专利名称：：基于statcom与svc的电能质量调节器协调控制方法
技术领域：
：本发明涉及一种电能质量调节控制方法，特别涉及一种基于STATCOM与SVC的电能质量调节器协调控制方法。
背景技术：
：随着电力电子技术的快速发展，基于大功率电力电子器件的灵活交流输电(FACTS)技术是增强输配电系统的可控性和灵活性、提高运行的稳定性和经济性的有效手段。静止无功补偿装置在运行范围、可控性和响应速度等方面比传统的无功补偿系统具有显著的优势，能有效地提高电力系统的传输容量并提高其静态及暂态稳定性。静止无功补偿器SVC和静止同步补偿器STATCOM是两种重要的静止无功补偿装置，在电力系统的无功补偿、提高电力系统的电压质量和电压稳定性等方面有着重要的作用。最近十余年国内外发生的大停电事故大多与电压稳定有着密切联系，电力系统的无功补偿和电压稳定性问题正得到越来越广泛的重视。因此，SVC和STATCOM获得广泛了的应用。而由于STATCOM在电压控制效果和响应速度等方面远优于SVC，STATCOM有逐渐取代SVC的趋势。此外，早期安装了许多SVC装置的电力系统，由于系统改造等原因，需要在原来的系统中增加STATCOM以改善和提高系统的动态无功电压支撑能力。因此，系统中出现SVC和STATCOM并存的情况是完全有可能的。由于以上种种原因，研究SVC和STATCOM之间的交互影响具有重要的理论价值和实际意义。研究最近的研究结果表明，如江全元在文章"基于相对增益矩阵原理的柔性交流输电系统控制器交互影响分析"(中国电机工程学报,2005.06,第25巻第11期,PP.23-28)中应用RGA原理分析了电力系统多个FACTS控制器之间可能存在的交互影响，从而破坏电力系统稳定性。而对于怎样抑制或者消除STATCOM与SVC并联于电网可能存在多控制器交互影响的方法，国内外尚没有提出。
发明内容本发明目的旨在避免STATCOM与SVC并联于电网存在的交互影响，提供一种基于STATCOM与SVC的电能质量调节器协调控制方法。本发明能够有效减小两者控制器之间的交互影响，从而保证了两个控制装置能够安全稳定运行，使它们能够高效率地相互配合补偿电网无功功率并维持电压稳定，提高电网的稳定性和电能质量。为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是一种基于STATCOM与SVC的电能质量调节器协调控制方法，在单机无穷大电力系统中，根据发电机、STATCOM与SVC的动态模型式中5是发电机转子摇摆角(mc/);w为发电机的转子角速度(md");w。是同步角速度，w。=2;r/Q=314rad/"《是发电机的输出电磁功率；^是发电机的输入机械功率；"是发电机阻尼参数；M是发电机惯性时间常数；^是发电机《轴电势；《是发电机《轴暂态电势；Tl是发电机d轴暂态短路时间常数；^是无穷大母线电压；x,是发电机d轴电抗；x二是发电机d轴暂态电抗；且，导出装有STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统线性化状态方程:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>并建立了基于STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统的扩展PWllips-Heffion模型，在扩展PhilUps-Heffron的基础上，建立了STATCOM与SVC的控制系统，该控制系统是一个三输入、三输出系统，对每一对输入、输出设计一个单输入单输出的控制器，由此推导出线性定常组合控制系统<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>线性定常组合系统(1(0)=^^)在给定信息结构S的约束下，求静态输出反馈控制规律"o)-《y(;o，其中〖为具有特定信息s的常数矩阵，使得线性二次型LQ性能指标为极小，其中g，i为相应维数的对称正半定矩阵，如果初始状态^f。是随机变量，且五。二五(jr。^r。D，其中五o是期望运算，考虑目标函数的期望值J二五0/)^^(尸五o)，为简化计算取五。=/(单位阵)，则)取得极小值的必要条件是(尸，I，F)满足S信息结构下推广的Levine-Athans方程组<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>上述Levine-Athans方程组采用梯度算法和直接迭代法求解，对于基于STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统线性状态方程，由于各局部控制器均采用本地输出反馈来实现，相应的信息结构矩阵退化为分块对角阵。上述单输入单输出的控制器为比例控制器。本发明提供的所述基于STATCOM与SVC的电能质量调节器协调控制方法，其有益效果是能够有效减小两者控制器之间的交互影响，从而保证了两个控制装置能够安全稳定运行，使它们能够高效率地相互配合补偿电网无功功率并维持电压稳定，提高电网的稳定性和电能质量。下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。图l是本发明装有STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统实物图。图2是本发明基于STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统模型图。图3是本发明基于STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统的扩展的Phillips-Heffron模型结构图。图4是本发明基于STATCOM与SVC的控制系统结构图。具体实施例方式由如图1可得图2所示的装有STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统模型。在单机无穷大电力系统中，本发明采用发电机的动态模型为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中^是发电机转子摇摆角(md);w为发电机的转子角速度(md/";。是同步角速度，w。-2;r/^314mc^;《是发电机的输出电磁功率；P^是发电机的输入机械功率；"是发电机阻尼参数；M是发电机惯性时间常数；^是发电机《轴电势；《是发电机g轴暂态电势；巧。是发电机d轴暂态短路时间常数；K是无穷大母线电压；x,是发电机c/轴电抗；x二是发电机d轴暂态电抗；且，、,图1中的静止无功补偿器(SVC)为TCR型，其动态模型常用一个固定电容器(FC)与一个晶闸管控制的电抗器(TCR)的并联而成。因此，SVC可用一个可控的等效导纳表示，其等效导纳为4',紅=[1-C(")]/jX广l/风式中"为导通角；X,为电抗器的等效电抗；&为电容器的等效电抗；0<C(a)=2(a-sin2cO/;r-l<l，不失一般性，取^^=1￡，则有7亂'=A"=-C(a)/风(2)设SVC的电压和稳定控制均为纯增益控制，有=a。十C「(K。-)+C>。Acy(3)如图1所示，静止同步补偿器STATCOM采用多级降压变压器(Step-downTransformerSDT)、三相电压逆变器和直流电容器C^，构成。电压源逆变器产生可控电压器K(/)《^in(w，)。根据STATCOM母线电压KW和r。