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1、摘 要随着社会对电能的需求日益增长，电力系统的规模不断扩大，但资金、地理环境等因素的限制在原有网络难以建设新的输电线路，致使有的输电线路在接近于极限附近运行，不利于系统的稳定运行。近年来，随着电力电子技术的发展而出现的灵活交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）技术能够对电网进行改造和控制，提高输电线路的输送能力，为解决此类问题提出了有效的手段。相间功率控制器(Interphase Power Controller，IPC)被电力工作者认为是当前最适合开发应用的FACTS设备之一, 它通过等效改变线路的电抗、移相角等参数改变线路的输送能力，在增
2、加线路的传输功率、增强线路潮流的可控性、限制短路电流等方面都具有优良的特性。我国的远距离输电较多，而且电网结构相对比较薄弱，开展如何利用IPC提高系统运行稳定性具有重要的意义。本文在介绍IPC基本结构的基础上，阐述了IPC潮流控制的基本原理；说明可以通过晶闸管触发控制IPC的电感和电容支路构成TCIPC，并建立了TCIPC在dq0坐标下控制功率与晶闸管触发延迟角之间关系的数学模型。依据TCIPC功角特性说明了调节IPC电感支路参数可以控制联络线传输功率达到改善系统稳定性的机理。根据TCIPC的PI控制的基本原理和TCIPC的感抗参数与联络线传输功率的关系，以电流作为TCIPC晶闸管触发控制的同
3、步信号，将感抗期望值作为该控制器的参考信号，设计了TCIPC触发角校正的PI定阻抗控制器；并搭建了带IPC简单系统模型进行仿真。仿真结果验证了该控制器的有效性，并说明通过对TCIPC感抗的控制，可以改善带IPC系统的暂态稳定性。分析了调谐型IPC与非调谐型IPC的功率调节能力，基于微分几何理论的状态反馈精确线性化方法将带调谐型IPC的简单系统非线性状态方程进行精确线性化，并在此基础上设计了TCIPC的非线性最优控制器。仿真结果表明该控制方法与传统的PI控制相比，系统的阻尼性能增强，能够抑制系统的功角振荡，可以较大幅度的提高系统的暂态稳定性。关键词：相间功率控制器；PI控制器；非线性最优控制；暂
4、态稳定AbstractWith the constant expansion of power system, it is difficult to build new transmission lines due to capital、geographical environment and other factors, leading transmission lines run near the limit. It threats the stability of power system operation. In recent years, with the development
5、of power electronics technology, the Flexible AC Transmission Systems (FACTS) technology emerges and it can improve the transmission capacity of transmission lines to provide some effective means to solve this problem.Interphase Power Controller (IPC) is considered the most suitable for the developm
6、ent and application in FACTS devices by power workers. It changes the line transmission capacity, increases the line transmission power, enhances the controllability of the power flow line and limits short-circuit current by changing the line reactance、shift angle and other parameters. In China, the
