【摘要】：隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,能源和環(huán)境問題已成為當(dāng)前人類面臨的緊迫問題。電力電子變換器因其靈活豐富的功能,在調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和增加能源有效利用率方面具有重要作用,已成為現(xiàn)代能源系統(tǒng)中的核心部件和關(guān)鍵技術(shù)。本文以級聯(lián)H橋多電平變換器為研究對象,圍繞級聯(lián)H橋靜止同步補(bǔ)償裝置(Static Synchronous Compensator,STATCOM)的模型預(yù)測控制(Model Predictive Control,MPC)優(yōu)化和級聯(lián)H橋中壓大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)兩個(gè)方面展開研究。應(yīng)用MPC于級聯(lián)H橋STATCOM時(shí),其計(jì)算量隨級聯(lián)鏈節(jié)數(shù)指數(shù)級增加。針對上述問題,提出了一種基于分層序列優(yōu)化算法的建模方法。根據(jù)被控目標(biāo)的優(yōu)先級將級聯(lián)H橋STATCOM的MPC分為電流MPC和電容電壓平衡MPC兩個(gè)優(yōu)化子問題,此時(shí)電流MPC的計(jì)算復(fù)雜度為多項(xiàng)式時(shí)間級,而電容電壓平衡MPC的計(jì)算復(fù)雜度為指數(shù)時(shí)間級。然后提出一種基于動態(tài)規(guī)劃與0-1規(guī)劃的混合優(yōu)化算法,重新確定電容電壓平衡MPC的優(yōu)化順序,并將其中的三值正定整數(shù)規(guī)劃問題化簡為兩個(gè)0-1線性整數(shù)規(guī)劃問題。上述建模和優(yōu)化方法可將級聯(lián)H橋STATCOM的MPC的計(jì)算復(fù)雜度降低到多項(xiàng)式時(shí)間級。采用完全枚舉算法求解電流MPC時(shí),其計(jì)算量由級聯(lián)H橋變換器的非冗余矢量個(gè)數(shù)決定,其算法復(fù)雜度為多項(xiàng)式時(shí)間級。針對上述問題,本文提出了一種簡化分枝定界算法。該算法利用gh坐標(biāo)系將電流MPC的雙變量整數(shù)規(guī)劃問題化簡為多個(gè)單變量整數(shù)規(guī)劃問題,僅需比較4n+1個(gè)非冗余矢量即可求取全局最優(yōu)解。時(shí)間復(fù)雜度分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電流MPC的計(jì)算復(fù)雜度可降低到線性時(shí)間級。經(jīng)過上述優(yōu)化過程,級聯(lián)H橋STATCOM的MPC算法計(jì)算時(shí)間已大大降低,但在級聯(lián)鏈節(jié)數(shù)較多時(shí)仍需采用高性能處理器實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種基于DSP+FPGA的并行實(shí)現(xiàn)方法。該方法利用DSP與FPGA各自的優(yōu)勢協(xié)同完成MPC算法,并針對FPGA提出一種基于流水線的并行比較排序方法降低排序算法的執(zhí)行時(shí)間。最后通過DSP與FPGA的并行運(yùn)行,級聯(lián)H橋STATCOM的MPC的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度均可降低到線性時(shí)間級,任意規(guī)模的級聯(lián)H橋STATCOM的MPC均可通過低成本的DSP與輕量級的FPGA在線實(shí)現(xiàn)。三相級聯(lián)H橋七電平STATCOM實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了上述并行實(shí)現(xiàn)方法的正確性和效率。驗(yàn)證級聯(lián)H橋中壓大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí),在網(wǎng)側(cè)逆變器觀測到兩個(gè)振蕩現(xiàn)象:即包絡(luò)振蕩問題和中頻振蕩問題。本文分析了包絡(luò)振蕩問題的原因,然后提出一種基于載波同步鎖相環(huán)的全局載波同步方法實(shí)現(xiàn)多個(gè)DSP的同步,進(jìn)而解決上述問題。針對中頻振蕩問題,提出一種基于線性變換的解耦分析方法,將逆變器電流分解為和電流與差電流。此時(shí)僅采用單變量控制理論(如波特圖),即可分別分析和電流與差電流的性能。和電流與差電流具有相同的電流調(diào)節(jié)器,但具有不同的耦合阻抗。當(dāng)和電流的阻抗遠(yuǎn)大于差電流的阻抗時(shí),采用小的控制器參數(shù)難以滿足和電流的控制性能,采用大的控制器參數(shù)可能會降低差電流的穩(wěn)定裕度,導(dǎo)致中頻振蕩問題。本文提出的解耦分析方法可為多并聯(lián)逆變器的電流調(diào)節(jié)器和硬件設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。級聯(lián)H橋五電平風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM46;TM614

【參考文獻(xiàn)】

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3 朱，

本文編號：2634646