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提高系统稳定性的调谐型TCIPC非线性控制器设计

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资料介绍

根据相间功率控制器(IPC)功率控制特性,通过对比调谐型IPC与非调谐型IPC调节功率的灵敏度,说明了调谐型IPC对联络线功率的调节能力比非调谐型IPC强.基于微分几何仿射非线性控制理论,推导出调谐型可控相间功率控制器(TCIPC)仿射非线性系统模型,并根据状态反馈精确线性化方法,设计了调谐型TCIPC非线性控制器.以单机无穷大系统中串入调谐型TCIPC为例进行仿真.结果表明:采用所提出的控制方法设计的调谐型TCIPC控制器,在系统发生大干扰后具有良好的阻尼性能,可以起到提高系统暂态稳定性的作用.

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V01．33 No．5

力自化

Electric Power Automation

@絮篙学

2013

Mav

Equipment

提高系

定性的

型TCIPC非性控制器

李

明3

娟1，乃欣1，郎婷2，

(1．

北

力大学气工程学院，吉林吉林132012；2．

能

厂，黑江佳木斯154000；

3．衡水供公司．河北衡水053000)

摘要：根据相功率控制器(IPC)功率控制特性，通

明了型IPC 功率的能力比非型IPC 。基于微分几何仿射非性控制理．推

型可控相功率控制器(TCIPC)仿射非性系模型．并根据状精确性化方法．

TCIPC非性控制器。以机无大系中串入型TCIPC

生大干后具有良好的阻尼性能．可以起到提高系

比

型IPC与非

型IPC

功率的灵敏度，

出

型

反

了

例

行仿真。果表明：采用所提出的控制

方法

的

型TCIPC控制器，在系

定性

的作用．

关

中

：相功率控制器；仿射非性控制；

；

定性；非性系

：

性化：阻尼

712

分

号：TM

文献

是

：A

DOI：10．3969／j．issn．1006— 6047．2013．05．01

以文献『7]中IPC240 接于两系

引言

例． 1中

出了IPC 接点一相接

．另外两

柔性交流

系

(FACTS)技

代

力技

能力

相

同。中，‰、％、魄 IPC人口A、B、C三相

展的重要方向．它可以提高力系

的

称

相量；‰、UBR、

相量；J。。

。 IPC出口A、B、C三相

A相流相量；PA。

和

定水平N-2；。相功率控制器(IPC)作 FACTS

元件的一种．最早是由加拿大魁北克

中心提出来的[3]。IPC通等效改

技

革新

A相有功功率；以。作参考相量，U 超前

路的抗、移

U。R的角度 6。

相角等参数改

路的送能力．在增加路的

‰

，

功率、限制短路流及

解耦等方面的良特性已

得到公 -引。目前利用可控相功率控制器fTCIPC)

魄

巩R

斤

快速提高力系

的

定性已得到力工作者一定

的关注。

‰

目前 TCIPC参数行控制来提高系

性的研究集中在采用的PI控制方式[5_F。

定

力

IPC 路模型

Model of IPC circuit

Fig．1

系

是典型的非性系．非性控制能反映系

的非性特性和不确定性．因而具有好的适

性和棒性。本文基于微分几何理的状

如

1所示，由IPC出口流入

的功率：

PAR=Re(巩Jk)=

反

精

确

性化方法 TCIPC参数行控制来提高系

訾sinp孥)_ ％sin卜孥)(1)

的

定性。

于

型IPC，定 IPC

抗

x。Pc=∞￡=与，

IPC功率控制特性分析

由式(1)可得：

IPC参数的

可以分 2种情况：同

』

G_一⋯ Ub6

(_＼2_L，)

PAR_一：_—翌掣

—

— — iF— — — —

容和感参数，使IPC工作于

感或容参数．使IPC工作于非

状

：

状

独

AIPc

。由于

于非

型IPC， X。=wL，X。=j了，其中X。

独

容参数涉及

及无功部分．情况

复．

是可量，由式(1)可得：

因此研究

情况下的IPC

独

感的情况。了研究 2种

功率的性能．必

可

IPC功角

P一( 磐一

1。in6AR--

尸

2矗

2X，

特性行分析。

、⋯

陋(3)

＼

／

收稿日期：2012— 04— 21：修回日期：2013— 03— 14

(学2X

+学2X

基金目：吉林省教育科研

划目(200618)

分析式(2)可知，

型IPC的功角特性曲

Research

of Education

Projeel

Project supported

Planning

Jilin Province(2006 8)

