面向电网的高阶变换器多元网结构控制研究

Grid-connected voltage source converter with LCL filter has the characteristics of narrow stability margin, strong coupling, random disturbances and multiple tracking objectives. The grid-connected converter is a bad-behaved high-order control plant and typically operates in a complex environment with many influencing factors. The problem of multiple references tracking of this grid-connected converter is analyzed. A novel control method, namely multi-cell network control, is proposed. Its structure is different from existing control structures. Multiple control cells are interconnected as a network structure, and form a cooperating control integer. The control integer runs according to systematic, intelligent, flexible and cooperating thinking way. The control cells in the network work independently and cooperate with the corresponding ones at the same time, with which the control plant is regulated in a synthetical manner in order to solve the multiple control problems and approach accurate reference tracking for the complex high-order converter. This multi-cell network control is open in structure and control strategy. The control integer can be designed for different instances with less signal measurement and more degrees of freedom in modulation. Overall control of grid-connected converter can be achieved. This method gives theoretical sustainment for perfect performance control of complex high-order converters. It can also be extended to other types of converters or other general complex control plants.

面对电网中LCL型变换器稳定性差、强耦合、随机扰动、多目标要求等多方面问题，拟解决变换器所处环境复杂、自身高阶、特性差、影响因素过多的对象特征情况下多目标跟踪的控制难题，突破传统控制结构的束缚，挖掘控制的潜能，提出一种新的控制方式——多元网结构控制。思路是由多个控制元联成网络状结构，形成一个系统协同调节的控制体。基于控制体结构，采用系统、协调的控制思维，并借助复矢量分析法，通过各控制元自主、又相互协调的控制作用，对被控对象进行整体化综合调控，从而同时解决对象多方面控制难题，力求复杂高阶变换器对参考指令的精准跟踪。由于多元网结构控制体开放式的结构框架、控制策略，针对不同对象情况能以尽可能少的信息采集量、更多自由度地灵活设定控制体，有望实现联网高阶变换器多方位甚至全方位控制目标。为复杂、高阶变换器的高性能控制提供理论依据。同样将适用于各种变换器、及其它更一般复杂对象。

联接于电网中的并网逆变器、有源电力滤波器、静止同步补偿器等LCL型联网变换器存在稳定性差、强耦合、随机扰动、多目标要求等多方面的问题。本项目分析了变换器所处环境复杂、自身高阶、特性差、影响因素过多的对象特征，建立了LCL型联网变换器的统一数学模型，为研究LCL型高阶变换器的控制结构形式、控制系统设计奠定了基础。针对多目标跟踪的控制难题，借助复矢量分析法，分析了LCL型联网变换器对象内部各变量之间的关系、相互影响、控制框架与响应性能之间的关系、以及控制体结构变化的规律和控制效果。突破现有控制结构的束缚，挖掘控制的潜能，提出了一种新颖的、开放式的控制结构——多元网控制。原理是由多个控制元联成网络状结构，形成一个系统协同调节的控制体。针对多控制参数设计难题，利用复矢量概念，分析LCL型变换器、控制元各变量之间的关系和影响，提出了一种适用于多元网控制结构各控制元相互配合工作的多控制参数设计方法——零极点全配置法。对所提出的控制结构、控制策略与多参数设计方法进行了不同工况、不同参数情况下变换器响应特性的仿真、实验，验证了控制结构、控制策略原理的正确性、多参数设计方法的有效性。由此可见，基于所提出的控制体结构，采用系统、协调的控制思维，并借助复矢量分析法，通过各控制元自主、又相互协调的控制作用，对被控对象进行整体化综合调控，从而同时解决对象多方面控制难题，实现了复杂高阶变换器对参考指令的精准跟踪。由于多元网结构控制体开放式的结构框架、控制策略，针对不同对象情况能以尽可能少的信息采集量、更多自由度地灵活设定控制体，能实现联网高阶变换器多方位甚至全方位控制目标；而且已拓展到三相LC型变换器中并获得了成功应用。因此本项目的研究为复杂、高阶变换器的高性能控制提供了理论依据。同样将适用于各种变换器、及其它更一般复杂对象。