李文磊XXXX_电力系统非线性自适应鲁棒控制研究.doc

电力系统非线性自适应鲁棒控制研究摘 要电力系统是一个强非线性、多维、动态大系统。随着大型电力系统互联的发展以及各种新设备的使用，在使发电、输电更经济、高效的同时，也增加了电力系统的规模和复杂性，从而暴露出很多威胁电力系统安全、经济、稳定运行的动态问题（如电力系统低频振荡、汽轮机和发电机的次同步扭转振荡）。电力系统一旦失去稳定，其暂态过程极快，处理不当可能很快波及全系统，往往造成大范围、较长时间停电，给国民经济和人民生活造成巨大损失和严重危害，在最严重的情况下，则可能使电力系统崩溃和瓦解。在这些情况下，研究和实现相应的稳定控制措施，不但可以提高系统运行的可靠性，而且可以因传输能力的提高而产生直接经济效益。近年来，随着微型计算机和现代控制理论的不断进展，各种先进的控制方法也在电力系统控制方面得到了广泛应用。它们在提高电力系统性能的同时，也为解决上述问题提供了各种各样的途径。本文针对电力系统的非线性模型，采用backstepping方法，研究了电力系统励磁、汽门以及各种FACTS控制等一系列稳定控制问题。本文工作是将先进控制方法应用到电力系统的进一步尝试，其最突出的特点是： 1发展了backstepping设计方法，针对实际系统中常常存在的参数不确定性、未建模动态以及未知干扰，在backstepping设计步骤中融合进非线性L2增益干扰抑制理论，设计出使系统稳定的非线性自适应鲁棒控制器。简明的设计方法、优良的设计策略使得所设计的相应的控制方案更具广泛的适用性。2本文成功将上述结果推广到单/多机电力系统励磁、汽门以及各种主要的FACTS控制稳定中。所考虑的电力系统模型均为更贴近实际的非线性鲁棒模型。其中汽门开度的全程控制，励磁与汽门综合控制的系统模型均使用了四阶，包含两个输入。主要FACTS控制的系统模型均未忽略其本身的动态过程。这种设计方法在以前的文献中很少见到。从而使所设计的结果更具有实用性。通过理论分析及仿真证明所得控制器确实具有优良的性能。主要工作概括如下：（1）研究了一类具有严格反馈形式的非线性系统的自适应鲁棒控制问题。将非线性L2增益干扰抑制理论融合到自适应backstepping 方法设计步骤中，针对带有常参数不确定性及外部扰动的非线性系统，设计了非线性L2增益干扰抑制鲁棒控制器。最后指出得出的结果可应用于电力系统的稳定控制。（2）研究了励磁系统的自适应鲁棒控制问题。针对带励磁控制的单机无穷大母线系统，分别在阻尼系数不能精确测量、以及系统兼有阻尼系数不能精确测量和受外部扰动影响的情况下，首次使用自适应backstepping 方法设计了非线性自适应鲁棒控制器及非线性L2增益干扰抑制控制器。然后对设计结果进行了分析，讨论了控制器的实现问题。（3）研究了汽门开度的非线性鲁棒控制问题。分别针对仅带有常参数不确定性和同时带有常参数不确定及外部扰动的汽轮机调速系统，首次利用自适应backstepping 方法设计了发电机汽门非线性鲁棒控制器及非线性L2增益干扰抑制控制器。然后对设计结果进行了讨论，指出所得控制器独立于网络结构及参数，具有很强的鲁棒性。（4）研究了中间再热汽轮发电机组汽门开度的全程非线性控制问题。其次，作为综合协调控制的例子，研究了励磁汽门综合控制的非线性鲁棒控制问题。两个问题都是在带有常参数不确定及外部扰动的四阶鲁棒模型的基础上，利用自适应backstepping 方法设计了非线性L2增益干扰抑制控制器。研究结果表明所使用的设计方法可以应用到励磁、汽门以及FACTS之间的协调控制当中。（5）研究了多机系统励磁及汽门的非线性鲁棒控制问题。针对带有常参数不确定及外部扰动的多机励磁与汽门控制系统，利用自适应backstepping 方法设计了非线性L2增益干扰抑制控制器。所得控制器是分散的，且独立于网络结构及参数。研究结果表明所使用的设计方法完全可以应用到多机系统的励磁、汽门以及FACTS控制当中。（6）将研究结果应用到电力系统FACTS控制当中。基于带有TCSC、STATCOM的单机无穷大母线系统的三阶模型以及针对交直流并联输电系统，在系统兼有阻尼系数不能精确测量和受外部扰动影响的情况下，首次使用自适应backstepping 方法设计了TCSC、STATCOM及直流调节系统的非线性自适应鲁棒控制器。指出该方法也可用于SVC的控制器设计当中。 关键词：电力系统 非线性系统 励磁控制 汽门控制 FACTS控制 参数不确定性 干扰抑制 鲁棒稳定性 backstepping方法 参数自适应Study on the Nonlinear Adaptive Robust Control for Power SystemsAbstractElectric power systems are one of nonlinear, multidimensional, dynamic and large scale systems. With the developing of interconnection among powers system and using of some new types of devices, the power generation and transmission