包含STATCOM的电力系统模糊滑模变结构控制研究_图文

1、西南交通大学硕士学位论文包含STATCOM的电力系统模糊滑模变结构控制研究姓名：单翀皞申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：王奔20100501西南交通大学硕士研究生学位论文第页摘要静止同步补偿器（，）是一种重要的柔性交流输电（，）设备。它以电力电子变流器为装置核心，通过向电力系统注入方向与幅值均可连续动态调节的无功补偿电流，以维持装置接入点母线电压的稳定，同时还可以增加系统阻尼，提高暂态稳定极限等。随着大功率电力电子器件制造水平的提高及柔性交流输电技术的逐步成熟，的经济效益和技术优势得到了广泛的认可，已逐渐向工程实用阶段迈进。随着越来越多的设备接入电网，与电网中即有设备间的交互

2、影响问题，引起了高度关注。从系统级的层面，设计与其他电力系统设备的协调控制器就成为一项很有实际意义的工作。系统对稳定性的要求不是单一的而是多目标的，拥有的多种控制功能对提高系统的稳定性显然是有利的。但是，由于控制目标之间存在相互矛盾、相互制约的关系，要想兼顾所有控制目标非常困难【】。如何设计灵活的控制器，针对不同的系统状态采用不同的控制模式，以满足系统对多目标控制的要求，就成为另一项非常有实际意义的工作。本文将变结构控制理论与模糊控制方法相结合，着力于设计的系统级控制器。为协调和系统中其他控制设备，避免控制设备间的相互干扰以更好的发挥控制器的控制能力，本文采用变结构控制方法设计与发电机励磁设备

3、的协调控制器，并采用模糊控制方法，削弱变结构控制产生的抖振影响。本文设计一种基于模糊控制方法的多目标控制器，通过来自系统的反馈量来判断系统当前所处的状态，并对控制参数进行适当调节，在相互制约的多控制目标间寻找折衷的解决方案来改善系统的动态特性。利用仿真，结果证明了本文所提出控制方法的有效性。关键词：静止同步补偿器；变结构控制；协调控制器；模糊控制；多目标控制器；电力系统稳定西南交通大学硕士研究生学位论文第页！自目皇！一目！自（），。，刎，：；西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许

4、论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书；不保密舶用本授权书。（请在以上方框内打“”）学位论文作糍髯删呼。日期：伽莎、雌名：立日期：西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：将滑模变结构控制与模糊控制相结合，运用到的系统级控制器设计中。分别针对与电力系统其他控制设备联合控制问题和的多目标协调控制问题，设计了两种不同的控制器。在所设计的与发电机励磁装置协调控制器中，主要应用滑模变结构控制来协调两种设备的出力

5、，避免两种设备间发生冲突。在抑制抖振影响方面，摒弃了传统的利用饱和函数的办法，转而采用模糊控制技术来抑制变结构控制中产生的抖振现象。在所设计的多目标控制器中，利用模糊规则的灵活性，针对系统的不同状态，实时改变控制系统参数，优化了控制效果，改善了系统的动态特性。在一定程度上解决了多控制目标间相互制约的控制难题；为充分发挥的多目标控制能力做出了有益的尝试。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引

6、起的一切法律责任将由本人承担。碑耳“、，趴玺幻作肌划瑚削日位学西南交通大学硕士研究生学位论文第页课题的研究背景和意义第章绪论改革开放三十多年以来，由于国民经济的快速发展，对电能的需求也不断增长。电网负荷强度的不断提高，使得电力系统稳定性问题日益突出【】。同时，随着我国电力改革的不断深入，电网的开放程度和商业化运营程度进一步提高，为控制电网运营成本，电力系统运行越来越接近系统极限，经济性和安全稳定性相互制约，两者之间的矛盾也越来越突出，这就使得系统的安全稳定性问题愈加复杂。因此，如何在不影响经济发展的前提下，最大限度的提高系统的安全稳定性，就成为一项广大电力科研工作者们热衷研究的课题。进入到上世

