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目录1

译者的话1

序言1

前言1

致谢1

第1章 引言1

1.1 背景知识1

1.2 输电网络1

1.3 传统的控制方法2

1.3.1 自动发电控制（AGC）2

1.3.3 变压器分接头切换控制4

1.3.2 励磁控制4

1.3.4 移相变压器5

1.4 柔性交流输电系统（FACTS）6

1.4.1 电力电子开关器件的进展7

1.4.2 半导体开关器件的原理与应用7

1.5 新兴输电网络11

参考文献12

第2章 输电系统中的无功功率控制14

2.1 无功功率14

2.2 无补偿输电线路15

2.2.1 一个简单实例15

2.2.1.1 负荷补偿16

2.2.1.2 系统补偿16

2.2.2 无损分布参数线路17

2.2.2.1 对称线路18

2.2.2.2 对称线路的中点条件19

2.2.2.3 实例研究20

2.3 无源补偿28

2.3.1 并联补偿28

2.3.2 串联补偿29

2.3.3 对功率输送能力的影响30

2.3.3.1 串联补偿30

2.3.3.2 并联补偿31

2.4 小结32

参考文献32

3.1 引言34

第3章 传统无功补偿器原理34

3.2 同步调相机35

3.2.1 结构35

3.2.2 应用36

3.2.2.1 控制电压的大幅偏移36

3.2.2.2 直流输电终端的动态无功支持36

3.3 饱和电抗器（SR）36

3.3.1 结构36

3.3.2 运行特性38

3.4 晶闸管控制电抗器（TCR）39

3.4.1 单相TCR39

3.4.2 三相TCR44

3.4.4 分段TCR47

3.4.3 晶闸管投切电抗器（TSR）47

3.4.5 12脉波TCR48

3.4.6 TCR的运行特性48

3.4.6.1 无电压控制时的运行特性48

3.4.6.2 有电压控制时的运行特性51

3.5 晶闸管控制变压器（TCT）52

3.6 固定电容器-晶闸管控制电抗器（FC-TCR）54

3.6.1 结构54

3.6.2 运行特性55

3.6.2.1 无降压变压器时55

3.6.2.2 有降压变压器时55

3.7 机械式投切电容器-晶闸管控制电抗器（MSC-TCR）59

3.8.1 将电容器投入电源60

3.8 晶闸管投切电容器（TSC）60

3.8.2 串联连接的电容器与电抗器的投切61

3.8.2.1 与基频ω0相关的项62

3.8.2.2 与自然谐振频率ωn相关的项62

3.8.2.3 实际的投切方案63

3.8.3 TSC阀的关断66

3.8.4 TSC的结构66

3.8.5 运行特性68

3.9 晶闸管投切电容器-晶闸管控制电抗器（TSC-TCR）69

3.9.1 结构69

3.9.2 运行特性70

3.9.3 电流特性72

3.9.5 失配的TSC-TCR73

3.9.4 电纳特性73

3.10.1 损耗75

3.10 不同SVC装置的比较75

3.10.2 性能76

3.11 小结77

参考文献78

第4章 SVC的控制部件和模型79

4.1 引言79

4.2 测量系统79

4.2.1 电压测量81

4.2.1.1 交流到直流的整流81

4.2.1.2 坐标变换81

4.2.1.3 傅里叶分析81

4.2.2.1 相加83

4.2.1.4 电压二次方的测量83

4.2.2 SVC电压测量系统的解调制效应83

4.2.2.2 调制84

4.2.2.3 基于傅里叶分析的测量系统86

4.2.2.4 基于坐标变换的测量系统87

4.2.2.5 基于交流-直流整流的测量系统88

4.2.2.6 对滤波的要求88

4.2.3 电流的测量90

4.2.4 功率的测量92

4.2.5 对测量系统的要求93

4.2.5.1 相量传感器93

4.2.5.2 光学传感器94

4.3.1 基本调节器95

4.3 电压调节器95

4.3.2 基于锁相振荡器（PLO）的电压调节器98

4.3.2.1 基本的单相振荡器100

4.3.2.2 三相振荡器101

4.3.3 电压调节器的数字化实现102

4.4 触发脉冲发生器103

4.4.1 线性化函数104

4.4.2 触发系统中的延迟105

4.4.2.1 晶闸管的死区时间105

4.4.2.2 晶闸管的触发延迟105

4.5 同步系统107

4.6.2 电纳（无功）调节器108

