可控串聯電容補償裝置非線性控制器及構造方法
2024-02-09 21:21:15 1
專利名稱：可控串聯電容補償裝置非線性控制器及構造方法
技術領域：
本發明是一種採用本地信號的可控串聯電容補償裝置(簡稱可控串補，英文縮寫為TCSC)非線性控制器及構造方法，適用於電力系統的可控串聯電容補償裝置的高性能控制，屬於電力系統控制的技術領域。
背景技術：
近年來，可控串聯電容補償裝置已經逐步應用於實際電力系統。這是由於TCSC可以快速、連續、平滑地改變電力系統中輸電線路的阻抗，較大地提高輸電線路的功率傳輸能力和電力系統的穩定水平。
目前國內外已投入電力系統實際運行的TCSC大都使用傳統的比例積分微分(PID)等構成的線性控制器。由於傳統的線性控制器很難在電力系統較大的運行範圍內都取得滿意的控制效果，近年來各種基於非線性控制方法設計的TCSC非線性控制器得到了較多的研究。儘管在理論上這些非線性控制器可以滿足電力系統較大運行範圍內的控制要求，但是到目前為止TCSC非線性控制器都還未應用到實際工程中。其中一個重要原因是，目前研究的TCSC非線性控制器大都需要反饋非本地的遠方信號，而實際電力系統是一個地域分布十分廣大的系統，遠方信號不易獲得。此外目前研究的TCSC非線性控制器大都是基於特定的電力系統結構設計的，而實際電力系統的結構卻是千差萬別的。
為了從本質上改善TCSC的控制性能，克服線性控制器的局限，同時解決現有非線性控制器的不足之處，需要設計出只採用本地信號，不基於特定的電力系統結構的TCSC非線性控制器，實現TCSC的高性能控制。
三、技術內容1、技術問題本發明的目的是提供一種採用本地信號的可控串補非線性控制器及構造方法。據此構造出的非線性控制器適合任意的電力系統結構，僅需反饋本地可測信號，並能在TCSC系統較大的運行範圍內都可以保證有效的控制效果。
2、技術方案本發明的可控串聯電容補償裝置非線性控制器，其特徵在於該裝置由逆運算器、微分器組成的逆系統與閉環控制器相串聯共同構成逆系統控制器，其中逆運算器的第一個輸入端接閉環控制器的輸出端，逆運算器的第二個輸入端接TCSC系統的輸出端，逆運算器的第三個輸入端接TCSC系統的輸出端，逆運算器的第四個輸入端接微分器的輸出端，逆運算器的第五個輸入端接TCSC系統的輸出端，逆運算器的第六個輸入端接微分器的輸出端，逆運算器的第七個輸入端接TCSC系統的輸出端，逆運算器的第八個輸入端接微分器的輸出端；逆運算器的輸出端接TCSC系統的輸入端。
逆系統由逆運算器加3個微分器構成，其中逆運算器的輸出u=TCV1V2sinPV1V1+V2V2+cossin-PP+CT]]>其中=arccosPV1I-arccosPV2I]]>由TCSC上傳輸的有功功率P、TCSC上流過的電流I、TCSC兩側的電壓V1、V2，分別構成被控的TCSC系統、電流型TCSC系統、電壓1型TCSC系統和電壓2型TCSC系統；對應分別構成逆系統控制器、電流型逆系統控制器、電壓1型逆系統控制器和電壓2型逆系統控制器。逆系統控制器、電流型逆系統控制器、電壓1型逆系統控制器和電壓2型逆系統控制器的實現方法均採用數位訊號處理器即DSP控制器，通過編制DSP程序實現。
該方法首先將可控串聯電容補償裝置與外部電力系統相連接，構成被控的TCSC系統；進而構造TCSC系統的逆系統；然後將逆系統串接在TCSC系統之前，與TCSC系統複合成一階積分型偽線性系統；在此基礎上，採用線性系統的綜合方法對一階積分型偽線性系統設計閉環控制器；最後將逆系統與閉環控制器相串聯共同構成逆系統控制器，來對TCSC系統進行控制。
獲得優良的控制性能。
3、技術效果本發明的原理是通過構造逆系統，將TCSC這一非線性系統的控制轉化為簡單的一階積分型偽線性系統的控制，相應地就可以方便地設計線性閉環控制器。所提出的控制器只需要本地可測量信號且適合於任意的電力系統結構，同時符合實際的工程應用要求，具有很強的應用價值。
本發明的優點在於a.所設計的TCSC非線性控制器僅採用TCSC的本地可直接測量信號，不需要任何遠方信號或不可直接測量信號，符合實際電力系統的工程應用要求，易於工程實現。