7、re are more long-distance transmission and grid structure is relatively weaker. So how to use IPC to enhance system stability is of great significance.In this paper, based on the basic structure of IPC, the principle of the power flow of IPC is introduced. Thyristor Controlled Interphase Power Contr
8、oller(TCIPC) is composed by the equivalent susceptance on inductive branch and capacitive branch controlled by thyristor trigger. Mathematical model coordinates of relationship between the controlled transmission power and trigger-delayed angle of thyristor in the dq0 is established. According to po
9、wer-angle characteristic of TCIPC, regulating the inductive branch parameters of IPC will improve transient stability is explained. Based on the principle of PI control of TCIPC and relationship between inductance parameters and tie-line transmission power, the current is selected as the synchronic
10、signal to shut thyristor and the expected value of inductance is selected as reference signal, then PI fixed impedance controller of triggering angle correction is designed. Set up simulation of a simple system model with IPC. Simulation results show controlling the inductive parameters of TCIPC can
11、 improve the transient stability of the power system with TCIPC. The ability of the tuned-IPC and the non tuned-IPC of power control is analyzed. Based on the differential geometry theory of exact feedback linearization, nonlinear state equation with the tuned-IPC in simple system is turned into exa
12、ct linearization and the tuned TCIPC nonlinear optimal controller is derived and designed. Simulation results show compared with traditional PI controller, the tuned TCIPC s nonlinear optimal controller is able to increase damping and damp the power-angle oscillation of system remarkably, improving
