可控串联补偿装置的仿真研究

1、学院 毕业设计（论文） 题目： 可控串联补偿装置的仿真研究学 生 姓 名： 学号： 学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 电气工程及其自动化专业 指 导 教 师： 职称或学位： 年 5 月 25 日目 录摘要1关键词1Abstract1Key words2前言31.TCSC的基本结构和工作原理41.1 TCSC的基本结构41.1.1 TCSC的功能模型41.1.2 TCSC的器件模型41.2 TCSC的工作方式和过程51.3 TCSC数学模型81.4 TCSC的特性9 TCSC装置的V-I特性曲线9 TCSC装置的X-I特性曲线11 2.TCSC的控制系统研究132.1系统层

2、控制系统132.2 中层控制系统13开环控制14闭环控制142.2.3 PID控制原理152.3基于定阻抗控制的TCSC常轨PID控制系统163.用于TCSC控制系统的CMAC和PID复合控制策略173.1 CMAC神经网络的基本结构173.2 CMAC与PID复合控制算法203.3 仿真实例204.系统仿真224.1 TCSC非线性控制系统仿真研究224.2 基于CMAC和PID复合控制的TCSC控制系统仿真研究25结束语28参考文献30致谢31 可控串联补偿装置的仿真研究 摘 要可控串联补偿(TCSC)通过对晶闸管导通角进行精确快速地控制，以实现对其等值电抗灵活、连续、平滑地调节，因而其为

3、柔性交流输电系统(FACTS)中一种比较成熟和应用较为广泛的技术。本文综述了TCSC的发展及研究现状，分析总结了TCSC的基本结构、运行原理、工作模式的特点、基频阻抗特性及工作特性。此外，本文在模糊理论及常规PID阻抗控制的基础上，设计了TCSC模糊PID阻抗控制器。并且，通过加入免疫反馈环节，进一步提出了TCSC模糊免疫PID阻抗控制方式。仿真结果证明，该控制方式在响应各种阻抗阶跃命令时，具有更小的超调、更快的响应速度，以及更好的跟踪性能，可基本实现系统的无差控制。最后，对不含TCSC与含有TCSC的单相，以及三相电力系统进行了详细地稳态和暂态仿真，以研究其对电力系统的影响。此外，将所研究的

4、TCSC阻抗控制方式应用到电力系统当中，对比分析其在电力系统运行中所发挥的作用。仿真结果表明，TCSC在增大线路的输送能力，提高电力系统暂态稳定性，以及阻尼功率振荡方面，都具有十分重要的作用。此外还可看出，阻抗控制方式的不同对其作用的影响是显著的。相比于常规PID与模糊PID控制方式，本文所研究的TCSC模糊免疫PID阻抗控制方式是最具有优越性的。关键词：可控串联补偿；模式切换；阻抗控制；电力系统；仿真TCSC SimulationAbstractTCSC call adjust its equivalent reactance flexibly ,continuely and smoothl

5、y by precisely and fast controlling the thyristor operating angleTCSC is one kind of mature and widely used technology in the FACTSTCSC is helpful in improving the transmission capacity damping power oscillations and increasing the transient stability of ten power systemIn this paper we summarized t

6、he development history and recent research advances of TCSCThe basic structure，operational principle，fundamental frequency impedance characteristics and its operating characteristic of TCSC have been analyzed and summed upThe Fuzzy PID impedance controller of TCSC has been designed based on the fuzz

7、y theory and PID impedance controllerBesides，the Fuzzy Immune PID impedance control method of TCSC，which has immune feedback element，Was put forwardThe simulation results show that this algorithm has minimum overshoot short respond time and good tracking performance to all kinds of impetance step fu

8、nctionsAnd it can basically achieve isochronous controlWe analyzed the static and dynamic simulation results of the single-phase and three-phase system with TCSC and without TCSCFrom this we can see how TCSC impacts the load voltage and power flow of the electric power systemAnd the impedance contro

9、l mode of TCSC was applied in the electric power system，we compared their effect on system operationThe simulation results show that TCSC plays an important role in increasing the transient stability of the electric power system and damping power oscillationsAnd the impedance control mode of TCSC wi

10、ll remarkably impact its application performanceCompared to the traditional PID control and fuzzy PID control，the TCSC fuzzy immune PID impedance control elaborated in this paper iS the optimal control methodKey Words：TCSC；Mode-switching；impedance control；Electric power system；Simulation 前 言现阶段全球能源危

11、机严重，在整个中国电源都以火电为主，这样就必须消耗大量的煤。电煤的运输给交通、环保等方面带来巨大压力，并且其运费昂贵。因此，必须对能源进行充分利用。为充分利用煤资源，系统经常需要长距离大容量地输送电能。但是由于暂态稳定的约束，在现有网架条件下，电网的安全和稳定运行常常遇到困难。当然，架设新的、更高电压等级的输电线路可以从根本上强化电网结构，提高电网的输送能力。但是，这显然需要巨大的建设投资，并对自然环境带来损害。充分挖掘现有电网的潜力，才是更经济便捷的途径。因此，在现有的网架结构下，如何提高大容量的电力输送能力、输电可靠性和暂态、动态、电压等稳定水平。一直是我国电网急需解决的重要问题。多年来，

