（电力电子与电力传动专业论文）基于粒子群算法的级联七电平statcom自抗扰控制器优化.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授 权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据 库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将 本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查 询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密固。 学位论文作者签名：黝 2 0 11 年0 6 月0 5 日 手勉东 。、 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包 含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：潘文婷潘鹊 n 2 0 11 年0 6 月0 5 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 是f a c t s 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。因其先进的控制性能，s t a t c o m 已经成为世界上静止无功补偿发展 研究的方向。随着装置容量变得越来越大以及对输出波形谐波频谱要求更高的基础上，多电 平s t a t c o m 主电路成为未来的发展方向。 本文以多电平s t a t c o m 为主线，首先介绍了s t a t c o m 的研究背景和国内外的研究 现状，然后分析了各种多电平s t a t c o m 的主电路拓扑结构和工作原理，着重介绍了级联h 桥型多电平拓扑结构及工作状况，继而提出了本文的级联h 桥型七电平s 汀c o m 的主电 路结构。该电路结构简单，各个h 桥具有相同的结构，易于实现电路的模块化和封装。在 此基础上，应用输入输出建模的方法，导出了级联七电平s t a t c o m 的数学模型，为 s t a t c o m 的控制和仿真奠定了理论基础。 由于电力系统是一个强耦合的非线性系统，其各种负载时刻在变化。针对s t a t c o m 非 线性的特点，本文采用了自抗扰控制方法，提出了级联七电平s t a t c o m 自抗扰控制器， 对控制器的求解采用了基于粒子群算法对控制器进行优化，克服了传统的试凑求解控制器的 弊端，提高了控制器参数寻优的科学性。最后在m a t l a b 下建立了s t a t c o m 的仿真模型。 仿真结果表明，该优化算法，在三相不对称负载情况下，系统具有良好的补偿特性；在同样 的参数对比下，通过对基于粒子群的自抗扰控制器、传统试凑自抗扰控制器以及基于粒子群 的p i 控制器进行仿真对比，得出基于粒子群优化的自抗扰控制器在参数摄动的条件下具有 较小的超调和优良的动态响应特性，提高了系统的鲁棒性。 关键词：s t a t c o m ，七电平主电路，级联h 桥，p s o a d r c 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h ei m p o r t a n tm e m b e r so ff a c t s ，s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) h a sw i d e l ya p p l i e da l lo v e rt h ew o r l d b e c a u s es t a t c o mh a sa d v a n c e dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，i t h a sb e c o m et h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n tr e s e a r c hi nt h ew o r l d ss v c a se q u i p m e n tc a p a c i t y b e c o m e sb i g g e ra n db i g g e r , a n dt h e nr e q u i r e m e n t so fo u t p u tw a v e f o r mh a r m o n i cs p e c t r u m b e c o m eh i g h e r , m a i nc i r c u i to ft h em u l t i - l e v e ls t a t c o mb e c o m e st h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t