are made to be more efficient, but at the same time, the scales and complex nature of power systems increase also. Thereby some dynamic problems which could threaten the operation of power systems in safe, economical and stable mode are emerged, such as power systems oscillating in low frequency and second synchronization retortion of turbine and generator. Once power systems lose stability, the transient process is very quick, the whole system is likely to be spreaded if dealed with in improper ways, power failure in large scope and longer times may be caused more often than not, and then great loss and serious injury about national economy and peoples life are resulted in. The collapse and breakdown of systems may be caused also in most grievous cases. Under these circumstances, study and realization of appropriate stability control approaches, can not only enhance the systems operation reliability, but also produce direct economic benefits because of enhancement of transmission capacity. With the uninterrupted growth of computer and modern control theory of late years, all sorts of advanced control means also find broad application in power systems control. power systems performance are improved simultaneously，various channels are also provided for solving above problems by them。In this dissertation, aiming at the nonlinear model of power systems, by means of the backstepping methods, a series of stability control problems are studied, including excitation control, steam-valve control, and main FACTS devices control, etc. The research work in this dissertation is a more attempt which advanced control methods are applied into power systems stability control. The outstanding characteristics of it are as follows:1. The backstepping design methods are developed. On the parameter uncertainties, unmodelling dynamics and unknown disturbances which exist in practical systems generally，integrating nonlinear L2 gain disturbances attenuation theory smoothly into backstepping design steps，then the nonlinear adaptive robust controller which can stabilize the system has been designed. The concise design method and excellent design strategy make the designed corresponding control scheme own extensive adaptability. 