7、纪年代后期，随着大功率电力电子技术和计算机控制技术的发展，电力系统控制技术进入到一个崭新的时代。柔性交流输电技术（）就是在这一时期应运而生。它的出现，给电力系统增添了新的控制手段【】，为电力系统控制领域翻开了新的纪元。静止同步补偿器（，）作为家族的重要一员，以其优越的性能表现，得到专家学者的广泛关注。针对的研究力度也在逐年增大。当前，对于的研究主要分为两大方向：一是着眼于器件级的层面，不断采用新器件【、新技术。目前投产的新型普遍采用、等替代过去的；主电路的拓扑结构也由过去的多重化方案向链式方案发展，以满足不同客户的特殊要求。二是加大对控制手段的研究力度。因为的结构较为复杂，各相之间存在的复杂的

8、电磁耦合现象，使得控制变得非常复杂。另外，电力系统本身就是一个典型的多维数动态大系统，具有明显的非线性和时变性等特征。因此，对包含的电力系统进行准确有效的控制就变得异常困难，对其控制方法的研究也就有了特别重要的意义。控制方法的研究现状对包含的电力系统进行控制，数学建模是基础，控制理论是手段。在建模方面依照不同的研究目的与分析角度，主要分为器件级、装置级与系统级三类。文献，就是典型的关于的器件级分析，文献中采用级数和开关函数建立的暂态模型；文献则应用开关函数和沃尔什级数展开与西南交通大学硕士研究生学位论文第页节点容抗模型来逼近开关特性。在对装置的研究中，解耦、变换等理论被引入。文献在此基础上，应

9、用瞬时电流检测技术及电流优化算法设计不平衡负载的控制方法，可以对不平衡系统中的负序电流进行有效控制，减少系统的不平衡度。本身是非常复杂的非线性元件，而包含、发电机、以及其他元件的电力系统就更是一个高度复杂的系统，对包含的电力系统进行系统级的建模，是为了能够从宏观的角度进行理论分析，推导盯的控制方式与电力系统各控制目标之间的关系，提高电力系统的稳定性，从而实现电力系统安全稳定运行的目的。文献将包含的电力系统表示成标准的哈密尔顿系统，运用哈密尔顿系统理论以及李雅普诺夫函数来分析受控电力系统的暂态稳定性。得到了较好的结果。根据控制器设计过程对系统信息的提取和综合过程的不同，将的控制策略分为三种【：基

10、于系统内部结构的控制方法。如李雅普诺夫能量函数法、最优控带，】、非线性系统的线性化方法【。、鲁棒控制，】等；基于系统外部特征的控制方法，如传统的控制【，、白抗扰控制；综合智能控制方法，如模糊逻辑控制【、人工神经网络控制【、专家控制、迭代学习控制【等通过以上的介绍，可以看出，应用于的控制理论可以是多种多样的。但由于其本身的非线性特征，因此，根据传统的线性化方法设计的控制器存在比较大的局限性。当系统偏离初始运行点很远时，所设计的控制器往往无法达到控制效果，甚至对系统产生不利的影响。近年来，各种非线性控制理论以及智能控制理论逐渐成为控制策略的首选。得到广泛认可的主要是以下几种：李雅普诺夫直接法李雅普

11、诺夫稳定性理论是在年提出的，但是直到年才由美国”】提出应用李雅普诺夫能量函数研究电力系统暂态稳定的论文【。李雅普诺夫直接法原来主要用于分析电力系统的稳定性及估计稳定域等，将其用于非线性控制设计也是很好的一种手段。这种方法的优点是建立在原有非线性系统之上，直接考虑系统的非线性特性，物理意义清晰。但李雅普诺夫直接法的缺点在于寻找函数比较困难，因为函数的构造没有确定的方法，一个系统中还有可能存在几个函数。事实上，构造函数在高维、强非线性电力系统中是件非常困难的事，故往往将它与其它一些控制方法结合起来设计系统的控制器。微分几何法近代微分几何方法与非线性控制系统的设计问题相结合，形成了一门新的学科体系，

