柔性交流输电系统:建模与控制

书籍目录

译者序

原书前言

原书第1版序

原书第2版序

第1章FACTS——装置与应用1

1.1概论2

1.2电力电子4

1.2.1半导体4

1.2.2功率转换器6

1.3FACTS设备的结构10

1.3.1并联型设备10

1.3.2串联设备13

1.3.3串并联设备17

1.3.4背靠背设备21

参考文献22

第2章多功能单一变换器FACTS在潮流分析中的建模23

2.1电力系统潮流计算23

2.1.1潮流方法23

2.1.2节点的分类23

2.1.3极坐标系中的牛顿拉夫逊潮流23

2.2多功能STATCOM的建模24

2.2.1多控制功能的STATCOM潮流分析模型24

2.2.2牛顿潮流下的STATCOM的多控制函数模型28

2.2.3多约束越限的处理30

2.2.4STATCOM电流幅度控制多重解31

2.2.5算例分析31

2.3多控制功能SSSC建模35

2.3.1多控制功能SSSC模型的潮流分析35

2.3.2SSSC多控制功能模型在牛顿潮流中的实现37

2.3.3数值结果39

2.4SVC和TCSC模型的潮流分析42

2.4.1在电力系统潮流分析中SVC、STATCOM的表达式42

2.4.2TCSC表示SSSC潮流分析43

参考文献43

第3章应用于电力系统潮流分析的组合变换器FACTS模型46

3.1UPFC的多控制函数建模46

3.1.1先进的UPFC潮流分析模型46

3.1.2先进UPFC模型应用于牛顿潮流51

3.1.3数值算例51

3.2多函数控制的IPFC和GUPFC建模53

3.2.1实际约束条件的牛顿潮流中的IPFC建模54

3.2.2实际约束条件的牛顿潮流中的GUPFC建模56

3.2.3数值算例58

3.3基于HVDC的多端子电压源变换器61

3.3.1MVSCHVD与变换器位于同一变电站的数学建模61

3.3.2直流网络方程下的广义MVSCHVDC模型65

3.3.3数值算例67

3.4潮流分析中小阻抗FACTS问题处理70

3.4.1电压源变换器FACTS模型的数值不稳定性70

3.4.2阻抗补偿模型70

参考文献71

第4章FACTS设备在最优潮流分析中的建模74

4.1最优潮流分析74

4.1.1最优潮流简介74

4.1.2最优潮流技术比较75

4.1.3OPF模型综述76

4.2非线性内点最优潮流方法77

4.2.1功率偏差方程77

4.2.2输电线路约束77

4.2.3非线性内点OPF算法78

4.2.4非线性内点OPF的应用80

4.2.5非线性内点OPF算法的求解步骤81

4.3OPF分析中的FACTS建模82

4.3.1最优电压和潮流控制中的IPFC和GUPFC82

4.3.2GUPFC的运行和控制约束83

4.3.3考虑GUPFC的非线性内点OPF算法84

4.3.4非线性内点OPF中IPFC的建模88

4.4OPF中多终端VSCHVDC的建模89

4.4.1最优电压和潮流控制中的多终端VSCHVDC89

4.4.2MVSCHVDC的运行和控制约束90

4.4.3非线性内点OPF中的MVSCHVDC建模90

4.5VSCHVDC与FACTS设备的比较91

4.5.1UPFC与BTBVSCHVDC的比较92

4.5.2GUPFC与MVSCHVDC的比较93

4.6附录含GUPFC非线性内点OPF的导数95

4.6.1非线性内点OPF的一阶导数95

4.6.2非线性内点OPF的二阶导数96

参考文献99

第5章三相潮流和三相OPF分析中的FACTS模型103

5.1直角坐标下的牛顿三相潮流法103

5.1.1节点分类104

5.1.2同步电机的表示104

5.1.3直角坐标系下的功率电压不平衡方程105

5.1.4直角坐标系下的牛顿方程106

5.2极坐标系下的三相牛顿潮流公式109

5.2.1发电机的表示109

5.2.2极坐标系下的功率和电压不平衡方程110

5.2.3极坐标系下的牛顿方程111

5.3直角坐标系下SSSC的三相潮流计算模型111

5.3.1星/三角联结变压器的三相SSSC模型112

5.3.2具有单相独立变压器的单相/三相SSSC模型116

5.3.3算例118

5.4UPFC模型在极坐标系下的三相牛顿潮流计算121

5.4.1三相UPFC的工作原理121

5.4.2三相换流变压器模型121

5.4.3三相UPFC的潮流约束123

5.4.4三相UPFC的对称分量控制模型125

5.4.5三相UPFC的一般三相控制模型127

5.4.6三相UPFC的混合控制模型128

5.4.7算例129

5.5极坐标下的三相牛顿OPF133

5.6附录Aygi的定义134

5.7附录B五节点测试系统135

参考文献136

