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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。


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