如何利用IPC提高电力系统运行稳定性论文

摘要PAGEIVPAGEIII摘要随着社会对电能的需求日益增长，电力系统的规模不断扩大，但资金、地理环境等因素的限制在原有网络难以建设新的输电线路，致使有的输电线路在接近于极限附近运行，不利于系统的稳定运行。近年来，随着电力电子技术的发展而出现的灵活交流输电系统（FlexibleACTransmissionSystem，FACTS）技术能够对电网进行改造和控制，提高输电线路的输送能力，为解决此类问题提出了有效的手段。相间功率控制器(InterphasePowerController，IPC)被电力工作者认为是当前最适合开发应用的FACTS设备之一,它通过等效改变线路的电抗、移相角等参数改变线路的输送能力，在增加线路的传输功率、增强线路潮流的可控性、限制短路电流等方面都具有优良的特性。我国的远距离输电较多，而且电网结构相对比较薄弱，开展如何利用IPC提高系统运行稳定性具有重要的意义。本文在介绍IPC基本结构的基础上，阐述了IPC潮流控制的基本原理；说明可以通过晶闸管触发控制IPC的电感和电容支路构成TCIPC，并建立了TCIPC在dq0坐标下控制功率与晶闸管触发延迟角之间关系的数学模型。依据TCIPC功角特性说明了调节IPC电感支路参数可以控制联络线传输功率达到改善系统稳定性的机理。根据TCIPC的PI控制的基本原理和TCIPC的感抗参数与联络线传输功率的关系，以电流作为TCIPC晶闸管触发控制的同步信号，将感抗期望值作为该控制器的参考信号，设计了TCIPC触发角校正的PI定阻抗控制器；并搭建了带IPC简单系统模型进行仿真。仿真结果验证了该控制器的有效性，并说明通过对TCIPC感抗的控制，可以改善带IPC系统的暂态稳定性。分析了调谐型IPC与非调谐型IPC的功率调节能力，基于微分几何理论的状态反馈精确线性化方法将带调谐型IPC的简单系统非线性状态方程进行精确线性化，并在此基础上设计了TCIPC的非线性最优控制器。仿真结果表明该控制方法与传统的PI控制相比，系统的阻尼性能增强，能够抑制系统的功角振荡，可以较大幅度的提高系统的暂态稳定性。关键词：相间功率控制器；PI控制器；非线性最优控制；暂态稳定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目录PAGEV目录摘要 IAbstract III第1章绪论 11.1课题研究的目的和意义 11.2提高传输容量的研究现状 31.2.1决定传输容量的因素 31.2.2电力系统的稳定性 41.2.3提高电网传输容量的措施 51.3FACTS技术的发展概况 81.3.1FACTS概念的提出 81.3.2FACTS控制器的分类 91.4相间功率控制器（IPC）国内外研究现状 91.5本文的主要研究内容 11第2章相间功率控制器的潮流控制机理 132.1引言 132.2IPC基本工作原理 142.2.1IPC基本结构 142.2.2IPC的潮流控制 142.3可控相间功率控制器（TCIPC）的基本工作原理 162.3.1TCIPC的基本结构模型 172.3.2TCIPC在dq0坐标下的数学模型 182.4本章小结 20第3章TCIPC提高系统稳定性的研究 213.1引言 213.2TCIPC对系统稳定性影响分析 213.2.1可控相间功率控制器的基本结构原理 213.2.2TCIPC改善系统稳定性机理 233.3本章小结 24第4章提高系统稳定性的TCIPC阻抗控制器设计 254.1引言 254.1.1线性控制策略分析 254.1.2非线性控制策略分析 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常规PI阻抗控制原理 284.2.3TCIPC触发角校正的PI阻抗控制原理 294.3算例分析 314.3.1感抗发生阶跃变化 314.3.2三相短路 324.4本章小结 35第5章调谐型TCIPC非线性最优控制器的设计 365.1引言 365.2基于微分几何理论的状态反馈精确线性化方法 375.2.1非线性系统的关系度等于系统阶数的线性化设计原理 375.2.2一般情况下的非线性系统的线性化设计原理 395.3调谐型TCIPC非线性最优控制器设计 445.3.1调谐型与非调谐型IPC功率控制特性比较 445.3.2调谐型TCIPC仿射非线性系统模型 475.3.3基于反馈精确线性化方法的调谐型TCIPC非线性控制模型 495.3.4最优控制器设计 515.3.5控制器最优性讨论 535.4算例分析 545.5本章小结 55结论 56参考文献 58攻读学位期间取得的研究成果及发表的学术论文 63致谢 64第1章绪论6465-第1章绪论1.1课题研究的目的和意义进入二十一世纪以来，随着工业自动化的突飞猛进的发展，电力行业也发生了巨大的变化。与上个世纪相比，用户对电力的需求增加了，与此同时，火力发电、水力发电、核能发电已经不是唯一的发电方式，风电、太阳能发电，由于实用化程度不断提高，得到了越来越广泛的应用；其次，高压、特高压输电和机组容量的加大提高了能源的利用效率；再次，各大电网间的互联提高了能源利用效率和输电可靠性。总而言之，高电压、远距离输电、大规模的互联电网已经成为了现代电力系统的最重要特征之一[1]。电网互联所组成的大型电力系统不管从经济方面，资源的优化配置方面还是环保方面都带来了效益。首先，电网互联对能源的远距离传输奠定了基础。由于电能的生产地和负荷中心之间存在地理位置上的差距，使得传输电能成为生产生活的客观需求。其次，由于现代工业化进程的发展，自动化程度越来越高，一些人工智能、计算机系统等先进技术尤其是电力电子设备的广泛采用，不仅给电能质量带来了不利的影响，对供电可靠性也造成了威胁。与此同时，虽然现代电网的运行技术有了很大提高，但依旧不能避免会发生大电网瓦解性的崩溃事故。通过互联电网的适时调整控制，这种互联的输电网能够在电能生产和电能用户之间架起一座和平桥。在输电网络进行互联后，不仅能够保证经济发达地区和能源稀少地区的用电，而且还能够在发生电能紧张情况下实现异地电源与用电用户间的相互支援，例如，我国每年的7~9月份的夏季家庭用电高峰期，浙江、江苏、上海等省市通过向邻近的安徽、四川、湖北等省份购电，缓解了用电高峰时段电力供应不足的现状。第三，电网互联能够在资源的优化配置上带来的经济效益是多方面的。