4.6.1 阻尼机电振荡108

4.6 附加控制和保护功能108

4.6.3 相邻无功装置的控制110

4.6.4 低电压方案111

4.6.5 二次侧过电压限制器112

4.6.6 TCR的过电流限制器112

4.6.7 TCR的平衡控制112

4.6.8 非线性增益和增益监视器112

4.7 用于电力系统分析的SVC模拟方法113

4.7.1 潮流计算时的模拟方法113

4.7.1.1 SVC在控制范围内运行113

4.7.1.2 SVC在控制范围外运行114

4.7.2 小扰动和大扰动研究时的模拟方法114

4.7.4 电磁暂态分析时的模拟方法115

4.7.3 次同步谐振（SSR）研究时的模拟方法115

4.8 小结116

参考文献116

4.7.5 谐波分析时的模拟方法116

第5章 SVC电压控制的概念120

5.1 引言120

5.2 电压控制120

5.2.1 SVC的V-I特性120

5.2.1.1 动态特性120

5.2.1.2 稳态特性122

5.2.2 用SVC进行电压控制123

5.2.3 SVC动态特性中斜率的优点124

5.2.3.1 减小SVC的额定值124

5.2.3.3 在并联连接的SVC之间的负荷分担125

5.2.3.2 预防在无功极限处的频繁动作125

5.2.4 SVC对系统电压的影响126

5.2.4.1 忽略耦合变压器126

5.2.4.2 考虑耦合变压器128

5.2.4.3 系统增益128

5.2.5 SVC电压调节器的设计130

5.2.5.1 基于系统增益的简化设计131

5.2.5.2 考虑发电机动态特性的设计方法136

5.3 网络谐振对控制器响应的影响137

5.3.1 电力系统的关键参数138

5.3.2 对电力系统参数的敏感性140

5.3.2.3 电压灵敏度传递函数143

5.3.2.1 响应随调节器暂态增益KT的变化143

5.3.2.2 响应随系统强度ESCR0的变化143

5.3.3 对TCR运行点的灵敏度145

5.3.4 暂态增益的选择146

5.3.5 SVC响应的一些特点148

5.3.6 改善电压控制器响应特性的方法149

5.3.6.1 手动增益切换149

5.3.6.2 非线性增益150

5.3.6.3 砰砰控制150

5.3.6.4 增益监视器150

5.3.6.5 串联动态补偿154

5.4 SVC与交流网络之间的2次谐波相互作用158

5.4.1 2次谐波电压对TCR的影响158

5.3.6.6 交流侧控制滤波器158

5.4.2 2次谐波畸变的原因160

5.4.2.1 故障清除160

5.4.2.2 SVC附近的电抗器或变压器的投切164

5.4.2.3 地磁感应电流164

5.4.2.4 控制系统中的噪声或不平衡166

5.4.3 TCR的平衡控制166

5.5 SVC在串联补偿交流系统中的应用171

5.5.1 交流系统谐振模式171

5.5.1.1 并联电容谐振171

5.5.1.2 串联线路谐振171

5.5.1.3 并联电抗器谐振171

5.5.2 具有串联补偿交流线路时SVC的暂态响应特性173

5.5.2.1 电抗器的投切174

5.5.2.2 故障发生与清除176

5.5.3 并联电抗器模式对SVC电压控制器的影响179

5.5.3.1 TCR工作点的影响179

5.5.3.2 并联谐振模式的滤除180

5.6 3次谐波畸变183

5.7 电压控制器的设计研究186

5.7.1 模拟方面186

5.7.2 特殊性能的评估研究186

5.7.3.3 仿真研究187

参考文献187

5.8 小结187

5.7.3.2 特征值分析187

5.7.3.1 阻抗-频率特性计算187

5.7.3 控制器设计的方法187

第6章 SVC的应用190

6.1 引言190

6.2 提高稳态输送容量190

6.3 提高暂态稳定性192

6.3.1 转子角曲线192

6.3.2 同步转矩194

6.3.2.1 无补偿系统195

6.3.2.2 SVC补偿系统195

6.3.3 SVC母线电压的调制196

6.4 增强电力系统的阻尼199

6.4.1 SVC辅助控制的原理199

6.4.2.1 电力系统的作用201

6.4.2 SVC控制器对转矩的贡献201

6.4.2.2 SVC的作用202

6.4.3 SVCPSDC的设计204

6.4.3.1 可控性205

6.4.3.2 SVC安装地点和负荷特性的影响206