一系列的余弦曲，当X。阢增大，功角特性曲

极

Department

万方数据

第5期

李娟．等：提高系

定性的

型TCIPC非性控制器

④

限

减小，

，当X。一定

特性曲各不相同，由式(3)可知，在其功角特性表

能力减小；而非

型IPC的功角特

性比

复

，

于可

的凰，其功角

达式中余弦占主作用，正弦

小。

型IPC

与非

型IPC的功角特性曲

如

2所示．

P。

X。

小

∥式

。

3安装TCIPC装置的机无大系

∥

＼s7

infinite— bus

Fig．3 Single— machine

system

(a)

型IPC

with TCIPC

数。TCIPC 感支路的晶管触

延

与

之

X。

小

的关系 [9_3：

≯ 雩

弋＼

。

／

N迤6

(6)

‰=告(1一孚一÷sin2a)

(b)非蒯型IPC

IPC功角特性曲

其中，0≤ d≤ n／2。

通

投切不同数的容器来

容支路等

．

P-8 curves of IPC

Fig．2

参数的

，

了能参数行接近于无

式(2)、(3)分

求

可得

：

功率与

(4)

按照二制系

来

不同成部分的容器的容

IPC可参数化量的关系

量。在种方案中，几一1个容器的

既，

容器

而另外一个容器的

容量化的步数就

廓／2．

APl=舞一半cos6

大

2n。

TCIPC 容支路容器投切数与

之

的

AP2= = sin6一学cos6(5)

关系：9：：

IPC两端

相角差并不大．通常在一250<6<250

Bc=【凡一}}∞c

3可以得到上的有功功率 [10]：

(7)

范

内。8’。比式(4)和式(5)，然在X胍=噩的条

由

件下

功率的化率l△P。l>f△P2 f，即

型IPC

明了

型

功率的灵敏度比非

型IPC要高。

、”7

Pr= 迪

。

(Ⅱ

[

；]一X。

鬻

(d)X；畿斧(8)

型IPC

潮流的能力比非

其中，凰(Ⅱ)

可

感抗，X；

可

容抗。

IPC的

。

型IPC，噩(“)=X；=x吒。

型TCIPC非性控制器

若略去路和TCIPC的

磁

程．

由

可求出

机

磁功率表达式：

力系是典型的非性系．非性控制能

反映系的非性特性和不确定性。本文基于微分

(9)

只：孚sin虫粤c。。p％煎)

AIPC

厶

几何理的状

反

精确性化方法

了

型

研究机无大系

定性

．

机采用

TCIPC非性控制器以提高系

的

定性。

二

模型，其子运方程：

2．1

型TCIPC的仿射非性系模型

6(￡)=to(t)一too

假

在

机无大系

的

路中安装

．等效

的等效抗．

TCIPC 感支路和容支路的移相角。

r10、

’

、

TCIPC，并双回

与无大母

相

(￡)=粤(Pm— PD— Pe)

路

如

3所示。中X 双回

其中，6 功角(rad)；H

(S)，Pm 入机械功率(

率( )；PD 阻尼功率(

机

的

性

常数

磁功

西。、咖：分

机

幺

)；只

如 3所示．TCIPC利用移相器PSTl和PST2

IPC的移相功能。将IPC的感支路与2个反

幺

)，PD=D[to(t)一

too]／too，D 阻尼系数。

并

的晶管串，通控制晶管的触

延

角d

管控制投

容支路的容参

若假定

机

和机械入功率Pm恒

等效地改感支路的抗参数：通

晶

定，安装TCIPC的机无大系可用以下非

性

切不同数的容器等效地改

状方程表示：

万方数据

第33卷

力自化

国

6(t)=oJ(t)一∞o

Cll=毫掣sin学cos卜学)

⋯ )

∞)一(c— J0[Pm— D 一

C12=半sin学sin卜学)-

半sin学cos卜学)

C22=半sin学cos卜学)

sin学cos卜学)]

其中，a(t)、∞(t)

型IPC的抗。

状

量；X盹控制量，是

若

控制量：

其行列式的

：

u(t)=1／X吒

(12)

(13)

式(11)可以写成仿射非性系 Ⅲ]：

det(c)=下-4(agE2U2 sin2学cos2卜学)(19)