第6章含FACTS的静态电力系统电压稳定性分析与控制138

6.1静态电力系统电压稳定分析中的连续潮流方法138

6.1.1连续潮流方法138

6.1.2同步电机运行限制建模139

6.1.3连续潮流的求解步骤140

6.1.4FACTS控制的连续潮流建模141

6.1.5数值结果141

6.2静态电压稳定分析的优化方法144

6.2.1电压稳定极限测定的优化方法145

6.2.2电压安全极限测定的优化方法145

6.2.3运行安全极限测定的优化方法146

6.2.4潮流不可解的优化方法146

6.2.5数值算例147

6.3安全约束最优潮流传输能力计算148

6.3.1考虑安全约束的统一传输能力计算方法149

6.3.2利用非线性内点发求解统一安全约束下的传输能力问题150

6.3.3安全约束下传输能力计算步骤153

6.3.4数值结果153

参考文献155

第7章三相不对称电力系统的静态电压稳定158

7.1三相不对称电力系统的稳态电压稳定158

7.2连续三相潮流方法158

7.2.1运行限制的同步电机建模158

7.2.2极坐标系中的三相潮流159

7.2.3连续三相潮流方法方程160

7.2.4连续三相潮流解法161

7.2.5连续三相潮流的执行问题162

7.2.6数值结果162

7.3含FACTS的三相不对称系统的静态稳定168

7.3.1STATCOM168

7.3.2SSSC169

7.3.3UPFC170

参考文献170

第8章FACTS的阻塞管理和损耗优化173

8.1能量市场中快速潮流控制173

8.1.1运行策略173

8.1.2控制方案174

8.2潮流控制器的放置175

8.3经济评估方法177

8.3.1跨区域阻塞管理的PFC建模177

8.3.2跨区域传输容量的测定181

8.3.3PFC带来的经济效益评估181

8.4潮流控制器的量化效益183

8.4.1增加传输容量183

8.4.2减小损失184

8.5附录187

参考文献188

第9章FACTS的非侵扰性系统控制189

9.1要求规范189

9.1.1模块化的网络控制器190

9.1.2控制器规格190

9.2架构191

9.2.1常规运行的NISC方法192

9.2.2紧急情况下的NISC方法193

参考文献194

第10章FACTS紧急和稳定控制的自主系统196

10.1自主系统结构196

10.2自主安全和紧急控制197

10.2.1模型和控制结构197

10.2.2协调通用规则197

10.2.3自主控制系统的综合性200

10.3小信号稳定性的自适应控制204

10.4验证205

10.4.1传输线路故障206

10.4.2负荷增加208

参考文献209

第11章用于FACTS装置协调控制的多代理系统210

11.1协调控制面临的挑战210

11.2多代理系统的结构211

11.2.1通信模型211

11.2.2一个PFC的影响域212

11.2.3分布式协调控制214

11.3验证217

11.3.1一条输电线路跳闸217

11.3.2负荷增加219

参考文献221

第12章FACTS的广域控制222

12.1广域监控系统222

12.2广域监视应用224

12.2.1输电走廊电压稳定监视224

12.2.2热极限监视227

12.2.3振荡稳定监视228

12.2.4拓扑检测和状态量计算230

12.2.5基于OPF方法的负荷能力计算232

12.2.6电压稳定预测233

12.3广域控制应用235

12.3.1优化设定值的预防性控制235

12.3.2远程反馈控制237

参考文献243

第13章含FACTS的电力系统小信号稳定分析建模244

13.1小信号建模244

13.1.1同步发电机244

13.1.2励磁系统246

13.1.3原动机和调速器模型247

13.1.4负荷模型248

13.1.5网络和潮流模型249

13.1.6FACTS模型250

13.1.7算例系统252

13.2特征值分析254

13.2.1算例系统的小信号稳定分析结果254

13.2.2特征向量、模式形状和参与因子260

13.3模态可控性、可观性和留数262

参考文献265

第14章含FACTS的电力系统稳定线性控制设计与仿真267

14.1H∞混合灵敏度模型267

14.2含极点定位的广义H∞问题268

14.3矩阵不等式方程270

14.4矩阵不等式的线性化271

14.5算例分析272

14.5.1权重选择272

14.5.2控制设计272

14.5.3性能评估275

14.5.4仿真结果276

14.6序贯设计的算例分析278

14.6.1测试系统278

14.6.2控制设计278

