞍山红一变1 0 0 m v a rs v c 是国内第一套应用于输电网的科技示 范工程，拥有独立自主知识产权，能够连续动态补偿1 0 0 m v a r 至+ 5 6 m v a r 的无功功率， 响应时间小于2 0 m s 。 晶闸管控制串联电容器( 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 ) 是第l 代 f a c t s 控制器中较晚的成员。世界上第1 个三相t c s c 由a b b 公司于1 9 9 2 年在k a y e n t a 3 1 绪论 硕士论文 电站投入运行，使其线路输送容量增加了近3 0 ，这标志着t c s c 技术实用化阶段的开 始。迄今为止，世界上已有8 个t c s c 工程投入运行，有3 套安装在中国。天广t c s c 工程的总补偿度为4 0 ，是亚洲首个t c s c 工程。2 0 0 4 年投入运行的成碧工程是“可 控串联补偿装置的国产化研制和工程应用 项目，每年产生的经济效益将达1 4 亿元， 节省线路投资1 亿元，提高输电能力4 6 。表1 1 为全世界安装的大型t c s c 一览表。 表1 1t c s c 投入运行情况列表 静态同步补偿器( 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 ) 是第2 代f a c t s 控制器，具有很强的应用潜力。世界上第1 台投入商业运行的s t a t c o m 是1 9 9 1 年由 日本三菱公司生产的8 0 m v a 1 5 4 k v 装置。日本正在研制的用于2 7 5 k v 系统的 s t a t c o m 装置( 3 0 0 m v a r ) ，是目前容量最大的s t a t c o m 设备。我国清华大学以及南 京自动化研究院已分别于1 9 9 8 年和2 0 0 0 年完成了s t a t c o m 的产品试制。2 0 0 6 年， 国家电网公司重点科技示范工程“上海电网黄渡分区士5 0 m v a rs t a t c o m 科技项目通 过验收，标志着我国的静态同步补偿装置技术进入实用化阶段。目前世界上投入运行的 s t a t c o m 装置共有十台左右，其中容量在5 0 m v a r 以上的仅有7 台。表1 2 给出了正在 运行的主要设备的情况。 表1 2 主要s t a t c o m 运行情况 4 硕士论文 f a c t s 控制器问的交互影响分析及协调控制研究 静态同步串联补偿器( s t a t i cs e r i e ss y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s s s c ) 也属于f a c t s 的第2 代控制器，2 0 世纪末才开始大量研究。实际上，它是s t a t c o m 的串联形式， 但作为独立的控制器，s s s c 还没有投入商业运行。 统一潮流控制器( u i l i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ，u p f c ) 是s t a t c o m 与s s s c 的 结合，是f a c t s 的第3 代控制器，具有独立控制有功功率和无功功率的功能。1 9 9 8 年， 美国电力研究院和西屋电气公司联合研制的u p f c 在肯塔基州东部的艾内茨电站投入试 运行，由两个容量为1 6 0 m v a 的逆变器组成，电力电子器件为g t o 。2 0 0 4 年又有一 个大型u p f c 装置在韩国投入运行。这2 个u p f c 工程的具体数据如表1 3 所示。 表1 3 实际运行的u p f c 装置 可变静止补偿器( c o n v e r t i b l es t a t i cc o m p e n s a t o r ，c s c ) 是f a c t s 控制器中最新发 展的成员之一。c s c 允许各种控制器以不同形式投入运行。世界上第1 个c s c 安装在 美国美国纽约电力管理中心马西山电站3 4 5 k v 的线路上。