12、即非线性控制系统几何结构理论体系。罗马大学著名的教授曾经发表文章预言用微分几何方法研究非线性控制系统将会给控制理论带来突破性的进展【。微分几何方法通过微分同胚映射实现坐标变换，根据变换后的系统设计非线性反馈，实现非线性系统的精确线性化。系统经精确线性化后，可采用其他控制理论完成对被控对象的综合，这种方法是目前最常用的解决非线性控制问题的手段之一。文献，就是通过这种办法将非线性系统首先进行精确线性化后再结合变结构控制方法对系统进行控制器设计。基于微分几何法的精确线性化方法适用于以下仿射非线性系统（以单输入单输出系统为例）文（！：（）“（）【乃（）其中刀为状态向量，为输入变量，（）、（）”为向量函

13、数，为系统输出，（）为标量函数。称系统有相对阶，若满足，：揪（）（）【巧乃（）。其中，一。如果，则可通过非线性状态反馈口（）（）以及微分同胚映射毛：（）使得原系统变换为一个完全能控的线性系统办），（）巧办（）（）乙乞乞乞（）一乙乙如果厂，按照上述步骤，仍然可以找到一组坐标变换，使原非线性系统的一部分实现线性化，但同时也给系统留下了不能实现线性化的部分，称为系统零动态。微分几何法理论推理严密，对于复杂、抽象的大系统的分析来说，是非常好的理论工具。但是，应用时，需要较好的数学理论基础；同时非线性反馈的引入会增加控制器的复杂程度，这也限制了微分几何法在工程领域的广泛应用。逆系统方法逆系统控制法【是一

14、种比较直观易于理解的非线性控制方法，具有物理概念清晰的特点，与微分几何法相比，对数学理论的要求不高，可以避免繁杂的数学推导，因此，具有较高的实用性。逆系统方法的基本思想是：首先，应用解析或非解析的方法构造出被控对象的逆系统，然后，通过逆系统将被控对象补偿成为具有线性传递关系的系统；然后再采用线性系统理论对系统进行解耦、极点配置、二次型指标最优等最终达到预期的控制目标。逆系统方法的使用需要解决两个问题：一是系统是否可逆；二是逆系统的求取方法。文献对于逆系统的可逆性及其求取方法做了较为详细的阐述；文献研究了如何将逆系统控制方法应用在汽轮发电机综合控制；文献】在对并联变流器的控制策略设计中采用了逆系

15、统方法并与变结构控制相结合，达到了较好的效果。直接反馈线性化伪线性系统是指具有类似线性传递关系的一类特殊的非线性系统。若能通过非线性反馈的引入，使得非线性系统转化为具有线性关系的伪线性系统，就可以采用线性化的方法设计控制系统。这种方法，就称为直接反馈线性化方澍肿】。考虑以下的非线性系统状态方程：弘缈（删（）向（）、其中状态相量工】。当系统相对阶等于系统阶数时，可得到如下的用微分方程形式表示的输入输出方程：”一口（），甜”，甜，）（）令（）（川，“川，一，“，）（）则得到一个线性受控系统一”（）（）这就是直接反馈线性化的一般思想。要将该思想应用到具体的控制工作中去，首先需要知道对于任意（），符合

16、式（）条件的控制（）是否存在：其次，如果符合要求的控制“（）存在，整个反馈系统是否稳定。由隐函数定理可知，若满足条件翥（毗），则在工作点，的一个邻域内，方程（）存在唯一解：“（历）（”，”册一，甜，）（）反馈（）引入的隐动态与零动态有着同样的稳定条件。文献，介绍了直接反馈线性化方法在控制器以及励磁控制方面的应用，具有一定的参考意义。变结构控制法西南交通大学硕士研究生学位论文第页变结构控制是设计控制系统的一种通用方法，相对于其它控制系统设计方法而言，变结构控制算法简单，控制器速度较快，实现比较容易。它适用的系统范围很广，广泛应用于线性与非线性系统、连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与