电网互联后能够充分利用成本较低的发电资源和采用较高效率的大型发电机组，这样可以使发电成本最小化；通过加强电力供需平衡的分析和预测，能够做好电网错峰、水火电互补、功率紧急支援等，实现电力需求平衡调度；电网互联后有利于安排发电机组和供电设备检修，提高电力系统的运行灵活性和抗冲击的能力。第四，电网互联为电力市场改革奠定了物质基础。电能是通过电网进行流通的，所以通过电网才能够进行电力的交易。电网互联是实现电力市场改革的必然要求。第五，由于火电这种发电方式，排放出的有害气体，会对环境造成很大影响。电网进行互联后，用户可以选择相对环保清洁的风力发电、水利发电等发电方式，这样不仅降低了发电成本还带来了巨大的环保效益[2]。由于电网互联存在如此显著的优势，所以电网互联已经成为了世界各国电力系统的共同发展方向。目前，电网互联已经不仅仅局限于一个国家的内部了，许多国家与国家之间，甚至各洲际板块之间也进行了电网互联。例如，早些年西欧各国400kV电网互联之后，近年来又通过两条容量为200MW的直流输电线路跨海与英国400kV系统相连，就此西欧十一国的大互联电网已经基本形成；此后东欧的互联电网又通过在奥地利的杜埃诺尔变电站与西欧大互联电网联系在一起；美国在已有的由2021多个电力公司构成的东部、西部和德克萨斯洲三个互联系统的基础上，与墨西哥、加拿大的加利福尼亚半岛进行互联，组成了一个非常复杂、庞大的北美联合电力系统[3,4]。我国幅员辽阔，各区域的能源分布、电源结构、经济发展不平衡。产生电能的煤炭资源及水利资源大多分布在我国的西部与北部地区，而用电负荷主要集中在中东南部以及沿海地区，这就使得跨区域的电网互联形成和发展成为必然。随着华中与华北500kV交流联络线的建成，东北、华北、福建-华北、华中-华北、川渝-华中等七个跨省区的孤立的大区域电网的联网的组成，标志着我国的超大规模跨区交流同步互联电网已经基本形成。电网互联所组成的大型电力系统具有经济性、优越的技术性能和环境保护性能，在工程中得到了广泛的应用。电力网络互联在给电力系统带来如此多的好处的同时也附带了一些具有挑战性的问题，如：电力网络进行互联后，若没有合适的控制，就不能保证系统的发电与传输间的平衡；在系统运行复杂的背后，过多的无功功率充斥着系统的不同部分，这会导致各个部分的动态波动的相互影响，使得系统出现稳定性的问题；电网互联使输电系统的复杂程度越来越高，情况也越来越复杂，运行中容易出现联络线功率波动、事故的连锁反应、环流等问题，这给电力系统的稳定运行与控制带来了困难。如发生在美加电网的“8.14”大停电，这次停电事故包括100多个发电厂，22个核电厂，几十条高压输电线路雪崩似的停运，50万人被困，直接造成了高达数百亿美元的经济损失。因此，面对电网互联出现的这些问题，必须采取新的技术措施，提高控制装置的响应速度，使其能对系统的参数和网络结构进行快速调整，并且实时控制电网潮流的走向和分布，从而使电力系统的稳定性和线路的传输能力得到提高。1.2提高传输容量的研究现状1.2.1决定传输容量的因素电网的传输容量是指电网在一系列的约束条件下能够传输功率的能力。目前，影响电网传输容量的主要因素包括[5]：热稳定极限，设备绝缘限制，理想线路的极限传输功率以及电力系统的稳定性限制。（1）热稳定极限电力设备在运行中由于存在内部损耗，一般情况下会发热并升温，而且发热量随着载流量的增大而增加，如果载流量过大，温升达到其上限，就会破坏设备本身的机械和物理特性，使其不能正常工作。对有上限温升值的传输功率称为设备的热稳定极限。在电网中，主要是架空线的热容量限制传输容量。架空线的热容量是导线物理参数（尺寸、材料、分裂方式等）、风况、环境温度、运行历史和离地高度等多种因素的函数。目前，我国电力系统输电能力基本上不受热稳定水平的限制，系统传输的功率一般都在系统的热稳定极限范围内。（2）设备绝缘限制电力设备的耐压值都是有限的，在传输功率增加时，必须保证所有的电力设备无论是在稳定情况下还是暂态过程中都工作于允许电压限值以内（一般不超过额定值的10％）。通常电力设备的绝缘设计都会有较大的冗余，并且电网在运行时电压是严格限制的，因此稳态运行时一般不会超出电压限制。采用无缝避雷器和在变电所安装过压抑制器可以有效的提高线路和变电所的耐压水平。（3）理想线路的极限传输功率由式（1-1）可知，一条无损的理想线路上能流过的最大功率，即静态稳定极限功率为：（1-1）这时该线路两端节点电压的相位差为，可见极限传输功率与线路的等效阻抗成反比，通过调节等效阻抗可以改变传输功率极限值。（4）电力系统稳定性限制保持系统稳定是实现互联电网功率传输的基本条件，即正常运行条件下的平衡状态且在遭受干扰后能够恢复到允许的平衡状态。稳定是维持发电机同步运行的关键问题，即系统中所有的同步发电机在满足一定的电压、频率约束下能彼此保持同步运行；稳定是维持负荷两端的电压在其正常范围内，防止负荷电压崩溃。稳定性不仅包括稳定平衡和无扰动情况下维持正常运行的特性，也包括在各种扰动或者故障打破稳态平衡后系统重新恢复正常运行的能力。因为电力设备的热稳定水平和绝缘水平一般不会超过其极限值。长期以来，稳定性是限制电网传输容量最关键的因素，稳定性分析和控制成为国内外电力学者研究的核心课题之一。1.2.2电力系统的稳定性功角稳定性（1）静态稳定性静态稳定是电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。由于扰动足够小，可以采用近似线性化方法对系统进行分析。静态稳定可能产生两种形式的不稳定现象，一种是由于同步转矩不足使转子角持续增加而失去稳定，另外一种是由于缺乏阻尼转矩使转子角发生增幅振荡而失去稳定。（2）暂态稳定性暂态稳定性是电力系统遭受严重暂态扰动下还能保持同步运行的能力。由于发生的是大扰动，一般不能采用近似线性化分析方法，而考虑非线性功角关系。暂态稳定性由系统原来的运行方式、扰动的方式以及系统对扰动的响应方式决定。当系统发生扰动时，扰动的出现的概率以及严重程度都会在很大范围内变化。大扰动发生后，系统的保护装置会立刻动作，切除故障设备，甚至在紧急情况下切除机组或负荷，使系统的运行方式发生改变。（3）动态稳定性动态稳定性是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。