静止同步补偿器的欠驱动特性与非线性控制

摘要

静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)是一种可有效提高电力系统供电质量的灵活交流输电设备和定制电力技术设备,其具有动态无功功率补偿,维持电网电压稳定,抑制电网电压波动、闪变和不平衡,以及提高电力系统稳定性和阻尼振荡等多种功能。本论文在国家自然科学基金项目“电力电子系统的欠驱动特性与非线性控制研究”的支持下,基于欠驱动系统理论,以STATCOM为研究对象,对其分析力学建模、特性分析、鲁棒与自适应控制,以及电网/负载不平衡条件下的非线性控制问题展开理论与实验研究,研究成果对于STATCOM的控制系统结构阐述、各种复杂工况下无功补偿控制性能优化,以及控制系统规范化设计具有一定的理论意义和实际应用价值。
　　本文基于系统全局能量,将分析力学的基本概念(欠驱动、广义坐标等)和研究方法(Hamilton方程等)应用于电力电子系统建模中,总结出了电力电子系统分析力学原理建模方法和实现过程,并将此方法应用于STATCOM的数学建模中。基于所建立的STATCOM模型,对其蕴含的混杂切换特性、双线性、无源性和欠驱动特性等本质属性进行了深入分析和揭示。同时,从系统科学的角度,利用混杂切换线性系统理论,证明了STATCOM系统的能控性和能观测性。上述STATCOM的特性分析为后续控制器和观测器的设计奠定了理论基础。
　　本文探究了电力电子系统“欠驱动特性”的存在性,进而基于欠驱动系统理论,通过驱动变量和欠驱动变量的辨析和讨论,对工程上广泛采用的STATCOM双闭环控制系统结构的选择成因进行了理论阐述。在STATCOM部分反馈线性化这一普适性欠驱动系统控制理论基础上，通过引入滑模非线性项,研究了具有匹配不确定性的STATCOM欠驱动高阶非奇异终端滑模非线性控制策略,有效地提高了控制系统的鲁棒性。另外,通过设计一系列坐标变换与控制变换,将STATCOM非线性模型转换为严格反馈级联系统,进而基于欠驱动级联规范型理论,研究了具有非匹配不确定性的STATCOM自适应反步控制,在保证系统较好稳态和动态性能的同时,使其还具有一定的自适应能力。
　　针对电网电压不平衡和负载不平衡等复杂工况,本文以实现网侧各相单位功率因数控制为目标,通过构造正负序双电流环控制系统,提出了基于虚拟导纳调节的STATCOM自抗扰控制方法。本文研究了基于状态观测器的不平衡电网电压正负序分量提取算法,以提高正负序分量检测速度、并降低实物实现时的复杂程度。同时,定量给出了电网不平衡条件下STATCOM直流侧电压和虚拟导纳的数学关系式,从理论上阐明了所提出的虚拟导纳电流控制的合理性和可行性。为使无功负荷大范围变化时均能实现有效补偿,本文设计了改进型自抗扰控制器,一方面增大了STATCOM无功补偿的运行范围,另一方面有效减小了控制力抖动。同时,由于所设计的STATCOM不平衡控制策略从网侧电流控制角度出发,将STATCOM和负载视为一个整体进行考量,因此在电网电压不平衡与负载不平衡条件下,系统均能实现网侧各相单位功率因数控制。
　　最后,本文建立了基于dSPACE半实物仿真系统的STATCOM实验平台,开展了STATCOM的实验研究。本文给出了STATCOM实验系统的总体设计思想和系统构成,以及主电路关键参数的设计方法;进而设计了STATCOM的dSPACE快速控制原型(Rapid Control Prototype,RCP)系统,给出了利用dSPACE半实物仿真系统进行STATCOM控制系统开发的详细过程,并讨论了以dSPACE为代表的半实物实时仿真技术应用于电力电子系统开发时的关键技术问题。在所研制的STATCOM实验平台上，进行了STATCOM在各种工况下的实验研究,实验结果证明了本文有关STATCOM基本理论和关键技术问题研究的正确性和有效性。

目录

静止同步补偿器的欠驱动特性与非线性控制

Underactuated Property and Nonlinear Control of Static Synchronous Compensator

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 STATCOM的分析力学原理建模与特性分析

2.1 引言

2.2 基于分析力学原理的电力电子系统建模方法

2.3 STATCOM的分析力学原理建模

2.4 同步旋转坐标系下STATCOM的数学模型

2.5 STATCOM的特性分析

2.6 本章小结

第3章 基于欠驱动系统理论的STATCOM非线性控制

3.1 引言

3.2 STATCOM欠驱动自抗扰高阶滑模控制

3.3 STATCOM欠驱动自适应反步控制

3.4 本章小结

第4章 电网不平衡条件下STATCOM的非线性控制

4.1 引言

4.2 电网电压不平衡对STATCOM的影响分析

4.3 电网不平衡条件下STATCOM的数学模型

4.4 基于虚拟导纳调节的STATCOM不平衡控制策略

4.5 本章小结

第5章 基于dSPACE的STATCOM实验平台设计与实验研究

5.1 引言

5.2 STATCOM实验平台的系统构成

5.3 基于dSPACE的电力电子系统半实物仿真技术研究

5.4 实验结果及分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢

个人简历