17、分布参数系统、同步与时滞系统、集中控制与分散控制系统等各种控制系统。考虑一非线性系统文（，“，），”，“肼，（）确定一个切换函数相量（），”，同时寻求变结构控制“：“产（彳），唧（）（）“。“（），（）使控制满足：）到达条件，即可以使得切换面以外的相轨迹能在有限的时间内到达切换面。）保证滑动运动渐进稳定，动态品质良好。由此可见，变结构控制即指，当系统的状态达到切换面时，系统从一个结构自动转换成另一个确定的结构。这里的结构指的是由一组数学方程所描述的模型，系统有几种不同结构，就是说他有几种不同数学表达式的模型。变结构控制的最大优点是其滑动模态对于系统的干扰和系统的摄动具有完全的自适应性，而且系统

18、状态一旦进入滑模运动，便快速的收敛到控制目标。但变结构控制在获得滑动运动的同时也伴随着高频抖振的出现，这是由于滑模变结构控制本质上的不连续开关特性引起的。博士论文】在应用变结构控制方法解决电力系统中存在的非线性问题方面做了许多有益的探索；文献针对多机系统的经典模型，结合反馈线性化方法。以线性化后的状态变量构造了滑动面，设计变结构励磁控制器，改善了系统的动态品质，提高了稳定性。由于用到了反馈线性化后的新状态变量，其工程实现较为复杂。有关变结构控制的详细阐述，详见第三章。模糊控制法非线性系统的研究对象，通常非常复杂、抽象。根据系统的不相容原理，当系统的复杂性增大时，人们做出系统特性的精确而有意义的

19、描述能力将相应降低，在达到一定阚值时，复杂性和精确性将互相排斥。系统的复杂程度越高意味着要考虑的因素众多，以致人们不可能对全部因素都进行考察，而只能在一个压缩了的低维因素空间上来观察问题【。这时，即使原本是明确的概念也变得模糊起来，随着越来越多的模糊性问题不断出现，模糊问题已经无法回避，因此，模糊理论也就应运而生了。模糊控制理论是在由美国加利福尼亚大学教授创立的模糊数学的基础上发展起来的。模糊数学的本质并不是不准确，恰恰相反，模糊数学是通过数学工具对模糊现象进行描述和分析，使原本模糊的问题变得清晰。即模糊方法本质上是解模糊，而不是模糊化【】。模糊控制理论是模糊理论在控制技术上的应用，属于智能控

20、制的范畴。它用语言变量代替数学变量或两者结合应用；用模糊条件语句来刻画变量问的函数关系；用模糊算法来刻画复杂关系，是具有模拟人类学习和自适应能力的控制系统【¨。模糊控制的优点是：）无需预先知道被控对象的精确数学模型；）容易学习和掌握模糊逻辑控制方法）有利于人机对话和系统知识处理与常规控制系统相比较，模糊控制系统可以解决更复杂系统的控制问题。近年来，模糊控制法与其他控制方法集成，用于解决电力系统存在的诸多问题，取得了大量的科研成果。文献】以人工智能和模糊控制为基础，对现有水轮发电机组的控制器进行了全面改造，对文献在设计发电机励磁控制器的时候，将模糊控制与控制进行集成，提出了一种新型的基

21、于模糊自调整的控制系统。在文献，引入了模糊控制方法设计多目标控制算法，在利用对系统进行无功补偿的同时还可以阻尼电力系统次同步谐振现象。关于模糊控制更为详细的内容，将会在第四章做具体阐述。神经网络控制法人工神经网络简称神经网络或称为连接模型，是对人脑或自然神经网络若干基本特性的抽象和模拟。通俗地讲，神经网络是对生物神经系统功能的模拟而非结构的模拟。著名的神经网络专家给人工神经网络的定义是：“人工神经网络是由人工建立的以有向图为拓扑结构的动态系统，它通过对连续或断续的输入作状态响应而进行信息处理。神经网络具有几个突出的特点：）可以充分逼近任意复杂的非线性关系；）所有定量或定性的信息都分布储存于网络

22、内的各神经元的连接上，故有很强的鲁棒性和容错性；）采用并行分布处理方法，使得快速进行大量运算成为可能；）可自学习和自适应不确定或不确知的系统。神经网络与控制相结合形成了智能控制领域的一个重要分支神经网络控制。由于神经网络控制系统在许多方面呈现出人脑的智能特点，例如不依赖于精确的数学模型、具有自学习能力、对环境的变化具有自适应性等，因此非常适合解决复杂的非线性控制问题。除了上述控制方法以外，微分代数方法、非线性口控制、自适应控制、迭代学习控制等控制方法也有广泛的尝试与应用。但任何控制理论都不是万能的，无论是非线性控制方法还是智能控制方法，每一种控制理论都或多或少有其局限性。当前的控制理论的发展趋