b.通過構造TCSC系統的逆系統，將TCSC這一非線性系統的控制問題轉化為簡單的一階積分型偽線性系統的控制問題，進一步合理設計線性閉環控制器，可在電力系統較大的運行範圍內取得滿意的控制效果。本發明可用於構造新型TCSC控制器對TCSC進行高性能控制，提高電力系統的穩定水平，應用前景是十分廣闊的。
四
圖1是TCSC1與外部電力系統2關係示意圖。
圖2是TCSC1的輸入信號及可供選擇的被控量示意圖，其中有外部電力系統2。
圖3是以有功功率P為被控量的TCSC系統3框圖。
圖4是逆系統4與TCSC系統3複合構成的一階積分型偽線性系統5的示意圖及其等效圖。其中有逆運算器41、微分器421、422、423。
圖5是針對一階積分型偽線性系統5設計的閉環控制器6的示意圖。
圖6是逆系統控制器7示意圖，其中有閉環控制器6、逆系統4、逆運算器41、微分器421、422、423、TCSC系統3、逆運算器41的輸入端A1～A8、逆運算器41的輸出端A9。
圖7是採用DSP控制器8作為逆系統控制器7的本發明裝置組成示意圖。其中有功率傳感器9、電壓傳感器10、電流傳感器11、可控矽觸發和保護單元12、TCSC系統3。
圖8是採用DSP控制器8作為逆系統控制器7實現本發明的系統流程框圖。
圖9是以電流I為被控量的電流型TCSC系統13框圖。
圖10是電流型逆系統控制器16示意圖，其中有電流型閉環控制器15、電流型逆系統14、逆運算器41、微分器421、422、423、電流型TCSC系統13。
圖11是以電壓V1為被控量的電壓1型TCSC系統17框圖。
圖12是電壓1型逆系統控制器20示意圖，其中有電壓1型閉環控制器19、電壓1型逆系統18、逆運算器41、微分器421、422、423、電壓1型TCSC系統17。
圖13是以電壓V2為被控量的電壓2型TCSC系統21框圖。
圖14是電壓2型逆系統控制器24示意圖，其中有電壓2型閉環控制器23、電壓2型逆系統22、逆運算器41、微分器421、422、423、電壓2型TCSC系統21。
五、具體實施方案根據對TCSC中的被控量的不同選擇，有多種具體實施方案。分為基本方案與變化方案。
1、基本方案基本方案的實施方案是首先根據TCSC的數學模型確定TCSC的被控量並構成被控的TCSC系統；進而構造TCSC系統的逆系統；然後將逆系統串接在TCSC系統之前，逆系統與TCSC系統複合成一階積分型偽線性系統(s-1)，從而將一個非線性系統的控制轉化為一個簡單的一階積分型偽線性系統的控制；進而對於複合成的一階積分型偽線性系統(s-1)，採用一種線性系統綜合方法，如PID或極點配置等，設計閉環控制器。最終形成由逆系統、閉環控制器兩個部分組成的逆系統控制器，來對TCSC系統進行有效控制。根據不同的要求，逆系統控制器可選擇不同的硬體和軟體來實現。
基本方案的具體實施分以下6步。
(1)確定TCSC與外部電力系統關係。TCSC通過其兩端的輸電線路與外部電力系統相連接(如圖1所示)，TCSC的輸入為其控制信號u，TCSC可供選擇的被控量有TCSC兩側的電壓V1、V2，TCSC上流過的電流I，以及TCSC上傳輸的有功功率P(如圖2所示)。
(2)確定被控的TCSC系統。確定有功功率P作為被控量，構成以控制信號u為輸入，有功功率P為被控輸出，電壓V1、V2及電流I為反饋信號的TCSC系統(其框圖如圖3所示)。
(3)構造TCSC系統的逆系統。TCSC系統的逆運算器的輸出為u=TCV1V2sinPV1V1+V2V2+cossin-PP+CT]]>(=arccosPV1i-arccosPV2I)]]>此逆運算器的輸入為 逆運算器中需要的信號V1、V2、I和P從TCSC系統直接測量反饋得到，需要的三個微分信號 和 由信號V1、V2和I經三個微分器獲得(如圖4左圖所示)。逆運算器和三個微分器共同構成TCSC系統的逆系統(如圖4左圖的虛線框內所示)。