12、电力工作者已达成共识：提高电网的输电能力和安全运行水平，除电网结构本身要合理外，还必须要先进的调节控制手段。电网的安全、经济运行在很大程度上取决于其“可控度”。柔性交流输电技术的出现，为提高力系统的可控性和可靠性提供了新的方法。FACTS技术改变了传统输电系统的概念，将使未来的电力系统发生重大的变化。FACTS设备的投入运行，系统增强了有力的控制手段。其可用来提高系统的静态和暂态稳定极限，提高其电压稳定性和输电能力。近年来，伴随着电力电子技术的快速发展，FACTS技术将大量应用于我国电力系统，以较小的投入解决电网所面临的问题，使我国的电力系统成为一个可实时快速控制的柔性电力系统。因此，研究FA

13、CTS技术，将对国家电网更好地建设和运行具有重大意义。可控串联补偿TCSC是FACTS家族中的重要成员，作为其中的典型控制装置，在世界各国电力系统中得到了广泛的应用。1. TCSC的基本结构和工作原理1.1 TCSC的基本结构1.1.1 TCSC的功能模型在作TCSC的一般研究时，我们常使用理想的功能模型，即将TCSC作为理想的可变电抗，不考虑TCSC装置的内部结构12。通常用一阶惯性环节模拟TCSC对命令电抗的响应过程，如图1-1所示，图中T为TCSC电抗响应的时间常数。图1-1 TCSC的功能模型1.1.2 TCSC的器件模型 基本的、概念性的TCSC模块由一个串联电容器C和一个晶闸管控制

14、的电抗器并联组成，如图1-2所示。而实际的TCSC模块还包括通常与串联电容器一起安装的保护设备，如图1-3所示图1-2 基本模块图1-3 实际模块一个金属氧化物可变电阻器(MOV)，本质上是一个非线性电阻器，跨接在串联电容器上，用以防止电容器上发生高的过电压。MOV不但能限制电容器上的电压，而且能使电容器保持接入状态，即使在故障情况下也是如此，从而有助于提高系统的暂态稳定性。同样跨接在电容器上的还有断路器CB，用以控制电容器是否接入线路。另外，在发生严重故障或者设备工作不正常时，CB就将电容器旁路。电路中，还安装有一个限流电抗器幻，用以限制电容器旁路操作时电容器上电流的大小的频率。如果要求TC

15、SC的晶闸管在“全导通”模式下运行较长时间，就需要在晶闸管上跨接一个特高速接触器(UHSC)，以使其上的导通损耗最小。这个金属接触器类似于断路器，几乎是无损耗的并能进行多次投切操作。它在晶闸管导通后不久闭合；而在晶闸管关断前的很短时间里断开。在突然过载时或在故障情况下，金属接触器闭合以减轻晶闸管上的压力。实际的TCSC系统通常是由很多这样的TCSC模块级联组成的，同时还包括一个固定的串联电容器，采用这个固定串联电容器的目的主要是为了使成本最小。由基本TCSC模块组成的一个概念性的TCSC系统如图1-4所示，不同的TCSC模块中电容器可以具有不同的值，以提供较宽范围的电抗控制。与反并联的晶闸管相

16、串联的电抗器被分为两半，以便在电抗器发生短路时起到保护晶闸管的作用。图1-4 典型的TCSC系统1.2 TCSC的工作方式和过程 对TCSC功能的理解可以通过分析一个由固定电容器(c)和可变电抗器(L)相并联的电路的行为来获得，如图1-5所示。图1-5 有可变电抗的并联LC电路该LC并联电路的等效阻抗z二可以表达为 (1-1) 如果wC-(1wL)>0，则表示固定电容器(C)的电抗值比与之并联的可变电抗器(L)的电抗值小，整个并联电路呈现为可变的容性电抗。如果wC-(1wL)=0，会产生谐振，导致无穷大阻抗。如果wC-(1wL)<0，则表示Lc并联电路的等效电感值大于固定电抗器本身

17、的值，这种情况对应于TCSC运行方式中的感性微调模式。本质上，TCSC有三种运行方式18，这些模式如图1-6所示。(1) 晶闸管闭锁模式晶闸管闭锁模式(Thyristor blocked)又称等待模式。TCSC在投入前必然先运行于此模式，所以该模式是TCSC运行的最基本模式。此时电感支路不导通，电流全部流过电容器，TCSC的运行特性如同固定串补。(2) 晶闸管旁通模式旁通模式(Thyristor bypassed)的触发角a=900，晶闸管全导通，串联电容器被旁路，TCSC呈现为一个小感抗。在系统发生短路故障期间，TCSC运行于旁路模式，利用自身的小感抗特性增大线路阻抗，从而能够减小故障电流，