23、势是，将两种或多种控制手段相结合，将非线性控制方法与智能控制方法相结合。可以预见，智能集成控制必将成为控制理论未来的主要发展方向。本课题的主要研究内容本文致力于从系统级层面研究的控制方法。以系统的功角稳定、电压稳定、增加系统阻尼，抑制系统振荡等为控制目标，将滑模变结构控制理论与模糊控制理论相结合进行控制器的设计。力求在的系统级控制领域有所突破。本论文主要内容如下：第一章，阐述课题的研究背景与意义，介绍有关控制方法的研究现状，总结分析各种控制理论在的控制器设计方面的研究进展情况。第二章，介绍静止同步补偿器的原理、结构。通过对原理的介绍及与其他控制器的性能进行对比，说明的特点及优越性。第三章，对本

24、文所采用的变结构控制理论进行简单的介绍。阐明相关的基本概念、原理、应用条件及控制器的设计过程。对文中涉及到的微分几何法相关知识做简要说明。第四章，回顾模糊控制的发展历程，并从模糊数学着手，对模糊控制理论做综合概述，介绍了模糊控制理论中的一些重要概念，最后给出了模糊控制器的一般设计流程与方法。第五章，对包含的电力系统进行系统级数学建模分析。考虑带有发电机励磁控制器的经典三阶模型，将处理成可控的无功电流源模型。通过设计变结构控制器协调与发电机励磁出力，共同改善电力系统的暂态稳定性；利用模糊控制手段，抑制变结构控制存在的抖振现象。第六章，以的滑模变结构控制器为基础，辅以模糊控制规则来动态的调节控制器

25、参数，在相互矛盾的系统控制目标间寻找折衷的解决方案，改善系统的动态稳定性。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章静止同步补偿器与盯简介柔性交流输电技术（简称技术，下同）首先由美国电力科学院博士于年提出，博士本人对的定义为：在现有输电系统的基础上，利用电力电子技术或其他静态控制器来加强系统可控性和增加功率输送能力的一种技术【，。我国电力专家何大愚先生对也做过更为精确的定义：是除了之外的所有安装应用于电力系统各环节中的且作用于交流输电系统的各种电力电子控制器及其协调组合进行控制的技术【】。技术一经面世即受到广泛关注。国内外的些权威性的输电技术研究者和工作组称为“未来输电系统新时代的三项支撑技术（技

26、术、先进的控制中心和综合自动化技术）之一，或“现代电力系统中的三项具有变革性影响的前沿性课题（柔性输电技术、智能控制、基于全球卫星定位系统（）的新代动态安全分析与监测系统）之一”。从早期出现的开始，技术经历了多年的发展。按其性能和功能的不同可划分为以下三代：第一代技术从多年前就出现的开始，主要由晶闸管开关快速控制的电容器和电抗器组成的装置，以提供动态电压支持，其技术基础是常规晶闸管整流器（，），后来出现的第一代装置是晶闸管控制的串联电容器（），它利用控制串接在输电线路中的电容器组来控制线路阻抗，从而提高输送能力。世界上第一台设备由公司制造，于年在系统投入运行。近年来，国内对于给予了高度关注，装

27、机容量和研发制造能力均已达到国际领先水平。仅荣信电力电子有限公司生产并已投运的设备就已超过套，装机数量连续多年位居全球之首。其中“梧州变电站加装工程的装机容量达到了，为目前国内最大的装置。第二代技术这一代装置同样具有支持电压和控制功率等功能，但在外部回路中不需要加设大型的电力设备（指电容器和电抗器组或移相变压器等）。这些新装置如静止同步补偿器（，）和串联补偿器（，）设备采用（，）、（）等一类全控型器件，起电子回路模拟出电容器和电抗器组的作用，装置造西南交通大学硕士研究生学位论文第页价大大降低，性能却明显提高。世界上第一台设备（哪于年在日本投入运行，该装置采用了晶闸管强制换流的电压型逆变器：世界