i nt h ef u t u r e m u l t i - l e v e ls t a t c o mi st h em a i nr o a do ft h i st h e s i s f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e b a c k g r o u n do fs t a t c o ma n dt h er e s e a r c hh o m ea n da b r o a d av a r i e t yo fm a i nc i r c u i t so f m u l t i - l e v e ls t a t c o mi sa n a l y z e d t h ep a p e rp r o p o s e st h et o p o l o g ya n dw o r k i n gc o n d i t i o n so f t h ec a s c a d e dh b r i d g e t h e nt h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fs e v e n - l e v e lh - b r i d g es t a t c o mi s p r o p o s e d t h es t r u c t u r eo fc i r c u i ti ss i m p l e e v e r yh b r i d g eh a st h es a m es t r u c t u r e b e s i d e si t s e a s yt op a c k a g ea n dl a y o u t t h e n ，t h ep a p e ra p p l i e st h ei n p u t - o u t p u tm o d e l i n ga p p r o a c ht o e s t a b l i s ht h em a t hm o d e io fc a s c a d e ds e v e n - l e v e is t a t c o m t h i si st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no f c o n t r o la n ds i m u l a t i o no ft h es t a t c o m a st h ep o w e rs y s t e mi sas t r o n gc o u p l i n ga n dn o n l i n e a r l o a do ft h es y s t e mi sc h a n g i n g c o n t i n u a l l y a c c o r d i n gt o t h en o n l i n e a ro ft h es t a t c o m ，t h ec o n t r o lm e t h o do fa c t i v e d i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l l e r ( a d r c ) i sp r e s e n t e d a n dt h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h e c a s c a d e ds e v e n - l e v e ls t a t c o mc o n t r o l l e rb a s e do na d r ca n dt h e no p t i m i z e st h ep a r a m e t e r so f a d r cu s i n gt h ep s oa l g o r i t h m ，t h em e t h o do v e r c o m et h et r a d i t i o n a ls h o r t c o m i n g so ft r i a la n d e r r o rt os o l v et h ec o n t r o l l e ra n dm a k et h ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ns c i e n t i f i c t h em o d e l i n go f s t a t c o mi se s t a b l i s h e dw i t hm a t l a b t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rh a sag r e a t c h a r a c t e r i s t i co fc o m p e n s a t i o nw h e nt h el o a di s u n b