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统一潮流控制器物理模型研究

陈光大  
【摘要】:FACTS(Flexible AC Transmission System,柔性交流输电系统)技术是电力电子技术、现代控制技术及计算机技术相结合的产物,它通过对输电系统的母线电压、输电线路电抗和相位角的控制,快速实现线路的有功和无功潮流调整,从而能有效提高交流系统的稳定性,同时,使传统的交流输电系统的传输能力得以提高,输电线路得到了充分利用,满足电力系统安全、可靠和经济运行的目标。UPFC(Unified Power Flow Controller,统一潮流控制器)是FACTS设备中功能最强的设备之一,其目的在于为交流输电系统的实时控制和动态补偿提供必要的、更有效、更灵活的方法。UPFC改变了传统FACTS设备只能针对某一或某些参数分别控制的方法,将并联设备和串联设备有机地结合到一起,因而可以实时地、有选择性地影响与传输线潮流相关的几乎所有因素,可以同时或分别控制诸如线路有功功率、无功功率、电压、电抗和相角等参数,从而解决在电力系统功率输送中的一系列问题,具有极好的发展前景。正因为如此,它的研究和应用已以引起了本行业科学工作者越来越广泛的关注。 本文通过构建一总容量为20KVA的UPFC物理模型实际工作出发,深入研究UPFC的原理、结构、控制策略、控制方法、实现方法等多方面的问题,重点在底层控制器的控制及实现。所研制的UPFC物理模型也将作为一完整的设备用于实验室的各种科研和教学目的。 本文的主要研究内容包括: 1、UPFC的原理研究。从静态的角度详细分析了UPFC的工作机理及调控范围,并通过与常规FACTS设备的比较说明了UPFC的优越特性。在此基础上,给出了UPFC的各种工作模式及对应的控制策略。这些均是构建UPFC物理模型的设计基础。 2、UPFC物理模型的主功率级研究。考虑到实用性、可扩展性等多方面的因素,经分析和研究确定模型的主功率级均采用以IGBT为开关器件的基本三相电压型逆变桥拓扑结构。因此,不论对于并联电流源还是串联电压源,为最大限度地利用直流侧电压,其调制方法均选择为SVPWM。论文从SVPWM的基本原理出发,导出了一种适用于数字化实现的SVPWM快速算法,该方法的主体连同相应的抗饱和机制,较其它同类算法相比更简单、有效、可靠,避开了复杂的坐标变换和大量的算术和三角函数运算。然后,从实际应用角度出发,针对SVPWM逆变桥的容量和谐波问题,探讨了基于SVPWM多桥并联的方法,并对该方法进行了较为详尽的分析和研究,证明了方法的有效性。进而,在上述讨论的基础上,给出了所研制UPFC物理模型与主回路相关的设计思想、关键技术问题及电路参数。 3、UPFC控制系统硬件实现问题。考虑到UPFC控制系统的复杂型,确立了基于多层结构的UPFC控制系统硬件设计原则,提出了UPFC物理模型各控制器的基本结构及实现方法,采用了先进的DSP处理器加以实现,并完成了所有系统硬件设计、安装和相应的调试工作。 4.测量算法研究。在UPFC控制器中,要得到良好的控制品质,信号的快速测量是基本的保证。为实现UPFC物理模型中电信号的有效值、有功功率、无功功率、相角和电抗等的快速测量,研究了使用DFT原理、基于滑动窗口的电量瞬时测量方法,并在此基础上提出了具有最小计算量的递推算法和可克服累积误差的快速算法。从而使UPFC的快速控制成为可能。 5.并联电流源的控制问题。首先,建立了电流源广义控制对象数学模型。在此基础上,探讨并研究了三种用于对正弦信号进行跟踪的电流源瞬时控制方法,即:基本闭环控制(最小拍控制)、基于神经网络的电流源预测控制及基于神经网络预测和模糊


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