论文摘要
静止同步补偿器（STATCOM）是FACTS家族的重要装置成员之一,在世界各地正得到越来越广泛的应用。因为先进的控制性能,STATCOM已经成为世界上静止无功补偿发展研究的方向。作为STATCOM的重要组成部分,控制器和控制系统直接影响它的运行性能。本文针对混合型级联多电平主电路,结合其控制器和控制系统的设计和研究,对控制器和控制系统的软、硬件设计进行了系统性分析并加以实现。首先,在分析了STATCOM装置的工作原理和工作特性的基础上,给出了STATCOM控制系统的两层模型,即系统层与装置层,它的优点是可以将一个复杂系统分为两个设计相对容易的子系统,并且每个子系统有各自的控制对象,同时各子系统之间还存在着一定的控制关系。分析了STATCOM控制系统模型中由于参数不确定性带来了STATCOM模型的不确定性和摄动性,影响了模型的精确性。随着装置容量变得越来越大以及对输出波形谐波频谱更高的要求,多电平STATCOM主电路成为未来的发展方向。在分析多电平STATCOM主电路结构和原理的基础上,对单元级联式多电平主电路的构成和工作原理进行了研究,而混合型级联多电平主电路与输出相同电平的其它类型多电平主电路相比,具有所需的功率器件最少的优点。采用SHE PWM技术,降低了主电路输出注入系统电流中的低次谐波含量,分析了开关角误差与谐波之间的关系,并给出了通过选择开关角鲁棒系数来降低其影响的方法。其次,在分析了STATCOM系统存在非线性、参数摄动和外部扰动的基础上,建立了存在参数摄动和外部扰动的两种模型,即单机无穷大系统的系统级数学模型与装置级数学模型。采用H2/H∞混合控制理论和直接反馈线性方法,分别设计了两种模型的非线性控制器。利用线性矩阵不等式（LMI）对控制器进行求解。通过Matlab仿真,表明了H2/H∞混合控制兼有鲁棒性能和最优性能,可使系统快速平息振荡,有效提高系统的暂态稳定,改善系统的动态性能,提高系统的传输容量,同时又能满足故障切除后电压精度的要求。所设计的控制器在保证控制性能的基础上,对参数的不确定具有鲁棒性,同时保证在所有参数摄动范围内具有渐近稳定性。接着,分析了传统集中控制中存在的局限性,依照建立的数学模型,针对混合型级联多电平主电路的特点,在STATCOM控制系统设计中提出了基于模块化嵌入式的分布式控制系统结构,即基本控制单元执行层、协调层和组织层。在这种控制系统结构下,系统具有很好的自适应性,当外界环境变化或出现故障时,通过同级子系统之间以及子系统和较高层次系统之间的信息交换,相关层次的子系统的结构与功能进行调整,从而实现了整个系统的动态平衡,因此整个系统反应灵活,柔性好,可靠性高。采用标准化组件和标准化通讯接口规范,各层之间可以通过明确的接口进行交互,因此不需要关心层内结构的细节。各个组件一般实现不同的功能范畴,要求功能相对独立,组件之间耦合为松耦合。这样可以实现所谓的“即插即用”功能,并使得控制软件的调试、维护和升级都得到简化。随后,在硬件设计方面,详细地设计了基本控制单元执行层和协调层。根据基本控制单元执行层的功能要求,设计了模块化嵌入式单相控制单元。该单元采用基于ARM内核的32位LPC2129局部控制器和CPLD设计方案,完成了对基本控制单元执行层的触发电路、驱动单元、通信单元、同步电路及保护等电路单元的设计。根据协调层的功能要求,采用双DSP方案,设计了模块化嵌入式主控制器单元。DSP56F807（1）完成采集、判断及控制策略等功能,而DSP56F807（2）则负责整个系统的运行、协调及人机交互等功能。同时,还对STATCOM保护进行了初步讨论,提出了主电路故障检测方案,给出了控制性保护是STATCOM装置中一种特殊而且有效的保护,并且具体说明了控制性保护在STATCOM中的实现方法。最后,结合硬件平台和STATCOM的两种运行方式,对STATCOM控制系统的软件进行了设计。利用uC/OS-Ⅱ嵌入式实时多任务操作系统,提高了系统软件的移植性、维护性和扩展性。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 STATCOM研究的背景和意义1.1.1 FACTS技术在电网中的应用1.1.2 STATCOM国内外研究概况1.2 STATCOM控制系统及其关键性技术1.2.1 STATCOM控制系统的特点1.2.2 STATCOM控制系统关键性技术1.3 控制理论在STATCOM中的应用1.3.1 电力系统的非线性与控制模型的不确定性1.3.2 鲁棒控制理论与最优控制理论结合控制方案的确定1.4 本文研究的主要工作及安排第二章 STATCOM模型参数不确定性与混合型级联主电路分析2.1 引言2.2 