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FACTS控制器间的交互影响分析及控制策略研究

张琳  
【摘要】: 经济的发展和技术的进步使传统的电力系统沿着由区域供电向大规模电力系统互连,由行业垄断向市场竞争,由基本上不可控向逐步完全可控的方向发展。灵活交流输电技术(FACTS)的出现为系统的灵活运行提供了有效的手段。近年来,电力系统中安装的FACTS装置日渐增多,这一发展趋势在带来巨大经济效益的同时也给电力系统的稳定安全带来了严重的挑战。 早期,FACTS装置的研究主要集中于FACTS装置的建模、FACTS装置对电力系统稳态分析、稳定性改善等方面;然而关于多个、不同FACTS控制器之间的交互作用,以及交互作用对系统带来的影响的研究工作仍处于初始阶段,还有许多问题需要进一步研究。寻求新理论、新技术和新方法,通过对多个FACTS器件间的交互影响分析,实现协调控制来提高电力系统运行的安全性,是电力系统稳定研究的一个重要课题,具有重要的理论和工程应用价值。围绕这一课题,本文的主要研究成果包括以下几个部分: 第一部分详细介绍了最为常见的四种FACTS装置,即可控串联补偿器(TCSC)、静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)和统一潮流控制器(UPFC)的工作原理及其在本文研究中所采用的稳态、动态数学模型,并在此基础上推导了装设有多台不同类型FACTS装置的多机电力系统综合数学模型,为进一步进行理论分析和数字仿真研究奠定了基础。 第二部分应用奇异值分解(SVD)理论,提出了一种基于SVD的多个控制器间交互影响分析方法。SVD方法可以定量地分析多台FACTS控制器之间的交互影响强弱,通过改变系统参数或选取合适的安装地点来减弱交互作用带来的不利影响。基于两个多机分析实例,采用SVD方法分析了多台TCSC之间以及TCSC和SVC之间的交互影响问题,研究了电气参数对交互作用的影响,时域仿真表明了所提方法的有效性。 第三部分针对FACTS装置的常规控制器与附加阻尼控制器之间的交互影响问题,提出应用改进相对增益矩阵(MRGA)理论,通过量化分析交互影响的差别来进行附加阻尼控制器与常规控制器配对的方法。以同时装设有SVC和STATCOM的简单电力系统和安装有一台UPFC的多机电力系统为研究实例,基于MRGA方法,量化地估计了阻尼控制器附加在不同控制回路上时与常规控制功能之间的交互影响的差别,为选择附加阻尼控制器与常规控制器间的最佳配对提供了依据。MRGA理论分析数据与时域仿真结果一致,验证了所提分析方法的有效性。 第四部分探讨了UPFC的定结构多变量PI型H_∞鲁棒控制器的设计问题,并利用遗传算法对控制器参数进行优化。从控制理论的观点来看,装有UPFC的电力系统构成了一个多输入多输出(MIMO)的控制系统,为了解决多变量控制的复杂性,难于工程实现性,提出采用结构尽可能简单的控制器形式,使得闭环系统的H_∞范数在小于指定工程要求的条件下尽可能小,优化过程通过遗传算法加以解决。系统时域仿真结果表明,用该方法设计的多变量PI型控制器具有满意的鲁棒性能。 第五部分研究了FACTS装置之间的协调控制问题。提出了一种新型多目标混合进化算法(MOEPPSO),将其用于优化不同的FACTS控制目标从而使得多个FACTS装置间协调控制效果良好。以两台TCSC之间的协调设计为研究实例,利用MOEPPSO优化得到控制器参数的Pareto解集,运行人员可按照实际运行情况分析哪种控制目标更重要,从而做出选择,以协调多控制器联合投运。多机系统时域仿真结果表明,基于MOEPPSO设计的协调控制器比分别设计的FACTS控制器能更好地提高系统的稳定性。


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