a l a n c e c o m p a r e di nt h es a m es i t u a t i o n , c o m p a r e dw i t ht h ea d r cc o n t r o l l e rb a s e do nt h ep s oa l g o r i t h ma n da d r cb a s e do nt h e t r a d i t i o n a lt r i a la n de r r o rm e t h o da n dp ic o n t r o l l e rb a s e do np s o a l g o r i t h m ，t h eo p t i m i z e da d r c c o n t r o l l e r sb a s e do nt h ep s oa l g o r i t h mh a sl e s so v e r s h o o ta n dag r e a t d y n a m i cr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i cw i t hp a r a m e t e rp e r t u r b a t i o n sa n de n h a n c et h er o b u s t n e s so ft h es y s t e m k e y w o r d s ：s t a t c o m ，s e v e n - l e v e l ，c a s c a d e dh - b r i d g e ，p s o a d r c i i 江苏大学硕士学位论丈 目录 摘要i a l j l s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2s t a t c o m 的研究现状及其意义1 1 2 1s t a t c o m 国内外的发展现状概况1 1 2 2s t a t c o m 研究的意义二。4 1 3s t a t c o m 研究的重点及难点5 1 4 本文研究的主要工作及安排。7 第二章多电平s t a t c o m 主电路拓扑结构的研究9 2 1 引言9 2 2 通用型多电平拓扑1 0 2 3 二极管箝位型多电平拓扑1 l 2 3 1 传统二极管箝位型多电平拓扑1 1 2 3 2 改进的二极管箝位型多电平拓扑1 3 2 3 3 单电源二极管箝位型级联多电平拓扑1 6 2 4 电容箝位型多电平变流器17 2 4 1 传统电容箝位型多电平拓扑17 2 4 2 单电源电容箝位型级联多电平拓扑1 9 2 5 级联h 桥多电平拓扑2 l 2 6 本章小结2 7 第三章七电平s t a t c o m 工作原理分析与建模2 8 3 1 引言2 8 3 2s t a t c o m 的结构2 9 3 3s t a t c o m 无功补偿原理2 9 3 4 级联七电平s t f 玎c o m 的数学模型31 i i l 江苏大学硕士学位论文 3 4 1a b c 坐标系下的数学模型3 2 3 4 2 砌0 坐标系下数学模型3 4 3 5 小结3 6 第四章基于粒子群的级联七电平s t a t c o m 自抗扰控制器优化设计3 7 4 1 引言3 7 4 2 自抗扰控制器概况及其原理简介_ 3 8 4 2 1 跟踪微分器t d 3 9 4 2 2 扩张状态观测器( e s o ) 4 2 4 2 3 非线性反馈控制律( n l s e f ) 4 4 4 3 基于粒子群的级联七电平s t a t c o m 自抗扰控制器设计4 5 4 4 基于粒子群的自抗扰控制器优化设计4 8 4 4 1 粒子群算法基本原理4 8 4 4 2p s o a d r c 优化流程5 0 4 5 基于p s o a d r c 控制器的七电平s t a t c o m 系统仿真5 0 4 6 本章小结5 6 第五章全文工作总结与展望5 7 5 1 工作总结5 7 5 2 未来工作展望5 8 参考文献6 0 鹫i 【 谢一6 4 附录6 5 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 以电力电子变换和控制技术为代表的电力电子学是一门新兴的交叉学科。它 结合了电力技术、电子技术和控制技术等，其研究的目的是高效率、高质量的提 供所需形式和所需容量的电能【1 2 】。八十年代以来，随着半导体器件制造技术的 发展，开关器件的功率处理能力和开关速度有显著提高。电力电子装置的应用范 围日益广泛，涉及从发电、输电、配电到用电的所有电能应用领域，越来越多的 电器设备对电力电子装置输出电能形式和容量提出了越来越多的新要求【3 】。 随着国民经济的不断发展，对输送电能的需求增长越来越快，高压直流 ( h v d c ) 输电系统和柔性交流输电系统( f a c t s ) 成为目前在电力系统领域受到极 大关注的热门课题，而s t a t c o m 的技术是所有基于变流器的f a c t s 技术的基 础。