静止同步补偿器滑模变结构控制及数字系统设计

论文摘要

静止同步补偿器（STATCOM）是柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部件,它以电力电子变流器为装置核心,通过向电力系统注入方向与幅值均可连续动态调节的无功补偿电流,以维持装置接入点母线电压的稳定,同时阻尼功率振荡,提高暂稳极限。与传统的静止无功补偿器（SVC）相比,STATCOM具有无功调节连续、响应快、运行范围宽、体积小、产生谐波和损耗低等明显优势。因此,STATCOM装置的研究和设计受到了国内外电力界的广泛关注。考虑到电力系统强非线性、变结构、变参数的特点,应用非线性控制理论来进行STATCOM控制器设计,以充分挖掘STATCOM的工作潜能,始终是STATCOM技术研究领域的热点问题。本文在详细分析了当前STATCOM非线性控制研究现状的基础上,应用模糊控制、滑模变结构控制、直接反馈线性化技术以及相关非线性控制方法,对电力系统STATCOM无功补偿内、外环控制器进行了较深入的研究,同时理论联系实际,完成了一台配电端无功补偿应用的STATCOM数字系统设计方案。全文的主要内容如下:1.深入分析了STATCOM装置的组成结构与工作原理。利用输入输出建模方法和能量方程,建立了STATCOM装置时域数学模型和稳态数学模型;运用数学模型,对STATCOM装置主电路的基本工作特性进行了分析;针对大容量补偿应用,讨论了STATCOM多重化主电路结构的设计方法及其电路控制参数,并利用Matlab/Simulink平台对相关电路设计内容进行了数字仿真验证。2.提出电力系统STATCOM控制器的两层模型。推导出直接相角控制和有功-无功电流解耦控制这两种基本无功电流内环控制方法,利用STATCOM装置级的控制系统数字建模与仿真,完成了装置动态工作特性的深入分析;讨论了系统级外环控制的功能、结构原理、纯电压控制对电力系统阻尼的影响和提升系统暂稳特性的补偿方法;它们为STATCOM控制器的具体参数设计提供理论依据。3.应用电力系统暂态稳定分析的李雅普诺夫直接法（暂态能量函数法）对含STATCOM的单机-无穷大系统（SMIB）稳定域进行了分析,在考虑系统阻尼效应的前提下,运用首次积分法建立了系统能量函数,并进行了实例估算,得出系统稳定域随着STATCOM等效无功电流的增加而扩大的趋势。4.针对STATCOM无功电流内环控制系统,提出了一种无功电流滑模变结构控制策略。根据STATCOM的装置级非线性数学模型,应用极点配置法设计出滑动模态超平面,在考虑外界扰动因素的条件下,完成了变结构控制规律的设计。数字仿真结果表明,设计的无功电流滑模变结构控制器较传统的PID控制器,在无功电流的追踪能力上具有更快的响应速度,对系统摄动和外加干扰具有较强的鲁棒性。5.针对STATCOM电力系统无功补偿需求,提出了一种自治型STATCOM外环模糊滑模控制器（FSMC）。根据含STATCOM的单机-无穷大系统三阶非线性数学模型,应用M型模糊控制方法设计了滑模控制律,为了消除模糊控制死区,保证电压控制精度,将传统PI控制器串入系统。数字仿真实验验证了该FSMC在电力系统大参数变动条件下的算法有效性和鲁棒性。6.对发电机附加励磁与STATCOM协调非线性控制器设计进行了研究。提出了基于T-S型模糊滑模控制方法的发电机附加励磁控制器和基于T-S型模糊的非线性变增益STATCOM控制器。协调控制器以满足发电机功角稳定和STATCOM接入节点电压稳定为目标,其控制增益能够根掘电力系统当前状态依据规则产生大范围的非线性平滑调整,在较大的系统工作空间内均可有效提高电力系统电压调节能力和暂态稳定性能。协调控制器实现了本地量输入,在单机-无穷大系统的仿真中,展示了良好的性能。7.立足于配电端小容量无功补偿场合的STATCOM应用,完成了一台±50KVar配电端小容量无功补偿的STATCOM整体方案设计。分析了配电端STATCOM逆变器主电路的拓扑结构及其工作原理,给出了主电路各参数的设计依据;研究了基于瞬时无功功率理论的ip-iq方法的电网谐波和无功电流实时检测算法:阐述了电流跟踪型SVPWM控制方法;在此基础上,对DSP+CPLD复合功能结构的数字控制器相关硬件及关键软件流程进行了详细叙述。最后完成了系统的动模实验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 柔性交流输电系统（FACTS）概述
