具有故障容错能力的MMC-STATCOM控制系统的研究

摘要

静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）是一种能够改善电能质量的装置，提高电网功率因数，抑制网侧谐波。本文针对用于补偿高压、大功率场合的STATCOM进行研究，通过对比几种不同拓扑结构的换流器，选择基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)拓扑的STATCOM进行分析研究，介绍其工作原理，并针对MMC-STATCOM的关键技术进行设计研究。本文提出的具有故障容错能力的MMC-STATCOM对未来高压、大功率静止同步补偿器奠定理论基础。本文具体完成的工作如下:
　　首先，本文分析了MMC的拓扑结构与工作原理，介绍MMC子模块的工作状态;对比MMC常用的几种调制策略，为更好实现故障控制，本文选择基于载波层叠的调制方法;针对子模块的均压问题，采用电压排序方法;对环流产生机理进行分析，采用增加全桥模块的方式抑制环流，并介绍具体实现过程。
　　其次，本文对MMC-STATCOM系统的控制策略进行设计，其中，选择合适的电流检测方法是实现无功补偿与谐波抑制的前提，本文采用无锁相环的lq-lq检测方法，克服传统方法锁相不准确的问题;并采用矢量谐振控制器(Vector Resonance Controller，VRC)对电流进行跟踪控制，该方法能够消除特定次谐波，且在谐振点没有相位延迟，不对系统稳定性产生影响;分析子模块发生故障的几种情况，并介绍几种常用的冗余容错方案，提出调制波重构的无冗余方法，提高系统的容错能力。
　　为了验证以上提出控制策略的正确性，搭建基于Matlab/samuhnk软件的仿真模型，分析仿真结果，证明了系统的有效性。
　　最后，设计装置的软、硬件结构，完成硬件实验平台，所得实验波形与仿真结果基本一致，验证控制系统的可行性，证明本文设计的MMC-STATCOM能够有效地补偿系统无功和谐波。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 STATCOM的发展现状

1．2 1 基本拓扑结构的发展

1．2．2 基本调制策略研究现状

1 2．3 自动控制策略研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 MMC关键技术的研究

2．1 MMC的拓扑结构及工作原理

2 1．1 MMC的基本拓扑结构

2 1．2 MMC的工作原理

2．2 MMC调制策略的选择

2 2 1 MMC基本调制策略

2 2 2 载波层叠PWM调制技术

2．3 子模块电容电压平衡策略

2 4 环流抑制控制策略

2．5 本章小结

第3章 具有故障容错能力的MMC无功补偿装置的研究

3．1 MMC—STATCOM补偿原理

3．2 建立MMC—STATCOM数学模型

3 3 无锁相环的无功电流检测方法

3．4 STATCOM系统控制策略

3．4．1 矢量谐振控制器

3．4 2 基于前馈解耦电压电流双闭环控制技术

3．5 MMC—STATCOM的故障容错技术研究

3．5．1 故障容错技术

3 5 2 基于调制波重构的容错技术研究

3．6 本章小结

第4章 具有故障容错能力的MMC-STATCOM系统的仿真分析

4．1 系统仿真模型的建立

4 1 1 MMC拓扑结构仿真模型

4 1．2 无锁相环电流检测模块

4．1．3 矢量谐振控制器模块

4 1 4 前馈解耦模块

4 1 5 基于载波层叠的电容电压排序模块

4 1 6 环流抑制模块

4．1 7 故障处理模块

4．2 仿真结果分析

4．3 本章小结

第5章 MMC-STATCOM系统设计

5．1 具有故障容错能力的MMC-STATCOM系统整体设计

5．2 硬件设计

5．2 1 核心控制单元

5．2 2 信号检测单元

5．2．3 保护电路

5．2．4 驱动电路

5 3 软件设计

5．3．1 系统主程序

5 3．2 中断服务子程序

5．3．3 FPGA程序设计

5．4 本章小结

第6章 MMC—STATCOM实验平台搭建及结果分析

6．1 实验平台搭建

6．2 实验结果分析

6．3 本章小结

结论

参考文献

致谢