一般系统出现振荡、失步的主要原因是系统阻尼不足。通常情况下，发电机的励磁系统控制不当，或者低频振荡的影响等因素都会使系统产生负阻尼，不利于系统的稳定运行。目前，采用合理的励磁控制策略或在发电机组上安装电力系统稳定器（PSS）等措施，使系统中的负阻尼减小，达到提高系统的动态稳定性的目的。电压稳定性电压稳定性是电力系统无论是在正常运行条件下还是在遭受扰动之后系统中所有母线的电压都能持续保持在可接受的水平上。电压稳定的核心问题是系统的无功功率特性。通常电压不稳定并不总单独发生，而是经常与功角不稳定同时发生。一种形式的不稳定可引起另一种形式的不稳定，而且区别可能并不明显。故深入理解功角稳定和电压稳定对于弄清楚问题的本质所在，以设计适当的运行方式和控制措施来提高系统稳定性是十分必要的。1.2.3提高电网传输容量的措施目前，建设新的输电线路是提高电力系统输电能力最直接的办法。但该方法受到资金、地理环境等因素的限制，而且架设新的输电线路，其施工周期也比较长。所以，针对我国现在的电网结构来说，必须采用新型技术手段对电网进行快速的、实时的调控，并合理优化系统的运行方式，这样就可以有效的增加电力系统的输电能力，成为研究的重要课题。对于提高电力系统输电能力的措施主要包括：一、采用新型输电技术；二、对电力系统相关元件进行更加准确合理的控制；三、改造制约输电能力的电气设备，如输电线路、安全自动装置等。采用新型输电技术新型输电技术主要包括高压直流输电技术（HVDC）和灵活交流输电技术（FACTS）。（1）高压直流输电技术高压直流输电系统由两个换流站、直流输电线路以及两个交流输电系统1和2组成。当系统1向系统2输送电能时，换流站工作于整流状态，将交流电变换为直流电，经直流线路传输到另一个换流站，此时换流站工作于逆变状态，使直流电变换成交流电输送到系统2。高压直流输电系统与交流输电系统相比最大的优势是，其不存在同步性要求和电力系统稳定性的问题，而且不必采用提高系统稳定性的措施，具有很好的技术和经济效益。另外，通过控制换流站内的换流器可以对直流电压和直流电流进行快速的调节，从而有效的控制直流系统输出的有功功率。当直流输电系统与交流输电系统并联运行时，由于直流输电系统可以迅速的控制和调整输出的有功功率，所以使电力系统整体的输电能力和稳定水平得到提高。例如，天广交直流混合系统的投入运行[6]，很好的体现了直流输电系统的优越性。（2）灵活交流输电技术灵活交流输电技术[7]是通过现代控制技术与电力电子技术的完美结合，实现对电力系统的参数的调节，从而改变电力系统潮流分布，可明显提高电力系统的传输能力和稳定水平。FACTS控制器是FACTS技术的核心，主要是指基于电力电子技术的系统或其他的静态的设备，使其能够控制交流输电系统的某个或某些参数。改善对电力系统元件的控制水平（1）励磁控制为了提高电力系统运行稳定性，可以采用励磁控制方式对同步发电机的磁场进行调节。目前，励磁控制方式已经从传统的线性励磁方式发展到非线性励磁和智能励磁方式[8]。线性励磁控制虽然原理简单、易于实现，但当系统发生扰动时却不能有效的提高系统的稳定性和改善系统的动态品质。非线性励磁控制和智能励磁控制能够适应系统各种运行方式的变化，而且控制能力优于线性励磁控制。因此，非线性励磁控制和智能励磁控制的应用已经成为励磁控制方式发展的必然趋势。（2）FACTS控制最初，线性控制方法常被应用于FACTS控制策略中，线性控制器最主要的缺点是控制的稳定范围小，对非线性系统在运行状态变化时适应性、鲁棒性较差。而非线性控制和智能控制作为最近几年快速发展起来的控制方法，可有效的弥补线性控制策略的这些缺点和不足。在FACTS控制系统中应用较多的非线性控制策略有：微分几何方法、直接反馈线性化方法、李雅普诺夫方法、逆系统方法、变结构控制、非线性自适应控制等。这些控制方法理论上虽然比传统的FACTS线性控制策略先进许多，但应用它们的前提是必须要建立电力系统的精确的数学模型，而电力系统是典型的复杂的非线性系统，因此要推导出系统精确的数学模型并不容易。而智能控制方法的出现，解决了这一难题，在FACTS控制系统中得到广泛应用。由于新型控制策略的出现与应用，使得FACTS装置能更为有效的提高电力系统输电能力和稳定水平。改造输电设备输电线路是电力系统输送功率的关键元件。可以将紧凑型输电技术应用到即将建设的输电线路上。其不但可以节约输电走廊、减少工程投资还可减小线路等效电抗，从而使功率传输能力增强[9,10]。而对于已建设的输电线路来说，可采用静态增容和动态增容措施来使线路的功率传输能力增强。（1）静态增容法所谓静态增容方法，就是通过提高导线最高允许运行温度使线路的正常输电能力得到提高。可根据耐热导线本身的材料特性，使得电能可以大容量的被传输而不致产生热稳定的问题，从而提高线路的传输能力，这样的方法是利用耐热导线使线路的正常输电能力得到提高。但是采用此方法有一定的弊端，例如运行费用较高、线损大等问题[11]。而另一种方法是直接提高导线允许运行温度，但必须保证当常规的输电线路允许运行温度由70℃上升到80℃时，配套金具的握力和导线强度仍在允许范围内[12,13]，这时输电容量可明显得到提高。因此，目前这种方法已在实际工程中得到广泛应用。（2）动态增容法在确保线路安全稳定运行的基础上，实时测量各种可影响系统线路的输送能力的环境因素，对输电线路的实际功率进行动态的确定，这种充分利用线路的输电能力的方法被称为动态增容法[14,15]。而其在热容等级的计算精度和数学模型的选用方面还有待于进行进一步的研究。另外，可以通过提高安全自动装置和继电保护设备的性能，使其能够更迅速的切除故障，达到提高线路的输电能力和改善系统稳定性的目的。电力系统稳定性实质上是功率的平衡，因此传统的潮流控制的方法，如架设新的输电线路、串联阻抗补偿、采用移相器、在线路中间采用并联无功补偿等都可以用于提高系统稳定性。但电力系统的稳定性其实是一种动态特性，需要通过快速的调节潮流使系统稳定性得到提高。因此，一些响应速度慢或者不能动态、连续的潮流控制方法，对系统稳定性的作用会受到限制。如机械开关投切式并联补偿电容器，因为不能实现动态、连续的调节，所以它在提高电力系统振荡稳定性方面的作用就非常有限。总之，传统的机械式解决方法，在提高系统的稳定性和潮流控制的灵活性等方面受到限制，使得电力设备的输电能力难以充分利用。因此，灵活交流输电技术为上述出现的问题提供了有效的解决途径。