13、the transient stability of system in a great deal.Key words: Interphase Power Controller; PI Controller; Nonlinear Optimal Control; Transient Stability 目 录摘要IAbstractIII第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 提高传输容量的研究现状31.2.1 决定传输容量的因素31.2.2 电力系统的稳定性41.2.3 提高电网传输容量的措施51.3 FACTS技术的发展概况81.3.1 FACTS概念的提出81.3.2 FACT
14、S控制器的分类91.4 相间功率控制器（IPC）国内外研究现状91.5 本文的主要研究内容11第2章 相间功率控制器的潮流控制机理132.1 引言132.2 IPC基本工作原理142.2.1 IPC基本结构142.2.2 IPC的潮流控制142.3 可控相间功率控制器（TCIPC）的基本工作原理162.3.1 TCIPC的基本结构模型172.3.2 TCIPC在dq0坐标下的数学模型182.4 本章小结20第3章 TCIPC提高系统稳定性的研究213.1 引言213.2 TCIPC对系统稳定性影响分析213.2.1 可控相间功率控制器的基本结构原理213.2.2 TCIPC改善系统稳定性机理2
15、33.3 本章小结24第4章 提高系统稳定性的TCIPC阻抗控制器设计254.1 引言254.1.1 线性控制策略分析254.1.2 非线性控制策略分析254.1.3 智能控制策略分析274.2 TCIPC的PI阻抗控制原理274.2.1 PID控制原理274.2.2 TCIPC常规PI阻抗控制原理284.2.3 TCIPC触发角校正的PI阻抗控制原理294.3 算例分析314.3.1 感抗发生阶跃变化314.3.2 三相短路324.4 本章小结35第5章 调谐型TCIPC非线性最优控制器的设计365.1 引言365.2 基于微分几何理论的状态反馈精确线性化方法375.2.1 非线性系统的关系
16、度等于系统阶数的线性化设计原理375.2.2 一般情况下的非线性系统的线性化设计原理395.3 调谐型TCIPC非线性最优控制器设计445.3.1 调谐型与非调谐型IPC功率控制特性比较445.3.2 调谐型TCIPC仿射非线性系统模型475.3.3 基于反馈精确线性化方法的调谐型TCIPC非线性控制模型495.3.4 最优控制器设计515.3.5 控制器最优性讨论535.4 算例分析545.5 本章小结55结论56参考文献58攻读学位期间取得的研究成果及发表的学术论文63致谢64第1章 绪 论1.1 课题研究的目的和意义进入二十一世纪以来，随着工业自动化的突飞猛进的发展，电力行业也发生了巨大
17、的变化。与上个世纪相比，用户对电力的需求增加了，与此同时，火力发电、水力发电、核能发电已经不是唯一的发电方式，风电、太阳能发电，由于实用化程度不断提高，得到了越来越广泛的应用；其次，高压、特高压输电和机组容量的加大提高了能源的利用效率；再次，各大电网间的互联提高了能源利用效率和输电可靠性。总而言之，高电压、远距离输电、大规模的互联电网已经成为了现代电力系统的最重要特征之一1。电网互联所组成的大型电力系统不管从经济方面，资源的优化配置方面还是环保方面都带来了效益。首先，电网互联对能源的远距离传输奠定了基础。由于电能的生产地和负荷中心之间存在地理位置上的差距，使得传输电能成为生产生活的客观需求。其
18、次，由于现代工业化进程的发展，自动化程度越来越高，一些人工智能、计算机系统等先进技术尤其是电力电子设备的广泛采用，不仅给电能质量带来了不利的影响，对供电可靠性也造成了威胁。与此同时，虽然现代电网的运行技术有了很大提高，但依旧不能避免会发生大电网瓦解性的崩溃事故。通过互联电网的适时调整控制，这种互联的输电网能够在电能生产和电能用户之间架起一座和平桥。在输电网络进行互联后，不仅能够保证经济发达地区和能源稀少地区的用电，而且还能够在发生电能紧张情况下实现异地电源与用电用户间的相互支援，例如，我国每年的79月份的夏季家庭用电高峰期，浙江、江苏、上海等省市通过向邻近的安徽、四川、湖北等省份购电，缓解了用
