专利名称：基于切换系统理论的statcom控制方法
基于切换系统理论的STATC0M控制方法
技术领域：
本发明属于电力电子技术和鲁棒控制技术领域，涉及一种新型先进的静态无功补 偿器(STATC0M)基于DSP的控制策略，利用分散鲁棒控制理论，并从STATC0M的单机-无穷 大系统出发研究其动态过程，建立STATC0M动态模型和含有STATC0M电力系统动态模型的 微分方程，来设计STATC0M的H00鲁棒控制器和发电机励磁鲁棒控制器。
背景技术：
目前对静态无功补偿器(STATC0M)的研究主要集中在主接线方式与拓扑结构、系 统建模、系统控制方法以及它对电力系统稳定性的作用等方面。由美国西屋公司研制的世 界上第一台采用GTO的STATC0M工业装置，使用多个逆变器通过曲折变压器或者普通变压 器与电压电网相连接，将多个逆变器输出的波形移相叠加，得到近似于正弦波形的三相对 称输出电压，以后国内外投入运行的STATC0M工业装置都采用上述相同的主电路结构，被 称为多重化结构。多重化结构不仅在避开了器件并联的均流问题的条件下达到增大装置容 量的目的，同时借助于将数个变流器输出的方波信号组合成阶梯波的方法来逼近正弦波， 又可在不提高开关频率的条件下达到抑制谐波的目的，因此在大功率变流器中得到广泛应 用。这种结构虽十分有效，但由于需要特殊设计的曲折变压器，既提高了造价，又使系统变 的复杂，而各相之间复杂的电磁耦合也使得不对称时的分相控制变得困难。随着电力电子技术的不断发展，大容量器件不断涌现，上述主电路结构复杂的问 题应该不难得到解决，即有可能用单个逆变器构成适当容量的STATC0M，同时利用脉宽调制 (PWM)技术产生所需工频正弦输出电压。目前，在STATC0M主电路中，所采用的主流结构是 电压源逆变器(VSI)，但也有研究者进行了对电流源逆变器(CSI)在STATC0M中的应用研 究，对基于电流源逆变器的STATC0M的动态模型、稳态性能、控制系统设计等进行了初步研 究。STATC0M装置可看作是与系统联接一个可控的无功电源。建立一个适用的，能详细反映 STATC0M性质的数学模型是对装置进行有效控制，进而发挥其应有作用的基础。
发明内容本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于切换系统理论的 STATC0M控制方法。该方法是将基于切换系统理论的STATC0M控制策略为研究的核心内容， 根据现在电力系统非线性无功负荷急速增加的特点和用户对用电质量不断提高的要求，针 对目前STATC0M在实际应用中的不足，致力于建立一种STATC0M的单机-无穷大系统数学 模型并进行有效控制，并着重STATC0M的数学模型的建立和STATC0M控制系统的协调控制 方法的设计以及基于DSP的控制器设计。本发明提供的基于切换系统理论的STATC0M控制方法包括第1、分析STATC0M装置的主电路拓扑结构，确定包含STATC0M的单机-无穷大系 统的数学模型；第2、确定包含STATC0M的单机-无穷大系统中发电机的三阶模型，以及含有
6STATC0M的电力系统的状态方程和输出方程；
骤；
第3、将STATC0M的非线性模型线性化；
第4、确定STATC0M的H00鲁棒控制器数学模型及发电机励磁鲁棒控制器的设计步
第5、确定基于DSP的STATC0M的整个控制系统的结构组成。 所述的包含STATC0M的单机-无穷大系统的数学模型为
Μω+ ω = Pm-
δ = ω
eI-S 1 I7 Γ · <5 ~— sind ——En Icr sin —
XL2 q C 2
/式中，δ为发电机功角，ω为转子角速度，Pm为发电机输入机械功率，Eq为发电机 交轴电势，D为机组阻尼常数，M为机组惯性常数，Xl为线路电抗，Ice为无功补偿电流。所述的发电机的三阶模型为
δ
ω
ω
D
M
λ
Ε,
E式中，δ为发电机功角，ω为转子角速度，Pm为发电机输入机械功率，Pe为发电机 有功功率，D为机组阻尼常数，M为机组惯性常数，E' q为发电机交轴(q_轴)暂态电势，Eq 为发电机交轴电势，Ef为发电机励磁绕组等效电势，T' d0为直轴暂态开路时间常数。所述的含有STATC0M的电力系统的状态方程和输出方程分别为令系统状态向量χ = [X1 X2 X3It= [δ ω E' τ，系统输入u = uf，系统输出y = 、可得出系统的状态方程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 =
系统的输出方程为 y = h (χ) = X1O
所述的STATC0M的非线性模型线性化后的模型为