1.3FACTS技术的发展概况1.3.1FACTS概念的提出1986年，美国电力科学院副总裁NarainG.Hingorani博士将FACTS作为一个完整的技术概念在美国电力科学院杂志上提出来。FACTS技术是基于电力电子技术或其它静态控制器以提高系统的稳定性、潮流及传送容量的可控性的交流输电系统。通过控制和电力电子技术对电力系统中的阻抗、功角和电压进行实时控制。这一技术的本质是把电力系统中传统的元器件的机械开关用大功率可控硅元件代替，因此使线路阻抗、电压和功率角这三个主要电气参数能够快速、适时的调节，从而改变系统的潮流分布。通过FACTS技术能够提高网络中的功率输送能力、增强控制电压和潮流的能力，并且最突出优点是这些都不会改变网络结构参数。FACTS首次从整体上作为一种技术概念被提出，因给电力系统的发展带来了前所未有的契机，从而立即受到广大的电力界工作者的高度重视。1.3.2FACTS控制器的分类FACTS控制器在历经四十余年的发展后，其家族成员的队伍越来越壮大。根据FACTS控制与电网中能量传输的方向是串联或并联关系，将其可以分为四种类型：串联型控制器：控制器与线路串联，可以等效为一个与线路串联的电压源，电压源输出无功功率甚至有功功率，功率的大小通过调节电压的相位和幅值来改变，并且直接就能够改变线路的等效参数（阻抗），例如相间功率控制器（InterphasePowerController，IPC），可控串联补偿器（ThyristorControlledSeriesCompensation，TCSC），静止同步串联补偿器（StaticSynchronousSeriesCompensator，SSSC）等；并联型控制器：可以等效为一个并联连接点处的电流源，通过调节电流的幅值和相位来改变电流源输出的有功功率和无功功率的大小，间接起到调节节点电压和功率的作用，从而可以对电网的潮流分布进行调整，如静止无功功率补偿器（StaticVarCompensator，SVC），静止无功发生/吸收器（StaticVarGenerator，SVG）；串联-串联组合控制器：将多个独立的串联型的FACTS控制器组合而成或者将不同回路上的串联型FACTS控制器的变换器的直流侧连接在一起，这样既可以调节有功功率的传输也可以平衡有功功率的分配，使得多回路的有功和无功潮流平衡，如电力潮流控制器（InterlinePowerFlowControlle，IPFC）；串联-并联组合型控制器：将独立的串联型FACTS控制器和并联型FACTS控制器组合起来或者将二者的直流侧连接，串联型部分向线路注入电压，并联型部分向线路注入电流，并且有功功率可以通过连接部分交换，如统一潮流控制器（UnifedPowerFlowController，UPFC），晶闸管控制电压调节器（ThyristorControlledVoltageRegulator，TCVR）等。基于这四种控制器是FACTS控制器的基本类型，更为复杂的FACTS控制器均由这四种控制器结合而成。1.4相间功率控制器（IPC）国内外研究现状相间功率控制器（InterphasePowerController，IPC）是一种新型的串联型的FACTS控制器。IPC的单相通用模型是由电感和电容分别连接能够将电压的相位转换一定角度的移相器后组成的并联电路，通过机械开关或者电力电子器件调节IPC的感抗和容抗，可以对线路的有功功率和无功功率进行控制。文献[16]通过含相间功率控制器的原理图的网络电路模型，借助网络解析的方法，推导出送端出口电压和受端出口电压，送端电网、联络线及受端电网的相电流，电感器和电容器两端的电压相对于IPC的电感、电容参数值，以及IPC送端、受端电网戴维南等值参数的关系式。并通过这些关系式，对含相间功率控制器的线路的短路和断路的故障情况进行了分析，分析表明在短路故障情况下，IPC具有的高阻抗特性能够限制短路电流，有效的进行电压解耦。在断路情况下，IPC会进入串联谐振状态，电容和电感上会出现严重的过电压现象。只有选择合理的电容、电感元件参数值，才能使IPC的优良特性得到发挥，若参数选取不当，虽然能够实现IPC隔离故障的特性，但同时会给正常运行的电力系统出现过电压现象。文献[17]以具体的相间功率控制器的基本结构为基础，利用MATLAB/SIMULINK对带IPC弱联系的两侧电网进行仿真分析。仿真结果表明：正常运行时，通过调节电感、电容参数值的大小，可以改变联络线的潮流。在扰动情况下，当IPC连接的受端电网发生短路时，IPC具有电压解耦、隔离两互联电网的优良特性。文献[18,19]对IPC连接于交流互联电网之间的参数选取和参数选取时刻的问题进行了深入研究。文献[20]中根据相间功率控制器的电感和电容的工频阻抗值是否形成共轭对，将IPC分为调谐型与非调谐型IPC两种类型。文献[21]中阐述了当变压器的接线方式不同时，将引起移相角的不同。可以将调谐型相间功率控制器分为IPC120型和IPC240型。文中以IPC120为例，说明了当调谐型IPC两侧功角在±25°范围内变化时，受端的有功功率具有很强的鲁棒性，并且具有很好的限制短路电流、电压解耦等特性。并通过仿真分析表明，线路的串补度越高，相间功率控制器越能体现出有功功率的鲁棒性。文献[22]介绍了电压注入型IPC，它是一种新型的相间功率控制器。与传统的相间功率控制器相比，电压注入型的IPC需要的电感、电容、移相器等器件的容量小，并且损耗低。同时，其工作点可以通过改变电感和电容的内部移相角来进行调节，所以电压注入型IPC在运行过程中具有更好的灵活性。文献[23]分析了非调谐型相间功率控制器的结构和基本原理，将非调谐型IPC应用已有的移相器进行改造，分为并联电感型和并联电容型IPC。并阐述了非调谐型的相间功控制器不但可以节省设备的投资、简化维修和运行，而且并联电容型相间功率控制器还可以提高输电能力，降低线路损耗。文献[24]介绍了将IPC的感抗和容抗分别进行晶闸管的触发控制，则可以构成可控相间功率控制器（TCIPC），通过控制晶闸管的触发延迟角，可以等效的改变其感抗和容抗参数，从而连续的、动态的控制联络线潮流。文献[25]依据IPC的功角特性，分析了参数可调控的IPC对于加强联络线潮流的稳定性较有效，但尚未提出具体的控制策略。