由于s t a t c o m 装置具有体积小、调节速度更快( 可达1 0 m s 级) 、在电网电 压低时输出电流不受电压影响、具有较硬的低压无功功率特性等优点而受到广泛 重视。在上述大功率变流器场合，以现有电力电子器件的工艺水平，其功率处理 能力和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大，开关频率越低。为了实现高频化 和低e m i 的大功率变换，在功率器件水平未有本质突破的情况下，仅有的手段 只能是从电路拓扑和控制方法上找到解决问题的方案【3 培j 。 在过去二十年里，研究者们进行了大量研究和探索，提出了各种高压大功率 变换的解决思路和方法。多电平变流器技术作为其中一种具有代表性和较为理想 的解决方案，因其固有的功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快、 电磁兼容性好等一系列优点，受到越来越多的关注、研究和应用【9 j 。 1 2s t a t c o m 的研究现状及其意义 1 2 1s t a t c o m 国内外的发展现状概况 电力系统中的无功补偿装置发展至i j 今天，经历了从电容器、同步调相机、静 止无功补偿装置，到今天引人注目的静止同步补偿器几个不同的发展阶段。结合 江苏大学硕士学位论文 无功补偿器的发展过程及各自存在的问题，可以得出表1 1 利用电力电子变流器进行无功补偿的可能性虽然早在2 0 年前就已经为人们 所认识，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具 有实用价值的装置。直到近年来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管( g t o ) 的出现，才极大的推动了s t a t c o m 的开发和应用。s t a t c o m 是并联型f a c t s 设备，它同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器s v c 相比，性 能上具有一极大的优越性，越来越得到广泛的重视，必将取代s v c 成为新一代 的无功电压控制设备。 表1 1 各种无功补偿装置的简要对比 混合型静止 静止同步补 擅 同步饱和晶闸管控制晶闸管投补偿器 偿器 项目调相机电抗器 电抗器( t c r切电容器( t c r l t s c ( s t c t c o m ( s c )( s r ) 或t c r + f c ) ( t s c ) 或 或s v g ) t c r + m s c ) 响应速度慢较快较快较快较快 快 吸收无功连续连续连续分级连续 连续 控制简单不控较简单较简单较简单复杂 谐波电流无大大无大 小 分相调节有限不可 可以 有限 可以可以 损耗大较大 中小小小 噪声大大 小 小 小小 目前，世界上已有多台投入运行的大容量s t a t c o m 装置，如表1 2 1 3 所 示。由此可见，目前为止国际上只有美、日、德、中、英等少数几个国家掌握了 s t a t c o m 的应用开发技术【1 4 2 2 1 。 从己经投入的s t a t c o m 装置及其相应的研究报道来看，国内外各种容量的 s t a t c o m 装置的控制系统仍然采用经典的p i d 控制方式，或附加p s s 辅助调节 以求改善功角特性和阻尼特性。 到目前为止，还没有新的控制规律使用到工业装置上，究其原因，主要是缺 乏有效模拟s t a t c o m 动态特性的数学模型。 2 江苏大学硕士学位论文 在国内，在过去一些年里大容量s t a t c o m 装置的研制却遇到了挑战，分析 其原因大致有二个方面：其一，尽管使用s c r 的技术较成熟，但对大容量的使用 缺乏实际经验；其二，研究s t a t c o m 装置是一项系统化的技术，它涉及到大容 量的g t o 的逆变装置的研究，曲折变压器设计与研究，总体结构设计与制造工 艺及系统和装置的联调试验技术等多学科的综合研制，难度很大。 表1 2 国内外已在输电系统投运的s t a t c o m 装置( u p f c 并联部分为s t a t c o m ) 研制单位容量泖么投运地点投运时间 三菱、关西电力 2 0 日本1 9 8 0 年 西屋电气、e p r i 1 美国，纽约州，s p d n g v a l l e y 1 9 8 6 年 三菱、关西电力 8 0 日本，l n u y a m a 开关站 1 9 9 1 年 东芝、日立、东京电力 5 0 * 2 日本，s h i n s h i n a m o 变电站1 9 9 3 年 东芝 1 0 2 日本，t e i n e 变电站1 9 9 3 年 - 西屋电气、e p r j 、t v a l o o 美国，t v as u l l i v a n 变电站 1 9 9 5 年 西门子 8 德国，r e j s b