专利名称：可控串联电容补偿装置非线性控制器及构造方法
技术领域：
本发明是一种采用本地信号的可控串联电容补偿装置(简称可控串补，英文缩写为TCSC)非线性控制器及构造方法，适用于电力系统的可控串联电容补偿装置的高性能控制，属于电力系统控制的技术领域。
背景技术：
近年来，可控串联电容补偿装置已经逐步应用于实际电力系统。这是由于TCSC可以快速、连续、平滑地改变电力系统中输电线路的阻抗，较大地提高输电线路的功率传输能力和电力系统的稳定水平。
目前国内外已投入电力系统实际运行的TCSC大都使用传统的比例积分微分(PID)等构成的线性控制器。由于传统的线性控制器很难在电力系统较大的运行范围内都取得满意的控制效果，近年来各种基于非线性控制方法设计的TCSC非线性控制器得到了较多的研究。尽管在理论上这些非线性控制器可以满足电力系统较大运行范围内的控制要求，但是到目前为止TCSC非线性控制器都还未应用到实际工程中。其中一个重要原因是，目前研究的TCSC非线性控制器大都需要反馈非本地的远方信号，而实际电力系统是一个地域分布十分广大的系统，远方信号不易获得。此外目前研究的TCSC非线性控制器大都是基于特定的电力系统结构设计的，而实际电力系统的结构却是千差万别的。
为了从本质上改善TCSC的控制性能，克服线性控制器的局限，同时解决现有非线性控制器的不足之处，需要设计出只采用本地信号，不基于特定的电力系统结构的TCSC非线性控制器，实现TCSC的高性能控制。
三、技术内容1、技术问题本发明的目的是提供一种采用本地信号的可控串补非线性控制器及构造方法。据此构造出的非线性控制器适合任意的电力系统结构，仅需反馈本地可测信号，并能在TCSC系统较大的运行范围内都可以保证有效的控制效果。
2、技术方案本发明的可控串联电容补偿装置非线性控制器，其特征在于该装置由逆运算器、微分器组成的逆系统与闭环控制器相串联共同构成逆系统控制器，其中逆运算器的第一个输入端接闭环控制器的输出端，逆运算器的第二个输入端接TCSC系统的输出端，逆运算器的第三个输入端接TCSC系统的输出端，逆运算器的第四个输入端接微分器的输出端，逆运算器的第五个输入端接TCSC系统的输出端，逆运算器的第六个输入端接微分器的输出端，逆运算器的第七个输入端接TCSC系统的输出端，逆运算器的第八个输入端接微分器的输出端；逆运算器的输出端接TCSC系统的输入端。
逆系统由逆运算器加3个微分器构成，其中逆运算器的输出u=TC·V1V2sinθP[V·1V1+V·2V2+cosθsinθ·θ·-P·P+CT]]]>其中θ=arccosPV1I-arccosPV2I]]>由TCSC上传输的有功功率P、TCSC上流过的电流I、TCSC两侧的电压V1、V2，分别构成被控的TCSC系统、电流型TCSC系统、电压1型TCSC系统和电压2型TCSC系统；对应分别构成逆系统控制器、电流型逆系统控制器、电压1型逆系统控制器和电压2型逆系统控制器。逆系统控制器、电流型逆系统控制器、电压1型逆系统控制器和电压2型逆系统控制器的实现方法均采用数字信号处理器即DSP控制器，通过编制DSP程序实现。
该方法首先将可控串联电容补偿装置与外部电力系统相连接，构成被控的TCSC系统；进而构造TCSC系统的逆系统；然后将逆系统串接在TCSC系统之前，与TCSC系统复合成一阶积分型伪线性系统；在此基础上，采用线性系统的综合方法对一阶积分型伪线性系统设计闭环控制器；最后将逆系统与闭环控制器相串联共同构成逆系统控制器，来对TCSC系统进行控制。
获得优良的控制性能。
3、技术效果本发明的原理是通过构造逆系统，将TCSC这一非线性系统的控制转化为简单的一阶积分型伪线性系统的控制，相应地就可以方便地设计线性闭环控制器。所提出的控制器只需要本地可测量信号且适合于任意的电力系统结构，同时符合实际的工程应用要求，具有很强的应用价值。
本发明的优点在于a.所设计的TCSC非线性控制器仅采用TCSC的本地可直接测量信号，不需要任何远方信号或不可直接测量信号，符合实际电力系统的工程应用要求，易于工程实现。