28、上首台采用大功率作为逆变器元件的（±神于年月在美国投入运行；年容量为±在美国变电站投入现场运行。日本最近联合研制的用于系统的容量为玑盯装置，是目前容量最大的设备。我国最早的设备是清华大学与河南电力局联合研制的，该设备已于年在河南省洛阳市朝阳变电站投入运行。年月，世界上第一台容量为的晶闸管投切部分串联电容补偿装置在公司的线路上投入运行，将该线路的输送能力从提高到。世乔上第一个可控串补工程项目则是年在美国西部的一条线路上安装的装置，其后，年美国西北部的变电站线路上安装了的装置投入工业运行。世界上第一台设备也己在美国的的电网中运行。我国东北电力系统将首次在伊敏一冯屯输电线路冯屯侧

29、安装，以解决伊敏电厂两台和两台发电机经双回线路向东北电网主网送电时存在严重暂态稳定问题。目前西电东送的主交流通道一天生桥一平果双回线装设了固定串补和可控串补设备，以充分利用已有的交流线路，尽可能输送更多功率到广东。第三代技术将两台或多台控制器复合成一组装置，并使其具有一个共同的、统一的控制系统。如将一台和一台复合而成的统一潮流控制器，仃们，它可以控制线路阻抗、电压或功角的方法同时控制输电线路的有功和无功潮流。调节双回路潮流的线间潮流控制器（，野神和可控移相器（，聊仃西鲥）都属于复合控制器。在综合型设备方面，年世界上首台大容量的装置（，由的和的组成）在美国变电站运行；可控移相器首次应用在美国中西

30、部的联络线上，提高了线路的动态稳定性和暂态稳定性，使中西部联络线交换功率增加。丑玎的工作原理静止同步补偿器（）是家族中的核心装置，是目前实际应用于电力系统的众多柔性交流输电装置中性能最突出的设备，在响应速度、稳定电网电压、西南交通大学硕士研究生学位论文第页降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减少占地面积等多方面具有其他产品无法比拟的优越性能。随着柔性交流输电技术的不断完善，正在运步被大家所认可，得到越来越广泛的应用。年，在上海召开的第届世博会上，国家电网公司通过被称为“世博电源心脏”的蒙自站向世界展示了其在智能变电站方面取得的成果。其中，担当无功补偿和谐波治理任务的正是。曩

31、、圈上海电网黄浦分区±外观、阀组及控制柜图为上海市电力公司组织的“上海电网黄浦分区±示范工程”的装置外观、阀组及控制柜实拍图，该项目为国家电网公司重点科技项目。于年月通过正式验收，装置整体达到国际先进水平装置投入后提高了电压稳定性（最低电压平均升高，稳态电压升高）；能够有效地防止大规模甩负荷和电网电压崩溃；降低网损（线损率降低，每月平均节损万度）取得了较好的经济效益和社会效益。的基本原理是利用可关断大功率电力电子器件（如）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无

32、功电流，实现动态无功补偿的目的。按照所采用的桥式电路的不同可以大致分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。其电路基本结构分别如图）和）所示，电压型桥式电路采用电容作为储能元件而电流型桥式电路则采用电感作为直流删的储能元件。对电压型桥式电路，还需再串联上连接电抗器才能并入电网：对电流型桥式电路，还需在交流西南交通大学硕士研究生学位论文第页侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。目前，由于运行效率的原因投入实用的大都采用电压型桥式电路，下面就以基于这种电路结构的为例来说明其工作原理。巫丕不：本本丕厂上、上上厂广广；土玉厶土厶）采用电压型桥式电路）采用电流型桥式电路图叮电路基本结构示意图如上图所示