文献[26]阐述了相间功率控制器的“控方主导”特性，并借助仿真工具说明了IPC的控方主导特性可以有效控制联络线潮流变化，且当受控方电网发生短路故障时基本不会影响到控方电网。文献[27]在相间功率控制器的末端安装一个接地电阻，通过调节接地电阻阻抗参数，可以改善通过IPC输出的功率，从而降低在上述情况下出现的过电压。到目前为止，国外已经研制出了世界上第一台IPC的实际装置，并已实际安装和投入运行。文献[28]介绍了安装在美国的VELCO（VermontElectricCompany）和NYPA(NewYorkPowerAuthority)之间的115kV线路上的相间功率控制器，这台相间功率控制器是通过高压电感器并联线路中已有的移相变压器而形成的。这是相间功率控制器第一次安装在实际工程中，并且IPC投运后,线路传输功率定值从199MW提高到249MW。1.5本文的主要研究内容国内外对相间功率控制器所做的许多的研究工作都证明了相间功率控制器具有增加线路传输功率、增强线路潮流的可控性、限制短路电流和电压解耦等优良特性。目前，对IPC的研究主要集中在其运行特性的研究上，而对其如何控制参数改善系统稳定性的控制器设计方面的研究相对较少。本文基于含IPC互联电网的基本结构模型，着眼于可控相间功率控制器（TCIPC）提高系统稳定性控制方法的研究。主要研究内容如下：（1）基于IPC简化模型分析潮流控制的机理。将电力电子器件晶闸管应用于IPC的电感和电容支路构成可控相间功率控制器(TCIPC)。基于TCIPC的结构和工作原理，建立了TCIPC在dq0坐标下的数学模型。（2）基于TCIPC的基本结构原理，指出TCIPC可以等效成电压控制的电流源。并根据简单系统的功角特性曲线说明了调节IPC电感支路参数可以控制联络线传输功率达到改善系统稳定性的机理。（3）根据TCIPC的PI控制基本原理，基于TCIPC的感抗参数与联络线传输功率的关系，设计了TCIPC触发角校正的PI定阻抗控制器；并搭建带IPC的单机无穷大系统模型进行仿真。结果表明：通过对TCIPC感抗参数的控制，可以改善带IPC系统的暂态稳定性。（4）着重研究了调谐型TCIPC非线性控制策略。首先，采用状态反馈精确线性化方法将电力系统非线性状态方程精确线性化为一个线性方程；其次，应用线性最优控制方法，设计了TCIPC非线性最优控制器。并搭建同一单机无穷大系统进行仿真，与传统的PI控制相对比，基于状态反馈精确线性化方法的最优控制器使系统的阻尼性能增强，并可以较明显地提高系统的暂态稳定性。第2章相间功率控制器的潮流控制机理第2章相间功率控制器的潮流控制机理2.1引言经过100多年的发展，现代电力系统与早期相比，已经发生了巨大的变化。世界上已经形成了多个横跨多国的超大规模电网。目前我国已经完成了东北、华北、福建-华北、华中-华北、川渝-华中等七个跨省区电网的互联，随着“西电东送、全国联网”战略的实施，将进一步与西北、新疆、西藏等电网连接，形成全国联网的巨型电力系统。电网互联的诸多优势已得到了充分的论证，但电网互联依然存在着联络线功率波动、连锁反应的事故波及等问题，应引起电力工作者的高度重视。随着电力电子技术和控制技术的发展，出现了灵活交流输电（FACTS）技术，可以有效解决上述问题的技术[29,30]。串联补偿技术作为FACTS的一种组成部分，与并联补偿相比具有以下优点：首先串联补偿由于可以直接改变线路的等效阻抗，可以很显著的提高输电线路的传输能力。在减小线路有效电抗和增加有功功率的同时，会产生通过电流而增加的无功功率。其次，串联补偿由于可以针对特定的用户进行潮流和电压的调节，故适合用于特定用户的补偿。再者，由于串联补偿的设备对安装地点没有特定的要求，故安装成本要低于并联补偿的设备。因此在国外的一些典型输电工程中，串联补偿技术得到了广泛的应用。如在20世纪90年代初，美国西部电力公司为了提高输电线路的传输能力，将一个三相的串联补偿装置（ThyristorControlledSeriesCompensation，TCSC）安装在连接Ganyon发电厂和Shiprock变电所之间的一条230kV的输电线上。TCSC投入运行后，输电线的传输能力提高约100MW。我国要想大力发展超高压、远距离、大规模的电网互联，可以吸取国外的成功经验，采用串联补偿技术来提高线路的输电能力，降低工程投资。相间功率控制器（IPC）作为一种新型串联FACTS器件，具有许多优良的特性，而且控制策略简单[31]，已经成为电网互联最适宜的控制器之一。通过调节相间功率控制器各个元件的参数来改变网络的结构和运行参数。从而使联络线潮流也发生了相应的改变，因此相间功率控制器特别适用于改变电网潮流的分布和进行大区域电网的交流互联[32]。2.2IPC基本工作原理2.2.1IPC基本结构相间功率控制器的单相通用等值电路如图2-1所示。它包括一组并联的感抗和容抗支路，而感抗和容抗支路分别受控于移相角为、的移相器。如果电感和电容支路的工频阻抗是共轭关系则构成调谐型IPC，也可以这两个支路的工频阻抗的绝对值不相等则构成非调谐型IPC。相间功率控制器移相角、电感和电容参数可按具体运行条件进行取值，从而组成不同类型的相间功率控制器。其中对于特定类型的相间功率控制器的移相角、是确定的，例如IPC240,；IPC120，。图2-1IPC单相通用等值电路图2-1中，和分别为相间功率控制器电感元件支路和电容元件支路的移相角，其余参数均与上面相同。2.2.2IPC的潮流控制利用图2-1所示的单相通用等值电路图可以推导出经由相间功率控制器传输的受端电网的有功功率和无功功率为式（2-1）和式（2-2）：（2-1）（2-2）从式（2-1）~（2-2）可以看出，经由相间功率控制器向受端输送的有功功率和无功功率与IPC中的电感、电容等效阻抗成反比，与移相角和两端电压相角差呈三角函数关系，因此如果要对联络线的潮流进行控制可以调节相间功率控制器的电感、电容和移相角这四个参数[33]。若，则式（2-1）和（2-2）可以简化为：（2-3）（2-4）从式（2-3）和（2-4）可知，若，相间功率控制器向受端电网输送的有功功率与相间功率控制器所在联络线的两端电压相角差呈余弦函数关系，传输的无功功率与两端电压相角差呈正弦函数关系[33]。当，式（2-3）可进一步简化，则可以得到通过相间功率控制器向受端电网输送的有功功率的最大值表达式：（2-5）而当时，输送的无功功率为零。