b.通过构造TCSC系统的逆系统，将TCSC这一非线性系统的控制问题转化为简单的一阶积分型伪线性系统的控制问题，进一步合理设计线性闭环控制器，可在电力系统较大的运行范围内取得满意的控制效果。本发明可用于构造新型TCSC控制器对TCSC进行高性能控制，提高电力系统的稳定水平，应用前景是十分广阔的。
四
图1是TCSC1与外部电力系统2关系示意图。
图2是TCSC1的输入信号及可供选择的被控量示意图，其中有外部电力系统2。
图3是以有功功率P为被控量的TCSC系统3框图。
图4是逆系统4与TCSC系统3复合构成的一阶积分型伪线性系统5的示意图及其等效图。其中有逆运算器41、微分器421、422、423。
图5是针对一阶积分型伪线性系统5设计的闭环控制器6的示意图。
图6是逆系统控制器7示意图，其中有闭环控制器6、逆系统4、逆运算器41、微分器421、422、423、TCSC系统3、逆运算器41的输入端A1～A8、逆运算器41的输出端A9。
图7是采用DSP控制器8作为逆系统控制器7的本发明装置组成示意图。其中有功率传感器9、电压传感器10、电流传感器11、可控硅触发和保护单元12、TCSC系统3。
图8是采用DSP控制器8作为逆系统控制器7实现本发明的系统流程框图。
图9是以电流I为被控量的电流型TCSC系统13框图。
图10是电流型逆系统控制器16示意图，其中有电流型闭环控制器15、电流型逆系统14、逆运算器41、微分器421、422、423、电流型TCSC系统13。
图11是以电压V1为被控量的电压1型TCSC系统17框图。
图12是电压1型逆系统控制器20示意图，其中有电压1型闭环控制器19、电压1型逆系统18、逆运算器41、微分器421、422、423、电压1型TCSC系统17。
图13是以电压V2为被控量的电压2型TCSC系统21框图。
图14是电压2型逆系统控制器24示意图，其中有电压2型闭环控制器23、电压2型逆系统22、逆运算器41、微分器421、422、423、电压2型TCSC系统21。
五、具体实施方案根据对TCSC中的被控量的不同选择，有多种具体实施方案。分为基本方案与变化方案。
1、基本方案基本方案的实施方案是首先根据TCSC的数学模型确定TCSC的被控量并构成被控的TCSC系统；进而构造TCSC系统的逆系统；然后将逆系统串接在TCSC系统之前，逆系统与TCSC系统复合成一阶积分型伪线性系统(s-1)，从而将一个非线性系统的控制转化为一个简单的一阶积分型伪线性系统的控制；进而对于复合成的一阶积分型伪线性系统(s-1)，采用一种线性系统综合方法，如PID或极点配置等，设计闭环控制器。最终形成由逆系统、闭环控制器两个部分组成的逆系统控制器，来对TCSC系统进行有效控制。根据不同的要求，逆系统控制器可选择不同的硬件和软件来实现。
基本方案的具体实施分以下6步。
(1)确定TCSC与外部电力系统关系。TCSC通过其两端的输电线路与外部电力系统相连接(如图1所示)，TCSC的输入为其控制信号u，TCSC可供选择的被控量有TCSC两侧的电压V1、V2，TCSC上流过的电流I，以及TCSC上传输的有功功率P(如图2所示)。
(2)确定被控的TCSC系统。确定有功功率P作为被控量，构成以控制信号u为输入，有功功率P为被控输出，电压V1、V2及电流I为反馈信号的TCSC系统(其框图如图3所示)。
(3)构造TCSC系统的逆系统。TCSC系统的逆运算器的输出为u=TC·V1V2sinθP[V·1V1+V·2V2+cosθsinθ·θ·-P·P+CT]]]>(θ=arccosPV1i-arccosPV2I)]]>此逆运算器的输入为 逆运算器中需要的信号V1、V2、I和P从TCSC系统直接测量反馈得到，需要的三个微分信号 和 由信号V1、V2和I经三个微分器获得(如图4左图所示)。逆运算器和三个微分器共同构成TCSC系统的逆系统(如图4左图的虚线框内所示)。
