本文關(guān)鍵詞：基于LCL濾波的級(jí)聯(lián)STATCOM控制策略及應(yīng)用研究　出處：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,隨著工業(yè)設(shè)備現(xiàn)代化的不斷發(fā)展,各種非線性、頻繁波動(dòng)及不平衡負(fù)荷的使用日益增多,由此導(dǎo)致出現(xiàn)了低功率因數(shù)、線損增大、嚴(yán)重諧波污染、三相不平衡及電壓波動(dòng)等嚴(yán)重危害電網(wǎng)電能質(zhì)量的問題,于是補(bǔ)償無功、治理諧波及解決三相不平衡技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。相比常規(guī)無功補(bǔ)償裝置,靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator,簡(jiǎn)稱STATCOM,又稱SVG)由其具備的動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)諧波補(bǔ)償及解決三相負(fù)載不平衡的突出性能,成為電網(wǎng)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)技術(shù)的潮流及發(fā)展方向,因此本文對(duì)基于LCL濾波的級(jí)聯(lián)STATCOM關(guān)鍵控制技術(shù)及其應(yīng)用的研究具有重要理論研究與應(yīng)用價(jià)值。星型結(jié)構(gòu)6k V、10k V中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)通常采用不直接接地的保護(hù)方式,而級(jí)聯(lián)STATCOM裝置中性點(diǎn)采用不接地的方式,于是在針對(duì)LCL濾波的級(jí)聯(lián)STATCOM分析建模過程中需要考慮系統(tǒng)中性點(diǎn)與裝置中性點(diǎn)之間的電壓。本文依據(jù)開關(guān)函數(shù),在考慮電網(wǎng)中性點(diǎn)與STATCOM裝置中性點(diǎn)之間電壓的基礎(chǔ)上,建立了基于LCL濾波級(jí)聯(lián)STATCOM在a-b-c與d-q坐標(biāo)下的精確數(shù)學(xué)分析模型。針對(duì)LCL濾波的級(jí)聯(lián)STATCOM系統(tǒng)在d-q坐標(biāo)下的電流控制模型中出現(xiàn)的高階、非線性、強(qiáng)耦合特性,本文提出一種針對(duì)無源阻尼LCL濾波的狀態(tài)反饋精確線性化電流解耦方法,實(shí)現(xiàn)了d-q坐標(biāo)下基于特征諧波補(bǔ)償?shù)挠泄盁o功輸出變量的解耦控制。本文采用帶無源阻尼的LCL濾波器來實(shí)現(xiàn)STATCOM低頻補(bǔ)償帶寬內(nèi)低輸出阻抗,高頻濾除帶寬高輸出阻抗的電流快速跟蹤控制。由于LCL濾波存在三階不穩(wěn)定特性,其關(guān)鍵參數(shù)的選擇會(huì)對(duì)其諧振頻率、各次電流衰減性能和阻尼損耗等造成影響,于是本文從各次補(bǔ)償電流的衰減性能及其引起阻尼損耗的角度詳細(xì)討論了濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,以此提出了一種在保證濾波性能及穩(wěn)定性基礎(chǔ)上,基于特定次諧波補(bǔ)償?shù)膹?fù)合有功損耗控制策略。為了進(jìn)一步增強(qiáng)無源阻尼LCL濾波的穩(wěn)定控制性能與改善低頻段補(bǔ)償帶寬,建立了基于LCL濾波、比例積分(Proportion-Integral,PI)控制、二階低通濾波及積分校正環(huán)節(jié)的控制內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)無源阻尼LCL補(bǔ)償帶寬控制的穩(wěn)定。在三相電壓不平衡及電網(wǎng)頻率波動(dòng)狀態(tài)下,本文提出一種基于d-q坐標(biāo)變換及改進(jìn)型遞歸離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)相結(jié)合的鎖相環(huán)設(shè)計(jì),及與之相適應(yīng)的無功、諧波指令電流全補(bǔ)償與選擇性補(bǔ)償檢測(cè)算法。結(jié)合鎖相環(huán)的瞬時(shí)無功及諧波電流全補(bǔ)償檢測(cè)算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)非理想電網(wǎng)中存在波動(dòng)的無功及諧波實(shí)時(shí)檢測(cè)。針對(duì)非理想電網(wǎng)頻率下DFT算法進(jìn)行選擇性諧波電流檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)的較大幅值與相位延時(shí)誤差問題,基于d-q坐標(biāo)變換及與鎖相環(huán)相適應(yīng)的改進(jìn)型DFT特定次諧波動(dòng)態(tài)檢測(cè)策略只需要1/2工頻周期即可完成對(duì)含有不平衡分量指令電流的動(dòng)態(tài)檢測(cè)跟蹤,而不考慮不平衡分量時(shí)其檢測(cè)時(shí)間只有傳統(tǒng)DFT檢測(cè)的1/6,避免因檢測(cè)延時(shí)而負(fù)載變化后造成諧波注入問題。針對(duì)基波及諧波電流快速變化特性及電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)電流環(huán)高精度補(bǔ)償?shù)姆�(wěn)態(tài)誤差問題,本文提出了d-q坐標(biāo)下與鎖相環(huán)相結(jié)合的兩種改進(jìn)型復(fù)合控制器設(shè)計(jì)。由于理想比例諧振控制(Proportional Resonant,PR)在諧振點(diǎn)穩(wěn)定帶寬較窄,且存在不穩(wěn)定的虛軸開環(huán)極點(diǎn),本文改進(jìn)的比例積分諧振(Proportional-Integral Resonant,PIR)復(fù)合控制器通過PI校正低頻、串聯(lián)校正環(huán)節(jié)拓展高頻、與之對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定校正環(huán)節(jié)改善穩(wěn)定性來保證電流控制環(huán)的穩(wěn)定及補(bǔ)償電流的控制精度。針對(duì)重復(fù)控制器存在控制周期響應(yīng)延遲問題,本文基于d-q坐標(biāo)變換與改進(jìn)的1/2或1/6重復(fù)周期相結(jié)合建立了以PI控制為內(nèi)環(huán)、改進(jìn)型重復(fù)控制器為外環(huán)的雙環(huán)電流跟蹤控制結(jié)構(gòu)。通過PI控制器、二階低通濾波器及相應(yīng)校正環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)指令電流快速跟蹤響應(yīng),改進(jìn)型重復(fù)控制外環(huán)對(duì)控制內(nèi)環(huán)的跟蹤誤差進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整,有效改善了補(bǔ)償帶寬內(nèi)指令電流的跟蹤精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。同時(shí),本文中的鎖相環(huán)保證了控制器對(duì)于波動(dòng)頻率的自適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)了兩種復(fù)合控制在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)的高精度補(bǔ)償控制。針對(duì)星型結(jié)構(gòu)STATCOM相間直流側(cè)電壓不平衡問題,本文建立了基于零序及負(fù)序電壓注入的有功交換數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)比其調(diào)節(jié)能力及適應(yīng)性,在此基礎(chǔ)上提出一種基于d-q-0坐標(biāo)系與改進(jìn)型遞歸DFT相結(jié)合的零序電壓注入的相間電壓平衡控制方法。