10kV/+-10MVar级联多电平D-STATCOM控制策略及其数字实现

摘要

D-STATCOM是新一代无功补偿设备STATCOM在配电网中的应用。与输电系统STATCOM相比，由于配电系统负载的多样性，D-STATCOM的功能不再仅限于单纯的无功补偿和电压支撑，它往往需要兼顾谐波补偿、不对称补偿等特殊的性能。这对D-STATCOM控制系统的设计就提出了多样性的要求。本文针对一台10kV／±10Mvar级联D-STATCOM，进行了具备无功和谐波补偿功能的控制系统设计以及相关数字控制技术的研究。
　　 论文首先对级联D-STATCOM电流控制策略进行了研究。传统的PI控制器由于带宽的限制，对高频信号不具有高增益输出，不能满足谐波补偿中高跟踪精度的要求。为使D-STATCOM具备谐波补偿的能力，尝试使用了一种电流双环控制器。由于重复控制理论上可以对整数倍的谐波信号进行无差跟踪，因此将重复控制器与PI控制器复合使用，重复控制作为电流外环，其输出信号与前馈电流指令共同产生PI环的电流指令。仿真结果表明，这种方法可以有效提高D-STATCOM装置谐波补偿性能。
　　 级联D-STATCOM对提高输出电压的波形质量有很好的效果，但是各变换单元直流侧电容是相互独立的。这就要求设计者必须深入考虑电容电压的均压方案。本文对直流侧电容电压控制策略进行了研究，设计了一种分层式的电容电压平衡控制方法。通过控制装置与电网间有功能量交换，实现了变换器电容电压的总体平衡，使装置总的电容平均电压稳定在目标值附近。在总的平均电压稳定的基础上，又通过相间和独立的电容电压平衡控制，在不同层面上调节了单个变换单元吸收的有功功率，达到了独立的电容电压之间平衡的目的。
　　 数字控制系统是控制策略得以实现的基础，而级联D-STATCOM系统既有复杂的主电路结构，又具有快速响应的特点，因此它对数字控制系统有很高的要求。本文最后对级联D-STATCOM数字控制系统软硬件的设计过程进行了介绍。在此基础上，对D-STATCOM中应用的采样、谐波提取等关键控制技术作了相应的介绍。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 STATCOM的工作原理

1.3 10kV／±10Mvar级联多电平D-STATCOM主电路拓朴

1.4 关于级联多电平D-STATCOM控制的关键技术

1.4.1 电流控制策略

1.4.2 直流侧电压控制策略

1.4.3 数字控制技术

1.5 本文主要研究内容

第二章 级联D-STATCOM电流控制策略

2.1 引言

2.2 D-STATCOM数学模型

2.2.1 abc静止坐标系下的数学模型

2.2.2 dq旋转坐标系下的数学模型

2.3 D-STATCOM电流dq解耦控制

2.4 重复控制器原理及其稳定性分析

2.4.1 重复控制基本原理

2.4.2 重复控制的稳定条件

2.5 电流双环控制器设计

2.5.1 内环控制器设计

2.5.2 外环控制器设计

2.6 仿真研究

2.6.1 无功补偿

2.6.2 谐波补偿

2.7 本章小结

第三章 级联D-STATCOM直流侧电容电压控制策略

3.1 引言

3.2 电容电压总体平衡控制

3.3 单独电容电压控制

3.3.1 相间电容电压平衡控制

3.3.2 独立电容电压平衡控制

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

第四章 级联D-STATCOM数字控制设计

4.1 引言

4.2 10kV／±10Mvar级联D-STATCOM使用的控制技术

4.2.1 基于移相对消的单相谐波电流检测技术

4.2.2 变周期过采样技术

4.3 控制电路设计

4.3.1 主控制板设计

4.3.2 采样电路设计

4.4 DSP软件设计

4.4.1 主程序

4.4.2 中断程序

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 不足与展望

附录A 10kV/±10Mvar级联D-STATCOM系统框图

附录B 主控制板原理图

附录C 实物图

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