yh e d e 变电站 1 9 9 7 年 西屋电气、e p r i 、a e p1 6 0美国，l n e z 变电站1 9 9 7 年 a b b2 2 瑞典，h a g f o r su d c h o l m 1 9 9 9 年 清华大学、河南电力 2 0 中国，河南，朝阳变电站 1 9 9 9 年 阿尔斯通、n g7 5英国，e a s tc l a y d o n 变电站1 9 9 9 年 西门子、h y o s u n g l韩国，h a m a n 电站1 9 9 9 年 a b b 1 9 德国，t d e r , m o s e l s t a h l w e k 钢厂 2 0 0 0 年 美国，德克萨斯州，e a g l e p a s s 电 a b b3 6 * 22 0 0 0 年 站 三菱 2 美国，华盛顿州，西雅图 2 0 0 0 年 三菱 1 日本，东京电力s a i k o 电站2 0 0 1 年 a b b 8 2芬兰，a v e s t ap o l a r i t 不锈钢厂2 0 0 1 年 纽约电力、e p r i2 0 0 美国，纽约州，m a r c y 变电站 2 0 0 2 年 三菱 4 3 * 2 美国，佛蒙特州，e s s e c 变电站 2 0 0 3 年 3 江苏大学硕士学位论文 1 2 2s t a t c o m 研究的意义 为了输送有功功率，送电端和受电端的电压需有一相位差，这在相当宽的范 围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求送电端和受电端的电压有一幅值差， 这只能在很窄的范围内实现。网络元件和负载等所需要的无功功率如果都要由电 源提供并经过长距离传输是不合理的，因为这样会带来一系列不利影响1 , 2 3 l ： 表1 3 国内外已在输电系统投运的s t a t c o m 装置( u p f c 并联部分为s t a t c o m ) 研制单位容量删投运地点投运时间 西门子、h y o s u n g 、 8 0 韩国，k a n g i i n 电站 2 0 0 3 年 k e p r i 研制单位容量删投运地点投运时间 三菱 2 0 日本，c h u b us t e e l 钢厂2 0 0 3 年 三菱 0 5 * 6 日本，m u t s uw i n df r a m 风电厂 2 0 0 3 年 三菱 4 加拿人，b l o o d v e i n 电站2 0 0 3 年 美国，加利福尼亚州，t a l e g a 变电 三菱、s d c & e 1 0 02 0 0 3 年 站 阿尔斯通 1 5 0 美国，康涅狄格州，t a l e g a 变电站 2 0 0 3 年 a b b1 6 法国，e v r o n 变电站 2 0 0 4 年 美国，德克萨斯州，p e d e m a l e s 变 a b b1 0 02 0 0 4 年 电站 上海电力公司、清华大 5 0上海2 0 0 6 年 学、许继集团 ( 1 ) 无功功率的增加意味着无功电流的增大，从而使传输线路的总电流增大， 在传输线路阻抗一定的情况下，电流的增大会造成线路和设备的损耗增加； ( 2 ) 无功功率的增加会引起传输线路的总电流增大，从而会使电网中的元件， 如发电机、变压器、电气设备及导线的容量增大，不利于投资成本的降低； ( 3 ) 如果电网提供的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压降低；如果无 功容量过剩，会造成负荷端的供电电压过高，影响正常的生产和生活用电； ( 4 ) 对发电设备而言，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电 压降低，如果过度增加励磁电流，会使转子绕组超过允许温升。 4 江苏大学硕士学位论文 要解决网络元件和负载等所需要的无功功率问题，合理的方法是在需要无功 功率的地方产生无功功率，使无功能够就地平衡。这种合理的方法就是进行无功 补偿。通过上面的分析可见，无功补偿对电网降低损耗、节省能源、提高电能质 量有着极为重要的意义。 1 3s t a t c o m 研究的重点及难点 从近几年的相关文献可知，s t a t c o m 的研究主要集中在主电路接线方式及 拓扑结构选择、系统模型的建立、多电平逆变器的调制方法及控制器设计等几个 方面进行的研究。 1 s t a t c o m 主电路接线方式及拓扑结构 目前国内外己投入运行的s t a t c o m 的主电路都是采用多重化结构。这主要 是受单个器件容量的限制，用单一逆变器难以构成较大容量的s t a t c o m 。随着 电力电子技术的不断发展，大容量器件如i g b t 、i g c t 等不断涌现，上述主电 路结构复杂的问题可望得到解决。 2 s t a t c o m 系统模型的建立 。 s t a t c o m 在稳态运行的情况下，其工作模型是建立在二个静止的同步电压 源基础之上。