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含FACTS的电力系统无源控制方法研究

作　者: 陆冬良
导　师: 张秀彬
学　校: 上海交通大学
专　业: 电气工程
关键词: 微分-代数方程无源控制 Hamiltonian系统理论多机电力系统 FACTS 结构保持模型协调控制多目标控制
分类号: TM76
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着现代电力系统迅速发展,电网规模和互联程度的不断扩大、提高,以及运行方式的愈加多样性,使电力系统的运行和控制变得日益复杂。灵活交流输电技术(FACTS)的出现为电力系统的灵活运行提供了有效的手段,能够大幅度提高线路的功率传输水平,提高系统的稳定性。但随着电力系统中安装的FACTS装置日渐增多,同时也对系统的运行提出了新的要求。研究FACTS的控制策略,FACTS装置与电网其他装置间的协调控制,以及多个FACTS装置间的协调控制问题,以提高电力系统的稳定水平,具有重要的实际意义。以非线性微分-代数方程描述的电力系统模型能够将多种电力装置模型结合起来,便于研究装置间的协调控制。因此,对非线性微分-代数方程的稳定控制策略研究具有理论意义和实用价值。以非线性微分-代数方程Hamiltonian系统为代表的无源控制方法正日益受到研究者的关注。如何将无源控制方法与其他控制策略相结合,使其在系统稳定性分析和镇定控制等方面更加有效,并应用于电力系统的控制仍是当前受重视的研究课题。本文围绕这一课题,所取得的主要研究成果如下:1、在对已有的常微分方程Hamiltonian系统理论进行总结的基础上,考虑到以非线性微分-代数方程描述的电力系统模型特点,提出了一种更广义的非线性微分-代数方程Hamiltonian系统,给出了系统的实现条件、Hamiltonian函数的构造方法,以及镇定控制器的设计策略。考虑到系统受外界干扰及可能存在的不确定性,研究了该系统的H∞控制问题,并设计了相应的镇定控制器,使系统保持渐近稳定且具有良好的鲁棒性。结合能量整形方法和自适应控制方法,分析了所提出的非线性微分-代数方程Hamiltonian系统的自适应H∞控制的实现条件,给出了反馈镇定控制器的设计方法,以保证闭环系统的渐近稳定性,并提高其动态性能。2、在以非线性微分-代数方程描述的结构保持多机电力系统中,应用Hamiltonian系统理论,研究了该系统在计及非线性负荷时的Hamiltonian实现方法以及能量整形控制方法,以及该系统含有并联补偿型FACTS的非线性控制问题和L2增益干扰抑制控制问题,并分别设计了励磁和STATCOM的协调控制器,励磁和STATCOM在L2增益意义下的协调控制器。仿真结果验证了以上所提方法的正确性,以及控制策略的有效性。3、研究了多个并联型FACTS的多目标协调控制问题。针对含有SVC和STATCOM的多机电力系统,在完成该系统的Hamiltonian实现基础上,用能量整形方法设计了两者的协调控制策略,仿真结果表明在不同故障情况下,此控制策略相较于FACTS各自独立的控制方法,具有更强的电压支持能力,同时系统的暂态稳定也得到了相应的增强。针对被控系统的内部参数、外部扰动等存在的不确定性,在L2增益干扰抑制控制基础上,引入自适应控制方法,设计了STATCOM和SVC能满足不确定参数和动态过程的自适应鲁棒控制器。仿真结果表明,在加入了自适应律后,电压稳定性在运行中表现出了更好的鲁棒性。4、基于TCSC的功率注入模式建立了适用于Hamiltonian理论进行控制器设计的TCSC数学模型,推导了含有多个不同类型FACTS——TCSC和SVC的多机电力系统Hamiltonian综合模型,结合奇异摄动理论和广义Hamiltonian系统控制器设计方法,设计了TCSC和SVC的协调控制器。仿真分析表明,TCSC和SVC的协调工作能较好的实现节点电压支持、功率控制、提高系统暂态稳定多个控制目标。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-26
  1.1 概述  10-11
  1.2 电力系统稳定性问题  11-12
  1.3 电力系统稳定控制的研究现状  12-16
    1.3.1 电力系统控制对象  12-13
    1.3.2 电力系统稳定控制方法  13-16
  1.4 FACTS 技术的研究现状  16-18
    1.4.1 FACTS 简介  16-17
    1.4.2 FACTS 的控制策略  17-18
  1.5 无源性理论及其在电力系统中的应用  18-22
    1.5.1 耗散性和无源性理论简介  18-20
    1.5.2 Hamiltonian 系统研究现状  20-22
  1.6 本文的主要研究内容及章节安排  22-26
第二章微分-代数系统无源控制研究  26-50
  2.1 概述  26-27
  2.2 无源性理论概念及相关结论  27-29
    2.2.1 非线性系统的耗散性、无源性定义  27-28
    2.2.2 无源性与稳定性  28-29
  2.3 Hamiltonian 系统基本理论  29-35
    2.3.1 PCHD 系统  29-32
    2.3.2 PCHD 系统的控制器设计方法  32-35
  2.4 微分-代数方程的Hamiltonian 实现及控制  35-49
    2.4.1 微分-代数方程Hamiltonian 实现  35-38
    2.4.2 微分-代数系统的能量整形控制  38-43
    2.4.3 微分-代数系统的自适应Η 控制  43-49
  2.5 小结  49-50
第三章含FACTS 的电力系统Hamiltonian 实现及控制  50-78
  3.1 概述  50-51
  3.2 电力系统结构保持模型  51-53
  3.3 结构保持电力系统的Hamiltonian 实现  53-59
    3.3.1 广义Hamiltonian 实现  53-55
    3.3.2 基于能量整形的Hamiltonian 实现  55-59
  3.4 基于能量整形方法的励磁与FACTS 协调控制  59-77
    3.4.1 STATCOM 简介  59-60
    3.4.2 FACTS 容量的选取  60-61
    3.4.3 励磁与STATCOM 的非线性协调控制  61-71
    3.4.4 励磁与STATCOM 的H? 协调控制  71-77
  3.5 小结  77-78
第四章多并联型FACTS 的非线性协调控制  78-95
  4.1 概述  78-79
  4.2 SVC 简介  79-80
  4.3 STATCOM 与SVC 的协调控制器设计  80-89
    4.3.1 控制器设计  80-84
    4.3.2 仿真分析  84-89
  4.4 STATCOM 与SVC 的自适应H? 控制  89-94
    4.4.1 控制器设计  89-91
    4.4.2 仿真分析  91-94
  4.5 小结  94-95
第五章多串、并联型FACTS 的多目标协调控制  95-106
  5.1 概述  95
  5.2 TCSC 简介  95-96
  5.3 基于功率注入模式的TCSC 控制  96-98
  5.4 TCSC 与SVC 的协调控制器设计  98-101
  5.5 仿真分析  101-104
  5.6 小结  104-106
第六章结论与展望  106-109
参考文献  109-119
附录  119-122
致谢  122-123
攻读博士学位期间发表的论文、专利  123-124
攻读博士学位期间参与的科研项目  124-126

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