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鲁棒控制器数学模型为
7
W
2]τ = [W1 W' 2 (W1, W2)]
权利要求
一种基于切换系统理论的STATCOM控制方法，其特征在于，该方法包括第1、分析STATCOM装置的主电路拓扑结构，确定包含STATCOM的单机 无穷大系统的数学模型；第2、确定包含STATCOM的单机 无穷大系统中发电机的三阶模型，以及含有STATCOM的电力系统的状态方程和输出方程；第3、将STATCOM的非线性模型线性化；第4、确定STATCOM的H∞鲁棒控制器数学模型及发电机励磁鲁棒控制器的设计步骤；第5、确定基于DSP的STATCOM的整个控制系统的结构组成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的包含STATC0M的单机-无穷大系统 的数学模型为 δ = ω< ·(E2q ιM ω+ ω = Pm- sin 5——EqICR sin — Xj22V L乂式中，S为发电机功角，ω为转子角速度，Pm为发电机输入机械功率，Eq为发电机交轴 电势，D为机组阻尼常数，M为机组惯性常数，Xl为线路电抗，Ice为无功补偿电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的发电机的三阶模型为δ ~ ω M M式中，δ为发电机功角，ω为转子角速度，Pm为发电机输入机械功率，Pe为发电机有功 功率，D为机组阻尼常数，M为机组惯性常数，E' q为发电机交轴(q_轴)暂态电势，Eq为 发电机交轴电势，Ef为发电机励磁绕组等效电势，T' d0为直轴暂态开路时间常数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的含有STATC0M的电力系统的状态方 程和输出方程分别为令系统状态向量χ = [X1 X2 x3]T = [S ω E' /，系统输入u = uf，系统输出y = 、可得出系统的状态方程 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系统的输出方程为 y = h (χ) = X1O
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于STATC0M的非线性模型线性化后的模型其中 Z123 = [Z1 Z2 Z3V, V = [V1 N2V, W' = [W1 w' 2]T = [W1 w' 2 (W1, ]T。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的STATC0M的H00鲁棒控制器数学模型为I 4J 4= -^rrYtPnzi，ν2* =。上 ε ；=1λε (=ι
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的发电机励磁鲁棒控制器的设计步骤为步骤1、给出系统的状态空间模型如下列公式(1)至(4)，对其不确定性进行描述，并分 析其满足的不确定界□ 由此可得以下线性化模型M M 1 _______ r 1d0和X^中的不确定性，同时，有ι7 rfo1 dQ^ do定义状态向量x(t) = [δ (t) ω (t) ΔΡεα)]τ，并考虑系统模型所受到的干扰W= [W1 W2]τ，上述线性化模型可写成x{t) = [A + M]x{t)+[B2 + AB2 ]vf (O + Bxw{t) + AGg(x) (4)ζ = Cx (5) 其中
全文摘要
一种基于切换系统理论的STATCOM控制方法。该方法包括，分析STATCOM装置的主电路拓扑结构，确定包含STATCOM的单机-无穷大系统的数学模型；确定包含STATCOM的单机-无穷大系统中发电机的三阶模型，以及含有STATCOM的电力系统的状态方程和输出方程；将STATCOM的非线性模型线性化；确定STATCOM的H∞鲁棒控制器数学模型及发电机励磁鲁棒控制器的设计步骤；确定基于DSP的STATCOM的整个控制系统的结构组成。依据本发明方法设计的控制器，当系统发生故障时，一方面能使系统稳定，另一方面能消除干扰对系统性能的影响。
文档编号H02J3/18GK101976846SQ20101051518
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者于阳, 刘一琦, 刘思佳, 刘进华, 吴凤英, 周雪松, 马幼捷 申请人:天津理工大学