Xi厂(工)+g(工)M

行列式

在域 ={6，∞J 0<6<丌}上不等于

其中，状

量X=[∞，6]’且工E彤。可以得出：

零，因此，在

机功角6E(0。，180。)内，TCIPC非

性控制系是可精确性化的。按照仿射非性系

精确性化的基本步，可将式(12)所

描述的非性系精确性化

型[15— 16]的完全可控的性状方程的新系

数。最后可求得其控制

f(x)：f O)oIBm— D(∞一∞。)／030]／日]

(14)

。

【

∞一O)o

，

推

布

夫斯基

准

如，一之 sin学cos卜学 5，

出函

}

律

：

2．2基于状

反

精确性化方法的

型TCIPC

Pm一旦△∞+旦(郜+ △∞)

非

性控制模型

于上述非性系．假如定其定运行点

作近似性化．并按性控制理和方法

那么当运行在离近似性化所的状

．所得到的控制律很足控制系所要求的

定性能和。如果在整个(或足大)状

上能出一种使非性系能精确性化的理

和方法．按种方法通性状和恰当的

。可将式(13)表示的仿射非性系

‘2。’

sin cosf6一 )

— (．D磊。再O)02EU巧巧可

将上式代入式(12)中，并整理得：

行

。

系

点

1＼z／

xI²P^EUc^。2^in罐i^c。。旧i^一甄

品

‘21’

空

非

反

由式(10)可得：

坐

行

Pm=日幻(￡)／too+DAw／wo+Pe

将式(22)代入(21)中有：

(22)

精确性化．那么就能保控制系

良好的

Frobennius定理[12] 出了状

的

定性且具有

品

。

反

精确性化

2EU。in墼粤c。。卜墼粤1

只+旦蛆+旦(筋+v'2A∞)

方法的充要条件。在安装TCIPC的机无大系

中．子运方程所描述的仿射非性系

可精确性化的充要条件

域内是非奇异的。

C=[g(x)，adfg(x)]

机

矩

式(16)[13-14]在X=Xo

(16)

式(23)即

最

所要得到的TCIPC 抗的非

点

性控制律．由此可

4所示．

TCIPC非性控制器，如

ad，g(x)=筹勘X)一掣如)=

半sin学sin卜学)

(17)

半sin学cos卜学)

其中，ad俘(z) 向量 g@)沿向量八工)方向的李

数。

将式(14)、(15)与式(17)代人式(16)，并整理得：

TCIPC非性控制策略

㈣，

of TCIPC

Nonlinear control

strategy

c=(告1之]

Fig．4

万方数据

第5期

李娟．等：提高系

定性的

型TCIPC非性控制器

当参数6,w、Pe、西。、咖：定后，由式(23) 算出

系

TCIPC所期望的

方程式(24)，以确定TCIPC的晶管的触

OL，同式(25)可以确定投切的容器数。

抗

Xm然后求解非

性

角

延

通

噩(d)=XIPc

弼=XIPc

(24)

(25)