STATCOM的基本原理2.3 STATCOM数学模型及参数不确定分析2.3.1 具有STATCOM的单机无穷大系统的数学模型2.3.2 装置级STATCOM的数学模型2.3.3 STATCOM数学模型中参数不确定性分析2.4 STATCOM混合型级联多电平主电路结构与原理2.4.1 单元级联式多电平STATCOM主电路2.4.2 混合型级联多电平STATCOM主电路2.5 STATCOM混合型级联主电路（SHE PWM）调制与开关角的研究2.5.1 指定消谐调制（SHE PWM）2.5.2 开关角误差与谐波之间的关系2.6 本章小结2/H∞混合的非线性STATCOM控制器研究'>第三章 基于H2/H∞混合的非线性STATCOM控制器研究3.1 引言2/H∞混合控制器设计'>3.2 H2/H∞混合控制器设计2最优控制与H∞鲁棒控制理论'>3.2.1 H2最优控制与H∞鲁棒控制理论∞控制理论的标准设计问题'>3.2.2 H∞控制理论的标准设计问题∞控制设计方法'>3.2.3 参数不确定系统状态反馈H∞控制设计方法2/H∞混合控制理论'>3.2.4 H2/H∞混合控制理论3.2.5 直接线性反馈方法3.3 STATCOM单机无穷大系统的控制器研究∞控制器设计'>3.3.1 具有STATCOM的单机无穷大系统的H∞控制器设计2/H∞混合控制器设计及仿真'>3.3.2 具有STATCOM单机无穷大系统的H2/H∞混合控制器设计及仿真3.4 装置级的STATCOM系统控制器研究2/H∞混合控制器设计'>3.4.1 装置级STATCOM的H2/H∞混合控制器设计2/H∞混合控制器仿真'>3.4.2 装置级STATCOM的H2/H∞混合控制器仿真3.5 本章小结第四章 模块化嵌入式STATCOM分布控制系统设计4.1 引言4.2 模块化嵌入式STATCOM分布控制系统方案设计4.2.1 集散控制系统和分布控制系统4.2.2 模块化嵌入式STATCOM分布控制系统的特点4.2.3 模块化嵌入式STATCOM分布控制系统的组成4.3 基于模块化嵌入式控制单元的STATCOM分布控制系统4.3.1 模块化嵌入式单相控制单元4.3.2 模块化嵌入式主控制单元4.3.3 基于模块化嵌入式控制单元的STATCOM分布控制系统结构4.4 STATCOM模块化嵌入式单相控制单元设计4.4.1 模块化嵌入式单相控制单元的功能及构成4.4.2 STATCOM模块化嵌入式单相控制单元中触发系统的设计4.4.3 STATCOM模块化嵌入式单相控制单元中驱动部分设计4.5 STATCOM模块化嵌入式主控制单元设计4.5.1 STATCOM模块化嵌入式主控制单元构成4.5.2 Motorla DSP型16位微控制器DSP56F8074.5.3 数据采集接口设计4.5.4 上位机和下位机通信接口设计4.5.5 触摸屏人机交互接口设计4.6 分布式结构中STATCOM控制性保护的设计4.6.1 控制系统保护设计4.6.2 脉冲封锁保护设计4.7 本章小结第五章 嵌入式实时操作系统在STATCOM控制器中实现方法研究5.1 引言5.2 嵌入式实时操作系统5.3 uC/OS-Ⅱ的内核原理5.4 STATCOM的控制器软件体系结构5.5 uC/OS-Ⅱ的移植5.5.1 DSP56F807中的任务栈结构与中断机制CPU.H文件'>5.5.2 OSCPU.H文件CPUA.ASM文件'>5.5.3 OSCPUA.ASM文件CPUC.C文件'>5.5.4 OSCPUC.C文件5.6 本章小结第六章 基于嵌入式实时多任务的STATCOM控制器程序设计6.1 引言6.2 STATCOM控制器软件设计总体方案6.2.1 STATCOM控制器的原理6.2.2 分布式STATCOM软件控制策略6.2.3 基于嵌入式实时操作系统的程序设计6.2.4 STATCOM的运行控制方式6.3 SATCOM模块化嵌入式主控制单元软件设计6.3.1 基于DSP56F807（1）的软件设计6.3.2 基于DSP56F807（2）任务及调度设计6.4 STATCOM模块化嵌入式单相控制单元软件设计6.4.1 主程序及CAN通信程序设计6.4.2 电容电压平衡控制6.5 实验录波6.6 本章小结第七章 结论与展望7.1 结论7.2 展望致谢参考文献附录A攻读博士学位期间主持和参与的科研项目攻读博士学位期间发表的学术论文
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STATCOM非线性H2/H∞混合控制与模块化嵌入式数字系统研究
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