2. The above results have been extended to the stability control of power systems successfully, such as excitation, steam valve of single machine and multi-machine systems, main FACTS devices, etc. The considered system models are all nonlinear robust models corresponding to reality, in which the system model of through control for steam-valve open and the integrated control for excitation and steam-valve are four-order and have two inputs, and the self-dynamic behavior in system models of main FACTS are not ignored. The design methods are rarely founded in the existing references. They make the designed results to be more practical and deep theoretical analysis and simulation show validity and high performance of the controller. The main work is as follows:(1) Adaptive robust control problems for a class of nonlinear systems in strict parameter feedback are studied. In view of the system with constant parameter uncertainty and external disturbances, integrating nonlinear L2 gain disturbances attenuation theory smoothly into backstepping design steps, then nonlinear L2 gain disturbances attenuation controller are designed. Lastly, it is pointed out the drawn results can be applied into power systems stability control. (2) Under the condition that damping coefficient can not be measured accurately, and the condition both damping coefficient can not be measured accurately and system being perturbed by external disturbance, respectively, the nonlinear adaptive robust controller on single machine-infinite bus system with excitation control are designed using adaptive backstepping method for the first time. Then the design results are analyzed, where the realization of controller are discussed. (3) The adaptive robust control problems of steam-valve open are studied. Firstly, In view of single machine-infinite bus system with constant parameter uncertainty only and with constant parameter uncertainty and external disturbances, respectively, the nonlinear adaptive robust controller of steam-valve open are designed using adaptive backstepping methods for the first time. Then the design results are discussed, in which it is pointed out that the obtained