P=800MW

机功角曲

CHIVe of

when

generator

Fig．7 Power-angle

R=800MW

3仿真分析

以

5所示的机无大系

例． TCIPC在

。模

大干作用下提高运行定性的作用

行

a．根据IPC的功率控制特性．分析明了

功率的能力比非型IPC

型

一条

末端在0．1

生三相短路接地故

TCIPC装置采用非

IPC

。

障．0．2 S后故障切除。分

b．基于微分几何的精确性化方法．将安装

型TCIPC的机无大系的非性状方程精确

性控制和PI控制方式行仿真。此，PI控制中，

K。：0．6，Ki=17。而非性控制中通以上

求出的XlPc=O．0534

算

化

非

性方程．并在此基

上

了

型TCIPC

p．u．。

性控制器。

c．以机无大系串入TCIPC 行仿真。

果表明：与

的PI控制器相比，

生大后具有

的TCIPC非

的阻尼作

地提高系

运行方式

性控制器在系

用．能抑制系的功角振，可以

定性．并可以好地适

明

系

的

化。

参考文献：

[1]FARMAD M，FARHANGI S，AFSHARNlA S，et

5安装TCIPC的机无大系

infinite— bus

Fig．5 Single— machine

system

with TCIPC

200

a1．Application

cuntroller for

6 出了PP=l

MW ，故障情况下的

source eonverter in

interphase power

voltage

机功角曲。从中可以看出．采用PI控制，系

是保持定的．但阻尼不足．振衰减比

慢，直到0．6 s以后系才恢复定：而采用TCIPC

性控制．系具有良好的阻尼性能．振

。因此．用非性控制

的TCIPC装置非性控制器可以著地改

flow control and fault

Annual Con—

limitation[C]／／34th

power

ference of IEEE Industrial Electronics．Orlando，FL，USA：IEEE，

2008：2301．2306．

非

在

f2]何瑞文，蔡祥．基于力系

定分析与控制的FACTS技

0．3 S以后迅速衰减至

述[J]．

器，2004，32(6)：70— 75．

comment

flexible AC

and

power system stability analysis

Ruiwen，CAl

transmis—

Zexiang．A

律

sion

based

control[J]，

system

善在大干作用下系

的

定性。

Relay，2004，32(6)：70— 75．

SYBILLE

Y．Simulator demonstration of the

『3

G，HAJ— MAHARSI

一

inter

controller

Transactions

phase power

technology[J]．IEEE

on Power

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Delivery，2006，1

一30

[4]李娟，康娜娜，于学均．改型IPC抑制

的研究[J]．力

自

化

，2008，28(10)：49．52．

t／S

Juan．KANG Nana．YU

IPC to restrain over—

Xuejun．Improve

200MW

机功角曲

R=1

Power Automation

voltage[J]．Electric

Equipment，2008，28(10)：

cHIve of

when

generator

Fig．6 Power— angle

49— 52．

PD=1 200MW

A，FARHANGI

and

Con．

[5]SAMADI

S．Analysis，control

modeling

出了PP=800 MW ，采用TCIPC非性

cascaded multilevel converter．based

IPCIC]／／34th Annual

控制和PI控制下的

机功角化情况。从中可

ferenee of IEEE Industrial Electronics．Orlando，FL，USA：IEEE．

2008：3213-3218．

以看出．即使系的运行工况生了化．与PI控

制相比．采用TCIPC非性控制后系仍会快地

f6]朱慧瑜，童同．郭春林FACTS

定控制的系模型的研

究[J]．力系

自化，2000，24(16)：13— 16．

恢复定．即系

程明

化．采用TCIPC非性控制都可以大幅度地

入

所用的

明

减少．整

ZHU

models for

of Electric

Huiyu，TONG Luyuan，GUO Chunlin．System

个

短。可．无

系

的运行工况怎

transient

control

stability

FACTs[J]．Automation

Power

Systems，2000，24(16)：13— 16．

提高系

的

定性。

[7]李娟，露，柳焯．可控相功率控制器(TCIPC)运行特性分析

万方数据

第33卷

④

力自化

[J]．

器，2006，34(12)：42— 45．

1993：56-60．

I．I

Juan．ZHAO Lu．LIU

characteristic of

R，The

of different

Zhuo．Operation

lhyris—

[13]PILOTTO

S，CARVALHO

impact

tar controlled

42．45．

TCSC control

methodologies

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resonance

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Weiyong，ZHOU Suquan，et a1．Enhancing

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stability

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Sys-

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与

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用，2002，19(1)：15— 20．

[9]李娟，露，冰冰，等．基于参数

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Juan，ZHAO Lu．ZHANG

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controlled controller based

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作者介：

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YIN

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运行控制及FACTS研究(E-mail：．conl，cn)；

乃欣(1986～)，女，山人，士研究生，从事力

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系运行控制及FACTS研究(E-mail：yannaixinnedu@163

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，

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非

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conl)．

Nonlinear

controller

TC口C for

improving power system stability

Juanl，YAN Naixin‘，LANG

Xutinf，ZHENG

Min93

of Electrical

Dianli

132012，China；

University，Jilin

(1．College

Engineering，Northeast

Power

Plant，Jiamusi 54000，China；

2，Hegang

Power

053000，China)

3．Hengshui

Supply Co．，Hengshui

control

Based on the active

Abstract：

sensitivity

characteristic of

Power Controller)，the

IPC(Interphase

between tuned IPC and non．tuned shows the tieline

IPC，which

power

power regulation

compared

of tuned IPC

better than that of non．tuned IPC．The model of tuned

of affine nonlinear control for the TCIPC Control

power regulation capability

nonlinear

is derived based on the

theory

system

^fThyristor

Power Controller)and the

infinite— bus

with serial tuned TCIPC is

Interphase

single．machine

system

shows the tuned TCIPC

has excellent

serioHs

simulated，which

designed

damping performance during

system

the

transient

oscillation，improving

system

stability remarkably．

nonlinear

power controller；affine

Key

words：inter— phase

control；transients；stability；nonlinear systems；

linearization；damping

万方数据

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