但由于电力系统具有非线性及其参数的不对称性，在实际电力系统 中，s t a t c o m 运行于三相不对称条件下，因此，这种稳态的工作模式在应用上 存在着很大的不足【1 2 , 1 4 , 1 6 】。 3 多电平逆变器的调制方法 近年，各种多电平方法已经被应用于多电平逆变器这种拓扑结构之中。与两 电平相比，多电平方法需要面对一些新出现的问题，并拓展控制的内涵，进而形 成新的控制思路。总的说来多电平方法按照调制方法可以分为两种：多载波方法 和多电平空间矢量法【i l 】。数字化控制的发展，多电平空间矢量法在硬件上容易实 现，而且直流电压利用率高，最大的缺陷是如果电平数超过五，空间矢量太多， 控制环节太烦琐。多载波方法根据载波分布不同，分为基于载波组的方法和基于 载波相移方法。基于载波组的方法是在多电平逆变器中，一个具有相同频率和相 同幅值的三角波并排放置，形成载波组，以载波组的水平中线作为参考零线，共 同的调制波与其相交，得到相应的开关信号基于载波相移技术是每个模块的信号 5 江苏大学硕士学位论文 都是由一个三角载波和一个调制波比较产生，每相所有模块的调制波都相同，但 每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移。多载波方法调制 波可以是正弦波、梯形波、马鞍形波等选择，载波分布自由度也很大。 4 s 玑盯c o m 控制策略研究 通过查阅大量的文献可知，目前s t a t c o m 的控制策略和控制器的设计也是 研究的一个焦点。s t a t c o m 的控制器设计方法可以分为许多类型，从目前的研 究来看，主要集中在以下几个方面1 4 , 1 1 , 1 3 - 17 】： ( 1 ) 线性p i d 控制方法 自世纪年代初第一台实验性s t a t c o m ，投入电网运行以来，所有已公开的 实用装置的控制器设计，都是采用经典控制理论p i d ，或者引线路功率的p s s 辅 助方式，或者进行局部改进的控制来完成。有关理论指出，这种控制方法在一定 范围之内，通过向系统提供有效的电压支撑，可维持接入点的电压基本不变。但 是，这些基于线性化的控制手段限制了该装置的应用范围，在大的干扰下，就难 以满足提高系统电压稳定的要求。 ( 2 ) 最优控制 线性最优控制早在2 0 世纪7 0 年代初，便被引入到电力系统中，是目前现代 控制理论中应用最广泛的一项控制技术。有关论文印证了，通过研究s t a t c o o m 与励磁控制器相配合，设计出的s t a t c o m 控制器，能增加系统的同步阻尼系数， 有利于电压的稳定。但是，由于这种控制器足针对局部线性化模型来设计的，在 强非线性的电力系统中的控制效果并不理想。 ( 3 ) 自适应控制 电力系统的自适应控制，应用研究起始于世纪年代中期。由于自适应控制的 控制效果优于固定参数的控制器，能够在一定程度上弥补经典p i d 控制过分依靠 被控对象数学模型的缺陷，因此很自然的就被引用到s t a t c o m 控制上。仿真研 究表明，其控制的补偿器在较大的干扰下，仍具有良好的阻尼性和鲁棒性。但是， 同时也应该看到，这种控制算法的参数在线辨识复杂程度较高，在实际应用中必 须考虑计算速度的影响，同时滞后的控制响应也影响控制精度的因素。 ( 4 ) 微分几何控制 微分几何控制，克服了传统的局部线性化方法固有的局限性，控制器几乎对 6 江苏大学硕士学位论文 所有的运行点都起作用。正是认识到这一点，因此很早就被应用到s t a t c o m 的 控制之中。但是，在进行微分几何控制器的设计的时应该认识到由于微分几何控 制，要求系统参数必须确切可知，而电力系统是一个强耦合的非线性系统，其各 种负载时时刻刻都在发生变化。因此，在实际中这一点是很难做到的。其次，微 分几何控制，对接入点的电压控制是不做考虑的，在理论上也就无法保证接入点 的电压，具有良好的动态响应。 ( 5 ) 智能控制 近几十年来兴起的智能控制，在很大程度上解决了由于控制对象所具有的高 度复杂性，以及不确定性而产生的控制方法应用上的困难。许多学者提出了采用 人工神经网络屯模糊控制、专家控制与经典p i d 控制相结合的方法，产生了各种 改进算法，对控制器的设计进行尝试。这些综合智能控制方法，不需要电力网络 和s t a t c o m 的精确数学模型，具有良好的鲁棒性，在一定程度上解决了由于电 力系统强耦合非线性系统所带来的控制器设计上的难题。 以上评价了目前各种先进s t a t c o m 控制器的设计方法的优点及其遇到的 难点问题，从中可以看出s t a t c o m 控制器的设计处于不断改进的过程，寻找一 种更为简单有效的控制器是今后的目标，是本文研究的一个重点。 1 4 本文研究的主要工作及安排 基于上文的分析，本文围绕s t a t c o m 研究的重点与难点，以多电平 s n 玎c o m 为主线，针对s t a t c o m 非线性的特点，本文采用了自抗扰控制方法， 提出了级联七电平s t a t c o m 自抗扰控制器，对控制器的求解采用了基于粒子群 算法对控制器进行优化。