controllers are independent of construction and parameters of network, and own strong robustness. (4) Steam-valve whole-range nonlinear control problems of reheat-type turbine are studied. As the example of integrated control, then the nonlinear robust control problems of excitation and steam-valve coordinated control is studied also. These two problems are all based on the four-order robust models with constant parameter uncertainty and external disturbances, then the nonlinear L2 gain disturbance attenuation controller are designed using adaptive backstepping methods. The study results show that the design methods can be applied into mutual coordinated control of excitation, steam-valve and FACTS. (5) The nonlinear robust problems of excitation and steam-valve in multi-machine systems are studied. The nonlinear L2 gain disturbance attenuation controller on the control of excitation and steam-valve in multi-machine systems with constant parameter uncertainty and external disturbances are designed using adaptive backstepping methods. The obtained controllers are decentralized and independent of construction and parameters of network, the study results show that the design methods can be applied into the control of excitation, steam-valve and FACTS in multi-machine systems. (6) The study results are applied into FACTS control of power systems. Based on the three-order robust models, of single machine-infinite bus system with TCSC, STATCOM and parallel AC/DC power systems, under the conditions which systems have constant parameter uncertainty and external disturbances, the nonlinear adaptive robust controllers are designed using adaptive backstepping method, respectively. It is also pointed out that these design methods can be applied to the control of SVC.Key words power systems, nonlinear systems, excitation control, steam valve control, FACTS control, parameter uncertainty, disturbance attenuation, robust stability, backstepping method, parameter adaptive第一章 绪 论1.1 电力系统稳定控制发展概况现代电力系统迅速发展，以大机组、大电网、超高压、长距离、重负荷、大区联网、交直流联合输电和新型负荷（电力机车等整流型负荷）为特点，是一个典型的强非线性、多维、动态大系统。随着大型电力系统互联的发展以及各种新设备的使用，在使发电、输电更经济、高效的同时，也增加了电力系统的规模和复杂性，从而暴露出很多威胁电力系统安全、经济运行的动态问题，如大机组轴系的扭振稳定性问题；重负荷输电线的功率振荡问题；直流输电引起的次同步振荡问题和受端弱系统的电压稳定问题；新型负荷引起的谐波污染、损耗及谐波稳定问题等1。