W之间的相角和幅值的差异，使得STATCOM和系统之间有功功率流动，通过控制^的幅值和相角可以达到控制系统中的功率流动和电压稳定。由STATCOM的性质可得到它的动态模型为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(4)式中4,、/De、C^.分别为直流侧电压、电流和电容值；c^/A:是调制解调器的相关参数，其中，^是逆变器交直流电压之比，它和其逆变器的结构有关，m是由脉冲宽度调制器确定的调制比例；^大小也由脉冲宽度调制器决定。根据式(l)、(2)禾Q(4)，可得出装有STATCOM和SVC的单机无穷大电力系统的线性化方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(5)射<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(6)把(5)代入(4)可得到装有STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统线性化状态方程:Aw+0"0000M010_仏1《700000《戸&MM巧。《入《《AKJ，4《却0/(l+C3C)(9)对于STATCOM，可以得到△rDC=早5++早a+AAK沉,+^Ac+B6Ay(10)=+D2+D3A"+AA+"5Ac+AAW(11)联合式(8)、(10)和(11)可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(12)设:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>由状态方程(7)及上面的设定可得基于SVC和STATCOM的单机无穷大电力系统的扩展Phillips-Heffron模型，其结构如图2所示。根据上述图2中Phillips-Heffron模型，建立STATCOM与SVC的控制系统，如图3、4所示。显然，该控制系统是一个三输入、三输出系统。对每一对输入、输出设计一个单输入单输出的控制器。其中，由式(3)可知，令C^i^，&=0，SVC的控制参数"的比例交流电压控制为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(13)对于STATCOM，比例直流电压控制器和比例交流电压控制器分别如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>达式(14)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(15)由式(7)和(12)基于STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统线性状态方程:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(16)式中爿，5，C，D对应于式(7)和(12)的参数矩阵，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>结合式(13)、(14)、(15)，式(16)可整理得到:(17)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>根据已知文献，线性定常组合系统(如式(17)，x(o)=jrQ)在给定信息结构s的约束下，求静态输出反馈控制规律t/(XK^y(;o(i为具有特定信息S的常数矩阵)，使得线性二次型LQ性能指标<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>扣f(I，+^甜W(18)为极小，其中g，i为相应维数的对称正半定矩阵。由于采用LQ性能指标，上述问题称为无时限LQ控制问题。如果初始状态JT。是随机变量，且五。=五(^^;^/)，其中五G是期望运算。考虑目标函数的期望值J-五G/)^tP^))，为简化计算取￡。=/(单位阵)，则J取得极小值的必要条件是(P,〖，K)满足S信息结构下推广的Levine-Athans方程组。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>(19)方程组(19)可采用梯度算法和直接迭代法求解。对于系统模型(17)，由于各局部控制器均采用本地输出反馈来实现，故是一个完全分散信息结构下的LQ协调型控制设计问题，相应的信息结构矩阵退化为分块对角阵。权利要求1、一种基于STATCOM与SVC的电能质量调节器协调控制方法，其特征在于，依据装有STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统实物图建立了基于STATCOM与SVC的无穷大电力系统模型，在单机无穷大电力系统中，根据发电机、STATCOM与SVC的动态模型<math-cwu><![CDATA[<math><mfencedopen=''close='}'><mtable><mtr><mtd><mover><mi>δ</mi><mo>.</mo></mover><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mi>ω</mi><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mover><mi>ω</mi><mo>.</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>m</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mi>e</mi></msub><mo>-</mo><mi>Dω</mi><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>M</mi><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>E</mi><mi>q</mi><mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>E</mi><mi>q</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>E</mi><mi>fd</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>d</mi><mn>0</mn></mrow><mo>′</mo></msubsup><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mover><msub><mi>E</mi><mi>fd</mi></msub><mo>.