由式（2-5）得出，当IPC两端电压相角差在以为中心，小范围内变化时，有功功率表达式中正弦值变化较小，所以通过IPC输送的有功功率基本上保持不变，具有很强的鲁棒性。以IPC120为例，若，其有功功率和无功功率特性曲线如图2-2和图2-3所示[34]。图2-2IPC的有功功率特性图2-3IPC的无功功率特性由图2-2和图2-3可以看出，当功角在±15°变化范围内，相间功率控制器向受端输送的有功功率基本不会变化，这体现了经IPC向受端电网输入有功功率的鲁棒性。同样当功角在这个角度范围内变化时，无功功率几乎成为一条斜线，这说明无功功率随着IPC两端功角的变化呈线性规律变化[34]，这使得无功功率控制具有灵活性。2.3可控相间功率控制器（TCIPC）的基本工作原理常规IPC对参数的调整方法是操作机械开关投切电感器、电容器的组数，来改变电感、电容元件的参数的大小，从而控制联络线上的潮流分布。但由于机械式开关的延时性，使IPC很难对系统进行连续、快速的控制。可控相间功率控制器（ThyristorControlledInterphasePowerController，TCIPC）是将电力电子器件晶闸管应用于IPC的电感、电容支路的产物。它通过控制晶闸管触发角的改变实现IPC内感抗和容抗的平滑控制。晶闸管的投入使得IPC可以实现对潮流的动态、连续控制。由于不采用传统的机械式投切方法，对电抗参数的控制同样可以满足速度的要求。2.3.1TCIPC的基本结构模型可控相间功率控制器（TCIPC）是将IPC的电感和电容支路分别由晶闸管进行触发控制。其中两个反并联的晶闸管与电感支路串联，通过连续调节晶闸管的触发延迟角，相当于改变电感支路的等效感抗值；通过晶闸管控制投切不同组数的电容器，相当于改变电容支路的等效容抗值[35]。图2-4为晶闸管触发控制的TCIPC结构模型。图2-4TCIPC的结构模型图图中，、分别是送端和受端的电压有效值。以作为参考向量，是超前的角度。、分别是可控相间功率控制器向受端输送的有功功率和无功功率。为联络线上的电流。、分别为可控相间功率控制器中与电感和电容串联的移相器的移相角。、分别为正向、反向导通的晶闸管。由文献[36]可知，晶闸管的触发延迟角与电纳之间的关系为：（2-6）由于TCIPC通过晶闸管的控制投切不同组数的电容器来等效的调节电容支路的容抗值，可以按照二进制方法来选择不同组成部分的电容器的容量，这样就可以对电容参数的调节接近无级调节。在这种方案中，选择电纳为的电容器为n-1个，而选择电纳为的电容器只有一个，这样就可以将电容器容量变化的总步数扩大为2n。TCIPC电容支路电容器投切组数与电纳之间的关系为[36]：（2-7）2.3.2TCIPC在dq0坐标下的数学模型通常对IPC参数的调节可以分为两种情况：一是同时调节IPC的电感和电容参数，使其工作于调谐状态；二是单独调节电感或者电容参数，使IPC在调节过程中工作于非调谐状态。第二种情况中，单独调节电容参数涉及电压及无功的变化，情况相对复杂。因此本文先由简入手，单独控制电感参数，控制联络线传输功率。带有TCIPC联络线连接的两侧电网结构如图2-5，两系统之间通过带TCIPC双回联络线相连，为双回输电线的等效电抗。图2-5带TCIPC联络线弱联系两侧电网等值电路图根据电路基本原理可以得出TCIPC电感支路电流、触发延迟角及端口电压等参数之间的如下关系表达式:（2-8）（2-9）（2-10）式中：，是电感、电容支路电流瞬时值；是联络线上的电流瞬时值；，是IPC入口电压经两个移相器后的移相电压瞬时值；是IPC出口与联络线连接处电压瞬时值；是受端电网电压的瞬时值；是TCIPC的晶闸管触发延迟角。将式（2-8）、(2-9)、（2-10）通过派克变换，得到如下表达式：（2-11）(2-12)（2-13）式中：，和，分别是电感支路电流和电容支路电流的d轴、q轴分量；、分别是联络线电流的d轴、q轴分量；、和、分别是IPC入口电压经移相器1和移相器2后的移相电压的d轴、q轴分量；、分别是IPC出口与联络线连接处电压的d轴、q轴分量；、分别是受端电网电压的d轴、q轴分量。有功功率在dq0坐标系的表达式为：（2-14）根据式(2-11)~（2-14），可以得到可控相间功率控制器（TCIPC）在dq0坐标下的控制功率与触发延迟角之间关系的数学模型。如图2-6所示：图2-6dq0坐标下TCIPC功率与触发延迟角之间关系的数学模型由图2-6可见，通过改变晶闸管的触发延迟角，可以有效地控制联络线传输的功率。2.4本章小结本章基于相间功率控制器的单相通用等值电路图分析了通过调节IPC电感、电容支路的参数进行潮流控制的基本原理。阐述了可控相间功率控制器（TCIPC）的基本结构，说明了通过调节晶闸管的触发延迟角可等效地控制电感支路的电抗参数；通过晶闸管控制投切不同组数的电容器可等效控制电容支路的电抗参数。基于带TCIPC联络线弱联系的两侧电网等值电路图，建立了TCIPC在dq0坐标下的控制功率与触发延迟角之间关系的数学模型，指出通过改变晶闸管的触发延迟角可有效地控制联络线传输的功率。第3章TCIPC提高系统稳定性的研究第3章TCIPC提高系统稳定性的研究3.1引言近年来，我国的经济水平增长迅速，电力工业自动化水平大大提高，远距离、大容量的输电已经成为必然。因此，现阶段迫切需要解决的问题是如何才能提高此类电力系统的稳定性和输电能力。可控相间功率控制器（TCIPC）可以通过等效的改变线路的电抗、移相角等参数改变线路的输送能力，对系统运行的稳定性具有一定的影响。3.2TCIPC对系统稳定性影响分析3.2.1可控相间功率控制器的基本结构原理相间功率控制器具有增强线路潮流的可控性和限制短路电流等特性，所以将其应用于电网互联具有一定的作用，同时对系统运行的稳定性也具有一定的影响。带有TCIPC联络线连接的两侧电网等值电路如图2-5所示。由图上可得流经双回输电线的电流与输电线两端的电压之间的关系表达式为(3-1)同时，流经双回输电线的电流又可以由流过IPC电感支路和电容支路的电流表示为（3-2）联立式（3-1）、（3-2），求解方程组，则可得（3-3）加装TCIPC后通过TCIPC流入线路的有功功率表达式为（3-4），功率特性曲线如图3-1所示（3-4）a)IPC有功功率特性曲线PP变小变小δδb)TCIPC有功功率特性曲线图3-1TCIPC功角特性曲线综合图3-1a)、b)可以看出，在TCIPC电容支路的电容参数和两个支路的移相角的值都是固定的情况下，TCIPC可以通过控制晶闸管触发角等效地减小电感支路的感抗提高功率传输极限。