6.4.3.3 PSDC输入信号的选择原则207

6.4.3.4 输入信号的滤波208

6.4.3.5 PSDC输入信号的一般特性208

6.4.3.6 PSDC输入信号的性能208

6.4.3.7 对SVC PSDC的要求209

6.4.3.8 PSDC的设计步骤212

6.4.3.9 实例分析213

6.4.4 阻尼控制的复合信号216

6.4.4.1 合成的远方电压的频率216

6.4.4.2 实例分析217

6.4.5 设计SVC辅助控制器的其他方法219

6.5 SVC缓解次同步谐振（SSR）220

6.5.1 SVC控制的原理221

6.5.2 SVC控制器的结构和设计224

6.5.3 SVC的额定值225

6.6 预防电压不稳定225

6.6.1 SVC控制的原理225

6.6.2 SVC控制器的结构和设计227

6.6.3 SVC的额定值228

6.7.1 SVC控制的原理和应用230

6.7 改善直流输电系统的性能230

6.7.1.1 电压调节231

6.7.1.2 抑制暂态过电压231

6.7.1.3 支持大扰动后的恢复231

6.7.2 SVC控制器的结构和设计232

6.7.3 SVC的额定值233

6.8 小结234

参考文献234

第7章 晶闸管控制的串联电容器（TCSC）239

7.1 串联补偿239

7.1.1 固定串联补偿239

7.1.2 可变串联补偿的必要性239

7.2 TCSC的结构240

7.1.3 TCSC的优点240

7.3 TCSC的运行242

7.3.1 基本原理242

7.3.2 TCSC的运行模式243

7.3.2.1 晶闸管旁通模式243

7.3.2.2 晶闸管闭锁模式243

7.3.2.3 晶闸管部分导通即微调模式243

7.4 关于TSSC245

7.5 TCSC的分析246

7.6 能力特性253

7.6.1 单模块TCSC254

7.6.2 多模块TCSC255

7.7 谐波性能258

7.8 损耗260

7.9 TCSC的响应特性261

7.10 TCSC的模拟264

7.10.1 可变电抗模型264

7.10.1.1 暂态稳定模型265

7.10.1.2 长期稳定模型267

7.10.2 高级暂态稳定分析模型268

7.10.3 离散和相量模型269

7.10.4 用于次同步谐振（SSR）分析的模拟方法270

7.11 小结271

参考文献271

8.3 闭环控制274

8.3.1 定电流（CC）控制274

8.1 引言274

8.2 开环控制274

第8章 TCSC的应用274

8.3.2 定相角（CA）控制275

8.3.3 加强型电流控制277

8.3.4 定功率控制278

8.3.5 加强型功率控制279

8.3.6 触发方案与同步279

8.4 提高系统稳定极限280

8.5 增强系统阻尼280

8.5.1 阻尼的原理281

8.5.3 用于TCSC调制的辅助信号282

8.5.3.1 当地信号282

8.5.2 砰砰控制282

8.5.3.2 远方信号283

8.5.4 基于多模态分解的PSDC设计算例283

8.5.4.1 测量信号的选择284

8.5.4.2 合成阻抗的选择284

8.5.5 基于H∞方法的PSDC设计288

8.5.6 PSDC设计的其他方法288

8.5.7 TCSC的安装地点290

8.6 缓解次同步谐振（SSR）291

8.6.1 次同步频率下TCSC的阻抗291

8.6.2 一个研究实例296

8.6.2.1 暂态转矩的最小化296

8.6.2.2 TCSC缓解SSR的准则297

8.7 预防电压崩溃299

8.8 TCSC实际工程301

8.8.1 巴西Imperatriz到Serra da Mesa线路上的TCSC301

8.8.1.1 TCSC的功率振荡阻尼（POD）控制303

8.8.1.2 相量估计305

8.8.1.3 两端TCSC的性能306

8.8.2 瑞典Stode的TCSC308

8.9 小结309

参考文献310

第9章 FACTS控制装置的协调313

9.1 引言313

9.2 控制装置之间的相互作用313

9.2.2 机电振荡相互作用314

9.2.3 控制或小信号振荡314

9.2.1 稳态相互作用314

9.2.4 次同步谐振（SSR）相互作用315

9.2.5 高频相互作用315

9.2.6 FACTS装置的频率响应315