具体来说，从各章节分别讨论进行了如下的工作： 第一章介绍了s t a t c o m 的研究背景和意义，同时介绍了s t a t c o m 技术 的在国内外研究现状和应用，在分析了s t a t c o m 的基本特征和研究的重点以及 难点的基础上，提出了本文要研究的工作重点。 第二章在分析了各种多电平s t a t c o m 主电路拓扑及其优缺点的基础上，着 重介绍了级联h 桥型多电平拓扑结构及工作状况，继而提出了本文的级联h 桥 型七电平s t a t c o m 的主电路结构。 第三章在分析了s t a t c o m 的工作原理之后，建立了级联七电平s t a t c o m 7 江苏大学硕士学位论文 控制系统的数学模型，即a b c 模型和砌0 模型，以便于更好的进行理论分析。 第四章在简单的介绍了自抗扰控制器和粒子群算法的理论后，提出了本文级 联七电平s t a t c o m 自抗扰控制器，对控制器的求解采用了基于粒子群算法对控 制器进行优化。针对s t a t c o m 非线性的特点，采用了自抗扰控制方法，提出了 级联七电平s t a t c o m 自抗扰控制器，对控制器的求解采用了基于粒子群算法对 控制器进行优化，克服了传统的试凑求解控制器的弊端，提高了控制器参数寻优 的科学性。最后在m a t l a b 下建立了s t a t c o m 的仿真模型。仿真结果表明， 该优化算法，在三相不对称负载情况下，系统具有良好的补偿特性；在同样的参 数对比下，通过对基于粒子群的自抗扰控制器、传统试凑自抗扰控制器以及基于 粒子群的p i 控制器进行仿真对比，得出基于粒子群优化的自抗扰控制器在参数 摄动的条件下具有较小的超调和优良的动态响应特性，提高了系统的鲁棒性。 第五章对本论文所做的工作进行了总结，并提出了本课题有待继续研究的问 题。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章多电平s t a t c o m 主电路拓扑结构的研究 2 1 引言 近年来，多电平变流器在高压、大功率领域受到了国内外学者的普遍关注。 自1 9 8 3 年a n a b a e 等人首次提多电平变流器的概念之后，多电平技术发展迅速， 已经成为了电力电子研究的一个重要领域。它的基本思路是由几个电平台阶合成 阶梯波，以逼近正弦输出波形【6 l 。 和传统的两电平电路相比，多电平电路具有如下几方面的优点：1 ) 、可采 矗。， 用低压器件应用于中高压电力变流装置；2 ) 、每次开关动作时电压变化率半小， m 有助于降低电磁干扰；3 ) 、可采用较低开关频率，有效降低器件的损耗；4 ) 、“积 木式”结构为电力电子系统的冗余设计提供了可能；5 ) 、有助于实现大功率电力 电子装置的模块化设计；6 ) 、输出的电压或电流为多层阶梯，在逆变电路中可以 更好的逼近正弦波，降低谐波含量。 近年来，各类新技术的应用促进了多电平技术的发展，降低了多电平变流器 的设计难度，多电平技术的一些传统弱点在慢慢被淡化。而在控制方面，各种谐 波消减和调制方法的应用使多电平装置的性能得到较大的提升，多电平技术的应 用有着良好的发展前景。本章对于多电平的研究，更多的是着眼于拓扑结构之间 的联系与区别，而非拓扑电路出现的早晚。 多电平逆变器思想提出至今，出现了许多电路拓扑结构，归纳起来主要有以 下几种：通用型多电平变流器，二极管箝位型多电平变流器( d i o d e c l a m p e d m u l t i 1 e v e lc o n v e a e o 、电容箝位型多电平变流器( f l y i n g - c a p a c i t o rm u l t i l e v e l c o n v e n e o 和级联h 桥多电平变流器( c a s c a d ehb r i d g em u l t i l e v e lc o n v e r t e r ) 。目 前，陆续出现了将这几种基本拓扑结构作为基本单元来进行串并联组合，得出了 一系列新型电压型多电平变流器的拓扑结构。同时，电流型多电平变流器也有 些拓扑结构出现。然而，目前应用的变流器主要是以电压型的为主，本节的讨论 围绕电压型的多电平拓扑结构进行研究与比较。 虽然三电平的拓扑结构简单，但是输出电压的谐波含量较高，且系统的容量 较低；而七电平以上的主电路拓扑较复杂，控制方法较复杂，成本较高，但其系 9 江苏大学硕士学位论文 统的容量可达到很高级别，输出电压的谐波含量较低。综合他们的优缺点，同时 着眼于本文的研究目的，我采用了七电平拓扑，并对其进行了介绍与讲述，最终 详述了本文所采用的七电平s t a t c o m 的主电路拓扑。 2 2 通用型多电平拓扑 通用型多电平也称为统一化多电平【1 1 , 1 7 , 1 8 】。通用型多电平电路，每相桥臂需 要m ( m 1 ) 个开关器件，m 一1 个直流分压电容和( 历+ 1 ) 仰一1 ) 4 个箝位电容来产 生m 电平的相电压。