UPFC的非线性控制与限流式UPFC研究

摘要

现代电力系统通过大规模互联使得电网结构日益庞大和复杂，如何在确保系统安全稳定的前提下提高电网输送容量、控制线路潮流、有效限制系统短路电流水平等问题已越来越突出并备受关注。近年来柔性交流输电系统(flexibleACtransmissionsystem，FACTS)的快速发展为解决上述问题提供了新的思路。在FACTS控制器家族中，统一潮流控制器(UnifiedPowerFlowController，UPFC)可以综合调节输电线路的三大参数，即电压、相位和阻抗，继而可以控制线路潮流，有效提升电力系统的稳态和动态性能，是目前综合功能最为全面的FACTS装置，因此成为了学术界的研究热点。本文在UPFC的控制以及电力系统发生故障时UPFC的安全性问题两方面做了一些研究工作。
　　 在UPFC的控制方面，针对UPFC的非线性特性和不确定性，分别提出了一种基于状态反馈精确线性化理论的非线性最优控制策略和一种基于反馈线性化H∞理论的非线性鲁棒控制策略;针对UPFC负荷端电压存在的随机扰动，提出了一种非线性随机最优控制策略。这方面的具体研究成果概括为以下几点:
　　 1.针对UPFC传统线性控制器的性能可能因运行点的大范围变化而恶化的缺陷，考虑UPFC的非线性特性，提出了一种基于微分几何状态反馈精确线性化理论的UPFC非线性最优控制策略。首先从数学上证明了UPFC五阶非线性模型满足可精确线性化的条件，然后通过选择李雅普诺夫型输出函数、适当的非线性坐标变换和状态反馈将UPFC五阶非线性系统完全转化为一个Brunovsky标准线性系统，最后采用线性极点配置方法设计了UPFC内部潮流控制器。仿真结果表明，该控制策略改进了传统PI控制近似线性化的缺陷，可以有效适应运行点的大范围变化，在提高电力系统暂态稳定性方面的效果明显优于传统PI控制。
　　 2.针对UPFC在电力系统中面临的不确定性和外部干扰问题，建立了加入干扰向量的UPFC非线性鲁棒模型，在第1点工作的基础上进一步提出了一种基于反馈线性化H∞理论的UPFC非线性鲁棒控制策略。仿真结果表明，该控制器在多种外部干扰下都具有良好的鲁棒性。
　　 3.在第2点的研究中仅考虑了不确定性，但实际电力系统中存在的干扰带有很强的随机性。针对UPFC负荷端电压存在的随机扰动问题，将精确线性化理论和随机控制理论相结合，提出了一种反馈线性化随机最优控制方法。首先建立了具有加性噪声的UPFC非线性随机模型;然后根据伊藤引理将其精确线性化为一个具有乘性噪声的线性随机系统;随后通过随机HJB方程推导了该系统的随机黎卡提矩阵微分方程及其辅助方程，并给出了上述方程的一种数值解法;最后通过控制向量反馈关系得出原UPFC系统的非线性随机最优控制策略。仿真结果表明，与传统的LQG控制方法相比，所提控制方法可以更好地抑制随机干扰，而且在多重复杂扰动下都具有良好的控制性能和稳定性。
　　 上述三种UPFC的控制策略设计方法均可扩展应用于所有基于电压源变换器的FACTS装置，如STATCOM、SSSC、IPFC、GUPFC、VSC-HVDC等。
　　 在电力系统发生短路故障时UPFC的运行安全性方面，提出并研制了一种新型FACTS装置——具有短路限流功能的统一潮流控制器（简称限流式UPFC）。这方面的具体研究成果概括为以下几点:
　　 1.在电力系统发生短路故障时，UPFC的串联变换器极可能因承受系统高电压和短路大电流的冲击而损毁。针对该问题，提出了一种新型FACTS装置——限流式UPFC。给出了限流式UPFC的主电路拓扑结构，对其稳态运行工作原理、短路限流动态过程及控制策略进行了研究。建立了故障下的数学模型，提出了两个关键参数——直流限流电感和直流电容的计算方法和选取原则。仿真结果证实了这种新装置的可行性和有效性。
　　 2.研制了一套限流式UPFC实验装置，对其控制系统的硬件构成和软件设计问题进行了研究。实验结果表明，在电网正常状态下，限流式UPFC等效为常规UPFC;当（装置安装点附近）电网发生短路故障时，装置中的限流器模块能立即从零阻抗转变为高阻抗串入回路中承担大部分系统电压并将系统及流经UPFC的短路电流限制到设定数值，有效保护了UPFC免受系统高电压和短路大电流的冲击，保证了UPFC的安全性，同时也降低了系统的短路电流水平，增加了系统的可靠性和经济性。
　　 实际上，限流式UPFC的设计也可以看成是在系统故障的大扰动下为保证装置安全性所采取的一种特殊控制方法，该方法同样可以应用于其他基于电压源变换器且具有串联部分的FACTS装置，如设计限流式SSSC、限流式IPFC、限流式GUPFC等。