(4)组成复合伪线性系统。将已经构造的TCSC系统的逆系统串接在TCSC系统之前(如图4左图所示)，逆系统与TCSC系统复合成一个一阶积分型伪线性系统(s-1)(如图4右图所示)，从而将一个非线性系统控制转化为一个简单的一阶积分型伪线性系统的控制。
(5)作出线性闭环控制器。对一阶积分型伪线性系统(s-1)作出闭环控制器(如图5所示)。闭环控制器采用线性系统理论中的比例积分微分控制器PID、极点配置或二次型指标最优等方法来设计，在本发明给出的实施例中，闭环控制器选用了比例P控制器，其参数整定为P＝10。
(6)形成逆系统控制器。将逆系统与闭环控制器共同组成逆系统控制器(如图6中的点划线框内所示)。可根据不同的控制要求采用不同的硬件或软件来实现。
图7给出了本发明的一种具体实施例的示意图，其中逆系统与闭环控制器由数字信号处理器即DSP控制器通过软件来实现，系统流程框图如图8所示。
选择不同的被控量，可构成不同的TCSC系统，从而构造不同的TCSC系统的逆系统，形成不同的TCSC逆系统控制器。当选择流过TCSC上的电流I作为被控量时称为变化方案1；当选择TCSC任一侧的电压作为被控量时称为变化方案2和3，下面分别给出具体实施方案。
2、变化方案1选择TCSC上流过的电流I作为被控量。具体实施分以下6步。
(1)确定TCSC与外部电力系统关系。同基本方案中的步骤(1)。
(2)确定被控的电流型TCSC系统。选择电流I为被控量，构成以控制信号u为输入，电流I为被控输出，电压V1、V2及有功功率P为反馈信号的电流型TCSC系统(如图9所示)。
(3)构造电流型TCSC系统的电流型逆系统。电流型TCSC系统的逆运算器同基本方案步骤(3)中的逆运算器，由于此变化方案1中确定电流型TCSC系统的被控量为电流I，故逆运算器的输入为 输出为u，同时需要从电流型TCSC系统反馈信号V1、V2、I和P，需要的三个微分信号 和 由信号V1、V2和P经三个微分器获得。
(4)组成复合伪线性系统。同基本方案中的步骤(4)。
(5)作出电流型闭环控制器。同基本方案中的步骤(5)。
(6)形成电流型逆系统控制器。同基本方案中的步骤(6)，形成电流型逆系统控制器(如图10中的点划线框内所示)。
3、变化方案2选择TCSC一侧的电压V1作为被控量。具体实施同样分以下6步。
(1)确定TCSC与外部电力系统关系。同基本方案中的步骤(1)。
(2)确定被控的电压1型TCSC系统。选择电压V1为被控量，构成以控制信号u为输入，电压V1为被控输出，电压V2、电流I及有功功率P为反馈信号的电压1型TCSC系统(如图11所示)。
(3)构造电压1型TCSC系统的电压1型逆系统。电压1型TCSC系统的逆运算器同基本方案步骤(3)中的逆运算器，由于此变化方案2中确定电压1型TCSC系统的被控量为电压V1，故逆运算器的输入为 输出为u，同时需要从电压1型TCSC系统反馈信号V1、V2、I和P，需要的三个微分信号 和 由信号V2、I和P经三个微分器获得。
(4)组成复合伪线性系统。同基本方案中的步骤(4)。
(5)作出电压1型闭环控制器。同基本方案中的步骤(5)。
(6)形成电压1型逆系统控制器。同基本方案中的步骤(6)，形成电压1型逆系统控制器(如图12中的点划线框内所示)。
4、变化方案3选择TCSC一侧的电压V2作为被控量。具体实施同样分以下6步。
(1)确定TCSC与外部电力系统关系。同基本方案中的步骤(1)。
(2)确定被控的电压2型TCSC系统。选择电压V2为被控量，构成以控制信号u为输入，电压V2为被控输出，电压V1、电流I及有功功率P为反馈信号的电压2型TCSC系统(如图13所示)。
(3)构造电压2型TCSC系统的电压2型逆系统。电压2型TCSC系统的逆运算器同基本方案步骤(3)中的逆运算器，由于此变化方案2中确定电压2型TCSC系统的被控量为电压V2，故逆运算器的输入为 输出为u，同时需要从电压2型TCSC系统反馈信号V1、V2、I和P，需要的三个微分信号 和 由信号V1、I和P经三个微分器获得。
(4)组成复合伪线性系统。同基本方案中的步骤(4)。
(5)作出电压2型闭环控制器。同基本方案中的步骤(5)。
