MES-STATCOM一体化构成原理与极端工况下的控制策略仿真研究

The fluctuation, intermittency and uncertainty of distributed energy resources are the major obstacles for their grid integration with security and effectiveness.However, this issue could be cured with the emergency of large scale energy storage technologies and reactive power compensation technologies. .Although some researches on synthesizing these two types of technologies into a unified structure have been conducted, they are still far away from the practical requirements,especially those requirements on the deep compensation and mutli-objective control coordination under extreme operating conditions. This shall be accounted for, on the one hand by constraints from the unified main circuit structure and energy storage elements, and on the other hand by deficiencies of relevant fundamental thoretical studies and validation based on mathematical models simulation. This project aims to combine the multi-element energy storage devices, such as battery and super-capacitor with the STATCOM into a integrated structure, and it will explain operation mechanism of the integration main circuit; propose optimal constructure methods; disclose varying features and rules of electric variables under extreme operating conditions; establish index structure for the control system; investigate multi-objective based quasi optimal control strategy; and enhance the accuracy, security and stability of PWM outputs. Furthermore, based on the proposed advanced mathematical models and consideration of multiple extreme operating conditions, accurate assessment and effective simulation of the integrated main circuit, the control strategy, principle and algorithm will be implemented. The research and investigation achievements from this project will provide theorectical basis and guidance for the upgrade of devices and practical engineering applications.

分布式电源的功率波动性、间歇性与不确定性，是阻碍其安全、高效并网的重要原因，大容量储能技术与无功补偿技术为解决以上问题提供了途径，国内外已经展开两者一体化结合的研究，但是应用结果表明，现有一体化技术仍不能满足实际要求，特别是系统在极端工况下的深度补偿与多目标协同调控，这一方面是受一体化主电路结构和使用元件的限制，另一方面是缺乏相关的基础理论与仿真建模研究。本项目旨在将以蓄电池和超级电容为代表的多元储能器件与静止同步补偿装置进行高效的一体化融合，阐明一体化主电路的工作机理，提出最优的构成方式，揭示极端工况下系统电气量变化特征与规律，建立控制系统指标体系，研究基于多目标趋优的控制策略以及提高脉宽输出精度和安全稳定性的方法。并通过构建先进的仿真模型，模拟系统的各种极端运行工况，实现对一体化主电路、控制策略、原理与算法的高效仿真与准确评估。研究成果将为设备升级与工程实用化提供理论依据与指导。

分布式电源的功率波动性、间歇性与不确定性，是阻碍其安全、高效并网的重要原因，大容量储能技术与无功补偿技术为解决以上问题提供了途径，国内外已经展开两者一体化结合的研究，但是应用结果表明，现有一体化技术仍不能满足实际要求，特别是系统在极端工况下的深度补偿与多目标协同调控，这一方面是受一体化主电路结构和使用元件的限制，另一方面是缺乏相关的基础理论与仿真建模研究。项目将蓄电池和超级电容为代表的多元储能器件与静止同步补偿装置进行高效的一体化融合，阐明了主电路的工作机理，提出了最优的构成方式，构建了先进的仿真模型，模拟系统极端运行工况，并对一体化主电路、控制策略、原理与算法进行了高效仿真。.主电路方面，项目结合国内外软开关变换电路的研究进展，对蓄电池高效充放电电路进行了选型与设计，重点讨论了各种不同软开关电路的特点，并提出了一种DC/DC变换电路，实现储能单元与STATCOM直流母线之间的双向能量流动控制。此外，项目还从电感基波压降、STATCOM无功调节能力、开关谐波电流衰减度、滤波器谐振频率等方面分析了LCL滤波器的特性，提出基于这些条件的滤波器参数设计方法。.控制策略方面，项目研究了基于多目标趋优的控制策略以及提高脉宽输出精度和安全稳定性的方法。在顶层控制策略方面，研究了快速傅立叶变换数字化算法，电流跟踪控制等算法，实现各种电气参数的快速计算，并对极端工况下频率波动对算法带来的影响，进行了定量分析。在底层脉宽调制策略方面，研究了基于FPGA技术的全数字化自然采样SPWM控制方法，构建了基于FPGA的自然采样SPWM全数字化框架，并对三角载波形成、正弦调制波形成、开关状态组合配置，以及死区设置的数字化进行了实现，提出的基于FPGA技术的开关时间的超实时比较计算方法，避免了自然采样SPWM中泰勒级数展开与收敛判断等复杂计算，其输出波形谐波含量可以得到进一步降低，提高大功率STATCOM输出波形质量。项目设计了基于分层结构的高可靠性硬件电路以及具有安全协调机制的软件系统，并根据各项设计要求完成了基于DSP+FPGA+CPLD的控制系统开发，在该结构上实现了脉冲控制安全联锁的功能。.总的来说，项目能够按照申请书制订的研究内容展开工作，较好的完成了各项任务，研究成果将为设备升级与工程实用化提供理论依据与指导。