目录

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致谢

摘要

插图清单

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 现代电力系统面临的问题

1．1．2 柔性交流输电系统(FACTS)

1．1．3 统一潮流控制器(UPFC)

1．2 UPFC的控制策略

1．2．1 传统线性控制

1．2．2 线性控制的缺陷及改进策略

1．2．3 非线性控制

1．2．4 随机控制

1．3 UPFC在电力系统中的应用

1．3．1 UPFC对电力系统的影响

1．3．2 UPFC的衍生装置

1．3．3 系统故障时UPFC的安全性问题

1．4 本文的主要工作

1．4．1 现有研究的不足

1．4．2 本文的主要工作

第二章 UPFC的非线性确定性控制

2．1 预备知识

2．2 数学模型

2．3 状态反馈精确线性化条件的证明

2．4 非线性最优控制器设计

2．4．1 输出函数的选择

2．4．2 状态反馈精确线性化

2．4．3 非线性最优控制器设计

2．4．4 关于状态反馈可逆性的讨论

2．5 非线性鲁棒控制器设计

2．6 仿真研究

2．6．1 3区域12节点系统

2．6．2 IEEE 118节点系统

2．7 本章小结

第三章 UPFC的非线性随机控制

3．1 预备知识

3．2 数学模型

3．3 随机微分方程的精确线性化

3．4 非线性随机最优控制器设计

3．4．1 随机黎卡提矩阵微分方程

3．4．2 关键矩阵的数值解法

3．4．3 随机最优控制器

3．4．4 关于控制器的几点讨论

3．5 仿真研究

3．5．1 潮流阶跃响应

3．5．2 复杂干扰下的暂态响应

3．6 本章小结

第四章 具有短路限流功能的统一潮流控制器(限流式UPFC)设计

4．1 引言

4．2 主电路拓扑结构

4．3 工作原理

4．3．1 正常运行稳态过程

4．3．2 短路限流动态过程

4．3．3 关于限流器模块的几点说明

4．4 装置参数设计

4．4．1 数学模型

4．4．2 直流限流电感

4．4．3 直流电容

4．4．4 运行安全性的校验

4．5 仿真研究

4．5．1 启动过程

4．5．2 正常运行潮流调节

4．5．3 短路限流

4．6 本章小结

第五章 限流式UPFC实验系统研究

5．1 实验系统结构和技术指标

5．2 控制系统硬件设计

5．3 控制系统软件设计

5．4 实验结果分析

5．4．1 启动并网实验

5．4．2 正常运行实验

5．4．3 短路限流实验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录

附录A：3区域12节点系统仿真数据

附录B：IEEE 118节点系统仿真数据

附录C：限流式UPFC实验装置照片

攻读博士学位期间的科研成果列表

作者简历