19、电高峰时段电力供应不足的现状。第三，电网互联能够在资源的优化配置上带来的经济效益是多方面的。电网互联后能够充分利用成本较低的发电资源和采用较高效率的大型发电机组，这样可以使发电成本最小化；通过加强电力供需平衡的分析和预测，能够做好电网错峰、水火电互补、功率紧急支援等，实现电力需求平衡调度；电网互联后有利于安排发电机组和供电设备检修，提高电力系统的运行灵活性和抗冲击的能力。第四，电网互联为电力市场改革奠定了物质基础。电能是通过电网进行流通的，所以通过电网才能够进行电力的交易。电网互联是实现电力市场改革的必然要求。第五，由于火电这种发电方式，排放出的有害气体，会对环境造成很大影响。电网进行互联后，
20、用户可以选择相对环保清洁的风力发电、水利发电等发电方式，这样不仅降低了发电成本还带来了巨大的环保效益2。由于电网互联存在如此显著的优势，所以电网互联已经成为了世界各国电力系统的共同发展方向。目前，电网互联已经不仅仅局限于一个国家的内部了，许多国家与国家之间，甚至各洲际板块之间也进行了电网互联。例如，早些年西欧各国400kV电网互联之后，近年来又通过两条容量为200MW的直流输电线路跨海与英国400kV系统相连，就此西欧十一国的大互联电网已经基本形成；此后东欧的互联电网又通过在奥地利的杜埃诺尔变电站与西欧大互联电网联系在一起；美国在已有的由2000多个电力公司构成的东部、西部和德克萨斯洲三个互联
21、系统的基础上，与墨西哥、加拿大的加利福尼亚半岛进行互联，组成了一个非常复杂、庞大的北美联合电力系统3,4。我国幅员辽阔，各区域的能源分布、电源结构、经济发展不平衡。产生电能的煤炭资源及水利资源大多分布在我国的西部与北部地区，而用电负荷主要集中在中东南部以及沿海地区，这就使得跨区域的电网互联形成和发展成为必然。随着华中与华北500kV交流联络线的建成，东北、华北、福建-华北、华中-华北、川渝-华中等七个跨省区的孤立的大区域电网的联网的组成，标志着我国的超大规模跨区交流同步互联电网已经基本形成。电网互联所组成的大型电力系统具有经济性、优越的技术性能和环境保护性能，在工程中得到了广泛的应用。电力网络
22、互联在给电力系统带来如此多的好处的同时也附带了一些具有挑战性的问题，如：电力网络进行互联后，若没有合适的控制，就不能保证系统的发电与传输间的平衡；在系统运行复杂的背后，过多的无功功率充斥着系统的不同部分，这会导致各个部分的动态波动的相互影响，使得系统出现稳定性的问题；电网互联使输电系统的复杂程度越来越高，情况也越来越复杂，运行中容易出现联络线功率波动、事故的连锁反应、环流等问题，这给电力系统的稳定运行与控制带来了困难。如发生在美加电网的“8.14”大停电，这次停电事故包括100多个发电厂，22个核电厂，几十条高压输电线路雪崩似的停运，50万人被困，直接造成了高达数百亿美元的经济损失。因此，面对
23、电网互联出现的这些问题，必须采取新的技术措施，提高控制装置的响应速度，使其能对系统的参数和网络结构进行快速调整，并且实时控制电网潮流的走向和分布，从而使电力系统的稳定性和线路的传输能力得到提高。1.2 提高传输容量的研究现状 1.2.1 决定传输容量的因素电网的传输容量是指电网在一系列的约束条件下能够传输功率的能力。目前，影响电网传输容量的主要因素包括5：热稳定极限，设备绝缘限制，理想线路的极限传输功率以及电力系统的稳定性限制。（1）热稳定极限电力设备在运行中由于存在内部损耗，一般情况下会发热并升温，而且发热量随着载流量的增大而增加，如果载流量过大 ，温升达到其上限，就会破坏设备本身的机械和物
24、理特性，使其不能正常工作。对有上限温升值的传输功率称为设备的热稳定极限。在电网中，主要是架空线的热容量限制传输容量。架空线的热容量是导线物理参数（尺寸、材料、分裂方式等）、风况、环境温度、运行历史和离地高度等多种因素的函数。目前，我国电力系统输电能力基本上不受热稳定水平的限制，系统传输的功率一般都在系统的热稳定极限范围内。（2）设备绝缘限制电力设备的耐压值都是有限的，在传输功率增加时，必须保证所有的电力设备无论是在稳定情况下还是暂态过程中都工作于允许电压限值以内（一般不超过额定值的10）。通常电力设备的绝缘设计都会有较大的冗余，并且电网在运行时电压是严格限制的，因此稳态运行时一般不会超出电压限