9.2.6.1 SVC的频率响应特性315

9.2.6.2 TCSC的频率响应特性316

9.3 SVC与SVC的相互作用318

9.3.1 电气耦合与短路水平的影响318

9.3.1.1 SVC母线间无耦合318

9.3.1.2 SVC母线间相互耦合318

9.3.2 无串联补偿的系统319

9.3.3 有串联补偿的系统323

9.3.4 高频相互作用328

9.3.5 其他协调特性331

9.3.5.1 并联的SVC331

9.3.5.2 电气距离接近的SVC333

9.4 SVC与HVDC的相互作用333

9.5 SVC与TCSC的相互作用335

9.5.1 采用母线电压作为TCSC PSDC的输入信号335

9.5.2 采用系统相角作为TCSC PSDC的输入信号337

9.5.3 高频相互作用337

9.6 TCSC与TCSC的相互作用345

9.6.1 回路阻抗的影响345

9.6.1.1 低回路阻抗345

9.6.1.2 高回路阻抗346

9.6.2 高频相互作用346

9.7 阻尼控制器设计的性能准则352

9.8 采用线性控制技术的多控制器协调353

9.8.1 控制器设计的基本步骤353

9.8.1.1 系统模型的导出353

9.8.1.2 列出系统的性能指标353

9.8.1.3 选择测量和控制信号354

9.8.1.4 控制器设计和协调354

9.8.1.5 机电模式验证和性能评估354

9.8.2 控制器协调以增强阻尼355

9.8.3 基于线性二次型调节器（LQR）的技术356

9.8.4 约束优化方法356

9.8.4.1 无显式鲁棒性准则的技术356

9.8.6 采用非线性约束优化的全局协调357

9.8.5 对应选定模态性能指标的非线性约束优化方法357

9.8.4.2 有显式鲁棒性准则的技术357

9.8.7 采用遗传算法的控制协调358

9.9 采用非线性控制技术的多控制器协调359

9.10 小结359

参考文献359

第10章 新出现的FACTS控制装置363

10.1 引言363

10.2 STATCOM363

10.2.1 运行原理364

10.2.2 V-I特性366

10.2.3 谐波性能367

10.2.4 稳态模型369

10.2.5.1 一个算例系统373

10.2.5 缓解SSR373

10.2.5.2 STATCOM的性能374

10.2.6 动态补偿376

10.2.6.1 基于多电平VSC的STATCOM376

10.2.6.2 选择谐波消去调制（SHEM）技术377

10.2.6.3 电容器电压控制379

10.2.6.4 STATCOM的性能380

10.3 SSSC385

10.3.1 运行原理385

10.3.2 控制系统387

10.3.3.1 潮流控制389

10.3.3.2 缓解SSR389

10.3.3 应用389

10.4 UPFC392

10.4.1 运行原理392

10.4.2 应用394

10.5 不同种类FACTS控制装置的比较和评价395

10.5.1 性能比较397

10.5.2 成本比较399

10.6 FACTS技术未来的发展方向［60～62］400

10.6.1 通信的作用400

10.6.2 控制设计问题401

10.7 小结401

参考文献402

附录A SVC电压调节器的设计407

A.1 算例系统407

附录407

A.2 系统增益法408

A.3 特征值分析法410

A.3.1 阶跃响应413

A.3.2 功率传输分析416

A.4 仿真器研究416

A.4.1 阶跃响应416

A.4.2 功率传输极限419

A.5 物理模拟结果与采用线性化模型的数字仿真结果的比较420

参考文献421

附录B 单机无穷大系统中点安装SVC后对暂态稳定性的提高422

附录C 用以设计FACTS控制装置的近似多模态分解方法424

C.1 引言424

C.2 第i个振荡模式的模态分析425

C.3 不同传递函数的含义427

C.3.1 可控性427

C.3.2 可观测性428

C.3.3 内环428

C.4 阻尼控制器设计方法428

C.4.1 控制器的相位指标（CPI）428

C.4.2 最大阻尼影响（MDI）指标429

C.4.3 自然相位影响（NPI）指标429

参考文献430

附录D FACTS术语与定义432

D.1 基本术语的定义432

D.2 各种FACTS控制装置名称的定义432

参考文献434