18、减少MOV所吸收的能量，保护设备。(3) 晶闸管部分导通即微调模式这种模式下。TCSC可以呈现连续可控的容性电抗，也可以里现为连续可控的感性电抗，这可以通过在适当范围内改变晶闸管的触发角来实现。但是，从容性模式平滑过渡到感性模式是不允许的，因为两种模式之间存在一个谐振区。 容性微调模式(Capacitive vernier operation)：此时，在电感支路中产生一电流，它的方向和电容中的电流方向相反，电感支路中的电流和线电流都流经电容器，增大了电容器两端的电压，相当于增大了TCSC的电抗值，此时TCSC的电抗值呈容性。TCSC的容抗值在其容性最小值和容性最大值之间可调，其最大值通常是最小

19、值的1.7到3倍，主要取决于线路电流和串补的短时过载能力等条件，TCSC通紫运行于该模式。在暂态过程中可以提高容抗值来增大补偿度，提高系统的暂态稳定性；在动态过程中可以调节其容抗值抑制系统振荡：在稳态过程中，可调节容抗值使系统的潮流得以合理分布、降低网损。 感性微调模式(Inductive verniero peration)：此时，在TCSC的电感支路和电容支路内形成一电流回路，线电流和电容器中的电流共同流经电感支路。当一套TCSC装置是由多个模块组成时，感性调节模式和容性调节模式相配合，可以使整套TCSC装置获得较大范围的连续可调特性。(a) 晶闸管闭锁模式 （b）晶闸管旁通模式（c）晶闸

20、管部分导通(容性微调)模式 （d）晶闸管部分导通(感性微调)模式图1-6 TCSC的不同运行模式以上三种基本运行方式下TCSC的典型稳态波形如图1-7和1-8所示。其中为电容器电压，为流过晶闸管的电流，为线路电流，为流过电容器流。图1-7 TCSC容性运行区的稳态波形图1-8 TCSC感性运行区的稳态波形1.3 TCSC数学模型TCSC通过调节其晶闸管触发角，可以快速连续地调节其基频等效阻抗，现给出其原理结构示意图，各物理量的参考方向如图所示，其中线路电流为正弦： (1-2)波形图如图1-9所示。图1-9 TCSC所在线路的电流和电容电压波形图1-10 电感电流波形根据文献31的分析，我们可以

21、得到在晶闸管导通期间的电感电流为： (1-3)在晶闸管导通期间的电容电压为： (1-4)在晶闸管关断期间的电容电压为： (1-5) 因此，我们可以将TCSC的电容电压和电感电流进行量化的表示，分别画它们的波形图如图1-10所示。可知，晶闸管的导通区间为其中，k=0，1，2，.。同样的，TCSC的基波电抗可通过理论计算得 （1-6） 在以上各式中，a为晶闸管的触发角， （1-7）由式(1-5)可见，调整晶闸管的触发角将使串联在线路中的电抗Xtcsc发生变化，从而使得线路的等值阻抗成为一个可控参数。由于对晶闸管的控制是由按一定的控制策略事先设计的控制器完成的。在其动念响应特性理想的条件下，可以使输

22、电线的输电容量达到其热稳极限。1.4 TCSC的特性虽然TCSC是基于应用的要求而设计的，但是对运行的限制是由不同的TCSC部件的特性决定的。其中重要的限制值有以下几个：(1)电压限制：运行设备(包括串联电容器)上的最大电压是由设备的绝缘水平决定的。对电压的限制可能随所施加电压的持续时间而改变，对于短的持续时间(典型值小于2s)，MOV的过电压限值比电容器的过电压限值更关键。(2)电流限制：对晶闸管和固定电容器FC也许需要旎加电流限值以防过热谐波也会引起过热，因此也会对TCSC的运行构成约束。(3)晶闸管的触发角限制：必须对此进行严格限制，以使TCSC不会冒险进入谐振区(即使是短时的)。由于以

23、上的各种限制，TCSC的稳定工作必须建立在允许的范围内。而TCSC装置元件的工作电压和电流决定于线路电流水平以及触发角，而触发角的大小也就决定了TCSC运行电抗的大小。因此，TCSC装置的工作能力与运行参数(线路电流和运行电抗)之阃存在确定的关系。正确理解这种关系，无论是对于装置参数的设计还是运行参数的确定，以及在系统特性的计算时都是非常必要的。通常采用TCSC装置的V-I曲线或者装置的X-I曲线来描述TCSC装置的稳态工作特性1.4.1 TCSC装置的V-I特性曲线图1-11出了用电容电压(V)和线路电流(I)的关系表示的TCSC工作特性。横坐标为线路电流标么值，以TCSC额定工作线路电流(