25、制。采用无缝避雷器和在变电所安装过压抑制器可以有效的提高线路和变电所的耐压水平。（3）理想线路的极限传输功率由式（1-1）可知，一条无损的理想线路上能流过的最大功率，即静态稳定极限功率为： （1-1）这时该线路两端节点电压的相位差为，可见极限传输功率与线路的等效阻抗成反比，通过调节等效阻抗可以改变传输功率极限值。（4）电力系统稳定性限制保持系统稳定是实现互联电网功率传输的基本条件，即正常运行条件下的平衡状态且在遭受干扰后能够恢复到允许的平衡状态。稳定是维持发电机同步运行的关键问题，即系统中所有的同步发电机在满足一定的电压、频率约束下能彼此保持同步运行；稳定是维持负荷两端的电压在其正常范围内，防
26、止负荷电压崩溃。稳定性不仅包括稳定平衡和无扰动情况下维持正常运行的特性，也包括在各种扰动或者故障打破稳态平衡后系统重新恢复正常运行的能力。因为电力设备的热稳定水平和绝缘水平一般不会超过其极限值。长期以来，稳定性是限制电网传输容量最关键的因素，稳定性分析和控制成为国内外电力学者研究的核心课题之一。1.2.2 电力系统的稳定性1.2.2.1 功角稳定性（1）静态稳定性 静态稳定是电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。由于扰动足够小，可以采用近似线性化方法对系统进行分析。静态稳定可能产生两种形式的不稳定现象，一种是由于同步转矩不足使转子角持续增加而失去稳定，
27、另外一种是由于缺乏阻尼转矩使转子角发生增幅振荡而失去稳定。（2）暂态稳定性 暂态稳定性是电力系统遭受严重暂态扰动下还能保持同步运行的能力。由于发生的是大扰动，一般不能采用近似线性化分析方法，而考虑非线性功角关系。暂态稳定性由系统原来的运行方式、扰动的方式以及系统对扰动的响应方式决定。当系统发生扰动时，扰动的出现的概率以及严重程度都会在很大范围内变化。大扰动发生后，系统的保护装置会立刻动作，切除故障设备，甚至在紧急情况下切除机组或负荷，使系统的运行方式发生改变。（3）动态稳定性 动态稳定性是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。一般系统出现振荡、失步的主要原因是系统阻尼不足。通常情况
28、下，发电机的励磁系统控制不当，或者低频振荡的影响等因素都会使系统产生负阻尼，不利于系统的稳定运行。目前，采用合理的励磁控制策略或在发电机组上安装电力系统稳定器（PSS）等措施，使系统中的负阻尼减小，达到提高系统的动态稳定性的目的。1.2.2.2 电压稳定性电压稳定性是电力系统无论是在正常运行条件下还是在遭受扰动之后系统中所有母线的电压都能持续保持在可接受的水平上。电压稳定的核心问题是系统的无功功率特性。通常电压不稳定并不总单独发生，而是经常与功角不稳定同时发生。一种形式的不稳定可引起另一种形式的不稳定，而且区别可能并不明显。故深入理解功角稳定和电压稳定对于弄清楚问题的本质所在，以设计适当的运行
29、方式和控制措施来提高系统稳定性是十分必要的。1.2.3 提高电网传输容量的措施目前，建设新的输电线路是提高电力系统输电能力最直接的办法。但该方法受到资金、地理环境等因素的限制，而且架设新的输电线路，其施工周期也比较长。所以，针对我国现在的电网结构来说，必须采用新型技术手段对电网进行快速的、实时的调控，并合理优化系统的运行方式，这样就可以有效的增加电力系统的输电能力，成为研究的重要课题。对于提高电力系统输电能力的措施主要包括：一、采用新型输电技术；二、对电力系统相关元件进行更加准确合理的控制；三、改造制约输电能力的电气设备，如输电线路、安全自动装置等。1.2.3.1 采用新型输电技术新型输电技术
30、主要包括高压直流输电技术（HVDC）和灵活交流输电技术（FACTS）。（1）高压直流输电技术 高压直流输电系统由两个换流站、直流输电线路以及两个交流输电系统1和2组成。当系统1向系统2输送电能时，换流站工作于整流状态，将交流电变换为直流电，经直流线路传输到另一个换流站，此时换流站工作于逆变状态，使直流电变换成交流电输送到系统2。高压直流输电系统与交流输电系统相比最大的优势是，其不存在同步性要求和电力系统稳定性的问题，而且不必采用提高系统稳定性的措施，具有很好的技术和经济效益。另外，通过控制换流站内的换流器可以对直流电压和直流电流进行快速的调节，从而有效的控制直流系统输出的有功功率。当直流输电系