此外，近年国际流行的体制变革，如发电和输电分离、跨网输配电，即电力托送等，也开始在我国出现，由此带来的一些新的电网安全问题，在国际上已造成多次大停电事故，也很值得警惕。1.1.1 电力系统稳定的意义对于电力系统，具有足够的稳定性是其正常运行的前提。电力系统的稳定包括功角稳定，即同步运行稳定性，包括转子在大或小扰动下爬行失步问题及振荡失步问题，前者主要由于同步力矩不足，后者主要由于阻尼力矩不足，电压稳定及频率稳定。稳定实际是一个动态过程，主要是指电力系统受到的大/小干扰引起同步电机电压相角的再调整，进而造成系统发电和负荷之间的不平衡，从而建立起一个新运行状态的过程。小干扰一般指正常的负荷和参数波动。大干扰主要包括系统发生短路和断线故障；切除或投入系统的主要元件，如发电机、变压器及线路；负荷的突然变化等。国际上对于稳定的分类尚不统一，但按照电力系统遭受干扰后的过渡过程，一般将稳定分为静态稳定（小干扰下的稳定问题，不计调节器动态作用）、动态稳定（计及调节器动态作用）和暂态稳定（大扰动下时间约为1秒的第一摇摆稳定性及时间约为几秒左右的多摇摆稳定性的统称）。还有时间为几十秒到几分钟的中期稳定性（主要研究频率崩溃和电压崩溃问题）及长达几十分钟到1小时的系统长期动态问题。标志系统稳定与否的主要状态量是主要机组之间及机组与无穷大系统间的相对角度及相对速度，若（为包括0的有限常数，是系统中机组的标号），则系统稳定。因此，系统能否继续保持同步运行是系统稳定与否的标志。电力系统一旦失去稳定，其暂态过程极快（以秒计），处理不当可能很快波及全系统，往往造成大范围、较长时间停电，给国民经济和人民生活造成巨大损失和严重危害，在最严重的情况下，则可能使电力系统崩溃和瓦解。长期以来，国内外的专家、学者对如何保证和提高电力系统的稳定性进行了大量的研究工作，并且至今仍将其作为电力系统方面的一个重要研究课题。特别在我国，由于目前输电系统建设滞后于电源的建设，高低压电磁环网结构较多，且电网间联系薄弱，从而更易发生稳定性破坏事故；而且在一些电网中，由于受稳定性要求的制约，使某些输电线路的传输容量受到限制。在这些情况下，研究和实现相应的稳定控制措施，不但可以提高系统运行的可靠性，而且可以因传输能力的提高而产生直接经济效益2。1.1.2 电力系统稳定控制技术与方法的发展发电厂和电力网络控制系统的控制理论与电厂和电网的发展规模是紧密相联系的。50年代当发电机容量小，电网供电规模不大时，电力系统的控制常以PID控制为主要的控制手段。70年代发电机容量逐渐增加，而电网结构又比较薄弱，电力系统稳定问题主要表现为静态不稳定或出现了不同频率的振荡，由此基于频域设计和时域设计的线性多变量控制理论被引入到发电机励磁控制设计中。在发电机励磁控制方面，相继出现了电力系统稳定器(PSS)和线性最优励磁控制器（LOEC），而后这些方法被应用到电力系统其他各种控制设计中(如FACTS)。随着电力网络建设加快，电力系统中静态稳定问题和功率振荡问题已逐步得到缓解，提高电力系统的暂态稳定性已成为电力系统控制的主要任务3。我国电力系统中安全稳定控制技术的开发应用较早，50年代起即普遍应用的低频减载和后来应用于某些电网的稳定控制，曾对保证电网的安全稳定运行起了重要作用。从80年代后期起，我国的一些科研开发制造单位陆续开发了以微机为基础的安全稳定控制系统，到 1997年底全国已有约 100套较复杂的稳定控制装置投入运行，此外正在应用的还有大量较简单的频率和电压紧急控制系统。这些装置在提高电网输送能力，避免窝电，保证系统稳定，以及防止事故扩大等方面发挥了重要作用，并取得了很好的经济效益和社会效益。全国电力系统稳定破坏事故，在70年代年平均约 20次，80年代年平均 6.5次，90年代下降到年平均约 4次4。现代电力系统分布地域极广，且输送巨大的电功率，对其电能的质量（频率、电压和波形）、数据要求极严格，由此决定了安全稳定控制技术复杂，涉及面广，应具有很强的抗干扰能力和事故恢复能力，可靠性要求很高，因此还存在不少问题需要进一步解决和完善。现有的开发应用工作虽已取得不少成绩，但产品的性能和质量还不能完全满足现场要求，特别是复杂电力系统的要求，目前很多产品尚处于初创阶段，不够成熟，所施加的控制方法比较简单，因而有必要开发新的高性能的控制系统。电力系统的稳定控制方法一直也是和控制科学的发展密切相关的。余耀南早在1970年就把线性最优控制理论引入电力系统5。文献 6的大量应用实例及工程实际研究进一步表明应用控制理论于电力系统的安全稳定控制的巨大效益以及现实可用性和广阔前景。1984年甘肃省碧口水电站1 0 0 MW机组上最优励磁控制的实现揭开了现代控制理论在中国电力系统应用的序幕。如今，现代控制理论在电力系统中的应用已发展成电力系统学科中一个引人注目的活跃的分支。从卢强院士的输电系统最优控制到电力系统非线性控制7，每一次控制理论的进步都给其实际应用注入了新的活力。另一方面，随着工程技术的发展以及其他学科的影响与渗透， 控制理论它也经历了几次大发展。第一次大发展在 20世纪30到40年代，即古典控制理论阶段。