24、记为Ir，即为TCSC连续运行的最大工作电流)为基准。纵坐标表示电压的标么值，其基准值为额定线路电流在电容器上产生的电压降。 图1-1l TCSC的V-I运行特性图1-11中，容性可控运行区域是一个三角形区域。根据运行时间的不同，有不同的电压、电流极限，表示实际装置的运行约束条件。从原点出发的每一条直线代表一个常数电抗值。图中标有“晶闸管全关断”的那条直线代表的是TCSC晶闸管支路电流为零时的容性等值电抗，数值上等于电容器的标称Xc，。当晶闸管导通时间增加时，电容器电压增加，结果增大了TCSC的等效容性电抗。TCSC的可控容性电抗变化范围是电容电压和线路电流的函数，最大典型值是三倍电容器工频电

25、抗(3.p.u.)，如图中标有“最大触发越前角”的直线所示。TCSC的电压电流限值限制了其运行区域，TCSC模块调节电抗的能力受装置所能承受相关电压能力的限制。当长期连续运行于容性区域时，电压限值由串联电容器额定连续运行电压确定，如式(1-7)所示 (1-7) 式中,Ir是通过TCSC装置的额定(最大)连续运行线路电流的工频有效值；X是连续运行电抗，对应于额定电流Ir时允许的最大工频容性电抗；Vr是TCSC连续额定运行时的工频电压有效值。在有些应用场合，特别是对于那些在已有的固定串联补偿装置上进行改造的TCSC工程，连续额定运行点可能会定义为 BLOCK运行模式，即有Xr=Xc。然而，实际上T

26、CSC更多地运行于微调控制模式，这时Xr不等于Xc，如图1-11中虚线所示。在图1-11中，标有Vr的水平线就代表串联电容器的工作电压限制条件。TCSC应该可以连续运行在由电压Vr限制的运行区域，即图中标有“I”的运行区域，阻抗可调节范围为1p.u.至3p.u.之间。但是尽管运行电抗可以控制在1p.u.和3p.u.之间变化，如果产生的稳态电压超过了Vr，控制器会根据装置短时和动态过载时间限制条件自动减小运行命令阻抗，直到电容电压不大于Vr为止。图1-11中Vt代表TCSC串联电容器可以短时承受的过电压值，对应的水平直线代表相应的电压限制条件，它和命令阻抗的变化范围共同确定的运行区域(图中标有“

27、”的运行区域)是TCSC短时过载运行区。图中，It表示在额定运行电抗点时TCSC可以承受的最大短时过载电流。TCSC短时承受过负荷的运行时典型值为30分钟。电容器额定过电压Vt一般为Vr的1.35至1.5倍。图1-1l中Vd表示TCSC暂态过程中TCSC承受过电压的能力，对应的水平线与命令阻抗变化范围共同确定的运行区域(图中标有“”的运行区域)是TCSC的动态过电压运行区。图中Id表示在额定运行电抗点时TCSC可以承受的最大暂态过载电流。TCSC在暂态过程中承受过载的典型持续时间为10秒钟。以的典型值为2倍Vr。位于由Vd确定的水平线上的虚线(标有Vpl)代表TCSC装置过电压保护水平，对应于

28、MOV或者其他保护设备的动作电压值。TCSC在感性区运行的情况如图1-11纵轴负方向的多边形区域所示。感性运行受到最大触发延时角(标有“最大触发延迟角”的直线)和最大晶闸管电流(标有“最大晶闸管电流”的直线)的限制。两者之间是与谐波热效应(标有“谐波热极限”的直线)有关的限制，图中近似为一恒定的电压限制。这些谐波将会使晶闸管和电抗器产生热效应，同时会产生接近电容器和氧化锌避雷器的耐受 电压能力的电压峰值。出于这种考虑，其影响近似地设定为定值电压限制。标有“晶闸管旁路”的直线代表晶闸管旁路时TCSC的等效电抗(感性)，它对应于TCSC的最小运行感抗。该直线可能向电流轴线方向延伸到很远，这是因为可

29、能会要求电抗器承受电力系统较大的故障电流。与容性运行区相似，感性运行区也有连续运行短时过载运行以及暂态过载运行三个区域，分别如图中标记“I、”所指区域所示 TCSC装置的X-I特性曲线图1-12 TCSC的X-I运行特性图1-12是用运行电抗和线路电流之间的关系来表示的TCSC工作特性，它所表示的信息与图1-11相似，只是纵坐标用电抗代替电压。连续容性运行区域如图中标记“I”所指区域所示。运行区下边界即为电容器基频电抗，上限Xm典型值是不超过3p.u.的电抗指令。曲线边界(实线所示)表示满足Vr=IX的每一个连续运行点(X.I)。左边的边界是晶闸管能够可靠触发的最小线路电流。从应用的角度出发，

30、TCSC可以运行在容性连续运行区域内的任意一点，以控制系统的稳态潮流，可以是定阻抗控制模式，也可以是定功率传输控制模式。图1-12给出了扩展的短时运行区域，如图中标记“”所指区域所示，曲线边界(点画线所示)表示满足以Vt=IX的每一个连续运行点(X,I)。TCSC可以利用串联电容的短时过流和过压能力(Vt=1.351.5Vr)，在该区域短时运行由于具有这种能力，TCSC就可以在电流高于连续额定运行电流时维持恒定电抗，或者根据系统运行情况短时地增大其电抗。在动态过程中(典型持续时间小于10秒)，TCSC可以运行于图1-12所示的最大运行区域内(如图中标记“”所指区域)的任何一点，曲线边界(虚线所

