靜止同步補(bǔ)償器的欠驅(qū)動(dòng)特性與非線性控制.pdf

1、靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)是一種可有效提高電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的靈活交流輸電設(shè)備和定制電力技術(shù)設(shè)備,其具有動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償,維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定,抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)、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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“電力電子系統(tǒng)的欠驅(qū)動(dòng)特性與非線性控制研究”的支持下,基于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)理論,以STATCOM為研究對(duì)象,對(duì)其分析力學(xué)建模、特性分析

2、、魯棒與自適應(yīng)控制,以及電網(wǎng)/負(fù)載不平衡條件下的非線性控制問(wèn)題展開(kāi)理論與實(shí)驗(yàn)研究,研究成果對(duì)于STATCOM的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)闡述、各種復(fù)雜工況下無(wú)功補(bǔ)償控制性能優(yōu)化,以及控制系統(tǒng)規(guī)范化設(shè)計(jì)具有一定的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　本文基于系統(tǒng)全局能量,將分析力學(xué)的基本概念(欠驅(qū)動(dòng)、廣義坐標(biāo)等)和研究方法(Hamilton方程等)應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)建模中,總結(jié)出了電力電子系統(tǒng)分析力學(xué)原理建模方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程,并將此方法應(yīng)用于STATCOM

3、的數(shù)學(xué)建模中?；谒⒌腟TATCOM模型,對(duì)其蘊(yùn)含的混雜切換特性、雙線性、無(wú)源性和欠驅(qū)動(dòng)特性等本質(zhì)屬性進(jìn)行了深入分析和揭示。同時(shí),從系統(tǒng)科學(xué)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(cè)性。上述STATCOM的特性分析為后續(xù)控制器和觀測(cè)器的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　本文探究了電力電子系統(tǒng)“欠驅(qū)動(dòng)特性”的存在性,進(jìn)而基于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)理論,通過(guò)驅(qū)動(dòng)變量和欠驅(qū)動(dòng)變量的辨析和討論,對(duì)工程上廣泛采用的STATC

4、OM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇成因進(jìn)行了理論闡述。在STATCOM部分反饋線性化這一普適性欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制理論基礎(chǔ)上，通過(guò)引入滑模非線性項(xiàng),研究了具有匹配不確定性的STATCOM欠驅(qū)動(dòng)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(guò)設(shè)計(jì)一系列坐標(biāo)變換與控制變換,將STATCOM非線性模型轉(zhuǎn)換為嚴(yán)格反饋級(jí)聯(lián)系統(tǒng),進(jìn)而基于欠驅(qū)動(dòng)級(jí)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(yīng)反步控制,在保證系統(tǒng)較好穩(wěn)態(tài)和

5、動(dòng)態(tài)性能的同時(shí),使其還具有一定的自適應(yīng)能力。
　　針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡和負(fù)載不平衡等復(fù)雜工況,本文以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)各相單位功率因數(shù)控制為目標(biāo),通過(guò)構(gòu)造正負(fù)序雙電流環(huán)控制系統(tǒng),提出了基于虛擬導(dǎo)納調(diào)節(jié)的STATCOM自抗擾控制方法。本文研究了基于狀態(tài)觀測(cè)器的不平衡電網(wǎng)電壓正負(fù)序分量提取算法,以提高正負(fù)序分量檢測(cè)速度、并降低實(shí)物實(shí)現(xiàn)時(shí)的復(fù)雜程度。同時(shí),定量給出了電網(wǎng)不平衡條件下STATCOM直流側(cè)電壓和虛擬導(dǎo)納的數(shù)學(xué)關(guān)系式,從理論上闡明了所提出

6、的虛擬導(dǎo)納電流控制的合理性和可行性。為使無(wú)功負(fù)荷大范圍變化時(shí)均能實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)償,本文設(shè)計(jì)了改進(jìn)型自抗擾控制器,一方面增大了STATCOM無(wú)功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行范圍,另一方面有效減小了控制力抖動(dòng)。同時(shí),由于所設(shè)計(jì)的STATCOM不平衡控制策略從網(wǎng)側(cè)電流控制角度出發(fā),將STATCOM和負(fù)載視為一個(gè)整體進(jìn)行考量,因此在電網(wǎng)電壓不平衡與負(fù)載不平衡條件下,系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)各相單位功率因數(shù)控制。
　　最后,本文建立了基于dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)的ST

7、ATCOM實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展了STATCOM的實(shí)驗(yàn)研究。本文給出了STATCOM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)構(gòu)成,以及主電路關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法;進(jìn)而設(shè)計(jì)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(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行STATCOM控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的詳細(xì)過(guò)程,并討論了以dSPACE為代表的半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真技術(shù)應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在所研制的STATC