同時(shí)建立了與之對(duì)應(yīng)的基于整體、相間與相內(nèi)電壓動(dòng)態(tài)分層控制模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置電容電壓的均衡控制。基于二倍頻諧波電壓PI外環(huán)校正來調(diào)節(jié)直流側(cè)整體電壓平衡控制中總體有功的注入。針對(duì)相內(nèi)電壓均衡控制,本文采用基于載波移相調(diào)制的鏈節(jié)電壓獨(dú)立平衡控制策略與單極性載波層疊調(diào)制的調(diào)制波分配控制策略。為解決H橋內(nèi)開關(guān)器件均衡損耗問題,論文通過一種基于占空比脈沖調(diào)制的H橋內(nèi)損耗平均控制策略來均衡橋內(nèi)IGBT器件的動(dòng)作。本文在6k V±6Mvar LCL濾波級(jí)聯(lián)STATCOM的關(guān)鍵控制技術(shù)基礎(chǔ)上,開發(fā)出實(shí)驗(yàn)樣機(jī),并給出了樣機(jī)中軟、硬件設(shè)計(jì)方案。通過搭建的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái),對(duì)包括基波及前20次特定諧波的綜合補(bǔ)償效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)表明了本文研究的基于LCL濾波級(jí)聯(lián)STATCOM控制策略的有效性。
[Abstract]:In recent years, with the continuous development of modern industrial equipment, various nonlinear, frequent fluctuations and unbalanced load increasing use, thus resulting in low power factor, line loss increase, serious harmonic pollution, three-phase unbalance and the voltage fluctuation and other serious harm to the power quality problems, so the reactive power compensation and harmonic control and to solve the unbalanced technology has become a research hotspot. Compared with the conventional reactive power compensation device, static synchronous compensator (Static Synchronous Compensator, referred to as STATCOM, also known as SVG) by dynamic have no prominent performance of reactive power regulation and real-time harmonic compensation and three-phase load imbalance, become the trend and direction of development of power grid stability control technology, this paper researches on LCL filter cascade STATCOM the key control technology and its application based on has important theory research and application value. 6K V 10K, star of V medium voltage distribution network neutral point protection usually do not directly grounded, and cascade STATCOM device neutral grounding mode, so the analysis considers the voltage between the neutral and neutral system device needs in the process of modeling in cascaded STATCOM filter for LCL. Based on switching function, considering the voltage between neutral point and neutral point of STATCOM device, an accurate mathematical analysis model based on LCL filter cascade STATCOM in a-b-c and d-q coordinates is established. According to the cascade STATCOM system LCL filter current in d-q coordinate control of high order, nonlinear and strong coupling characteristics in the model, this paper proposes a LCL filter for passive damping state feedback linearization decoupling method, realizes the active harmonic compensation based on characteristic and reactive power decoupling control of the output variable d-q coordinate. In this paper, the LCL filter with passive damping is used to achieve STATCOM low frequency compensation, low output impedance within the bandwidth, and fast current tracking control with high bandwidth and high output impedance. The LCL filter has three order unstable characteristics, the selection of key parameters will affect the resonant frequency, the current attenuation performance and damping loss, so this paper from the compensation current attenuation performance and damping loss caused by the angle of optimization design of filter is discussed in detail, which presents a ensure the filtering performance and stability. The specific harmonic compensation control strategy based on composite power loss. In order to further enhance the performance and improve the low-frequency compensation bandwidth stability control of passive damping LCL filter, LCL filter, proportional integral is established based on (Proportion-Integral, PI) control, two order correction low-pass filter and integral control loop design, implement passive damping LCL compensation