33、，由和反并联二极管组成的电压型桥式电路构成了一个电压源型变换器，通过连接电抗（或变压器）接入系统，直流侧是作为储能元件的电容器。设电网电压和输出的交流电压分别为吼和玩，则连接电抗上的电压吼即为晚和玩的相量差。运行模式波形说明空载导如果，不起任何补偿作用感性氮高如果，输出的无功电流滞后电网电压，发出感性无功。且其无功可连续调节如果，输出的无容性；。功电流超前电网电压，发出容性无功，且其无功可连续调节图运行模式示意图西南交通大学硕士研究生学位论文第页如图所示，理想情况下即忽略线路阻抗和的损耗，氓和旺相位一致，当阢矽，时，处于空载模式，系统与之间的电流为，不交换无功功率；当吹以时，从系统流向的电流相

34、位超前系统电压。，工作于“容性”区，输出感性无功；反之，当呶吐时，从系统流向的电流相位滞后系统。工作于“感性区，吸收感性无功；由此可见，输出无功功率的极性和大小决定于阢和以的大小，通过控制，的大小就可以连续调节发出或吸收无功的多少。在电力系统中的作用是目前实际投入电力系统使用的最先进的装置之一。代表着柔性交流输电技术的最新发展方向。它的功能非常强大，对系统的改善效果十分明显。通过在系统适当位置安装可以达到以下目的：）稳定弱系统电压；）减少传输损耗；）提高传输容量，使现有电网发挥最大效率；）提高系统稳定极限；）增加系统阻尼；）缓冲功率振荡；）提高系统功率因数；）抑制电压波动及闪变；消除谐波；）抑

35、制三相不平衡；）增强潮流控制的灵活性；与的比较是基于电压源型变流器的补偿装置，实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。不仅与传统的无功补偿装置相比具有优势，与同属于并联补偿装置的相比较，其优势也是相当明显的：响应速度更快可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。图所示为日本电热委员会实测的闪变补偿效果与补偿容量和响应时间的曲西南交通大学硕士研究生学位论文第页线。在相同的补偿容量下，响应时间越小腓、偿装置对电压闪变的补偿效果越好；在同等闪

36、变抑制要求下，响应时间越小的补偿装置所需要的补偿容量也越小。如果装置响应速度慢，不仅对闪变抑制不起作用，还可能加剧系统电压闪变。图闪变补偿效果与补偿容量和响应时间曲线闭环响应时间约，而闭环响应时间约为。受响应时间限制，抑制电压闪变的能力很有限。则是非常有效的抑制电压闪变的措施。国际大电网（）早在几年前就做出结论：的无功调整速度太慢，抑制电压闪变的能力非常有限，即使增大容量也无济于事；而的无功调整速度很快，抑制电压闪变的能力比强倍。运行范围更宽比的运行范围宽很多，能够在额定感性到额定容性的范围内工作，且其输出的补偿电流不受母线电压影响。而具有阻抗型特性，输出的补偿电流随母线电压线性降低。当和用于

37、对系统电压进行控制时，显然更具优势，因为系统电压越低，越需要动态无功支撑电压，可玎输出无功电流与系统电压没有关系，在系统电压变低时，还能够输出与额定工况相近的无功电流，但是当系统电压变低时，输出无功电流的能力却随之下降。图为和补偿的电压电流特性比较。由图中可看出，的无功电流输出能力与系统电压无关，而的补偿容量随着系统电压的下降而急剧下降。西南交通大学硕士研究生学位论文第页系统电压图与运行范围对比图具备较强的短时过载能力，不具备任何过载能力具备很强的过载能力，可用于一些偶发性的冲击或干扰补偿，例如系统扰动后的电压恢复、配电网内故障引起的电压暂降补偿等，而不具备任何过载能力。可短时输出有功功率的直

38、流侧安装储能装置后，不仅可以调节系统无功功率，还能够在一定范围内调节系统有功功率，减少有功功率冲击，还可与组成统一潮流控制器，控制系统潮流方向。这一特点，对于提高系统的安全稳定性具有重要的意义，而只能提供无功功率，不具备提供有功功率的功能。谐波特性好内部拓扑结构和所采用的技术，不仅令自身产生的谐波含量非常低，而且还能够对负载的谐波进行补偿，实现有源滤波的功能。而需要配置固定电容器和固定电抗器组成的滤波支路来滤除谐波，不仅会增加投资而且有发生谐振的可能。运行成本低的等效运行损耗大大小于，运行耗电量也远低于，节能效果显著，运行维护费用较低左右。占地面积小图为同等补偿容量的与占地面积的示意图。西南交