31、示)表示满足Vd=IX的每一个连续运行点(X,I)。TCSC的这一运行区域对于其阻尼电力系统功率振荡非常重要。当应用稳定分析计算结果确定电力系统对TCSC动态过载能力的要求时必须注意，有些系统稳定分析程序简单地将TCSC用一个可变阻抗代表，而没有考虑到实际TCSC装置的最大过电压与时间限制的约束条件,这是不全面的。图1-12中纵轴负方向的靠近横轴的水平线表示TCSC在旁通模式运行时所呈现的纯感性电抗，下方的水平线代表最大触发延迟角时的感性电抗，曲线边界分别代表连续运行(实线)、短时过载运行(点画线)以及动态过载运行(虚线)区域的边界。2. TCSC的控制系统研究2.1 系统层控制系统电力系统是

32、一个典型的复杂非线性大系统，具有明显的非线性、巨大的规模复杂的网络拓扑结构、参数的不确定性以及运行方式持续而频繁变化等特点，这都使得它难以用精确的数学模型和具体的参数进行描述，而TCSC上层控制器的设计又要求快速、有效且具有较强的鲁棒性。近年来对于此的研究可以分为如下几类：(1) 线性控制理论实际应用的线性控制系统实质上就是要在数学模型中，以非线性解析函数在某一平衡状态的全微分代替其增量。由于电力系统的强非线性，这种在一定的运行点和运行状态下进行设计的。在此运行点附近阻尼摇摆很有效的方法，当运行点有较大偏移或系统遭受较大扰动时，很难保证其仍然具有良好的性能，严重时甚至可能起相反的作用。在TCS

33、C的应用方面，线性控制理论主要包括基于频率相位分析的阻尼控制，线性PID控制，基于特征根分析和极点配置技术的阻尼控制，线性最优控制等。(2) 非线性控制理论由于电力系统固有的非线性特性，随着非线性控制理论的深入研究，非线性控制在电力系统中的应用也得到了相当的发展。非线性控制能反映电力系统的非线性特性和不确定性，因而往往具有较好的适应性和鲁棒性。但是，它们自身也有缺点。例如，其理论比较深奥，控制器结构比较复杂，往往需要大量的计算和获取远方信号，因此使其在实际工程中的应用受到一定的限制。非线性控制方案在电力系统工程中的实际应用必须考虑其可行性。(3) 综合智能控制理论鉴于传统控制器设计方法在某些方

34、面的不足，现在很多研究人员将智能控制引入到TCSC的控制器设计中来。这些方法可用于直接设计TCSC控制器，也可作为其它设计方法的辅助工具，如确定优化控制参数等。相比传统的线性和非线性理论，它们具有智能性、鲁棒性、自适应性、容错性等优势。但是不同的智能控制方法，也存在各自的阔题，如复杂系统的模糊控制，在知识获取和描述方面有一定的困难；大系统的遗传算法计算量十分巨大；神经元网络的训练比较困难，并且对于超出训练范围的样本，其性能也无法保证。因此，在实际工程中采用智能控制时，应根据具体问题选择适宜的方法。根据TCSC工程的特点，用于TCSC的控制器应该结构简单，易于实现，输入量尽量采用本地量，并且具有

35、较强的鲁棒性和一定的非线性2.2 中层控制系统 TCSC对电力系统控制所具有的潜力是基于TCSC的快速调节阻抗能力，而中层控制系统作为TCSC分层控制中承上启下的环节，其优劣影响着整个控制系统响应速度与稳定性。它接受系统层控制系统得出的命令参数(如阻抗)，并根据其控制系统调节的误差来修正命令参数或直接修正触发延迟时间，从而使得TCSC可以很好的运行在命令参数下。如果中层控制直接把命令参数下传给底层控制，然后由底层控制查表求得令参数对应的触发角去触发晶闸管，这时没有误差的反馈校正，此种控制的方式为开环控制。假如基波阻抗和触发角的关系曲线足够精确的话，那么开环控制一般也可以实现控制日的。但是事实上

36、这个关系曲线只能比较接近实际，而不可能完全相同；再加上实际工程中诸如测量误差、晶闸管导通等带来的一些不确定因素，实际上开环控制可能达不到很高的精度。所以实际的TCSC工程中大多是通过闭环控制来实现中层控制的调节命令。 开环控制 开环控制是TCSC中层控制的最基本形式，主要用于潮流控制，其控制框图如图2-1所示。希望的稳态串联补偿度或者线路潮流以阻抗的形式被送到控制器，控制器用一个延时环节来模拟，延时时间典型值可以取15ms。控制器输出一个电抗指令信号，底层控制查表求得命令参数对应的触发角去触发晶闸管，使TCSC获得希望的电抗。图2-1 开环控制 闭环控制 采用闭环控制能够加快TCSC响应的动态