bandwidth control stability. In the three-phase unbalance voltage and frequency fluctuation condition, this paper presents a d-q based on the coordinate transformation and the improved recursive discrete Fu Liye transform (Discrete Fourier Transform, DFT) design of phase locked loop, and the corresponding reactive power compensation, and selective harmonic current compensation instruction detection algorithm. Combined with the instantaneous reactive power and harmonic current compensation detection algorithm of phase-locked loop, the real-time detection of reactive power and harmonics in the non ideal power grid is realized. Large amplitude and phase delay errors of selective harmonic current detection based on DFT algorithm under non ideal grid frequency, improved DFT specific harmonic dynamic detection strategy d-q and PLL based on coordinate transformation and adaptation needs only 1/2 power cycle can be completed with unbalanced tracking dynamic detection component command current, and without considering the unbalanced weight when the detection time only the traditional DFT detection 1/6, avoid detection delay and load changes caused by harmonic injection. Aiming at the steady-state error of high-precision compensation of current loop, the fast and variable characteristics of fundamental and harmonic currents, and the design of two improved composite controllers based on d-q coordinates and phase-locked loops are proposed. Because the ideal proportional resonant control (Proportional Resonant, PR) in the resonance frequency stability with narrow bandwidth, and the imaginary axis unstable open-loop poles, this paper improved proportional integral resonant (Proportional-Integral Resonant, PIR) PI composite controller through the correction of low frequency and high frequency link cascade compensator is extended, and the corresponding correction link to improve stability to ensure the stability of control accuracy and stability and current compensation current control loop. In view of the existence of control period response delay in repetitive controller, based on d-q coordinate transformation and improved 1/2 or 1/6 repeat cycle, a dual loop current tracking control structure with PI control as internal loop and improved repetitive controller as outer loop is established. Through a PI controller, two order low-pass filter and the corresponding correction link to achieve fast tracking the instruction current response, improved repetitive control to further adjust the loop tracking error on the control loop, effectively improve the tracking precision and dynamic instruction current compensation within the bandwidth response performance. At the same time, the phase-locked environment protection in this paper proves the adaptability of the controller to the frequency of fluctuation, and realizes the two kinds of compound control of high precision compensation control in the frequency fluctuation of power grid. In this paper, a mathematical model of active switching based on zero sequence and negative sequence voltage injection is established to solve the problem of unbalanced DC voltage in the star shaped structure of STATCOM. By comparing its adjustment ability and adaptability, a phase voltage balancing control method based on d-q-0 coordinate system and improved recursive DFT is proposed. At the same time, a dynamic hierarchical control model based on the whole, phase and phase voltage is set up to realize the balanced control of the capacitance voltage of the device. Control of DC side overall voltage balance control based on two frequency harmonic voltage PI external loop correction
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM761

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本文編號(hào)：1339439