基于状态空间模型的FACTS控制策略研究

摘要

随着电力电子元件单件容量向大功率及高电压的迅速发展,柔性交流传输设备(Flexible AC Transmission Systems,简称为FACTS)应运而生。它们是以电力电子技术为基础并具有其它静止控制器件的交流传输设备,能增强输电系统的可控能力,并增大送电容量。本文针对FACTS设备的控制策略从原理、数学建模、参数设计、控制目标电流检测算法、控制算法及MATLAB/SIMULINK与EMTP仿真验证等几个方面进行研究。所做主要工作如下：(1)基于状态空间平均法对单相和三相FACTS的变流器部分进行数学建模。并且对于直流侧电容、输出电抗器、缓冲吸收回路、预充电电路、滤波电路等各个电路参数进行了讨论和仿真分析。以降低电流器出口电流的谐波含量和保持直流电容电压波动幅值在一定范围内的要求选择电容值。输出电抗器可以有效抑制变流器中的IGBT开关时产生的瞬间高电压,减少此电压对电缆绝缘的不良影响,也可依靠线圈的感抗阻碍电流变化,限制短路电流的数值。在其他参数不变的情况下,调节输出电抗器,可以改善系统电流的波形。(2)在传统的无功电流检测算法的基础上,提出了两种新型的控制目标电流检测算法。第一种方法直接对装置输出的电流进行控制,通过直流侧电压和变流器两侧功率传输的关系,推导出损耗电流与直流侧电压的变化关系公式；提出损耗有功电流和负荷无功电流的计算方法,及直流侧电压的控制策略。第二种检测方法在第一种方法的基础上进行改进,基于三角函数自身的数值关系,实现非常简单。同时,将其推广到三相三线制系统,通过补偿负序分量,抑制其三相不平衡；可提取其谐波成分,对特定次谐波进行补偿。(3)针对基于直流侧电容电压控制和系统无功电流反馈控制的控制算法进行了讨论。对PI控制以及滞环控制分别进行了建模和仿真分析,并且对滞环控制的环宽对变流器的影响进行了讨论。此外,针对参数不确定系统的鲁棒性能分析和综合问题,引入了H控制策略,不再依赖Riccati方程。这是一种基于线性矩阵不等式的处理方法。它将控制问题转化成一个线性矩阵不等式系统的可行性问题,或者是一个具有线性矩阵不等式的凸优化问题。这种方法可以克服Riccati方程的方法中很多不足。仿真证明了这一方法的正确性。

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摘要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 FACTS 设备的发展进程

1.1.1 FACTS 的涵义

1.1.2 FACTS 在国内外的发展

1.1.3 FACTS 的应用

1.2 变流器控制策略的发展

1.3 本文研究的主要内容

1.4 本章小结

第二章 数学建模及主电路参数选择

2.1 引言

2.2 单相变流器的数学建模

2.3 三相变流器的数学建模

2.3.1 变流器三相静止坐标系状态方程

2.3.2 三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系（d，q）的变换

2.4 主电路参数选择

2.4.1 直流母线（含直流电容器）

2.4.2 缓冲吸收回路

2.4.3 预充电电路

2.4.4 输出电抗器

2.4.5 滤波电路

2.4.6 冷却系统

2.5 本章小结

第三章 控制目标电流检测方法

3.1 引言

3.2 有功损耗电流检测算法

3.3 无功目标电流检测算法

3.3.1 无功目标电流检测算法

3.3.2 谐波算法

3.4 本章小结

第四章 控制策略

4.1 引言

4.2 PI 控制

4.2.1 电流内环控制

4.2.2 电压外环控制

4.3 滞环控制

4.3.1 滞环控制的基本原理

4.3.2 滞环宽度对变流器性能影响的分析

4.4 基于 H∞无穷的最优控制

4.4.1 相关理论及控制率推导

4.4.2 仿真分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文