37、过程以及提高控制的精度，除了有开环控制的查表过程外，触发角还能被由命令参数和与之相应的实际测量参数的差值构成的反馈量进行修正。针对TCSC中层闭环控制系统而言，研究较多的是以阻抗作为命令参数，也就是本文所说的定阻抗控制。也有文献采用不同的控制器输入信号，如定电流控制，定功率控制等等。(1) 定阻抗控制在定阻抗控制中，希望的TCSC模块的阻抗被作为TCSC控制器的参考信号，控制器的作用就是使实际的TCSC模块的阻抗保持为这个值。典型的TCSC定阻抗控制器模型如图2-2所示。图2-2 定阻抗控制 (2) 定电流控制在定电流控制中，希望的线路电流幅值被作为TCSC控制器的参考信号，而控制器的作用就是

38、使实际的线路电流保持在这个值上。典型的TCSC定电流控制器模型如图2-3所示。图2-3 定电流控制 (3)定功率控制在定电流控制中，希望的线路有功功率被作为TCSC控制器的参考信号，而控制器的作用就是使实际的线路有功功率保持在这个值上。线路功率通过测量得到当地电压和电流信号经过abcap0变换后得到，转化为标么值后滤波，送到控制器的相加点。典型的TCSC定功率控制器模型如图2-4所示。图2-4 定功率控制本文的TCSC中层控制系统采用定阻抗控制方式，参考阻抗由系统层控制系统非线性控制器计算得出，很明显参考阻抗会随系统参数以及运行方式的变化面变化。另外，就中层控制系统的控制器而言，由于TCSC的

39、控制阻抗本身的非线性关系，所以从理论上讲，应该采用某种非线性控制方法进行阻抗控制，才能取得最佳效果。但是从工程实际应用角度来看，大部分非线性控制方法的计算复杂，需要的数据量大，计算周期长，不适合在TCSC中层控制系统中使用，目前工程上使用的还是经典的线性PID控制。2.2.3 PID控制原理 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图2-5所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图2-5 模拟PID控制系统原理框图2.3 基于定阻抗控制的TCSC常规PID控制系统本文所采用的基于定阻抗控制的TCSC常规PID控制系统原理框图如图2-6所示，系统层采

40、用非线性控制器，中层控制系统采用常规PID控制。图2-6 TCSC常规PID控制系统如图，由TCSC系统层控制策略计算所得的命令阻抗作为基准值，与实际测得的TCSC阻抗值比较产生误差信号作为PID控制器的输入，其输出线性化以后产生触发脉冲驱动TCSC，从而实现TCSC的对整个补偿线路的变阻抗调节。一般认为PID控制器有较好的鲁棒性。但是，已经有研究表明，不同的命令阻抗对PID控制效果有较大的影响；当阻抗阶跃较大时，动态过程会加长，不能在短时间内消除误差，而且触发角和命令阻抗之间的非线性关系是相当严重的，而常规的PID控制是一种线性控制系统，所以它只能在一定的范围内有效，很难有良好的鲁棒性。因此

41、有必要对PID控制器进行改进，使之更好的适应TCSC阻抗控制的要求。3. 用于TCSC控制系统的CMAC和PID复合控制策略PID控制是最早发展起来的控制策略之一，其算法简单，鲁捧性和可靠性相对较高，尤其是用于可建立精确模型的确定性控制系统，然而实际控制系统往往具有非线性，时变不确定性，所以在应用上PID控制器有一定的局限性。近年来智能控制理论的发展为复杂动态系统的控制提供了新的途径，对常规PID控制方法的改进，以及和智能控制相结合的控制方法，得到了广泛研究。由于TCSC的阻抗本身的非线性，使得常规的线性PID控制系统在某些运行方式下会表现出鲁棒性差的情况。而神经网络能很好地逼近非线性函数，所

42、以可以将神经网络理论应用到不确定非线性系统控制当中来。人工神经网络具有的智能在于它们能够学习过去的经验，并可以局部地存储新的信息。正是这两个重要的因素促使Albus在1975年建立了小脑模型神经网络理论。CMAC是小脑模型神经网络控制器(Cerebdlar Model Articulation Controller)的简称，该算法基于Albus对小脑功能的理解，模拟人脑的操作控制系统，所构造的表达复杂非线性函数的表格查询型自适应神经网络。它能比一般神经网络具有更好的非线性逼近能力，更适合于复杂动态环境下的非线性实时控制。本章详细介绍了CMAC神经网络的基本结构，引入了CMAC与PID复合控制算