该项目的第一阶段是在奥克代 尔电站安装2 0 0 m v a 的s t a t c o m 和1 3 5 m v a r 的电容器组，第二阶段的工程包括 2 0 0 m v a r 的s s s c 和2 7 0 m v a t 的固定电容器组的投运。 超导磁储能系统( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ，s m e s ) 利用超导体制 成的线圈储存磁场能量，具有响应速度快( m s 级) ，转换效率高( 9 6 ) 等优点，可以实 现与电力系统大容量能量的实时交换和功率补偿【4 6 7 1 。目前，1 5m j m w 低温s m e s 装置已形成产品，i o o m js m e s 已投入高压输电网中实际运行，5 g w hs m e s 已通过可 行性分析和技术论证。我国也对s m e s 关键技术开展了研究，但还没有实际应用在电力 系统中。表1 4 给出了一些应用实例。 表1 4s m e s 应用实例 随着电网的日益复杂，一个电网中所加的f a c t s 元件个数必会越来越多，各个 f a c t s 元件之间的协调控制问题就会显得很重要。2 0 0 8 年底，中国第l 条特高压输电 5 l 绪论硕士论文 线路投入了商业化运行。不久的将来，中国将建设更多的特高压输电线路，形成含特高 压输电线路的互联电网，为保证电网的经济安全运行，对f a c t s 技术进行研究其意义 尤为重要。 1 2f a c t s 控制器交互影响综述 各种f a c t s 元件动态特性互有差异，动态响应时间也不相同，当一个系统中存在 多个f a c t s 元件时，各元件的控制目标之间存在着一定程度的约束关系【4 8 】。研究表明： f a c t s 装置的控制回路之间、f a c t s 装置与电力系统其他控制设备之间可能存在一定 的交互影响，严重时会使f a c t s 的控制效果恶化，甚至威胁系统的安全运行【4 9 - 5 9 。 1 2 1f a c t s 交互影响的研究 对灵活交流输电控制器交互影响和协调运行研究是对多个电力系统稳定器的协调 设计【6 1 拼】这一传统问题的延续。在复杂电力系统中，合理配置f a c t s ，选择合适的控制 策略协调各控制器作用，以满足电力系统的安全稳定，是f a c t s 技术实用化的关键。 u p f c 同时具有潮流控制、母线电压控制和附加稳定控制等多种控制功能，是目前 功能最全面的f a c t s 装置。文献 6 0 】研究了u p f c 的多个控制器之间的交互影响与控制 运行点的关系，通过对给定控制运行点的可控参数域的计算，使控制器的参数整定值不 影响u p f c 的控制性能，保证u p f c 多个控制器具有良好的联合控制性能。 文献 5 3 采用规范形方法研究了多台s v c 模态振荡的非线性影响，并验证了s v c 间的模态交互可能使系统的控制和运行性能恶化。文献 5 4 研究了四机两区域电力系统 中两台t c s c 控制器联合运行时存在的交互影响。 文献 5 6 】给出了s v c 和t c s c 之间存在高频交互影响的实例，并利用奇异值分解定 量分析了复杂电力系统中电气距离对s v c 和t c s c 间交互程度的影响。文献 5 7 研究了 装有s v c 和s t a t c o m 的单机无穷大系统，通过时域仿真表明：单独运行良好的s v c 与s t a t c o m 控制器，在两者同时投运时使系统振荡加大。说明s v c 和s t a t c o m 的 控制回路间存在负交互影响。 励磁系统和电力系统稳定器( p s s ) 也可能与f a c t s 装置发生交互影响。与p s s 或s t a t c o m 单独运行相比，两者联合运行可能导致系统阻尼的降低【5 列。最近的研究结 果表明，f a c t s 同h v d c 的控制器之间存在着交互影响。文献 5 9 指出两者间的交互影 响与交流系统的短路容量有关。