統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）的分析與控制.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種精密儀器和設(shè)備越來越多地得到使用，電力用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高。為改善配電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，自上世紀(jì)八十年代末以來，基于電力電子技術(shù)的面向配電系統(tǒng)的FACTS 技術(shù)（DFACTS）/用戶電力技術(shù)（CUSPOW）得到了電力科研工作者的廣泛關(guān)注。一系列的DFACTS 元件相繼得到研究和開發(fā)，其中由串、并聯(lián)雙變流器組成的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）具有綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力，不僅可以改善電網(wǎng)輸入電流的電能質(zhì)量問

2、題，也可以改善負(fù)載輸入電壓的電能質(zhì)量問題，被認(rèn)為是最有前途的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。本文針對三相四線制的UPQC，開展了以下一些研究工作，為此類電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器在配電系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了一些有益的探索。 分析了三相四線UPQC 的工作原理，指出UPQC 的并聯(lián)變流器受控為正弦電壓源，而串聯(lián)變流器受控為正弦電流源就可以實(shí)現(xiàn)UPQC 對電能質(zhì)量的綜合調(diào)節(jié)。基于系統(tǒng)的理想控制作用及其等效電路模型，較深入地闡明了UPQC 的靜態(tài)工作特性，對串聯(lián)

3、變流器輸出的補(bǔ)償電壓、并聯(lián)變流器輸出的補(bǔ)償電流、不同工況下系統(tǒng)各部分吸收、發(fā)出有功功率/無功功率的情況以及串、并聯(lián)變流器的伏安容量進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出了在忽略串聯(lián)變壓器漏感的情況下補(bǔ)償電壓完全由負(fù)載電壓及電網(wǎng)輸入電壓的幅值決定，補(bǔ)償電流則受電網(wǎng)輸入電壓、負(fù)載電壓及負(fù)載偏移角的影響，而變流器伏安容量則與負(fù)載功率因數(shù)、負(fù)載電流諧波畸變率、負(fù)載電壓與電網(wǎng)輸入電壓的比值等因素有關(guān)。此外討論了UPQC 不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，指出其不同的應(yīng)用場合及

4、優(yōu)缺點(diǎn)，并且基于三相三線制系統(tǒng)及三相四線制系統(tǒng)分析了串聯(lián)變壓器付方不同接法的適用性，指出了具有中線的串聯(lián)變壓器付方星型接法適用于三相四線制的UPQC 系統(tǒng)。另外還介紹了一種基于MATLABSIMULINK 仿真環(huán)境的電路模型仿真技術(shù)，為后述的分析研究提供了有效的驗(yàn)證手段。 分別在靜止ABC 及同步旋轉(zhuǎn)dq0 坐標(biāo)系下建立了三相四線串聯(lián)變流器及并聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型，指出了三橋臂構(gòu)成的四線制串聯(lián)變流器/并聯(lián)變流器在三相坐標(biāo)系下具有A

5、BC 三相獨(dú)立而在dq0 坐標(biāo)系下具有dq 軸耦合、0 軸獨(dú)立于dq 軸的特性。 研究了串聯(lián)變流器的單獨(dú)運(yùn)行及其輸入電流的控制。通過對非理想輸入電壓下串聯(lián)變流器的分析，指出不平衡輸入電壓會在直流母線端電壓中產(chǎn)生二次諧波的波動(dòng)，反過來該二次諧波會在輸入電流中產(chǎn)生三次諧波；而輸入電壓的N 次諧波會在母線端電壓中產(chǎn)生N-1 及N+1 次諧波，在輸入電流中則產(chǎn)生相應(yīng)次的諧波影響。為抑制輸入電壓不平衡及諧波的影響，本文提出了兩種較為有效的

6、控制策略：三相ABC 獨(dú)立控制及dq0 軸控制，指出了兩種控制策略下獲取電流指令及設(shè)計(jì)電流控制器的一些特殊考慮。此外分析了直流母線端兩組電容電壓不平衡的原因，并提出了一種簡單有效的抑制方法。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明針對串聯(lián)變流器所提的各種控制方法是有效的。 研究了并聯(lián)變流器的單獨(dú)運(yùn)行及其輸出電壓的控制。首先討論了非理想負(fù)載特性，指出負(fù)載的不平衡及非線性必然導(dǎo)致并聯(lián)變流器輸出電壓的不平衡及諧波畸變。其次提出了一種適用于三相四線制變流器的

7、三維空間矢量調(diào)節(jié)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)二維空間矢量調(diào)節(jié)技術(shù)在三相四線系統(tǒng)中應(yīng)用的局限，仿真驗(yàn)證了該調(diào)節(jié)技術(shù)的可行性。最后對比了三相ABC 獨(dú)立控制及dq0 軸電壓電流雙環(huán)控制的控制效果，指出采用所提的兩種控制方法均可以獲得較理想的平衡、穩(wěn)定的電壓輸出，然而對輸出電壓中的負(fù)序分量及諧波的抑制能力有限。為此在dq0 軸雙環(huán)控制的基礎(chǔ)上引入負(fù)序控制和諧波控制，或者在ABC獨(dú)立控制中引入重復(fù)控制，則可以進(jìn)一步消除輸出電壓中的負(fù)序分量和諧波。仿真及部分

8、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制方法的有效性。 詳細(xì)討論了10kVA 三相四線制UPQC 實(shí)驗(yàn)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)功率電路硬件參數(shù)的設(shè)計(jì)過程，以及串聯(lián)變流器、并聯(lián)變流器協(xié)調(diào)控制的雙DSP控制系統(tǒng)原理及軟件流程，提出了一種有效的系統(tǒng)投入與退出運(yùn)行的策略?；诖?、并聯(lián)變流器的協(xié)調(diào)控制策略，對三相四線UPQC 在各種工況下的運(yùn)行進(jìn)行了較全面的仿真研究及實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析驗(yàn)證了UPQC 的系統(tǒng)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提串、并聯(lián)變流