STATCOM非線性H-,2--H-,∞-混合控制與模塊化嵌入式數(shù)字系統(tǒng)研究.pdf

1、靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是FACTS家族的重要裝置成員之一，在世界各地正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。因?yàn)橄冗M(jìn)的控制性能，STATCOM已經(jīng)成為世界上靜止無(wú)功補(bǔ)償發(fā)展研究的方向。作為STATCOM的重要組成部分，控制器和控制系統(tǒng)直接影響它的運(yùn)行性能。本文針對(duì)混合型級(jí)聯(lián)多電平主電路，結(jié)合其控制器和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，對(duì)控制器和控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析并加以實(shí)現(xiàn)。 首先，在分析了STATCOM裝置的工作原理和工作特性

2、的基礎(chǔ)上，給出了STATCOM控制系統(tǒng)的兩層模型，即系統(tǒng)層與裝置層，它的優(yōu)點(diǎn)是可以將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)分為兩個(gè)設(shè)計(jì)相對(duì)容易的子系統(tǒng)，并且每個(gè)子系統(tǒng)有各自的控制對(duì)象，同時(shí)各子系統(tǒng)之間還存在著一定的控制關(guān)系。分析了STATCOM控制系統(tǒng)模型中由于參數(shù)不確定性帶來(lái)了STATCOM模型的不確定性和攝動(dòng)性，影響了模型的精確性。 隨著裝置容量變得越來(lái)越大以及對(duì)輸出波形諧波頻譜更高的要求，多電平STATCOM主電路成為未來(lái)的發(fā)展方向。在分析多電平S

3、TATCOM主電路結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，對(duì)單元級(jí)聯(lián)式多電平主電路的構(gòu)成和工作原理進(jìn)行了研究，而混合型級(jí)聯(lián)多電平主電路與輸出相同電平的其它類型多電平主電路相比，具有所需的功率器件最少的優(yōu)點(diǎn)。采用SHE PWM技術(shù)，降低了主電路輸出注入系統(tǒng)電流中的低次諧波含量，分析了開(kāi)關(guān)角誤差與諧波之間的關(guān)系，并給出了通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)角魯棒系數(shù)來(lái)降低其影響的方法。 其次，在分析了STATCOM系統(tǒng)存在非線性、參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)的基礎(chǔ)上，建立了存在參數(shù)攝動(dòng)

4、和外部擾動(dòng)的兩種模型，即單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)數(shù)學(xué)模型與裝置級(jí)數(shù)學(xué)模型。采用H2/H∞混合控制理論和直接反饋線性方法，分別設(shè)計(jì)了兩種模型的非線性控制器。利用線性矩陣不等式(LMI)對(duì)控制器進(jìn)行求解。通過(guò)Matlab仿真，表明了H2/H∞混合控制兼有魯棒性能和最優(yōu)性能，可使系統(tǒng)快速平息振蕩，有效提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的傳輸容量，同時(shí)又能滿足故障切除后電壓精度的要求。所設(shè)計(jì)的控制器在保證控制性能的基礎(chǔ)上，對(duì)參數(shù)的不

5、確定具有魯棒性，同時(shí)保證在所有參數(shù)攝動(dòng)范圍內(nèi)具有漸近穩(wěn)定性. 接著，分析了傳統(tǒng)集中控制中存在的局限性，依照建立的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)混合型級(jí)聯(lián)多電平主電路的特點(diǎn)，在STATCOM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出了基于模塊化嵌入式的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即基本控制單元執(zhí)行層、協(xié)調(diào)層和組織層。在這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)具有很好的自適應(yīng)性，當(dāng)外界環(huán)境變化或出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)同級(jí)子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)和較高層次系統(tǒng)之間的信息交換，相關(guān)層次的子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行

6、調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，因此整個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)靈活，柔性好，可靠性高。采用標(biāo)準(zhǔn)化組件和標(biāo)準(zhǔn)化通訊接口規(guī)范，各層之間可以通過(guò)明確的接口進(jìn)行交互，因此不需要關(guān)心層內(nèi)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。各個(gè)組件一般實(shí)現(xiàn)不同的功能范疇，要求功能相對(duì)獨(dú)立，組件之間耦合為松耦合。這樣可以實(shí)現(xiàn)所謂的“即插即用”功能，并使得控制軟件的調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)都得到簡(jiǎn)化。 隨后，在硬件設(shè)計(jì)方面，詳細(xì)地設(shè)計(jì)了基本控制單元執(zhí)行層和協(xié)調(diào)層。根據(jù)基本控制單元執(zhí)行層的功能要求，設(shè)計(jì)

7、了模塊化嵌入式單相控制單元。該單元采用基于ARM內(nèi)核的32位LPC2129局部控制器和CPLD設(shè)計(jì)方案，完成了對(duì)基本控制單元執(zhí)行層的觸發(fā)電路、驅(qū)動(dòng)單元、通信單元、同步電路及保護(hù)等電路單元的設(shè)計(jì)。根據(jù)協(xié)調(diào)層的功能要求，采用雙DSP方案，設(shè)計(jì)了模塊化嵌入式主控制器單元。DSP56F807(1)完成采集、判斷及控制策略等功能，而DSP56F807(2)則負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行、協(xié)調(diào)及人機(jī)交互等功能。 同時(shí)，還對(duì)STATCOM保護(hù)進(jìn)行了初步