43、法，用来对传统的PID控制系统进行改迸，通过对一个典型二阶传递函数的仿真分析，证明了CMAC和PID复合控制方法的优势。3.1 CMAC神经网络的基本结构CMAC的基本思想是：在输入空问中给出一个状态，从存储单元中找到对应于该状态的地址，将这些存储单元中的内容求和得到CMAC的输出；将此响应值与期望输出值进行比较，并根据学习算法修改这些已激活的存储单元的内容。CMAC神经网络的基本结构包括输入层、中间层和输出层三部分，其算法由两个独立的映射构成。首先，是一个输入非线性映射，它将网络输入映射到一个高维空间，在这个空间中只有少数的变量有非零的输出，这样就在CMAC网络内部产生了输入映射向量。其次，

44、是输出层权值的自适应线性映射，由它产生网络的输出。图3-1描述了CMAC网络的基本结构。图3-1 CMAC模型的基本结构式中，x(t)表示网络的n维输入向量，而输入映射向量由P维向量a表示 ,该向量称为基函数输出向量，它的各元素均为基函数的输出值。y(t)表示网络的输出，它由基函数的输出值和相应权值的乘积累加得到。计算公式如下 (3-1) 式（3-1）中，表示第i个非零输出基函数的地址，c为泛化参数。当泛化参数远远小于基函数的数量时，(3-1)式大大减小了算法的计算量。理解CMAC算法的关键在于理解初始的非线性映射结构。在CMAC网格的中间层中，基函数都定义在设置好的网格上。每个基函数都有一个

45、定义域，处于定义域中的输入才有非零的基函数输出。CMAC算法将这些定义域稀疏但是均匀地分布在网格上，使得任何地网络输入在经过非线性映射后，都能位于c个定义域内 ,激发c个基函数。这些网格的分布和基函数的形式决定了网络输入非线性映射的特性。 (1) 输入空间的划分除了要定义泛化参数c以外，还要定义一个n维的网格基来标准化输入空问，使得每一个输入都落在一个超立方体单元内。 (2) 输入非线性映射 CMAC网络中的局部泛化能力是由初始的输入非线性映射决定的。由于每一个基函数都有一个定义域，它是一个容量为的n维超立方体，因此泛化参数f不仅规定了影响输出的基函数的数量，还定义了基函数定义域的大小。当且仅

46、当输入位于基函数的定义域中，基函数才会有非零输出。这些超立方体分布在网格基上，使得每一个网格都会被c个基函数覆盖，这样就可以累加对应于c个基函数的权值与基函数输出的乘积来得到网络输出。为了保证恰好有c个定义域覆盖每个网格，需要定义c个覆盖区，每个覆盖区由相邻的且互不重叠的定义域组成。在每一个覆盖区中，只能有一个定义域覆盖网络的一个输入，这样就有c个覆盖区中的c个定义域覆盖网络的每一个输入。 为了得到平滑、局部的泛化结果，覆盖区之问是相互偏移的。设计CMAC输入层非线性映射的目的是保证对任意一个输入，在中间层只有c个基函数的输出为非零值，并且在输入沿着某一输入坐标轴平行移动一个超立方体单元后，只

47、有一个非零输出的基函数与原来的不同。而在输入沿着某一坐标轴平移c个超立方体单元后，已无任何一个非零输出的基函数与原来的相同，这样就保证了当输入相近时，输出也比较近，当输入问的距离较远时，相应的输出互不相关。并且输出层权值的调整也是局部的，在每次学习过程中只有c个权值发生调整，对两个相近的输入，只有少量的权值发生变化，而不影响大多数权值，这样大大加快了网络学习速度，减少了学习干扰。综合以上对CMAC神经网络基本结构的分析，可以看出，相比其他神经网络，CMAC的优越性体现在： 它是基于局部学习的神经网络，它把信息存储在局部结构上，使每次修正的权很少，在保证函数非线性逼近性能的前提下，学习速度快，适

48、合于实时控制。 具有一定的泛化能力，即所谓相近输入产生相近输出，不同输人给出不同输出。 连续(模拟)输入、输出能力。 寻址编程方式，在利用串行计算机仿真时，它可使回响速度加快。 作为非线性逼近器，它对学习数据出现的次序不敏感。由于CMAC具有上述优越性能，使它能比一般神经网络具有更好的非线性逼近能力，更适合于复杂动态环境下的非线性实时控制。CMAC神经网络的一般设计方法分为以下三步：(1) 量化(概念映射)在输入层对n维输入空间进行划分，每一个输入都降落到n维网络基的一个超立方体单元内。中间层由若干个判断区间构成，对任意一个输入只有少数几个区间的输出为非零值。非零值区间的个数为泛化参数c，它规

49、定了网络内部影响网络输出的区域大小。 (2) 地址映射(实际映射)采用除余数法，将输入样本映射至概念存储器的地址，除以一个数，得到的余数作为实际存储器的地址值。即将概念存储器中c个单元映射至实际存储器的c个地址。(3) CMAC的函数计算(CMAC输出)将输入映射至实际存储器c个单元，每个单元中存放着帽应的权值，CMAC的输出为c个实际存储器单元加权之和。3.2 CMAC与PID复合控制算法 CMAC神经网络一开始就被应用于机器人的控制中，目前有多种控制形式，如CMAC直接逆运动控制，CMAC前馈控制，CMAC反馈控制等。本文采用的是CMAC前馈控制，其结构图如图3-2所示，该系统通过CMAC