由于工业发展要求设计满足一定要求的各种控制器，于是出现了各种稳定性判据，以及相应的设计方法。古典控制理论的特点是从输出量与输入量的关系方面来研究问题的，但只适用于常系数、线性、单输入单输出的系统。从50年代末到60年代起，由于航天、航空、航海的发展，要求有更快、更精、更可靠的控制方法，这就导致控制理论的新一轮发展高潮，出现了基于状态空间描述的控制理论。从线性系统理论，Kalman滤波到非线性控制，无穷维系统，随机系统，适应控制，系统辨识等，出现大量的新结果，使高技术中出现的众多问题得以解决。由于大多数工程控制系统都是非线性的，如电力系统。在分析它的大干扰稳定性和动态品质（系统在遭受某种程度的干扰后，发电机组振荡次数、过渡时间及主要状态量的超调量），就不宜把它作为线性系统处理，否则控制效果就不能令人满意。70年代出发展起来的非线性控制理论解决了这一问题，并涌现出许多新结果，如微分几何、变结构、非线性H控制等。但一个客观事实是：许多工程技术中出现的复杂控制问题，至今仍缺乏好的方法去解决，工程界虽不满意PID调节器的精度及性能，但许多工业过程仍因循应用PID，可能仍占有百分之九十的现场份额。但就在工程项目中实际而言，不少情况下，PID只能说是在凑合着用，用之是不得已而为之。特别对不断出现的复杂系统控制问题，谈不上有既实用又简便的方法。这使控制理论面临着新的挑战，决定了它目前处于新一轮大发展的前夕。控制科学是一门技术科学，它不同于一般自然科学之处在于它不是研究纯粹化环境中的自然规律，而是一方面必须面对工程实际中诸多复杂的难以刻划的因素，同时又是一门研究如何在一定约束条件下以施加控制的方法来改造客观物质世界，特别是工程系统的学问。数学是一种研究控制理论十分重要且无可替代的研究工具，但数学家远没有给出用以解决当今控制理论面临挑战的现成方法。在这方面控制理论学家与数学家的区别在于前者是针对控制问题寻求或创立数学方法，而后者是对现成的数学方法寻求在控制上的应用，虽然这两者并不是完全可以分清的。工业生产和技术装置的大型化和复杂化，工业企业管理与控制的一体化，对控制理论提出了新的课题，必须开辟对大型复杂系统控制这一重要研究方向，寻求适应生产技术水平不断提高的新的控制律的设计理论与方法。当前科学技术的飞速发展，工业生产的突飞猛进，对自动化技术的要求愈来愈高。在实际工程控制中，我们难以期望控制系统闭环后不进行任何调整，系统性能就能达到设计要求。既然频域方法和状态空间方法是在军火研制和宇航竞赛的迫切需求中发展完善的，则非线性控制方法也会在这种工业实际控制中得到洗礼。 在控制理论的应用方面，控制理论越来越紧密的与其他相关学科和新兴产业相交叉、渗透、融合与应用。前者如控制与管理、控制与规划决策、控制与信息处理、控制与人工智能等；后者如控制与交通、控制与通信、控制与生物技术等。 同时在工业过程、机电一体化、电力系统、电气传动、电力电子技术中应用日益广泛。不管是传统产业，还是新兴产业的技术进步，无不与先进控制技术的采用密切相关。因而从上述意义上来看，控制理论的发展正面临新的机遇。对于改善电力系统稳定性的控制方法研究，过去一直集中在发电机的励磁控制与调速控制方面。随着现代科学技术的发展特别是微电子技术、电力电子技术、计算机技术、通信和信息技术以及现代控制理论的不断进展，控制理论在电力系统中得到了广泛应用。 将先进控制技术 (例如最优、自适应、滑模变结构、鲁棒与智能控制，以及分岔与混沌控制等 )引入该类领域，以改善其稳定性、快速性、抗干扰与参数摄动能力、跟踪性能等，它们在提高电力系统性能、改善电力系统稳定性、促进电力系统安全优质经济运行的同时，也为解决上述问题提供了强有力的工具。1.2 发电单元的主要控制部件对电力系统动态行为有显著影响的部件如图1.18，水轮机或汽轮机将水力或蒸汽力转换为机械力，调速器控制原动机的水力或蒸汽力，发电机进行机电能量的转换，而励磁机和电压调节器控制电力的输出，同时调速器及励磁系统又都可以控制电力系统稳定，所以将调速器称为水门或汽门开度控制器则更为合适。由于这些部件对电力系统的稳定有显著影响，各种控制理论的应用研究显然与这些部件有关。对电力系统研究对象的控制可以针对单机或多机系统，发电机可为单轴或双轴同步发电机。图1.1 电力系统的主要控制部件Fig. 1.1 The main control components of power systems1.2.1 励磁控制励磁控制的主要任务是维持发电机或其他控制点的电压在给定水平上和提高电力系统运行的稳定性。长期以来，发电机励磁控制作为改善电力系统稳定性的易于实现、经济、有效措施，一直受到广大电力工作者的关注。由于应用可控硅自并励方式的静止励磁与具有旋转机的励磁方式相比，具有结构简单、可靠性高、造价低廉、调节快速等优点7，因此近年来被电力系统广泛采用。而基于这种快速励磁方式的控制策略的研究也取得了显著成就。在对电力系统非线性励磁控制的研究中，单轴发电机模型多以状态变量构成的微分方程，即经典三阶简化模型为主。虽然模型阶数越高，对发电机动态行为的模拟就越详细，但同时复杂程度也相应增加。研究表明，三阶简化模型完全可以满足对电力系统稳定研究的需要8。双轴励磁同步发电机是在转子d、q轴上均装设励磁线圈的新型同步发电机。