文献 4 】研究了s v c 控制器的响应时间常数对交互作用 的影响，当s v c 的响应时间常数大于限定值时，s v c 与h v d c 之间的交互作用将消失。 1 2 2 交互分析方法综述 多变量控制理论的研究结果已证明，将多输入多输出( m 蹦o ) 系统作为单输入单 输出( s i s o ) 系统设计控制方案，当各个控制器之间的交互影响不可忽略( 系统传递函 6 硕士论文 f a c t s 控制器间的交互影响分析及协调控制研究 数矩阵不对角占优) 时，即使每个控制器都能单独设计成功，也不能保证全系统的闭环 稳定性【6 5 1 。近三十年来，在控制系统稳态和动态交互领域已有诸多研究，下面介绍几种 有效的交互影响分析方法。 1 ) 非线性时域仿真 这种方法只能对较严重的交互影响通过仿真波形予以观察 4 9 , 5 1 】，在分析交互作用的 强弱受某些因数影响而变化时，仿真结果虽然较为可靠，却需要花费大量的时间。 2 ) 模态分析方法 特征根灵敏度分析是模态分析方法的一个重要成果，以线性系统理论和李亚普诺夫 第一定律为基础，根据电力系统振荡模态和特征值的对应关系得到每个振荡模态的振荡 频率和阻尼比，从特征向量得到模态和各状态变量的关系( 参与因子) ，从而给出系统 稳定性的定量分析。文献 6 6 】利用特征根的变化分析了p s s 和f a c t s 控制器间的交互 影响，提出利用综合阻尼指标协调f a c t s 附加阻尼回路与p s s 运行，提高全局性能。 模态分析法以泰勒展开的一阶导数项所得的线性非时变方程为基础，忽略了二阶以 上高阶项的非线性交互。随着非线性系统理论的发展以及现代数学工具的运用，规范形 方法( n o r m a lf o r m ) 作为线性模态分析法的扩展，广泛用于电力系统的模态交互分析、 控制器设计及系统稳定域研究。文献【6 7 】利用规范形分析将系统在工作点附近展开至二 阶，分析了多台s v c 控制器在不同耦合情况下的交互影响，为多台f a c t s 控制器的设 计提供了新途径。 3 ) 相对增益矩阵分析 b r i s t o l 于1 9 6 6 年提出的相对增益矩阵【6 8 1 ( r e l a t i v eg a i na r r a y ，r g a ) ，是分析多变 量控制系统交互影响的有效方法，广泛用于控制系统的变量配对选择。通过考察多变量 控制系统各输入输出通道之间的影响，r g a 方法可以提供控制变量与被控量之间的最 佳搭配。文献 6 9 利用改进r g a 方法，量化了f a c t s 装置的阻尼控制器附加在不同控 制回路上时与常规控制功能之间的交互影响，并给出了含u p f c 的系统据此选取阻尼附 加控制回路的实例。 2 0 0 2 年t h o m a sm ea v o y 等人提出了新的d r g a 计算方法【7 0 1 。在假设系统动态模 型已知的基础上，首先用状态空间方法设计合适的输出控制器，然后用所得的控制器增 益矩阵计算d r g a 数值，获得系统最佳控制配对，并估计系统的交互程度。 4 ) 奇异值分析方法 奇异值分解方法( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 是应用在某个频域范围内的 交互影响分析方法，奇异矢量值改变越小，说明系统控制回路间的交互影响越小。文献 【7 1 应用s v d 方法对u p f c 进行了多功能控制器设计，通过仿真表明所设计的控制器可 以抑制u p f c 各控制通路之间的交互影响。 5 ) 基于格兰姆行列式的交互分析方法 7 l 绪论 硕士论文 格兰姆行列式( g r a m i a n ) 是基于系统状态空间的动态模型，描述某一稳定系统的 可控性和可观性的量值方法，对于连续或离散系统都适用【7 2 7 4 1 。文献 7 2 】提出了一种基 于系统格兰姆行列式的分析指标，用于量化多变量多输出系统控制回路间的交互影响， 并指导多个控制回路输入输出变量的配对问题。 模态分析法用于研究f a c t s 装置对系统的影响时，其对象主要集中在某个或几个 振荡模态的变化上，无法准确地给出控制器间的交互作