50、和PID的复合控制实现前馈和反馈控制。其特点为：(1) 小脑模型神经网络控制器实现前馈控制，实现被控对象的逆动态模型。(2) 常规控制器实现反馈控制，保证系统的稳定性，且抑制扰动。图3-2 CMAC与PID复合控制结构图 CMAC采用有导师的学习算法。每一控制周期结束时，计算出相应的CMAC输出Un(k)，并与总控制输入U(K)相比较，修正权重，进入学习过程。学习的目的是使总控制输人与CMAC的输出之差最小。经过CMAC学习，使系统的总控制输出由CMAC产生。 (3-2) (3-3)式中,Wi为权重，ai为二进制选择向量，c为CMAC网络的泛化参数，Un(k)为CMAC产生的输出，Up(k)为

51、常规P1D控制器产生的输出。 每一控制周期结束时，CMAC输出Un(k)与总控制输出u(k)相比较，修正权重，进入学习过程。学习的目的是使总控制输出与CMAC的输出之差最小，即使系统的总控制输出主要有CMAC控制器产生。 CMAC的调整指标为 (3-4) (3-5) (3-6) 当系统开始运行时，置w=0，此时Un=0 U=Up，系统由常规控制器进行控制。通过CMAC的学习，使PID控制产生的输出控制量Up(k)逐渐为零，CMAC产生的输出控制量Un(k)逐渐逼近控制器总输出u(k)。3.3 仿真实例 被控对象采用电机模型的近似二阶传递函数： (3-7) 式中，J=0.0067，B=0.1。P

52、ID参数为=25，=0.1，=l，取输入信号为正弦叠加信号。其中图3-3与图3-4分别给出了系统的输入()与输出(y)CMAC控制器(un)，PIE)控制器(up)和总控制器(u)的输出。图3-3 正弦叠加信号与输出图3-4 各个控制器输出CMAC控制算法虽然是由PID控制训练出来的，但并不是PID控制器的简单复制。从各个控制器输出的示意图中可以看出，系统运行的初始阶段主要是常规PID控制器起作用，经过对常规控制器的输出不断学习，逐渐由小脑模型的输出起控制作用。小脑模型的加入使得复合控制比单独的PID控制有很多优势。PID单独控制时，增益Kp。的值在很大程度上决定着控制效果，而采用PID+CM

53、AC控制时不依赖Kp的值，Kp的值只需要在一个合理的范围即可。由于小脑模型的加入，使系统只有很小的超调量，加快了控制响应速度，充分体现了小脑模型的特点，即输出误差小、实时性好、鲁棒性强等优点。4. 系统仿真在分析和研究电力系统时，我们必须确切完整地考察实际电力系统的静特性和动态特性，并且要有方便、有效的工具来分析实际电力系统的运行情况，然而电力系统的特点决定了在很多场合难以采用试验的方法来实现，必须采取系统仿真的手段。 电力系统的仿真可分为物理仿真和数字仿真。随着电力系统的发展，实际系统的规模和复杂程度大大增加，对实际系统采取物理仿真模拟的方法，受到器件结构、电压等级等限制，其应用在一定程度上

54、受到影响。而伴随着计算机技术和数值计算技术的飞速发展，电力系统数字仿真技术已经成为我们分析和研究电力系统的重要手段。电力系统数字仿真具有M：不受原有系统规模和结构复杂性的限制、保证被研究和试验系统的安全性、具有良好的经济性和便利性、可用于对设计未来系统性能的预测等优点。目前应用较多电力系统仿真软件有：加拿大不列颠哥伦比亚大学的HWDommel教授创立的电力系统电磁暂态计算程序(EMTP)、德国西门子公司开发的NETOMAC软件、电力公司开发的PSSE、Mathworks公司开发的ATLAB中所包含的SimPowerSystems(SPS)工具箱、电力科学研究院的电力系统分析综合程序(PSASP

55、)等其中，SimPowerSystems是在MatlabSimulink环境下进行电力系统建模和仿真的工具。它是Simulink下面的一个专用模块集，该模块集包含电气网络中常见的元器件和设备，以直观易用的图形方式对电力系统进行模型描述。其模型可与其它Simulink模块相连接，进行一体化的系统级动态分析。SimPowcrSystcms的出现，为我们通过电力系统数字仿真分析和研究电力系统供了强有力的工具。本章借助SPS工具箱，通过系统仿真，研究了根据分层化设计TCSC控制系统的思想，设计出的由非线性控制(系统层控制)和PID控制(中层控制)组成的TCSC综合控制系统，在不同网络结构，运行方式以及不同故障类型情况下，对系统暂态稳定性的影响；为了改善控制效果，对常规PID控制方法进行改进，使用CMAC与PID复合控制算法作为TCSC控制系统的中层控制，提高系统对非线