通过调节d、q轴的励磁电流，使合成电势可取任意角度，从而可改变感应电势的相位角控制发电机的输出功率，有效提高系统稳定性，防止失步。但它也存在造价较高，不是很经济的缺点。1.2.2 汽门/水门控制汽门控制，是快速关闭汽轮机的调节汽门，降低汽轮机出力，以增加故障切除后机组制动能量，从而保证电力系统稳定运行的有效措施。汽门控制分为在快关过程中控制中压调节汽门及同时控制高、中压调节汽门两种。采用可靠的汽门控制方法，不仅不会损坏供汽系统和汽轮机的可靠性，通常比机组停机方案更可取。根据多年的电厂接入系统设计结果，一般情况下，除电厂出线始端发生三相短路必须采取切机减出力措施外，其它的单一故障，通过采取快关汽门措施，可达到电力系统稳定运行目的。当然，汽门控制也不能解决所有的系统稳定问题，与其它措施配合使用效果更好。近二十年来，原动机“调速”系统发生了相当大的变化，电液式的“调速”系统取代了机械液压式“调速”系统，其传动方式也进行了重大改进。在此基础之上，通过水（汽）门对原动机转矩的控制，可以显著改善电力系统稳定水平，其效果并不逊色于励磁控制7。对电力系统汽门的非线性控制，一般针对以状态变量构成的三阶系统模型进行研究。水轮发电机水门调节的基本任务是，当电力系统负荷发生变化或系统遭受到干扰，水轮发电机组转速将出现偏差时，可通过水门调节器相应地改变水轮机的流量，使改变后的水轮机水力矩与发电机负荷阻力矩达成新的平衡，以维持机组转速（或频率）在规定的范围以内。水轮机水门调节系统是一个水、机、电的综合控制系统，调节对象的特性十分复杂。压力引水系统有较大的水流惯性，它使得水轮机水力矩不能立即响应负荷力矩的变化；水轮机具有明显的非线性特性以及水轮发电机组有较大的转动惯性，这些都对水轮机调节系统的稳定性和调节品质有很大的影响，也给调节系统的稳定性分析、过渡过程分析以及调速器参数整定带来了一定的困难。早期的水轮机水门调节方式是根据机组转速的偏差进行比例调节。随着控制理论及电子技术的发展，研制了PI调节和PID调节器。近年来，已研制出以微处理机为基础的自适应式调速器，试图保持水轮机调速器处于最佳运行状态。但是，上述各种调速器都是基于水轮发电机组的近似线性化模型设计的，不能考虑水门调节的非线性特性难以适应电力系统在动态过程中的最佳调节。从水轮发电机组的非线性模型出发，对其控制规律进行研究，从而得到水门非线性调节规律则十分必要。90年代初研制的“MCS98全数字式水门非线性控制器”，已应用到丹江水电站的水门控制中9。1.2.3 FACTS控制柔性交流输电系统（Flexible Alternating Current Transmission System）是由美国电力科学研究院的（EPRI）N G Hingorani博士于1986年提出的10，用于描述基于大功率电力电子器件的控制器。依靠这样的控制器，可以提高电网的功率传输能力，并使系统潮流更可控，即使直接影响交流功率传输的三个主要参数（电压、相角、阻抗）按系统的需要迅速调整。图1.2利用两个互联系统间功率潮流的控制概括了FACTS技术的基本原理10，系统间输送的有功功率由图中的方程所确定。FACTS设备可影响这些参数中的一个或多个。随着大功率半导体器件的发展，FACTS设备的制造及应用得到了长足发展。在大功率汞弧整流器问世不久，1954年在瑞典即投入了世界第一条HVDC。 1972年第一条基于晶闸管的直流输电线路投运。迄今世界上运行的HVDC已逾30条。可控硅励磁始于60年代，如今已普遍采用。基于晶闸管的SVC始于70年代，到80年代后期全世界SVC已逾20Gvar。尽管目前在FACTS的定义和范畴方面看法不一，但在电力系统中广泛采用电力电子技术的趋势则是不争的事实。当然，FACTS技术的产生和发展也是有一定背景的条件。这些条件可概括为输电网运行的需要、来自直流输电的竞争压力、电力电子技术和元器件的发展支持、已有FACTS技术产品的研制和运行经验的积累等四个方面。图1.2 主要输电型FACTS控制器功能示意图Fig. 1.2 Function block of primary transmission type FACTS controllerFACTS的效果主要体现在提高了输电网潮流流向的控制能力以及输电线输送能力两个方面。同时，电力系统需要的无功功率也比有功功率大，若综合有功发电最大负荷为100%，则无功总需要约为120-140%，它包括负荷的无功功率和线路、变压器的无功损耗。只靠发电机发出的无功功率不能平衡电力系统的无功需求，必须进行无功功率补偿。另一方面，电力系统中振荡(主要包括低频振荡与次同步振荡(SSR)的存在极大地威胁着系统的安全运行。低频振荡通常发生在重负荷、长传输线系统。由于机组群与它们的自然机电振荡频率的不同，使得系统在某种状况下发生低频振荡，其振荡频率约为每分钟1至5次。串联补偿提高了功率的传输能力。但在某一频率入下，线路感抗与串联容抗相等时，会产生电气谐振。而当发电机某一轴系固有频率与电气谐振频率之和接近工频时，则可能由于机械、电气振荡的相互耦合作用而引发轴系扭振，即次同步振荡，其频率约为10至40赫。FACTS的出现无疑也为动态无功功率补偿及抑制振荡提供了新的有效手段。FACTS设备近年来发展十分迅速，所包含的器件种类不断增加。