專利名稱：基于切換系統(tǒng)理論的statcom控制方法
基于切換系統(tǒng)理論的STATC0M控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力電子技術和魯棒控制技術領域，涉及一種新型先進的靜態(tài)無功補 償器(STATC0M)基于DSP的控制策略，利用分散魯棒控制理論，并從STATC0M的單機-無窮 大系統(tǒng)出發(fā)研究其動態(tài)過程，建立STATC0M動態(tài)模型和含有STATC0M電力系統(tǒng)動態(tài)模型的 微分方程，來設計STATC0M的H00魯棒控制器和發(fā)電機勵磁魯棒控制器。
背景技術：
目前對靜態(tài)無功補償器(STATC0M)的研究主要集中在主接線方式與拓撲結構、系 統(tǒng)建模、系統(tǒng)控制方法以及它對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用等方面。由美國西屋公司研制的世 界上第一臺采用GTO的STATC0M工業(yè)裝置，使用多個逆變器通過曲折變壓器或者普通變壓 器與電壓電網相連接，將多個逆變器輸出的波形移相疊加，得到近似于正弦波形的三相對 稱輸出電壓，以后國內外投入運行的STATC0M工業(yè)裝置都采用上述相同的主電路結構，被 稱為多重化結構。多重化結構不僅在避開了器件并聯(lián)的均流問題的條件下達到增大裝置容 量的目的，同時借助于將數(shù)個變流器輸出的方波信號組合成階梯波的方法來逼近正弦波， 又可在不提高開關頻率的條件下達到抑制諧波的目的，因此在大功率變流器中得到廣泛應 用。這種結構雖十分有效，但由于需要特殊設計的曲折變壓器，既提高了造價，又使系統(tǒng)變 的復雜，而各相之間復雜的電磁耦合也使得不對稱時的分相控制變得困難。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，大容量器件不斷涌現(xiàn)，上述主電路結構復雜的問 題應該不難得到解決，即有可能用單個逆變器構成適當容量的STATC0M，同時利用脈寬調制 (PWM)技術產生所需工頻正弦輸出電壓。目前，在STATC0M主電路中，所采用的主流結構是 電壓源逆變器(VSI)，但也有研究者進行了對電流源逆變器(CSI)在STATC0M中的應用研 究，對基于電流源逆變器的STATC0M的動態(tài)模型、穩(wěn)態(tài)性能、控制系統(tǒng)設計等進行了初步研 究。STATC0M裝置可看作是與系統(tǒng)聯(lián)接一個可控的無功電源。建立一個適用的，能詳細反映 STATC0M性質的數(shù)學模型是對裝置進行有效控制，進而發(fā)揮其應有作用的基礎。

發(fā)明內容本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種基于切換系統(tǒng)理論的 STATC0M控制方法。該方法是將基于切換系統(tǒng)理論的STATC0M控制策略為研究的核心內容， 根據(jù)現(xiàn)在電力系統(tǒng)非線性無功負荷急速增加的特點和用戶對用電質量不斷提高的要求，針 對目前STATC0M在實際應用中的不足，致力于建立一種STATC0M的單機-無窮大系統(tǒng)數(shù)學 模型并進行有效控制，并著重STATC0M的數(shù)學模型的建立和STATC0M控制系統(tǒng)的協(xié)調控制 方法的設計以及基于DSP的控制器設計。本發(fā)明提供的基于切換系統(tǒng)理論的STATC0M控制方法包括第1、分析STATC0M裝置的主電路拓撲結構，確定包含STATC0M的單機-無窮大系 統(tǒng)的數(shù)學模型；第2、確定包含STATC0M的單機-無窮大系統(tǒng)中發(fā)電機的三階模型，以及含有
6STATC0M的電力系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程；
驟；
第3、將STATC0M的非線性模型線性化；
第4、確定STATC0M的H00魯棒控制器數(shù)學模型及發(fā)電機勵磁魯棒控制器的設計步
第5、確定基于DSP的STATC0M的整個控制系統(tǒng)的結構組成。 所述的包含STATC0M的單機-無窮大系統(tǒng)的數(shù)學模型為
Μω+ ω = Pm-
δ = ω
eI-S 1 I7 Γ · <5 ~— sind ——En Icr sin —
XL2 q C 2
/式中，δ為發(fā)電機功角，ω為轉子角速度，Pm為發(fā)電機輸入機械功率，Eq為發(fā)電機 交軸電勢，D為機組阻尼常數(shù)，M為機組慣性常數(shù)，Xl為線路電抗，Ice為無功補償電流。所述的發(fā)電機的三階模型為
δ
ω
ω
D
M
λ
Ε,
E式中，δ為發(fā)電機功角，ω為轉子角速度，Pm為發(fā)電機輸入機械功率，Pe為發(fā)電機 有功功率，D為機組阻尼常數(shù)，M為機組慣性常數(shù)，E' q為發(fā)電機交軸(q_軸)暫態(tài)電勢，Eq 為發(fā)電機交軸電勢，Ef為發(fā)電機勵磁繞組等效電勢，T' d0為直軸暫態(tài)開路時間常數(shù)。所述的含有STATC0M的電力系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程分別為令系統(tǒng)狀態(tài)向量χ = [X1 X2 X3It= [δ ω E' τ，系統(tǒng)輸入u = uf，系統(tǒng)輸出y = 、可得出系統(tǒng)的狀態(tài)方程χ = f{x)+g{x)u
其中 f(x) = [f1(x)f2(x)f3(x)]T,g(x) = [ο 0 g3]T
\
,χr ( \ U ω0
fi (χ) = χ2'Ziix) =-JTX2+-TT
M M
Pm-
X
X3 sin X1
τ f3(x) =
rdo
Λ Λ
ΟΣ