31、统与交流输电系统并联运行时，由于直流输电系统可以迅速的控制和调整输出的有功功率，所以使电力系统整体的输电能力和稳定水平得到提高。例如，天广交直流混合系统的投入运行6，很好的体现了直流输电系统的优越性。（2）灵活交流输电技术 灵活交流输电技术7是通过现代控制技术与电力电子技术的完美结合，实现对电力系统的参数的调节，从而改变电力系统潮流分布，可明显提高电力系统的传输能力和稳定水平。FACTS控制器是FACTS技术的核心，主要是指基于电力电子技术的系统或其他的静态的设备，使其能够控制交流输电系统的某个或某些参数。1.2.3.2 改善对电力系统元件的控制水平（1）励磁控制 为了提高电力系统运行稳定性，
32、可以采用励磁控制方式对同步发电机的磁场进行调节。目前，励磁控制方式已经从传统的线性励磁方式发展到非线性励磁和智能励磁方式8。 线性励磁控制虽然原理简单、易于实现，但当系统发生扰动时却不能有效的提高系统的稳定性和改善系统的动态品质。非线性励磁控制和智能励磁控制能够适应系统各种运行方式的变化，而且控制能力优于线性励磁控制。因此，非线性励磁控制和智能励磁控制的应用已经成为励磁控制方式发展的必然趋势。（2）FACTS控制 最初，线性控制方法常被应用于FACTS控制策略中，线性控制器最主要的缺点是控制的稳定范围小，对非线性系统在运行状态变化时适应性、鲁棒性较差。而非线性控制和智能控制作为最近几年快速发展
33、起来的控制方法，可有效的弥补线性控制策略的这些缺点和不足。在FACTS控制系统中应用较多的非线性控制策略有：微分几何方法、直接反馈线性化方法、李雅普诺夫方法、逆系统方法、变结构控制、非线性自适应控制等。这些控制方法理论上虽然比传统的FACTS线性控制策略先进许多，但应用它们的前提是必须要建立电力系统的精确的数学模型，而电力系统是典型的复杂的非线性系统，因此要推导出系统精确的数学模型并不容易。而智能控制方法的出现，解决了这一难题，在FACTS控制系统中得到广泛应用。由于新型控制策略的出现与应用，使得FACTS装置能更为有效的提高电力系统输电能力和稳定水平。1.2.3.3 改造输电设备输电线路是电
34、力系统输送功率的关键元件。可以将紧凑型输电技术应用到即将建设的输电线路上。其不但可以节约输电走廊、减少工程投资还可减小线路等效电抗，从而使功率传输能力增强9,10。而对于已建设的输电线路来说，可采用静态增容和动态增容措施来使线路的功率传输能力增强。（1）静态增容法 所谓静态增容方法，就是通过提高导线最高允许运行温度使线路的正常输电能力得到提高。可根据耐热导线本身的材料特性，使得电能可以大容量的被传输而不致产生热稳定的问题，从而提高线路的传输能力，这样的方法是利用耐热导线使线路的正常输电能力得到提高。但是采用此方法有一定的弊端，例如运行费用较高、线损大等问题11。而另一种方法是直接提高导线允许运
35、行温度，但必须保证当常规的输电线路允许运行温度由70上升到80时，配套金具的握力和导线强度仍在允许范围内12,13，这时输电容量可明显得到提高。因此，目前这种方法已在实际工程中得到广泛应用。（2）动态增容法 在确保线路安全稳定运行的基础上，实时测量各种可影响系统线路的输送能力的环境因素，对输电线路的实际功率进行动态的确定，这种充分利用线路的输电能力的方法被称为动态增容法14,15。而其在热容等级的计算精度和数学模型的选用方面还有待于进行进一步的研究。另外，可以通过提高安全自动装置和继电保护设备的性能，使其能够更迅速的切除故障，达到提高线路的输电能力和改善系统稳定性的目的。电力系统稳定性实质上是
36、功率的平衡，因此传统的潮流控制的方法，如架设新的输电线路、串联阻抗补偿、采用移相器、在线路中间采用并联无功补偿等都可以用于提高系统稳定性。但电力系统的稳定性其实是一种动态特性，需要通过快速的调节潮流使系统稳定性得到提高。因此，一些响应速度慢或者不能动态、连续的潮流控制方法，对系统稳定性的作用会受到限制。如机械开关投切式并联补偿电容器，因为不能实现动态、连续的调节，所以它在提高电力系统振荡稳定性方面的作用就非常有限。总之，传统的机械式解决方法，在提高系统的稳定性和潮流控制的灵活性等方面受到限制，使得电力设备的输电能力难以充分利用。因此，灵活交流输电技术为上述出现的问题提供了有效的解决途径。1.3