如第二章所述，通过改变晶闸管触发延迟角，可以有效地控制联络线功率。基于dq0坐标下功率与晶闸管触发延迟角之间关系的数学模型，可以得到功率与触发延迟角的对应关系，如图3-2。当TCIPC的电容参数两个移相角固定的情况下，随着晶闸管触发延迟角的增大有功功率会减小，可见有功功率和晶闸管触发延迟角呈反比例关系。当角为90度时有功功率的最大值接近角为0度时有功功率的最大值的一半。图3-2有功功率随触发角变化图若令,将式（3-3）代入式(3-2)可消去线路的阻抗，得流经双回输电线的电流为（3-5）由式（3-5）可见，可控相间功率控制器可以等效成电压控制的电流源[37]。同时，经TCIPC流入线路的有功功率可近似表示为（3-6）3.2.2TCIPC改善系统稳定性机理由以上分析可见，经带IPC的双回联络线连接后，忽略线路的有功功率损耗，输入受端电网的功率表达式可以近似如式（3-6）所示，极限功率与TCIPC的电感参数直接相关。如果在单机-无穷大系统双回输电线的始端配置可控相间功率控制器，根据式（3-6），其功角特性曲线近似如图3-3所示。假设正常运行时经IPC向系统输送的有功功率为P0，近似忽略电阻、风阻等损耗，P0应等于原动机输出功率，运行工作点如图中k点。系统正常运行时的功角曲线如图所示。若一回输电线的始端发生三相短路故障的同时，及时减小TCIPC的电感参数，依据等面积定则及TCIPC的功角特性曲线，虽然在故障期间加速面积无明显变化，但在故障切除后，减小IPC的电感参数后，功角曲线变为如图所示。此时最大可能的减速面积为ach围成的阴影面积。与TCIPC参数未发生变化时围成的减速面积abd相比有明显的增大，增大的程度与调节的参数大小有关，所以控制TCIPC参数能够改善系统运行的稳定性。图3-3简单系统的功率特性曲线从以上分析可以看出，通过调节TCIPC的感抗参数，可以提高系统的暂态稳定性。而调节TCIPC的感抗参数需要对晶闸管进行触发控制，设计TCIPC的阻抗控制方式。3.3本章小结本章基于TCIPC的基本结构原理，指出TCIPC可等效成电压控制的电流源。并根据简单系统的功角曲线说明了调节TCIPC电感参数可以控制联络线传输功率达到改善系统稳定性的机理。第4章提高系统稳定性的TCIPC阻抗控制器的设计第4章提高系统稳定性的TCIPC阻抗控制器设计4.1引言 电力系统是一个典型的非线性系统，其网络机构非常复杂，存在很强的不确定性和时变性，而且电力系统的运行方式总是在发生变化。基于以上因素，如何对电力系统进行控制成为了一个难题。目前，研究比较多的FACTS控制策略主要包括：线性控制、非线性控制、智能控制。4.1.1线性控制策略分析对于复杂非线性系统采用线性控制策略进行控制时，通常情况下是将系统的状态方程在某一平衡点处加以近似线性化后，得到原非线性系统近似线性化的数学模型，最后应用线性控制理论的方法进行分析和设计。如PID控制这种常用的线性控制方法，其具有原理简单、实现方便等突出的优点，且在某些实际工程中也得到了普遍应用。但线性控制器存在控制稳定范围小、适应性、鲁棒性较差等缺点。4.1.2非线性控制策略分析目前，可以采用两种方式进行非线性控制器的设计：一、将非线性系统进行精确线性化后得到一个线性系统，然后应用线性控制方法进行控制器设计。二、采用非线性控制理论，针对系统的不同运行状态设计非线性控制器，并且满足适应性的要求。以上这两种控制方式设计出的非线性控制器，对系统的不同运行状态都适用。将非线性系统进行精确线性化，然后设计控制器目前，对系统进行精确线性化的主要方法有：微分几何法[38]、直接反馈线性化[39]、逆系统方法[40]。该方法是以含FACTS装置的电力系统非线性数学模型为基础，通过对系统非线性因素的处理，将原来的非线性系统变换成为线性系统，然后应用线性控制方法，如最优控制、解耦控制等，设计出满足电力系统要求的FACTS控制器。（1）微分几何线性最优控制它通过局部微分同坯坐标变换，对仿射非线性系统在满足可控性、矢量场生成、对合性三个条件下，将非线性系统变换成线性系统，并且应用线性最优控制理论来设计控制规律。目前，微分几何方法已具有坚实的理论基础，易推广应用于较复杂和抽象的模型上。文献[41]采用微分几何最优控制法设计了可控串联补偿器(TCSC)的非线性控制器。（2）直接反馈线性化方法对于一个非线性系统来说，如果通过非线性反馈的引入，使得该闭环系统成为具有线性形式的“伪”系统，则可以采用线性控制方法进行控制器设计。直接反馈线性化方法作为微分几何线性化方法中输入输出线性化的一个特例，其原理相对简单，也不需要进行繁琐的数学推导和复杂的坐标变换，并且保留了原系统状态变量的物理意义，在实际工程中实用性较强。但构成该方法的虚拟反馈控制量中，由于需要系统输出高阶导数或者系统的全部状态，这一点在物理实现上存在一定的困难。（3）逆系统方法所谓逆系统方法，即若系统可逆，那么使输入信号先后经过逆过程和原过程，这样就相当于进行了一次标准的单位映射，将之前求取被控过程的逆过程串联在被控过程的前面，这样就可以将控制对象解耦，然后采用线性控制方法对解耦的控制对象进行控制器的设计。由此可知，使用逆系统方法的前提是，判断系统是否可逆和如何求取逆系统。应用非线性控制理论设计非线性控制器由于非线性控制理论对非线性系统的运行方式发生变化时都能体现很好的适应性，这样就弥补了线性控制方法的适应性、鲁棒性较差的不足，理论上具有更优越的控制性能。目前研究比较多的，如非线性PID控制，李雅普诺夫方法[42,43]；鲁棒控制；自适应控制[44]等都属于非线性控制方法。因为对非线性系统不同运行状态下的适应性和系统对于干扰情况下的鲁棒性进行了比较充分的考虑，所以非线性系统的数学模型一般比较复杂，非线性控制器的设计很难实现。因此，尽管非线性控制有明显的理论优势，但若在工程实际得到广泛应用还需要电力工作者的进一步研究和推广。4.1.3智能控制策略分析智能控制方法不需要推导出被控系统的精确数学模型，尤其适用于具有高度的非线性、参数不确定和复杂的系统，这是智能控制方法与其他控制方法相比最大的优势。另外，智能系统的自适应、自学习、自协调的能力很强，且具有变结构特点，能总体自寻优，对系统提供的信息能够进行快速的判断、决策，从而使控制系统的自适应能力增强[45]。