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《华中科技大学》 2006年
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基于级联多电平逆变器的STATCOM及其控制策略研究

许湘莲  
【摘要】: 随着人们对电力供电品质要求的提高,柔性交流输电系统(FACTS)作为一项能有效改善电能质量的新技术,得到飞速发展。作为柔性交流输电系统中的一项核心技术,静止同步补偿器(STATCOM)由于其先进的控制性能和良好的补偿效果,使其成为当今电力系统柔性交流输电装置研制的热点。国内外当前投入使用的STATCOM基本上都采用变压器多重化的结构进行设计,在一定程度上满足了装置容量的需求,但是设备一般都比较昂贵、笨重,同时由于多重化变压器的非线性特性,使得控制器难以设计。因此,本文提出用级联多电平逆变器取代变压器多重化结构的STATCOM拓扑结构,用载波相移正弦脉宽调制技术(Carrier phase-shifted SPWM,以下简称CPS-SPWM)取代工频调制。这种基于CPS-SPWM级联多电平逆变器的STATCOM不仅去掉了多重化变压器,而且用较低的开关频率可以获得较高的等效开关频率的输出效果,简化了滤波;针对电力系统强耦合、非线性的特征,本文提出了将自抗扰控制应用于STATCOM装置的控制策略,此控制策略不但可以大大缩短动态过程,改善系统的动态性能,而且具有较强的鲁棒性。 本文主要开展了以下几个方面的研究工作: (1)针对大功率器件的开关频率和开关容量的矛盾,提出了一种单极倍频的CPS-SPWM调制技术。在对单个逆变器的两种SPWM技术的实现方式:双极性SPWM和单极倍频SPWM进行数学分析的基础上,找到了单极倍频SPWM相对于双极性SPWM的优越之处,然后将它们推广到级联多电平逆变器,并运用载波移相技术,获得了相应双极性CPS-SPWM调制和单极倍频CPS-SPWM调制两种方法,并对两种方法进行了详细的数学分析和仿真对比,得出载波相移SPWM技术能在较低的开关频率下实现较高等效开关频率的效果,都具有良好的谐波特性。其中双极性CPS-SPWM能将等效开关频率提高为实际开关频率的N(每相级联单元数)倍,而单极倍频CPS-SPWM能将等效开关频率提高2N倍,可见单极倍频CPS-SPWM能用更低的频率来获得更高的等效开关频率,谐波特性更好,更能简化输出滤波。 (2)针对目前采用多重化变压器结构的STATCOM存在价格昂贵、损耗大、体积大而笨重、变压器的铁磁非线性使控制器设计困难等弊端,提出了基于单极倍频CPS-SPWM多电平逆变器的STATCOM的拓扑结构。由于级联多电平逆变器具有单元结构相同、所用元件数少、易于实现电路的模块化设计和封装等一系列优点,它的引入可以去掉多重化变压器,从而弥补以上各种弊端;同时在STATCOM系统中,由于直流侧不需要提供有功功率,级联型多电平逆变器的优势可以得到充分的发挥。用单极倍频CPS-SPWM调制策略代替工频调制,可以使装置在较低的开关频率下实现较高的等效开关频率,并将等效开关频率提高为实际开关频率的2N倍,使装置的低次谐波更容易滤除。 (3)通过对STATCOM的无功补偿原理进行深入的分析,建立了STATCOM在abc三相坐标系和dq0两相同步旋转坐标系下的数学模型,给出了相应的等效电路。并根据STATCOM的开环传递函数进行了稳定性分析,结果表明,对于任意给定的控制角δ和逆变器的放大倍数K,装置都能稳定运行。这些分析为控制器的设计提供了理论依据。 (4)由于传统基于PAM的控制策略涉及直流电容的充放电,具有装置响应速度较慢等弊端,本文采用基于PWM的控制策略,可以有效加快装置的响应速度。在PARK变换的基础上,提出了一种状态反馈解耦的PI控制器,它将三相对称的交流量变为两相直流量分别进行控制,具有动态响应快,且稳定后无静差的特性。在此基础上搭建了STATCOM装置在MATLAB的SIMULINK环境下的仿真系统,仿真结果验证了本文所设计装置进行无功补偿的可行性,以及基于状态反馈解耦PI控制器的控制效果及性能。 (5)基于扩张状态观测器(ESO)的自抗扰控制(ADRC)是一种针对不确定对象的非线性鲁棒控制技术,它将模型的不确定性和外扰作用均当作系统的总扰动,并对其进行估计并自动给予补偿,因而具有很强的适应性和鲁棒性。本文针对电力系统的强耦合和非线性特性,提出了将自抗扰控制应用于STATCOM控制。在对ADRC的实现方法和参数整定规律的理论研究基础上,通过对STATCOM工作机理的分析,建立了基于ADRC的控制器仿真模型。对ADRC和PID的控制效果和控制性能进行仿真对比分析,结果表明,在相同的模型参数条件下,ADRC控制具有更快的动态响应速度,稳定后无静差;更为重要的是,在模型参数和负载变化时,ADRC的动态性能不受影响,具有比PID更好的鲁棒性。 (6)设计了基于单极倍频CPS-SPWM级联5电平逆变器的STATCOM的试验平台。采用DSP和FPGA组合作为STATCOM的控制系统,其中DSP主要完成信号采样及控制计算工作,FPGA完成24路PWM波形的产生。实验结果表明基于单极倍频CPS-SPWM级联多电平逆变器的STATCOM能够在较低的器件开关频率下实现较好补偿效果,而且可以根据系统的电压等级进行扩展,具有良好的工业应用前景。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TM464

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【引证文献】
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7 孟燕妮;杨晓萍;张贤洪;;第五部分 计算机仿真 基于MATLAB的DSTATCOM控制器仿真研究[A];04'中国企业自动化和信息化建设论坛暨中南六省区自动化学会学术年会专辑[C];2004年
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