37、 FACTS技术的发展概况1.3.1 FACTS概念的提出1986年，美国电力科学院副总裁Narain G.Hingorani博士将FACTS作为一个完整的技术概念在美国电力科学院杂志上提出来。FACTS技术是基于电力电子技术或其它静态控制器以提高系统的稳定性、潮流及传送容量的可控性的交流输电系统。通过控制和电力电子技术对电力系统中的阻抗、功角和电压进行实时控制。这一技术的本质是把电力系统中传统的元器件的机械开关用大功率可控硅元件代替，因此使线路阻抗、电压和功率角这三个主要电气参数能够快速、适时的调节，从而改变系统的潮流分布。通过FACTS技术能够提高网络中的功率输送能力、增强控制电压和潮流的
38、能力，并且最突出优点是这些都不会改变网络结构参数。FACTS首次从整体上作为一种技术概念被提出，因给电力系统的发展带来了前所未有的契机，从而立即受到广大的电力界工作者的高度重视。1.3.2 FACTS控制器的分类FACTS控制器在历经四十余年的发展后，其家族成员的队伍越来越壮大。根据FACTS控制与电网中能量传输的方向是串联或并联关系，将其可以分为四种类型：串联型控制器：控制器与线路串联，可以等效为一个与线路串联的电压源，电压源输出无功功率甚至有功功率，功率的大小通过调节电压的相位和幅值来改变，并且直接就能够改变线路的等效参数（阻抗），例如相间功率控制器（Interphase Power Co
39、ntroller，IPC），可控串联补偿器（Thyristor Controlled Series Compensation，TCSC），静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator，SSSC）等；并联型控制器：可以等效为一个并联连接点处的电流源，通过调节电流的幅值和相位来改变电流源输出的有功功率和无功功率的大小，间接起到调节节点电压和功率的作用，从而可以对电网的潮流分布进行调整，如静止无功功率补偿器（Static Var Compensator，SVC），静止无功发生/吸收器（Static Var Generator，SVG）；串联-串联组合
40、控制器：将多个独立的串联型的FACTS控制器组合而成或者将不同回路上的串联型FACTS控制器的变换器的直流侧连接在一起，这样既可以调节有功功率的传输也可以平衡有功功率的分配，使得多回路的有功和无功潮流平衡，如电力潮流控制器（Interline Power Flow Controlle，IPFC）；串联-并联组合型控制器：将独立的串联型FACTS控制器和并联型FACTS控制器组合起来或者将二者的直流侧连接，串联型部分向线路注入电压，并联型部分向线路注入电流，并且有功功率可以通过连接部分交换，如统一潮流控制器（Unifed Power Flow Controller，UPFC），晶闸管控制电压调节
41、器（Thyristor Controlled Voltage Regulator，TCVR）等。基于这四种控制器是FACTS控制器的基本类型，更为复杂的FACTS控制器均由这四种控制器结合而成。1.4 相间功率控制器（IPC）国内外研究现状相间功率控制器（Interphase Power Controller，IPC）是一种新型的串联型的FACTS控制器。IPC的单相通用模型是由电感和电容分别连接能够将电压的相位转换一定角度的移相器后组成的并联电路，通过机械开关或者电力电子器件调节IPC的感抗和容抗，可以对线路的有功功率和无功功率进行控制。文献16通过含相间功率控制器的原理图的网络电路模型，借
42、助网络解析的方法，推导出送端出口电压和受端出口电压，送端电网、联络线及受端电网的相电流，电感器和电容器两端的电压相对于IPC的电感、电容参数值，以及IPC送端、受端电网戴维南等值参数的关系式。并通过这些关系式，对含相间功率控制器的线路的短路和断路的故障情况进行了分析，分析表明在短路故障情况下，IPC具有的高阻抗特性能够限制短路电流，有效的进行电压解耦。在断路情况下，IPC会进入串联谐振状态，电容和电感上会出现严重的过电压现象。只有选择合理的电容、电感元件参数值，才能使IPC的优良特性得到发挥，若参数选取不当，虽然能够实现IPC隔离故障的特性，但同时会给正常运行的电力系统出现过电压现象。文献17