4.2TCIPC的PI阻抗控制原理如上章所述，通过调节TCIPC的感抗参数可以提高系统的稳定性。所以调节TCIPC的感抗参数需要通过晶闸管的触发控制，需要设计TCIPC阻抗控制器。TCIPC阻抗控制的控制目标是实现对期望阻抗准确、快速的跟踪。在电力系统中，比例、积分、微分控制被誉为应用最普遍的调节器控制规律，简称PID控制。在电力系统中PID控制器已经应用了几十年，它由于控制原理简单、实现方便，使用中不需要精确的系统数学模型，而且PID环节的增加不仅可以消除系统阶跃响应的静态误差,同时可以克服系统数学模型的不精确以及参数的不确定，因而在工程实际中成为普遍应用的控制器。由于电力系统规模不断扩大，其控制过程都普遍存在非线性、比较大的延迟和时变等动态特性，这使得传统的PID控制理论应用于工程实际中的控制效果不够理想。所以，对于传统的PID控制进行改进，使其达到更理想的控制效果，具有一定的实际应用价值。4.2.1PID控制原理PID控制是一种线性控制方式。如图4-1是常规的PID控制的系统框图。图4-1PID控制系统框图PID控制器根据给定的期望值与实际值之间的控制偏差来纠正和调节系统的响应。（4-1）PID控制的输入与输出的关系为（4-2）其传递函数为（4-3）式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。文献[46]详细的阐述了PID控制中，比例环节、积分环节、微分环节的作用，这里不再详述。由于微分环节容易引起调节过程中的振荡，所以将微分环节去掉，只剩下比例环节和积分环节，构成PI控制。4.2.2TCIPC常规PI阻抗控制原理通常情况下，将控制中引入阻抗反馈，且采用闭环控制方法，这样就可以达到阻抗控制快速平稳的要求。闭环控制的优点是可以使TCIPC响应的动态过程加快，并且使控制的精度提高。触发角还能被参考值和与之相应的实际测量值的差值构成的反馈量进行修正[47]。在实际工程中，TCIPC常采用PI阻抗控制方式。其阻抗控制原理框图如图4-2所示。图4-2TCIPC常规PI阻抗控制器由图4-2可以看出，常规的PI阻抗控制器采用阻抗反馈的方式得到了参考阻抗与实际阻抗之间的修正量，该修正量通过查表得到其对应的触发角，最后触发TCIPC的晶闸管导通。4.2.3TCIPC触发角校正的PI阻抗控制原理为了在系统发生大扰动时能及时调整TCIPC的感抗参数，从而提高系统的暂态稳定性，本章将常规的PI阻抗控制方式进行了改造，采用的是触发角校正的PI定阻抗控制方式。将感抗期望值作为该控制器的参考信号，而控制器的作用是使实际的感抗保持在这个值上。根据仿真中搭建的该控制器模型的电感支路的电压和电流计算出TCIPC当前的感抗。为了提高控制响应速度，根据该感抗值预测出一个触发延迟角。再根据感抗的参考值与实际值之差，通过一个PI控制器，就生成了触发延迟角的修正量，它与预测值之和经过限幅后就构成了实际的晶闸管触发延迟角，TCIPC定阻抗控制器如图4-3所示。图4-3TCIPC触发角校正的PI定阻抗控制器该控制器与TCIPC常规PI阻抗控器对比，对于每一个参考感抗，通过查表环节确定其对应的触发延迟角后，就可以用数字电路锁存起来直至下一次变更参考感抗，然后再与修正触发角相加以控制触发脉冲；这样就可以避免每次修正都要查表的繁琐，使实际控制器的响应速度得到提高。线路的电压和电流都可以作为晶闸管触发控制的同步信号，文献[48]对阻抗开环控制时分别选取端电压和线路电流作为同步信号进行了仿真比较。结果表明，选取电压作为同步信号会造成阻抗变化的不稳定，而选取电流作为同步信号能够使得阻抗变化较为平缓。并且，选择电流做晶闸管控制的同步信号，因为电流几乎是正弦信号，这样就不用担心电压作为同步信号会含有大量的谐波和虚假的噪音信号。最后，根据定阻抗控制器输出的晶闸管触发延迟角和所选取的同步信号，在MatlabR2021a/Simulink中搭建了晶闸管触发模块，用来产生产所需的晶闸管触发脉冲，从而触发晶闸管。晶闸管触发模块如图4-4所示。图4-4TCIPC晶闸管触发模块4.3算例分析为了验证设计的TCIPC定阻抗控制器的控制效果以及通过TCIPC定阻抗控制提高系统稳定性，采用如图4-5所示的单机-无穷大系统，在传输线路中点装设TCIPC为例进行仿真。图4-5安装TCIPC的单机无穷大系统图图中，为发电机机端电压，为无穷大系统母线电压。发电机容量=2100MVA，变压器为升压变压器，变比为13.8/735kV,、线路长度均为300km。TCIPC的感抗为0.18H，容抗为21.5μF。阻抗控制器的控制效果直接取决于实际阻抗能否快速的跟踪参考阻抗。即TCIPC响应阻抗过渡时间越短，控制效果越好。4.3.1感抗发生阶跃变化为了验证该定阻抗控制器的控制效果，对TCIPC感抗阶跃进行了仿真分析。参考感抗为，在t=1s时，参考感抗阶跃至，从图4-6中可以看到，对TCIPC进行定阻抗控制后，响应感抗对参考感抗的跟踪性能。其中实线是参考感抗，虚线是响应感抗。图4-7是阶跃过程中联络线上有功功率的变化曲线。图4-6TCIPC感抗阶跃响应变化曲线图4-7感抗阶跃时联络线有功功率变化曲线由仿真结果可以看出：在阶跃激励作用下，TCIPC的响应阻抗过渡时间大概为0.6s左右。与文献[49]中TCSC采用常规PI阻抗控制时，TCSC的响应阻抗的过渡时间缩短约0.2s左右，说明TCIPC的定阻抗控制具有较快的速度，同时响应基本没有超调量，体现一定的鲁棒性。4.3.2三相短路当一回传输线路在0.1s发生三相短路接地故障，0.2s后切除故障。分别对短路发生后TCIPC不装设阻抗控制和短路后TCIPC装设有阻抗控制这两种情况下的单机无穷大系统进行仿真分析。系统初值如下：联络线传输的功率为1200MW,参考感抗=125Ω,。图4-8为发电机功角变化曲线图。由图4-8可见，短路后，若TCIPC不加控制手段时是不能保证系统稳定运行的。当单机无穷大系统发生短路故障后，发电机功角发生“爬坡”失稳，系统失去稳定。这是因为含TCIPC的系统同步功率不足。图4-8TCIPC不含控制的发电机功角曲线为了保证系统能够稳定运行，对TCIPC装设触发角校正的定阻抗控制。对参考感抗分别为和时进行仿真分析，仿真结果如图4-9、图4-10所示。