《3 =
系統(tǒng)的輸出方程為 y = h (χ) = X1O
所述的STATC0M的非線性模型線性化后的模型為
zi23 = Azl23 + B2V + BlWr
Z 4 =α(ζ123,ζ4)+Ζ)(νν)
y = Cz123
其中 Z123 = [Z1 Z2 Z3]T, V = [V1 N2V, W' = [W1
所述的STATC0M的H00魯棒控制器數(shù)學模型為
7
W
2]τ = [W1 W' 2 (W1, W2)]
權利要求
一種基于切換系統(tǒng)理論的STATCOM控制方法，其特征在于，該方法包括第1、分析STATCOM裝置的主電路拓撲結構，確定包含STATCOM的單機 無窮大系統(tǒng)的數(shù)學模型；第2、確定包含STATCOM的單機 無窮大系統(tǒng)中發(fā)電機的三階模型，以及含有STATCOM的電力系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程；第3、將STATCOM的非線性模型線性化；第4、確定STATCOM的H∞魯棒控制器數(shù)學模型及發(fā)電機勵磁魯棒控制器的設計步驟；第5、確定基于DSP的STATCOM的整個控制系統(tǒng)的結構組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的包含STATC0M的單機-無窮大系統(tǒng) 的數(shù)學模型為 δ = ω< ·(E2q ιM ω+ ω = Pm- sin 5——EqICR sin — Xj22V L乂式中，S為發(fā)電機功角，ω為轉子角速度，Pm為發(fā)電機輸入機械功率，Eq為發(fā)電機交軸 電勢，D為機組阻尼常數(shù)，M為機組慣性常數(shù)，Xl為線路電抗，Ice為無功補償電流。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的發(fā)電機的三階模型為δ ~ ω M M式中，δ為發(fā)電機功角，ω為轉子角速度，Pm為發(fā)電機輸入機械功率，Pe為發(fā)電機有功 功率，D為機組阻尼常數(shù)，M為機組慣性常數(shù)，E' q為發(fā)電機交軸(q_軸)暫態(tài)電勢，Eq為 發(fā)電機交軸電勢，Ef為發(fā)電機勵磁繞組等效電勢，T' d0為直軸暫態(tài)開路時間常數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的含有STATC0M的電力系統(tǒng)的狀態(tài)方 程和輸出方程分別為令系統(tǒng)狀態(tài)向量χ = [X1 X2 x3]T = [S ω E' /，系統(tǒng)輸入u = uf，系統(tǒng)輸出y = 、可得出系統(tǒng)的狀態(tài)方程 x = /(x)+g(x)u其中 f(x) = [f1(x)f2(x)f3(x)]T,g(x) = [ο 0 g3]T/i W =χ3 sinX1M My χατ)1Jo L^Σ 」1SO系統(tǒng)的輸出方程為 y = h (χ) = X1O
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于STATC0M的非線性模型線性化后的模型其中 Z123 = [Z1 Z2 Z3V, V = [V1 N2V, W' = [W1 w' 2]T = [W1 w' 2 (W1, ]T。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的STATC0M的H00魯棒控制器數(shù)學模型為I 4J 4= -^rrYtPnzi，ν2* =。上 ε ；=1λε (=ι
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的發(fā)電機勵磁魯棒控制器的設計步驟為步驟1、給出系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型如下列公式(1)至(4)，對其不確定性進行描述，并分 析其滿足的不確定界□ 由此可得以下線性化模型M M 1 _______ r 1d0和X^中的不確定性，同時，有ι7 rfo1 dQ^ do定義狀態(tài)向量x(t) = [δ (t) ω (t) ΔΡεα)]τ，并考慮系統(tǒng)模型所受到的干擾W= [W1 W2]τ，上述線性化模型可寫成x{t) = [A + M]x{t)+[B2 + AB2 ]vf (O + Bxw{t) + AGg(x) (4)ζ = Cx (5) 其中
全文摘要
一種基于切換系統(tǒng)理論的STATCOM控制方法。該方法包括，分析STATCOM裝置的主電路拓撲結構，確定包含STATCOM的單機-無窮大系統(tǒng)的數(shù)學模型；確定包含STATCOM的單機-無窮大系統(tǒng)中發(fā)電機的三階模型，以及含有STATCOM的電力系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程；將STATCOM的非線性模型線性化；確定STATCOM的H∞魯棒控制器數(shù)學模型及發(fā)電機勵磁魯棒控制器的設計步驟；確定基于DSP的STATCOM的整個控制系統(tǒng)的結構組成。依據(jù)本發(fā)明方法設計的控制器，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，一方面能使系統(tǒng)穩(wěn)定，另一方面能消除干擾對系統(tǒng)性能的影響。
文檔編號H02J3/18GK101976846SQ20101051518
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權日2010年10月22日
發(fā)明者于陽, 劉一琦, 劉思佳, 劉進華, 吳鳳英, 周雪松, 馬幼捷 申請人:天津理工大學