目前已知的属于FACTS开发项目的具体装置约有20多种，其原理、性能、与系统的连接方式等也多种多样，一些已进入实际应用，一些正处于工业示范阶段，另一些尚处于设计测试阶段11, 一些在发、输、配电系统中应用或研究的电力电子装置如图1.3所示。目前的主要有：静止无功补偿器（SVC）、可控硅控制的串联补偿器（TCSC）、新型静止无功发生器（ASVG或STATCOM）、可控硅制动电阻（TCBR）、可控硅控制的移相器（TCPS）、统一潮流控制器（UPFC）以及高压直流输电（HVDC）等。而对其控制规律进行设计研究则是理论工作者关注的热点之一。图1.3 在发、输、配电系统中应用或研究的一些电力电子装置Fig. 1.3 Some powerelectronic devices applied or studied in power generation, transmission and distribution systemsFACTS控制器按其与被控交流输电系统的连接方式大体可分为并联连接、串联连接和串并联连接三类控制器。众所周知，并联补偿装置，如静止无功补偿器(SVC)，静止同步补偿器(STATCOM)等，其基本功能是控制系统的电压。由于其安装十分灵活，所以适用于网络结构和较短的输电线路的补偿。串联补偿装置，如可控串补(TCSC)，静止同步串联补偿器(SSSC)等，则主要用于控制系统的潮流。而作为二者相结合的串并联补偿装置，如统一潮流控制器(UPFC)，则可以在准确控制系统电压的同时对输电线路上的有功与无功潮流进行双向控制。但应当指出，由于串联补偿方式是用来对系统的潮流加以控制，一旦补偿装置发生故障，有可能对电力系统产生严重的影响。SVC的基本功能是从电网吸收或向电网输送可连续调节的无功功率，以维持装设点的电压稳定，并有利于电网的无功规律平衡。此外，当系统遭受干扰或发生故障时，通过调节输出无功功率，SVC可以起到稳定系统的作用。可控串联补偿器(TCSC)具有潮流控制、阻尼线路功率振荡、提高电力系统暂态稳定性和抑制次同步振荡(SSR)等多种功能，因此，在电力系统中的应用潜力很大。装设在输电线路的中点，由于它正常运行状态下可等效为串联在输电线路上的容性电抗，故可有效减少输电线路的等效电气距离，使得远距离输电系统在大小干扰下的稳定性均得以提高。先进的静止无功发生器(ASVG/STATCOM)作为FACTS器件中最重要的设备之一，由于其采用了全控型大功率电力电子器件，可大大地提高系统的响应速度并改善功率因数，因此较之传统的无源参数控制型的补偿装置（SVC等）具有更为优越的性能。它在某种控制规律下，可根据系统的参数状态，快速地调节变流器的输出电压的幅度和相位，从而控制系统潮流12。除了起到电压支撑和无功补偿作用外，ASVG对于提高线路最大传输功率、增强系统暂态稳定性能、阻尼扭振以及改善电能质量等都有良好的效果。由于ASVG具有控制特性好，可以在从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节，特别是在欠压条件下仍可有效地发出无功功率，在系统对称运行条件下所需储能电容容量较小，从而可以减小装置体积，瞬时过负荷容量大，谐波含量小，响应速度快等优点得到了电力工业界越来越大的关注，美国和日本都已先后研制出多台大容量的ASVG装置，并已经投入实际运行。 TCPS可以改变两系统间的相角，从而可以控制传输线上的有功或无功，因此可以用于优化系统潮流。用于电气制动的TCBR一般被安装在发电机端用以吸收当系统发生故障时的过剩暂态能量，保持电力系统运行的稳定性。几种FACTS装置对稳定性的影响如表1.1。表1.1 几种FACTS装置对稳定性的影响10, 11Table 1.1 Influence of FACTS devices on Stability措施静态稳定暂态稳定阻尼低频振荡阻尼次同步振荡SVC/ASVG*TCSC*TCPS*UPFC*HVDC*注：* 影响小，* 影响中，* 影响大1.2.4 负荷频率控制电力系统的负荷是经常变化的，为确保功率传输的质量，有必要依靠系统频率对发电机负荷进行控制。由于电力系统在正常运行时仅会遭受小的负荷变化，所以线性模型足够用于代表系统在运行点周围的动态。一个单控制区域的系统动态一般以所形成的线性模型为主。这里的状态向量分别代表频率偏差增量 ，发电机有功输出增量变化，调节器阀门位置增量变化、及电压角度增量变化。 文13提出了基于黎卡提公式的鲁棒负荷频率控制器，该控制器确保全系统对容许不确定性的渐进稳定；文14进行了类似研究；文15将鲁棒控制用于处理小参数不确定性，自适应控制用于处理大参数不确定性，所设计的控制器进一步提高了参数不确定性的范围；文16基于结构奇异值框架设计了简单的局部控制器;文17应用变结构方法对负荷频率控制进行了研究。1.2.5 协调/综合控制协调控制是提高稳定水平和输送功率的基础，也是效果价格比较高的措施。它们可以在不切机的情况下，从根本上提高机组与电网的稳定运行水平。这里的协调控制有两方面的含义：其一为多目标的协调控制，即提高静稳与改善暂稳之间的协调，如功角稳定与电压稳定；其二为同一地区的多种控制器以及不同地区控制器间的协调控制，乃至发展成为集中控制系统。一个完整的