含FACTS的电力系统无源控制方法研究

【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。