14.6.3性能评估279

14.6.4仿真结果280

14.7时延系统的H∞控制282

14.8时延系统的Smith预估器283

14.9应用统一Smith预估器的问题描述286

14.10算例分析288

14.10.1控制设计288

14.10.2性能评估289

14.10.3仿真结果290

参考文献293

第15章使用多操作点的FACTS进行电力系统稳定性控制295

15.1简介295

15.1.1基于LMI方法的阻尼控制器的设计295

15.1.2基于LMI的多模态阻尼控制器设计技术的挑战296

15.2考虑多操作点的FACTS稳定控制非线性矩阵不等式297

15.3输出反馈控制器的两步设计方法297

15.3.1第一步：变量K的确定297

15.3.2第二步：变量Ak及Bk的确定299

15.4H2及H∞特性的拓展301

15.4.1第一步：多目标控制下K的确定302

15.4.2第二步：多目标控制的Ak及Bk的确定302

15.4.3H∞特性303

15.4.4H2特性304

15.4.5两步控制设计方法的几点评论305

15.5单机无穷大系统的两步控制设计方法305

15.5.1单机无穷大系统(SMIB)305

15.5.2运用两步法进行基于极点配置的阻尼振荡器的设计306

15.5.3MLMI与SLMI的非线性仿真对照实验308

15.6多机系统下的两步控制设计方法309

15.6.1多机测试系统309

15.6.2多机系统下的两步阻尼控制器设计310

15.6.3绩效评估311

15.6.4非线性模拟312

15.7对于多机系统的替代两步控制设计方法314

15.7.1SCADA/EMS介绍314

15.7.2替代两步阻尼控制器的设计方法315

15.7.3算例315

15.8总结317

参考文献318

第16章配电系统回路设备控制320

16.1配电系统回路设备概述320

16.2回路设备本地控制322

16.2.1线电压的估算323

16.2.2回路潮流控制323

16.2.3无功功率控制323

16.3近似控制324

16.3.1目标函数与最优控制324

16.3.2近似最小二乘法325

16.4模拟327

16.5示范工程331

16.5.1场测试系统331

16.5.2简单的控制测试332

16.5.3测试条件333

16.5.4测试结果334

参考文献335

第17章风力发电系统的电力电子控制337

17.1简介337

17.2双馈感应发电机风机338

17.2.1双馈感应发电机风机建模与控制338

17.2.2采用DFIG的WT的模型341

17.3采用DFIG的WT的小信号稳定性分析345

17.3.1采用DFIG的WT的动态模型345

17.3.2采用DFIG的WT的小信号稳定性分析模型346

17.3.3采用DFIG的WT的小信号稳定性分析346

17.3.4动态模拟348

17.4采用DDPMG的WT模型350

17.5采用DDPMG的WT小信号稳定性分析354

17.5.1小信号稳定性分析模型354

17.5.2采用DDPMG的WT小信号稳定性分析354

17.5.3动态模拟四机系统356

17.6风力发电系统的非线性控制356

17.6.1非线性控制356

17.6.2采用DFIG的WT的三阶模型357

17.6.3非线性控制设计的变速恒频双馈WT357

17.6.4动态模拟360

17.7使用系统动态等值方法对大型风电场建模361

17.7.1一致性组的识别362

17.7.2网络简化362

17.7.3动态参数的聚合362

17.7.4动态模拟362

17.8大型风电场通过高压直流输电与电网连接364

17.8.1VSC直流输电技术的发展364

17.8.2VSC风电场联网的直流输电控制365

17.8.3动态模拟366

参考文献

作者简介

本书论述了柔性交流输电系统（FACTS）的先进建模、分析和控制技术。这些课题反映了FACTS控制器的最新研究和发展，并提出了FACTS在电力系统中的未来应用。本书包含了电力系统控制的一系列问题：从稳态电压和潮流控制，到电压稳定控制、应用FACTS控制器的小信号稳定控制。本书介绍了最新的FACTS控制器模型，用于电力系统潮流控制、电能质量分析和补偿（IPFC,GUPF,VSC HVDC以及MVSCHVDC等）的建模。内容的选择根据FACTS应用现状以及未来各种可能的实际应用。本书的协作素材主要来源于作者紧密参与的科研和实际工程项目。本书对于正在从事FACTS建模、仿真和控制工作的电力工程师和学生有很高的参考价值，可广泛应用于解决电力系统运行、设计和控制方面的相关问题。

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