靜止同步補償器的欠驅動特性與非線性控制.pdf

1、靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)是一種可有效提高電力系統(tǒng)供電質量的靈活交流輸電設備和定制電力技術設備,其具有動態(tài)無功功率補償,維持電網電壓穩(wěn)定,抑制電網電壓波動、閃變和不平衡,以及提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和阻尼振蕩等多種功能。本論文在國家自然科學基金項目“電力電子系統(tǒng)的欠驅動特性與非線性控制研究”的支持下,基于欠驅動系統(tǒng)理論,以STATCOM為研究對象,對其分析力學建模、特性分析

2、、魯棒與自適應控制,以及電網/負載不平衡條件下的非線性控制問題展開理論與實驗研究,研究成果對于STATCOM的控制系統(tǒng)結構闡述、各種復雜工況下無功補償控制性能優(yōu)化,以及控制系統(tǒng)規(guī)范化設計具有一定的理論意義和實際應用價值。
　　本文基于系統(tǒng)全局能量,將分析力學的基本概念(欠驅動、廣義坐標等)和研究方法(Hamilton方程等)應用于電力電子系統(tǒng)建模中,總結出了電力電子系統(tǒng)分析力學原理建模方法和實現(xiàn)過程,并將此方法應用于STATCOM

3、的數(shù)學建模中。基于所建立的STATCOM模型,對其蘊含的混雜切換特性、雙線性、無源性和欠驅動特性等本質屬性進行了深入分析和揭示。同時,從系統(tǒng)科學的角度,利用混雜切換線性系統(tǒng)理論,證明了STATCOM系統(tǒng)的能控性和能觀測性。上述STATCOM的特性分析為后續(xù)控制器和觀測器的設計奠定了理論基礎。
　　本文探究了電力電子系統(tǒng)“欠驅動特性”的存在性,進而基于欠驅動系統(tǒng)理論,通過驅動變量和欠驅動變量的辨析和討論,對工程上廣泛采用的STATC

4、OM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結構的選擇成因進行了理論闡述。在STATCOM部分反饋線性化這一普適性欠驅動系統(tǒng)控制理論基礎上，通過引入滑模非線性項,研究了具有匹配不確定性的STATCOM欠驅動高階非奇異終端滑模非線性控制策略,有效地提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。另外,通過設計一系列坐標變換與控制變換,將STATCOM非線性模型轉換為嚴格反饋級聯(lián)系統(tǒng),進而基于欠驅動級聯(lián)規(guī)范型理論,研究了具有非匹配不確定性的STATCOM自適應反步控制,在保證系統(tǒng)較好穩(wěn)態(tài)和

5、動態(tài)性能的同時,使其還具有一定的自適應能力。
　　針對電網電壓不平衡和負載不平衡等復雜工況,本文以實現(xiàn)網側各相單位功率因數(shù)控制為目標,通過構造正負序雙電流環(huán)控制系統(tǒng),提出了基于虛擬導納調節(jié)的STATCOM自抗擾控制方法。本文研究了基于狀態(tài)觀測器的不平衡電網電壓正負序分量提取算法,以提高正負序分量檢測速度、并降低實物實現(xiàn)時的復雜程度。同時,定量給出了電網不平衡條件下STATCOM直流側電壓和虛擬導納的數(shù)學關系式,從理論上闡明了所提出

6、的虛擬導納電流控制的合理性和可行性。為使無功負荷大范圍變化時均能實現(xiàn)有效補償,本文設計了改進型自抗擾控制器,一方面增大了STATCOM無功補償?shù)倪\行范圍,另一方面有效減小了控制力抖動。同時,由于所設計的STATCOM不平衡控制策略從網側電流控制角度出發(fā),將STATCOM和負載視為一個整體進行考量,因此在電網電壓不平衡與負載不平衡條件下,系統(tǒng)均能實現(xiàn)網側各相單位功率因數(shù)控制。
　　最后,本文建立了基于dSPACE半實物仿真系統(tǒng)的ST

7、ATCOM實驗平臺,開展了STATCOM的實驗研究。本文給出了STATCOM實驗系統(tǒng)的總體設計思想和系統(tǒng)構成,以及主電路關鍵參數(shù)的設計方法;進而設計了STATCOM的dSPACE快速控制原型(Rapid Control Prototype,RCP)系統(tǒng),給出了利用dSPACE半實物仿真系統(tǒng)進行STATCOM控制系統(tǒng)開發(fā)的詳細過程,并討論了以dSPACE為代表的半實物實時仿真技術應用于電力電子系統(tǒng)開發(fā)時的關鍵技術問題。在所研制的STATC