图2 1 是通用型五电平单相电路拓扑，以a 相为例，像一个 侧卧的金字塔结构。开关器件s 墨和研蜀为主开关管，通过相应的开关状 态，来实现相应的输出电平；品品：为箝位开关，实现箝位功能。对于同一 支路上相邻的两个开关对，当某一对导通时，另一对关断，反之办然。 图2 1 通用型五电平单相电路拓扑 l 代表器件开通，o 代表器件关断。如下表2 1 ，详细的给出了通用型五电平 单相电路输出电压与开关状态的关系，共1 6 种组合，从0 圪4 圪都有可能。 综述，通用型多电平拓扑的优点是：电平数越多，输出电压谐波含量越少； 无需附加任何额外的硬件电路和控制策略，自身就可实现直流侧电容的平衡；通 过开关状态切换，容易实现功率的双向流动。但这种结构也存在以下不足：1 ) 当电容充放电时，存在电流冲击；2 ) 需要大量的电容和开关器件，增加了系统 l o 江苏大学硕士学位论文 的成本和体积，所以该种拓扑结构通常应用于五电平以下的电路中；3 ) 同时， 由于使用大量的功率器件，增加了开关损耗。 表2 1 通用型五电平单相电路的输出电压与开关状态的关系 输出 开关状态 电压s 马蜀 o0o00 looo 吃 o1oo 0ol0 o0o0 l1o0 0ll0 2 珞 ooll loo1 1olo ol o1 01 1l 3 lo1l l1 ol 1 110 4 l l11 2 3 二极管箝位型多电平拓扑 2 3 1 传统二极管箝位型多电平拓扑 一个研电平二极管箝位型多电平电路，每个桥臂需要朋一1 个直流分压电容， 2 ( m 1 ) 个主开关器件，( m 一1 ) 沏一2 ) 个箝位二极管来产生m 电平的相电压。 图2 2 是传统二极管箝位五电平单相电路拓扑的结构示意图f 1 3 1 4 , 1 9 , 2 4 - 2 5 ，2 7 。2 明。 n s 科 但每个箝位二极管需承受不同电压等级的反相电压。科和d l 由于需要阻断三倍 的电平电压，它由三个相同的二极管串联；d ；和d 需要阻断两倍的电平电压， 它们分别由两个相同的二极管串联。各个开关的导通时间是不对称的，越靠近中 间的开关管导通时间越长，则电流容量需选的越大。由于各级电容参与输出的时 间不同，随着电流对各级电容的充放电，则这些电容在工作中的电压会出现不平 衡。 1 代表器件开通，o 代表器件关断。通过改变s 瓯的状态和相应的箝位二 极管连接到电容电路的连接点时，可以分别得到输出电平圪为o 4 珞。当s s 。 都导通时，圪= 4 吃；当墨一墨都关断时，圪= 0 。传统二极管箝位五电平单相 电路的输出电压与开关状态的关系如下表2 2 所示。 图2 3 是传统二极管箝位五电平三相电路拓扑的结构示意图。直流侧由四个 电容串联构成，每个电容上的电压为i 4 电源电压。通过开关器件的不同组合， 1 2 江苏大学硕士学位论文 可以使输出电压产生不同的电平。 袁2 2 传统二极管箝位五电平单相电路的输出电压与开关状态的关系 输出 开关状态 电压 墨岛岛 瓯 o o0o o 00o1 2 v 00l1 3 v 0ll1 4 吃 l1ll 图2 3 传统二极管箝位五电平三相电路拓扑 2 3 2 改进的二极管箝位型多电平拓扑 在传统二极管箝位型多电平变换器中，当电平数超过三时，箝位二极管因需 要阻断多倍电平电压，通常由多个相同的二极管串联。由于开关特性的不一致及 杂散参数，可引起二极管两端的过电压，因而需要均压措施和很大的r c 吸收电 1 3 。o o 。o o 江苏大学硕士学位论文 路，导致系统体积庞大，成本增加。为了解决这一问题，提出了一种改进型二极 管筘位五电平拓扑如图2 , 4 所示 2 4 , 3 0 。 a 图2 4 改进的；极管箝位五电平单相电路拓扑 这种拓扑所用的功率器件数量和传统拓扑一样。但由于箝位二极管位置的变 化，该电路不仅能实现功率开关管的电压箝位，而且还能通过直接和间接的方式 将箝位二极管的电压箝位在单电平电压之内。这个改进电路在电平数较多的情况 下，具有较大的优越性。 图2 5 为新拓扑的五电平单臂电路【2 4 , 3 0 1 。而对于m 电平的单臂电路，该拓扑 需要m 一1 个直流母线电容，2 ( m 一1 ) 个主开关管，2 ( m 一2 ) 个筘位开关管， ( m 1 ) 沏一2 ) 个箝位二极管和( m 一2 ) 个辅助电容。所有电容分担相同的电压，所 有开关管和二极管都有相同的电压应力，均为直流母线电压的1 ( m 一1 ) 。图2 5 中s 墨和研墨为主开关管，用来实现期望的输出电压；s 。墨。为箝位开关 管，d l d l ：为箝位二极管，它们共同实现箝位功能；同时墨。墨。和辅助电容 c l ，c l ，能够保证直流端每个电容c l c 。的电压平衡。从图中可以看出，除了最 靠近直流侧的一列箝位元件为有源开关和二极管反并联构成的开关对外，其他均 为二极管箝位。该拓扑容易拓展到任意电平。新拓扑的五电平单臂电路的输出电 压与开关状态的关系如下表2 3 所示。 1 4 江苏大学硕士学位论文 【 - 隔， c i。焉卜j = 一三。魁三督 一= p 三簪， 刊一