(4)組成複合偽線性系統。將已經構造的TCSC系統的逆系統串接在TCSC系統之前(如圖4左圖所示)，逆系統與TCSC系統複合成一個一階積分型偽線性系統(s-1)(如圖4右圖所示)，從而將一個非線性系統控制轉化為一個簡單的一階積分型偽線性系統的控制。
(5)作出線性閉環控制器。對一階積分型偽線性系統(s-1)作出閉環控制器(如圖5所示)。閉環控制器採用線性系統理論中的比例積分微分控制器PID、極點配置或二次型指標最優等方法來設計，在本發明給出的實施例中，閉環控制器選用了比例P控制器，其參數整定為P＝10。
(6)形成逆系統控制器。將逆系統與閉環控制器共同組成逆系統控制器(如圖6中的點劃線框內所示)。可根據不同的控制要求採用不同的硬體或軟體來實現。
圖7給出了本發明的一種具體實施例的示意圖，其中逆系統與閉環控制器由數位訊號處理器即DSP控制器通過軟體來實現，系統流程框圖如圖8所示。
選擇不同的被控量，可構成不同的TCSC系統，從而構造不同的TCSC系統的逆系統，形成不同的TCSC逆系統控制器。當選擇流過TCSC上的電流I作為被控量時稱為變化方案1；當選擇TCSC任一側的電壓作為被控量時稱為變化方案2和3，下面分別給出具體實施方案。
2、變化方案1選擇TCSC上流過的電流I作為被控量。具體實施分以下6步。
(1)確定TCSC與外部電力系統關係。同基本方案中的步驟(1)。
(2)確定被控的電流型TCSC系統。選擇電流I為被控量，構成以控制信號u為輸入，電流I為被控輸出，電壓V1、V2及有功功率P為反饋信號的電流型TCSC系統(如圖9所示)。
(3)構造電流型TCSC系統的電流型逆系統。電流型TCSC系統的逆運算器同基本方案步驟(3)中的逆運算器，由於此變化方案1中確定電流型TCSC系統的被控量為電流I，故逆運算器的輸入為 輸出為u，同時需要從電流型TCSC系統反饋信號V1、V2、I和P，需要的三個微分信號 和 由信號V1、V2和P經三個微分器獲得。
(4)組成複合偽線性系統。同基本方案中的步驟(4)。
(5)作出電流型閉環控制器。同基本方案中的步驟(5)。
(6)形成電流型逆系統控制器。同基本方案中的步驟(6)，形成電流型逆系統控制器(如圖10中的點劃線框內所示)。
3、變化方案2選擇TCSC一側的電壓V1作為被控量。具體實施同樣分以下6步。
(1)確定TCSC與外部電力系統關係。同基本方案中的步驟(1)。
(2)確定被控的電壓1型TCSC系統。選擇電壓V1為被控量，構成以控制信號u為輸入，電壓V1為被控輸出，電壓V2、電流I及有功功率P為反饋信號的電壓1型TCSC系統(如圖11所示)。
(3)構造電壓1型TCSC系統的電壓1型逆系統。電壓1型TCSC系統的逆運算器同基本方案步驟(3)中的逆運算器，由於此變化方案2中確定電壓1型TCSC系統的被控量為電壓V1，故逆運算器的輸入為 輸出為u，同時需要從電壓1型TCSC系統反饋信號V1、V2、I和P，需要的三個微分信號 和 由信號V2、I和P經三個微分器獲得。
(4)組成複合偽線性系統。同基本方案中的步驟(4)。
(5)作出電壓1型閉環控制器。同基本方案中的步驟(5)。
(6)形成電壓1型逆系統控制器。同基本方案中的步驟(6)，形成電壓1型逆系統控制器(如圖12中的點劃線框內所示)。
4、變化方案3選擇TCSC一側的電壓V2作為被控量。具體實施同樣分以下6步。
(1)確定TCSC與外部電力系統關係。同基本方案中的步驟(1)。
(2)確定被控的電壓2型TCSC系統。選擇電壓V2為被控量，構成以控制信號u為輸入，電壓V2為被控輸出，電壓V1、電流I及有功功率P為反饋信號的電壓2型TCSC系統(如圖13所示)。
(3)構造電壓2型TCSC系統的電壓2型逆系統。電壓2型TCSC系統的逆運算器同基本方案步驟(3)中的逆運算器，由於此變化方案2中確定電壓2型TCSC系統的被控量為電壓V2，故逆運算器的輸入為 輸出為u，同時需要從電壓2型TCSC系統反饋信號V1、V2、I和P，需要的三個微分信號 和 由信號V1、I和P經三個微分器獲得。
(4)組成複合偽線性系統。同基本方案中的步驟(4)。
