级联式STATCOM控制策略及功率单元设计

论文摘要

作为柔性交流输电系统中一种重要的无功补偿装置,STATCOM由于具有能够迅速地提供系统动态电压支撑、维持母线电压稳定、补偿系统中的无功功率、降低系统中的损耗、提高经济效益、有效抑制电压波动和闪变、改善系统三相电压不平衡等作用,不仅在输电领域,而且在化工、煤炭等工业应用场合都获得了广泛应用。目前,级联式结构被认为是中压系统STATCOM装置性价比较高的拓扑结构,因此,研制STATCOM装置,使其获得更广泛的应用,具有重要的意义。本文首先对基于H桥级联结构的STATCOM装置工作原理进行了分析,并分别对其调制策略和控制算法进行了数学建模和仿真验证。调制策略采用调制波反相的单级倍频CPS-SPWM调制,使等效开关频率提高;控制算法交流侧则采用状态反馈解耦控制,以期实现电流的完全解耦;直流侧则采用分层控制,上层将电容电压控制为固定值,下层则采用有功矢量叠加的算法来分别控制。在Matlab环境下对该调制策略和控制算法的响应速度、无功补偿效果、直流侧电容电压维持平衡能力进行仿真验证。其次,对级联式STATCOM中功率单元进行了分析设计。结合该功率单元要实现的具体功能,对包括IGBT的驱动与保护部分、三相输入缺相检测部分、故障监测部分及高输入电压的多路输出开关电源部分在内的硬件电路进行了设计。根据上位机与驱动电路通信要实现强电与弱电间的有效隔离,通信速度要快的要求,选择了光纤通信,并对通信控制进行了软件编写。最后,在硬件调试环境下,对驱动电路各部分功能进行了调试。外部模拟电路应用环境,验证功率单元驱动电路设计是否正确。最后给出了主电路参数的初步计算方法,并选择各参数数值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及目的和意义
• 1.2 FACTS 技术概述
• 1.3 无功补偿装置的发展概况
• 1.4 STATCOM 研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 STATCOM 原理及调制策略研究
• 2.1 引言
• 2.2 无功补偿原理
• 2.3 STATCOM 主电路拓扑结构
• 2.3.1 拓扑结构比较
• 2.3.2 级联STATCOM 分析
• 2.4 调制策略研究
• 2.4.1 调制策略比较
• 2.4.2 CPS-SPWM 数学分析
• 2.4.3 CPS-SPWM 仿真验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 STATCOM 控制算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 STATCOM 数学模型
• 3.2.1 基于abc 坐标系的数学模型
• 3.2.2 基于 dq0 坐标系的数学模型
• 3.3 STATCOM 控制算法
• 3.3.1 控制算法概述
• 3.3.2 直流侧电容电压控制
• 3.3.3 交流侧控制
• 3.4 STATCOM 仿真分析
• 3.4.1 开环状态下仿真分析
• 3.4.2 闭环状态下仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 功率单元设计
• 4.1 引言
• 4.2 功率单元整体结构
• 4.3 功率单元电路硬件设计
• 4.3.1 控制芯片的选择
• 4.3.2 IGBT 驱动电路设计
• 4.3.3 缺相检测电路
• 4.3.4 信号采样电路
• 4.3.5 多路电源设计
• 4.4 功率单元软件实现
• 4.4.1 信号采样检测的实现
• 4.4.2 功率单元通信的实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验平台的搭建及调试
• 5.1 系统平台搭建
• 5.1.1 总体系统设计
• 5.1.2 主电路参数选择
• 5.2 功率单元调试
• 5.2.1 信号采样调试
• 5.2.2 开关电源调试
• 5.2.3 三相缺相检测
• 5.2.4 功率单元输出
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