39、通大学硕士研究生学位论文第页圈同等容量与占地面积比较图从图中可以清楚的看到，由于无需高压大容量的电容器和电抗器做储能元件，的占地面积较相同容量小得多（约）。在场地建设和基础设施投资方面的经济优势比较突出。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章滑模变结构控制理论与微分几何法滑模变结构控制理论变结构控制理论的发展历史变结构控制理论诞生于前苏联。五十年代前苏联学者首先提出了变结构控制系统的概念，并且逐步形成了控制系统的综合方法，等在此基础上进一步发展、完善了变结构控制理论使得变结构控制理论成为控制科学中的一个重要的分支。七十年代中期，欧美学者开始研究这一理论。八十年代中，此理论引起了我国学者的重视，

40、高为炳教授的专著变结构控制理论基础是我国在变结构控制领域的经典之作【】。在变结构产生与发展的这多年中，根据的看法，变结构系统的研究历史可以划分为三个阶段【】：）从滑模变结构控制理论的诞生到单输人控制系统的时期（）这期间的研究主要是由前苏联学者集中在规范空间中进行的。）多输入多输出系统的滑模变结构控制阶段（卜）在这一期间，一般线性系统的滑动模态控制得到了进一步确立。）高速发展的现阶段（年之后）进入八十年代以来，人们所面对的控制对象越来越复杂，在控制鲁棒性和快速性等方面要求越来越高，变结构控制理论以其强鲁棒性、对加给系统的干扰和系统的摄动具有完全的自适应性等优点得到广泛关注，因此得以迅速发展。滑模

41、变结构的相关概念变结构：如果存在一个或几个切换函数，当系统的状态达到切换函数值时，系统从一个结构自动转换成另一个确定的结构，那么这种系统称之为变结构系统。这里的系统结构指的是由一组数学方程所描述的模型，系统有几种不同结构，就是说他有几种不同数学表达式的模型。滑模变结构：是一类特殊的变结构系统。其特殊之处在于，系统的控制有切换，而且在切换面上系统将会沿着固定的轨迹产生滑动运动。这类特殊的变结构系统，叫滑模变结构。滑模变结构控制：是一种采用滑模变结构理论综合控制系统的方法，变结构控制系统的运动过程可以看作是由两部分组成，即由两个阶段的运动组成。第一阶段是正常运动，它全部位于切换面之外，或有限次穿越

42、切换面，第二阶段是滑动模态，完全西南交通大学硕士研究生学位论文第页位于切换面上的滑动模态区内。这里的滑动模态指的是一种运动，也叫滑动运动。设有个超面，也可以是超平面，或总称流形，记为，在于维空间疗中，可以是（，）维的超平面（），（）也可以是（力一脚）维的超平面（）（）式中为阵，或记为墨（），。总之，子空间流形可以表示为：滑动模态是动态系统：（）（，），”中发生在流形上的那一类运动。滑模变结构控制的三要素（）（）存在性，可达性，以及稳定性构成了滑模变结构的三要素。存在性：滑模变结构控制的存在条件可以用下式表示：箩，（）或西（）式（）与式（）可以比较直观的理解为，当状态点位于的区域时，若的导数（相当于速度）的方向，也就是，则状态点将向这个滑动面移动，当到达了区域时，若则也可以将状态点拉回滑动面，反之，若不满足以上的条件，则状态点有可能无法回到滑动面。可达性：可达性条件可以由趋近律保证，不同的趋近律对应不同的运动形式，相应的也会得到不同的动态品质。经常被使用的趋近率有以下三种：）等速趋近率一占（）指数趋近律一髂，（）幂次趋近律。，（）稳定性问题：在控制不受限的情况下，滑模变结构控制系统是可以保证全局渐进稳定的。但是当控制受限时，任何控制系统都是局部有条件稳定的，滑模变结构控制系统也存在着稳定域问题。在控制受限情况下，状态空间中只有满足一定条件的点才能在控制律的作用下进入