可控串联补偿装置的仿真研究.doc

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毕业设计（论文）

题目：

可控串联补偿装置的仿真研究

学生姓名：

学号：

学部（系）：

机械与电气工程学部

专业年级：

电气工程及其自动化专业

指导教师：

职称或学位：

年5月25日

目录

摘要 1

关键词 1

Abstract 1

Keywords 2

前言 3

1.TCSC的基本结构和工作原理 4

1.1TCSC的基本结构 4

1.1.1TCSC的功能模型 4

1.1.2TCSC的器件模型 4

1.2TCSC的工作方式和过程 5

1.3TCSC数学模型 8

1.4TCSC的特性 9

1.4.1TCSC装置的V-I特性曲线 9

1.4.2TCSC装置的X-I特性曲线 11

2.TCSC的控制系统研究 13

2.1系统层控制系统 13

2.2中层控制系统 13

2.2.1开环控制 14

2.2.2闭环控制 14

2.2.3PID控制原理 15

2.3基于定阻抗控制的TCSC常轨PID控制系统 16

3.用于TCSC控制系统的CMAC和PID复合控制策略 17

3.1CMAC神经网络的基本结构 17

3.2CMAC与PID复合控制算法 20

3.3仿真实例 20

4.系统仿真 22

4.1TCSC非线性控制系统仿真研究 22

4.2基于CMAC和PID复合控制的TCSC控制系统仿真研究 25

结束语 28

参考文献 30

致谢 31

可控串联补偿装置的仿真研究

摘要

可控串联补偿（TCSC）通过对晶闸管导通角进行精确快速地控制，以实现对其等值电抗灵活、连续、平滑地调节，因而其为柔性交流输电系统（FACTS）中一种比较成熟和应用较为广泛的技术。

本文综述了TCSC的发展及研究现状，分析总结了TCSC的基本结构、运行原理、工作模式的特点、基频阻抗特性及工作特性。

此外，本文在模糊理论及常规PID阻抗控制的基础上，设计了TCSC模糊PID阻抗控制器。

并且，通过加入免疫反馈环节，进一步提出了TCSC模糊免疫PID阻抗控制方式。

仿真结果证明，该控制方式在响应各种阻抗阶跃命令时，具有更小的超调、更快的响应速度，以及更好的跟踪性能，可基本实现系统的无差控制。

最后，对不含TCSC与含有TCSC的单相，以及三相电力系统进行了详细地稳态和暂态仿真，以研究其对电力系统的影响。

此外，将所研究的TCSC阻抗控制方式应用到电力系统当中，对比分析其在电力系统运行中所发挥的作用。

仿真结果表明，TCSC在增大线路的输送能力，提高电力系统暂态稳定性，以及阻尼功率振荡方面，都具有十分重要的作用。

此外还可看出，阻抗控制方式的不同对其作用的影响是显著的。

相比于常规PID与模糊PID控制方式，本文所研究的TCSC模糊免疫PID阻抗控制方式是最具有优越性的。

关键词：

可控串联补偿；模式切换；阻抗控制；电力系统；仿真

TCSCSimulation

Abstract

TCSCcalladjustitsequivalentreactanceflexibly,continuelyandsmoothlybypreciselyandfastcontrollingthethyristoroperatingangle．TCSCisonekindofmatureandwidelyusedtechnologyintheFACTS．TCSCishelpfulinimprovingthetransmissioncapacitydampingpoweroscillationsandincreasingthetransientstabilityoftenpowersystem．

InthispaperwesummarizedthedevelopmenthistoryandrecentresearchadvancesofTCSC．Thebasicstructure，operationalprinciple，fundamentalfrequencyimpedancecharacteristicsanditsoperatingcharacteristicofTCSChavebeenanalyzedandsummedup．

TheFuzzyPIDimpedancecontrollerofTCSChasbeendesignedbasedonthefuzzytheoryandPIDimpedancecontroller．Besides，theFuzzyImmunePIDimpedancecontrolmethodofTCSC，whichhasimmunefeedbackelement，Wasputforward．Thesimulationresultsshowthatthisalgorithmhasminimumovershootshortrespondtimeandgoodtrackingperformancetoallkindsofimpetancestepfunctions．Anditcanbasicallyachieveisochronouscontrol．

Weanalyzedthestaticanddynamicsimulationresultsofthesingle-phaseandthree-phasesystemwithTCSCandwithoutTCSC．FromthiswecanseehowTCSCimpactstheloadvoltageandpowerflowoftheelectricpowersystem．AndtheimpedancecontrolmodeofTCSCwasappliedintheelectricpowersystem，wecomparedtheireffectonsystemoperation．ThesimulationresultsshowthatTCSCplaysanimportantroleinincreasingthetransientstabilityoftheelectricpowersystemanddampingpoweroscillations．AndtheimpedancecontrolmodeofTCSCwillremarkablyimpactitsapplicationperformance．ComparedtothetraditionalPIDcontrolandfuzzyPIDcontrol，theTCSCfuzzyimmunePIDimpedancecontrolelaboratedinthispaperiStheoptimalcontrolmethod．