• 1.2.1 FACTS技术的定义
• 1.2.2 FACTS装置的发展历程
• 1.3 静止同步补偿器（STATCOM）的研究应用概况
• 1.3.1 STATCOM的功能与特点
• 1.3.2 STATCOM工程应用的现状与发展趋势
• 1.3.3 STATCOM非线性控制策略的研究现状
• 1.4 智能滑模控制的特点与主要形式
• 1.5 论文的研究背景和意义
• 1.6 本文的主要工作
• 第二章 STATCOM的基本原理与主电路结构分析
• 2.1 引言
• 2.2 STATCOM的基本结构与工作原理
• 2.3 STATCOM的数学建模
• 2.3.1 时域数学模型
• 2.3.2 复域数学模型
• 2.3.3 稳态数学模型
• 2.3.4 标幺值数学模型
• 2.4 STATCOM主电路的特性分析
• 2.4.1 稳定性分析
• 2.4.2 开环响应时间估算
• 2.4.3 电感参数与稳态电容电压的关系
• 2.4.4 安全运行区域分析
• 2.5 STATCOM主电路的多重化技术
• 2.5.1 移相两重叠加主电路拓扑
• 2.5.2 主电路控制参数分析
• 2.5.3 仿真算例
• 2.6 本章小结
• 第三章 电力系统STATCOM控制策略与稳定域研究
• 3.1 引言
• 3.2 STATCOM装置级控制策略
• 3.2.1 直接相角控制
• 3.2.2 有功-无功电流解耦控制
• 3.2.3 装置级补偿特性仿真
• 3.3 STATCOM系统级控制策略
• 3.3.1 含STATCOM的电力系统数学模型
• 3.3.2 电力系统STATCOM控制系统结构
• 3.3.3 电力系统STATCOM控制目标与补偿策略
• 3.4 基于直接法的含STATCOM的电力系统稳定域分析
• 3.4.1 李雅普诺夫稳定性和直接法
• 3.4.2 系统能量函数的构造
• 3.4.3 稳定域估算实例
• 3.5 本章小结
• 第四章 STATCOM无功电流内环滑模变结构控制
• 4.1 引言
• 4.2 滑模变结构控制的基本原理
• 4.2.1 系统的数学描述
• 4.2.2 控制器的设计方法
• 4.2.3 控制的不变性与鲁棒性
• 4.2.4 准滑动模态控制
• 4.3 STATCOM无功电流内环控制模型
• 4.4 STATCOM无功电流内环滑模变结构控制器设计
• 4.4.1 切换函数设计
• 4.4.2 非线性控制律设计
• 4.5 数字仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 电力系统STATCOM模糊滑模控制
• 5.1 引言
• 5.2 自治型STATCOM模糊滑模外环控制
• 5.2.1 系统数学模型与线性化
• 5.2.2 模糊滑模控制器设计
• 5.2.3 数字仿真
• 5.3 STATCOM与发电机励磁协调非线性控制
• 5.3.1 基于T-S模型的非线性变增益控制
• 5.3.2 系统暂态数学模型
• 5.3.3 协调非线性控制器设计
• 5.3.4 数字仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 配电端STATCOM数字系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 总体结构
• 6.3 主电路拓扑结构与器件选择
• 6.3.1 主开关器件及驱动电路
• 6.3.2 电容电压和容量选择及启动方式
• 6.3.3 连接电抗器参数选择
• 6.4 指令电流生成与直流侧电压控制
• 6.4.1 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测
• 6.4.2 直流侧电压控制
• 6.5 Delta逆变技术与跟踪型SVPWM控制
• 6.5.1 瞬时值滞环比较方式
• 6.5.2 电流跟踪型SVPWM控制方式
• 6.6 数字控制器设计
• 6.6.1 顶层逻辑结构
• 6.6.2 DSP+CPLD结构控制器设计
• 6.6.3 硬件电路设计
• 6.6.4 DSP软件设计
• 6.6.5 CPLD功能设计
• 6.7 实验结果
• 6.7.1 算法的数字仿真
• 6.7.2 装置的动模实验
• 6.8 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间完成和在研的科研项目