</mo></mover><mo>=</mo><mo>[</mo><mo>-</mo><msub><mi>E</mi><mi>fd</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>t</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>V</mi><mi>t</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0001"file="S2007101926623C00011.gif"wi="52"he="35"top="5"left="5"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/-->式中δ是发电机转子摇摆角(rad)；ω为发电机的转子角速度(rad/s)；ω0是同步角速度，ω0＝2πf0＝314rad/s；Pe是发电机的输出电磁功率；Pm是发电机的输入机械功率；D是发电机阻尼参数；M是发电机惯性时间常数；Eq是发电机q轴电势；Eq′是发电机q轴暂态电势；Td0′是发电机d轴暂态短路时间常数；Vb是无穷大母线电压；xd是发电机d轴电抗；xd′是发电机d轴暂态电抗；且，Pe＝Eq′Itq+(Xq-Xd′)ItdItq，Vtq＝Eq′-Xd′Itd，Eq＝Eq′+(Xd-Xd′)Itd，Vt2＝Vtd2+Vtq2，Vtq＝XqItq.导出装有STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统线性化状态方程id="icf0002"file="S2007101926623C00021.gif"wi="110"he="49"top="5"left="5"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/><math-cwu><![CDATA[<math><mrow><mo>+</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>K</mi><mi>pa</mi></msub><mi>M</mi></mfrac></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>K</mi><mi>pc</mi></msub><mi>M</mi></mfrac></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>K</mi><mi>pψ</mi></msub><mi>M</mi></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>K</mi><mi>qa</mi></msub><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>d</mi><mn>0</mn></mrow><mo>′</mo></msubsup></mfrac></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>K</mi><mi>qc</mi></msub><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>d</mi><mn>0</mn></mrow><mo>′</mo></msubsup></mfrac></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>K</mi><mi>qψ</mi></msub><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>d</mi><mn>0</mn></mrow><mo>′</mo></msubsup></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mi>A</mi></msub><msub><mi>K</mi><mi>va</mi></msub></mrow><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mi>A</mi></msub><msub><mi>K</mi><mi>vc</mi></msub></mrow><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mi>A</mi></msub><msub><mi>K</mi><mi>vψ</mi></msub></mrow><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>K</mi><mi>da</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>K</mi><mi>dc</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>K</mi><mi>dψ</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>Δα</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δc</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δψ</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0003"file="S2007101926623C00022.gif"wi="69"he="49"top="5"left="5"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/-->并建立了基于STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统的扩展Phillips-Heffron模型，在扩展Phillips-Heffron的基础上，建立了STATCOM与SVC的控制系统，该控制系统是一个三输入、三输出系统，对每一对输入、输出设计一个单输入单输出的控制器，由此推导出线性定常组合控制系统id="icf0004"file="S2007101926623C00023.gif"wi="33"he="15"top="5"left="5"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>式中，2、根据权利要求1所述基于STATCOM与SVC的电能质量调节器协调控制方法，其特征在于，所述单输入单输出的控制器为比例控制器。全文摘要本发明公开了一种基于STATCOM与SVC的电能质量调节器协调控制方法。在单机无穷大电力系统中，根据发电机、STATCOM与SVC的动态模型，推导出了装有STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统线性化状态方程，并建立了基于STATCOM与SVC的单机无穷大电力系统的扩展Phillips-Heffron模型。在此基础上，建立了STATCOM与SVC的控制系统。由此推导出线性定常组合控制系统。本发明在能够有效减小两者控制器之间的交互影响，从而保证了两个控制装置能够安全稳定运行，使它们能够高效率地相互配合补偿电网无功功率并维持电压稳定，提高电网的稳定性和电能质量。文档编号H02J3/00GK101183790SQ20071019266公开日2008年5月21日申请日期2007年12月19日优先权日2007年12月19日发明者帅智康,彭双剑,戴亚培,威浣,安罗,伟赵申请人:湖南大学