KeyWords：

TCSC；Mode-switching；impedancecontrol；Electricpowersystem；Simulation

前言

现阶段全球能源危机严重，在整个中国电源都以火电为主，这样就必须消耗大量的煤。

电煤的运输给交通、环保等方面带来巨大压力，并且其运费昂贵。

因此，必须对能源进行充分利用。

为充分利用煤资源，系统经常需要长距离大容量地输送电能。

但是由于暂态稳定的约束，在现有网架条件下，电网的安全和稳定运行常常遇到困难。

当然，架设新的、更高电压等级的输电线路可以从根本上强化电网结构，提高电网的输送能力。

但是，这显然需要巨大的建设投资，并对自然环境带来损害。

充分挖掘现有电网的潜力，才是更经济便捷的途径。

因此，在现有的网架结构下，如何提高大容量的电力输送能力、输电可靠性和暂态、动态、电压等稳定水平。

一直是我国电网急需解决的重要问题。

多年来，电力工作者已达成共识：

提高电网的输电能力和安全运行水平，除电网结构本身要合理外，还必须要先进的调节控制手段。

电网的安全、经济运行在很大程度上取决于其“可控度”。

柔性交流输电技术的出现，为提高力系统的可控性和可靠性提供了新的方法。

FACTS技术改变了传统输电系统的概念，将使未来的电力系统发生重大的变化。

FACTS设备的投入运行，系统增强了有力的控制手段。

其可用来提高系统的静态和暂态稳定极限，提高其电压稳定性和输电能力。

近年来，伴随着电力电子技术的快速发展，FACTS技术将大量应用于我国电力系统，以较小的投入解决电网所面临的问题，使我国的电力系统成为一个可实时快速控制的柔性电力系统。

因此，研究FACTS技术，将对国家电网更好地建设和运行具有重大意义。

可控串联补偿TCSC是FACTS家族中的重要成员，作为其中的典型控制装置，在世界各国电力系统中得到了广泛的应用。

1.TCSC的基本结构和工作原理

1.1TCSC的基本结构

1.1.1TCSC的功能模型

在作TCSC的一般研究时，我们常使用理想的功能模型，即将TCSC作为理想的可变电抗，不考虑TCSC装置的内部结构[12]。

通常用一阶惯性环节模拟TCSC对命令电抗的响应过程，如图1-1所示，图中T为TCSC电抗响应的时间常数。

图1-1TCSC的功能模型

1.1.2TCSC的器件模型

基本的、概念性的TCSC模块由一个串联电容器C和一个晶闸管控制的电抗器并联组成，如图1-2所示。

而实际的TCSC模块还包括通常与串联电容器一起安装的保护设备，如图1-3所示

图1-2基本模块

图1-3实际模块

一个金属氧化物可变电阻器（MOV），本质上是一个非线性电阻器，跨接在串联电容器上，用以防止电容器上发生高的过电压。

MOV不但能限制电容器上的电压，而且能使电容器保持接入状态，即使在故障情况下也是如此，从而有助于提高系统的暂态稳定性。

同样跨接在电容器上的还有断路器CB，用以控制电容器是否接入线路。

另外，在发生严重故障或者设备工作不正常时，CB就将电容器旁路。

电路中，还安装有一个限流电抗器幻，用以限制电容器旁路操作时电容器上电流的大小的频率。

如果要求TCSC的晶闸管在“全导通”模式下运行较长时间，就需要在晶闸管上跨接一个特高速接触器（UHSC），以使其上的导通损耗最小。

这个金属接触器类似于断路器，几乎是无损耗的并能进行多次投切操作。

它在晶闸管导通后不久闭合；而在晶闸管关断前的很短时间里断开。

在突然过载时或在故障情况下，金属接触器闭合以减轻晶闸管上的压力。

实际的TCSC系统通常是由很多这样的TCSC模块级联组成的，同时还包括一个固定的串联电容器，采用这个固定串联电容器的目的主要是为了使成本最小。

由基本TCSC模块组成的一个概念性的TCSC系统如图1-4所示，不同的TCSC模块中电容器可以具有不同的值，以提供较宽范围的电抗控制。

与反并联的晶闸管相串联的电抗器被分为两半，以便在电抗器发生短路时起到保护晶闸管的作用。

图1-4典型的TCSC系统

1.2TCSC的工作方式和过程

对TCSC功能的理