43、以具体的相间功率控制器的基本结构为基础，利用MATLAB/SIMULINK对带IPC弱联系的两侧电网进行仿真分析。仿真结果表明：正常运行时，通过调节电感、电容参数值的大小，可以改变联络线的潮流。在扰动情况下，当IPC连接的受端电网发生短路时，IPC具有电压解耦、隔离两互联电网的优良特性。文献18,19对IPC连接于交流互联电网之间的参数选取和参数选取时刻的问题进行了深入研究。文献20中根据相间功率控制器的电感和电容的工频阻抗值是否形成共轭对，将IPC分为调谐型与非调谐型IPC两种类型。文献21中阐述了当变压器的接线方式不同时，将引起移相角的不同。可以将调谐型相间功率控制器分为IPC120型和I
44、PC240型。文中以IPC120为例，说明了当调谐型IPC两侧功角在25范围内变化时，受端的有功功率具有很强的鲁棒性，并且具有很好的限制短路电流、电压解耦等特性。并通过仿真分析表明，线路的串补度越高，相间功率控制器越能体现出有功功率的鲁棒性。文献22介绍了电压注入型IPC，它是一种新型的相间功率控制器。与传统的相间功率控制器相比，电压注入型的IPC需要的电感、电容、移相器等器件的容量小，并且损耗低。同时，其工作点可以通过改变电感和电容的内部移相角来进行调节，所以电压注入型IPC在运行过程中具有更好的灵活性。文献23分析了非调谐型相间功率控制器的结构和基本原理，将非调谐型IPC应用已有的移相器进
45、行改造，分为并联电感型和并联电容型IPC。并阐述了非调谐型的相间功控制器不但可以节省设备的投资、简化维修和运行，而且并联电容型相间功率控制器还可以提高输电能力，降低线路损耗。 文献24介绍了将IPC的感抗和容抗分别进行晶闸管的触发控制，则可以构成可控相间功率控制器（TCIPC），通过控制晶闸管的触发延迟角，可以等效的改变其感抗和容抗参数，从而连续的、动态的控制联络线潮流。文献25依据IPC的功角特性，分析了参数可调控的IPC对于加强联络线潮流的稳定性较有效，但尚未提出具体的控制策略。文献26阐述了相间功率控制器的“控方主导”特性，并借助仿真工具说明了IPC的控方主导特性可以有效控制联络线潮流变
46、化，且当受控方电网发生短路故障时基本不会影响到控方电网。文献27在相间功率控制器的末端安装一个接地电阻，通过调节接地电阻阻抗参数，可以改善通过IPC输出的功率，从而降低在上述情况下出现的过电压。到目前为止，国外已经研制出了世界上第一台IPC的实际装置，并已实际安装和投入运行。文献28介绍了安装在美国的VELCO（Vermont Electric Company）和NYPA(New York Power Authority)之间的115kV线路上的相间功率控制器，这台相间功率控制器是通过高压电感器并联线路中已有的移相变压器而形成的。这是相间功率控制器第一次安装在实际工程中，并且IPC投运后, 线
47、路传输功率定值从199MW提高到249MW。1.5 本文的主要研究内容国内外对相间功率控制器所做的许多的研究工作都证明了相间功率控制器具有增加线路传输功率、增强线路潮流的可控性、限制短路电流和电压解耦等优良特性。目前，对IPC的研究主要集中在其运行特性的研究上，而对其如何控制参数改善系统稳定性的控制器设计方面的研究相对较少。本文基于含IPC互联电网的基本结构模型，着眼于可控相间功率控制器（TCIPC）提高系统稳定性控制方法的研究。主要研究内容如下：（1）基于IPC简化模型分析潮流控制的机理。将电力电子器件晶闸管应用于IPC的电感和电容支路构成可控相间功率控制器(TCIPC)。基于TCIPC的结构和工作原理，建立了TCIPC在dq0坐标下的数学模型。（2）基于TCIPC的基本结构原理，指出TCIPC可以等效成电压控制的电流源。并根据简单系统的功角特性曲线说明了调节IPC电感支路参数可以控制联络线传输功率达到改善系统稳定性的机理。（3）根据TCIPC的PI控制基本原理，基于TCIPC的感抗参数与联络线传输功率的关系，设计了TCIPC触发角校正的PI定阻抗控制器；并搭建带IPC的单机无穷大系统模型进行仿真。结果表明：通过对TCIPC感抗参数的控制，可以改善带IPC系统的暂态稳定性。（4）着重研究了调谐型TCIPC非线性控制策略。首先，采用状态反馈精确线性化方法将电力系统非线性状态方程