(5)作出電壓2型閉環控制器。同基本方案中的步驟(5)。
(6)形成電壓2型逆系統控制器。同基本方案中的步驟(6)，形成電壓2型逆系統控制器(如圖14中的點劃線框內所示)。
根據以上所述，便可實現本發明。
權利要求
1.一種可控串聯電容補償裝置非線性控制器，其特徵在於該裝置由逆運算器(41)、微分器(421、422、423)組成的逆系統(4)與閉環控制器(6)相串聯共同構成逆系統控制器(7)，其中逆運算器(41)的第一個輸入端(A1)接閉環控制器(6)的輸出端，逆運算器(41)的第二個輸入端(A2)接TCSC系統(3)的輸出端(B4)，逆運算器(41)的第三個輸入端(A3)接TCSC系統(3)的輸出端(B3)，逆運算器(41)的第四個輸入端(A4)接微分器(421)的輸出端，逆運算器(41)的第五個輸入端(A5)接TCSC系統(3)的輸出端(B2)，逆運算器(41)的第六個輸入端(A6)接微分器(422)的輸出端，逆運算器(41)的第七個輸入端(A7)接TCSC系統(3)的輸出端(B1)，逆運算器(41)的第八個輸入端(A8)接微分器(423)的輸出端；逆運算器(41)的輸出端(A9)接TCSC系統(3)的輸入端(B5)。
2.根據權利要求1所述的採用本地信號的可控串聯電容補償裝置非線性控制器，其特徵在於逆系統(4)由逆運算器(41)加3個微分器(421、422、423)構成，其中逆運算器(41)的輸出u=TCV1V2sinPV1V1+V2V2+cossin-PP+CT]]>其中=arccosPV1I-arccosPV2I]]>
3.根據權利要求1所述的採用本地信號的可控串聯電容補償裝置非線性控制器，其特徵在於由TCSC(1)上傳輸的有功功率(P)、TCSC(1)上流過的電流(I)、TCSC(1)兩側的電壓(V1、V2)，分別構成被控的TCSC系統(3)、電流型TCSC系統(13)、電壓1型TCSC系統(17)和電壓2型TCSC系統(21)；對應分別構成逆系統控制器(7)、電流型逆系統控制器(16)、電壓1型逆系統控制器(20)和電壓2型逆系統控制器(24)。
4.根據權利要求1所述的採用本地信號的可控串聯電容補償裝置非線性控制器，其特徵在於逆系統控制器(7)、電流型逆系統控制器(16)、電壓1型逆系統控制器(20)和電壓2型逆系統控制器(24)的實現方法均採用數位訊號處理器即DSP控制器(8)，通過編制DSP程序實現。
5.一種採用本地信號的可控串聯電容補償裝置非線性控制器的構造方法，其特徵在於該方法首先將可控串聯電容補償裝置(1)與外部電力系統(2)相連接，構成被控的TCSC系統(3)；進而構造TCSC系統(3)的逆系統(4)；然後將逆系統(4)串接在TCSC系統(3)之前，與TCSC系統(3)複合成一階積分型偽線性系統(5)；在此基礎上，採用線性系統的綜合方法對一階積分型偽線性系統(5)設計閉環控制器(6)；最後將逆系統(4)與閉環控制器(6)相串聯共同構成逆系統控制器(7)，來對TCSC系統(3)進行控制。
全文摘要
可控串聯電容補償裝置非線性控制器及構造方法是一種採用本地信號的可控串聯電容補償裝置非線性控制器及構造方法，適用於電力系統的可控串聯電容補償裝置的高性能控制，該裝置由逆運算器41、微分器421、422、423組成的逆系統4與閉環控制器6相串聯共同構成逆系統控制器7，其中逆運算器41的輸入端A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8分別接閉環控制器6的輸出端、TCSC系統3的輸出端B4、TCSC系統3的輸出端B3、微分器421的輸出端、TCSC系統3的輸出端B2、微分器422的輸出端、TCSC系統3的輸出端B1、微分器423的輸出端；逆運算器41的輸出端A9接TCSC系統3的輸入端B5。
文檔編號H02J3/18GK1514524SQ0313239
公開日2004年7月21日 申請日期2003年8月20日 優先權日2003年8月20日
發明者戴先中, 張凱鋒 申請人:東南大學