(6)形成电压2型逆系统控制器。同基本方案中的步骤(6)，形成电压2型逆系统控制器(如图14中的点划线框内所示)。
根据以上所述，便可实现本发明。
权利要求
1.一种可控串联电容补偿装置非线性控制器，其特征在于该装置由逆运算器(41)、微分器(421、422、423)组成的逆系统(4)与闭环控制器(6)相串联共同构成逆系统控制器(7)，其中逆运算器(41)的第一个输入端(A1)接闭环控制器(6)的输出端，逆运算器(41)的第二个输入端(A2)接TCSC系统(3)的输出端(B4)，逆运算器(41)的第三个输入端(A3)接TCSC系统(3)的输出端(B3)，逆运算器(41)的第四个输入端(A4)接微分器(421)的输出端，逆运算器(41)的第五个输入端(A5)接TCSC系统(3)的输出端(B2)，逆运算器(41)的第六个输入端(A6)接微分器(422)的输出端，逆运算器(41)的第七个输入端(A7)接TCSC系统(3)的输出端(B1)，逆运算器(41)的第八个输入端(A8)接微分器(423)的输出端；逆运算器(41)的输出端(A9)接TCSC系统(3)的输入端(B5)。
2.根据权利要求1所述的采用本地信号的可控串联电容补偿装置非线性控制器，其特征在于逆系统(4)由逆运算器(41)加3个微分器(421、422、423)构成，其中逆运算器(41)的输出u=TC·V1V2sinθP[V·1V1+V·2V2+cosθsinθ·θ·-P·P+CT]]]>其中θ=arccosPV1I-arccosPV2I]]>
3.根据权利要求1所述的采用本地信号的可控串联电容补偿装置非线性控制器，其特征在于由TCSC(1)上传输的有功功率(P)、TCSC(1)上流过的电流(I)、TCSC(1)两侧的电压(V1、V2)，分别构成被控的TCSC系统(3)、电流型TCSC系统(13)、电压1型TCSC系统(17)和电压2型TCSC系统(21)；对应分别构成逆系统控制器(7)、电流型逆系统控制器(16)、电压1型逆系统控制器(20)和电压2型逆系统控制器(24)。
4.根据权利要求1所述的采用本地信号的可控串联电容补偿装置非线性控制器，其特征在于逆系统控制器(7)、电流型逆系统控制器(16)、电压1型逆系统控制器(20)和电压2型逆系统控制器(24)的实现方法均采用数字信号处理器即DSP控制器(8)，通过编制DSP程序实现。
5.一种采用本地信号的可控串联电容补偿装置非线性控制器的构造方法，其特征在于该方法首先将可控串联电容补偿装置(1)与外部电力系统(2)相连接，构成被控的TCSC系统(3)；进而构造TCSC系统(3)的逆系统(4)；然后将逆系统(4)串接在TCSC系统(3)之前，与TCSC系统(3)复合成一阶积分型伪线性系统(5)；在此基础上，采用线性系统的综合方法对一阶积分型伪线性系统(5)设计闭环控制器(6)；最后将逆系统(4)与闭环控制器(6)相串联共同构成逆系统控制器(7)，来对TCSC系统(3)进行控制。
全文摘要
可控串联电容补偿装置非线性控制器及构造方法是一种采用本地信号的可控串联电容补偿装置非线性控制器及构造方法，适用于电力系统的可控串联电容补偿装置的高性能控制，该装置由逆运算器41、微分器421、422、423组成的逆系统4与闭环控制器6相串联共同构成逆系统控制器7，其中逆运算器41的输入端A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8分别接闭环控制器6的输出端、TCSC系统3的输出端B4、TCSC系统3的输出端B3、微分器421的输出端、TCSC系统3的输出端B2、微分器422的输出端、TCSC系统3的输出端B1、微分器423的输出端；逆运算器41的输出端A9接TCSC系统3的输入端B5。
文档编号H02J3/18GK1514524SQ0313239
公开日2004年7月21日 申请日期2003年8月20日 优先权日2003年8月20日
发明者戴先中, 张凯锋 申请人:东南大学