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电力系统有源不平衡补偿装置的设计与仿真分析【含32张Microsoft Visio图】

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电力系统 有源 不平衡 补偿 装置 设计 仿真 分析 32 microsoft visio
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电力系统有源不平衡补偿装置的设计与仿真分析【含32张Microsoft Visio图】

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内容简介:
充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸I电力系统有源不平衡补偿装置的设计与仿真分析摘 要目前市场中大多数不平衡补偿装置是针对于三相三线制系统而设计的,本课题的主要研究对象是三相四线制不平衡系统,现有的装置无法消除零序不平衡电流。本设计首先研究不平衡负载,选择三相四桥臂 LCL 并网接口作为主电路的拓扑结构。搭建主电路模型进行分析,分解不平衡分量设计合理的滤波电路。然后讨论不同的补偿方案,改进现有的不平衡装置。确定需要补偿的电流信号为零序分量以及负序电流信号。给予 LPF的两级滤波检测方法可以弥补传统装置提取不平衡分量速度慢的缺点。接着依据主电路的拓扑结构,搭建了两种坐标系的数学模型,对比确定合适的补偿控制策略。最终选择空间矢量算法,改进传统 PR 控制使系统实现快速、实时、准确跟踪控制。最后搭建matlab 仿真,对设计方法进行验证。关键词:负载不平衡,三相四桥臂,四支路 LCL,控制策略,PR 控制充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸IIAbstractIn this paper, the three-phase four-wire unbalanced load is studied, and the topology of the main circuit is selected according to its characteristics: three-phase four-leg four-way LCL and network interface. And the main circuit is modeled and analyzed, the unbalanced components are decomposed according to the superposition principle, and the design method of the LCL filter circuit is given.Then, according to the existing unbalanced device, the compensation bill of this article is discussed. Determine the need to compensate for the current signal can be divided into zero sequence and negative sequence current signal. The traditional device can not achieve the fast extraction of unbalanced DC components, so the proposed two-level filtering based on LPF double synchronization coordinate detection method.For unbalanced compensation, the compensation strategy is very important. For the topology of the main circuit. And the mathematical model of the two-phase stationary coordinate system suitable for use in this paper is taken as the object of study. The space vector algorithm is used to improve the traditional PR control, so that the system can realize the fast, real-time and accurate tracking control of the unbalanced components.Finally, the simulation is carried out, and the method proposed in this paper is verified.Key words:load imbalance;three-phase four-leg;four-way LCL,;control strategy;PR controller充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸III目 录摘 要 .IIIAbstract .IV第一章 绪 论 .11.1 课题背景及其研究意义 .11.1.1 低压电网三相平衡的重要性 .11.1.2 三相负载不平衡的不利影响 .11.2.三相四线制不平衡治理技术的发展及国内外现状 .11.2.1 配电网络三相不平衡治理技术的发展史 .21.2.2 三相四线制不平衡的检测 .31.2.3 三相四线制不平衡装置的拓扑结构设计 .41.2.4 三相四线制不平衡装置的系统控制策略 .4第二章 三相四桥臂四支电路 LCL 型补偿装置的拓扑结构及其参数设计 .42.1 常见的补偿装置拓扑结构比较 .52.2 四支路 LCL 并网接口模型的设计及其性能指标 .62.3 基于非零序及零序等效电路的解耦分析 .82.4 电路的参数设计 .10第三章 以 LPF 为基础的两级滤波的不平衡分量检测方法 .133.1 不平衡分量的概述 .133.2 传统的三相四线制不平衡的检测方法 .183.2.1 不平衡电流检测法的发展 .183.2.2 基于 dq0 旋转坐标系的谐波电流的检测方法 .183.3 基于两级滤波的双 dq0 变换正负零序基波电流的检测方法 .203.3.1 关于双 dq0 旋转变换的三相锁环正负序相位的提取 .213.3.2 关于系统直流分量的提取 .22第四章 三相四桥臂 LCL 型不平衡电流补偿策略 .224.1 不同坐标系下的数学模型的比较及其选择 .234.1.1 静止坐标系下的主电路的数学模型的建立 .23充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸IV4.1.2 dq0 坐标系下主电路数学模型的建立 .244.1.3 不同数学模型的比较以及选择 .274.2 3D-SVPWM 调制算法 .274.3 电流控制器的设计 .284.3.1 标准 PR 电流控制器分析 .284.3.2 在标准 PR 控制基础之上的电流控制器的分析 .294.3.3 对于传统 PR 控制改进的策略 .31第五章 仿真实验验证 .325.1 运用 MATLAB 进行仿真实验验证 .325.2 创建模型及其封装 .335.2.1 四支路 LCL 并网模型 .335.2.2 负荷模型 .335.2.3 脉冲宽度调制模型 .345.2.4 逆变器模型 .355.2.5 派克变换的仿真模型 .365.2.6 低通滤波器模型 .365.3 MATLAB 仿真结果 .38参考文献 .41致 谢 .43充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸1第一章 绪 论1.1 课题背景及其研究意义电力系统是集电能的生产、输送、分配和消费于一体的设备。电能的生产、输送和消费都是同步实现的。电力系统运行的基本要求保证向用户提供安全优质经济的电能,同时必须符合环境保护标准。一个优秀先进的国家其电能质量应该是优质的,现在电能的使用率非常高,电力能源与现如今人类社会的日常生产和生活息息相关,各行各业都离不开电能。科学技术的不断进步与发展,人们对电能的需求更多是质的要求。良好的电能质量是保证整个电力网络以及电力电子设备的安全运行关键。电力电子技术产生到如今的迅猛发展也有半世纪了,随着技术的飞速进步,器件性能都有了显著提高,适用范围越来越宽泛,各种大功率器件使用场合非常普遍。然而随着电力网络符合种类越来越多,越来越现代,电力网络的负荷组成变得语法的复杂,其中与我们生活密切相关的低压配电网络,受到的不平衡非线性负荷的影响最严重。狭义角度的电能质量是指供电网络的电压、频率以及波形满足一定的要求。理想状况下波形是完美正弦波。当电网中出现大量非线性负荷,不对称负荷或冲击性负荷时,便会随即产生偏离理想正弦波形的谐波,其评价标准主要从以下三个方面考虑电网的电压、频率、波形。三相不平衡是各种电网的不平衡之中研究重点。1.1.1 低压电网三相平衡的重要性相负荷平衡是电能质量的基础,电网中三相负载不平衡会增加线路和变压器铜损,降低变压器出力影响安全运行,严重时会导致某相导线烧断甚至配电变压器单相烧毁等严重后果。对动力用户来说,只有三相平衡才能保证电能质量,减少电机过热现象。1.1.2 三相负载不平衡的不利影响三相负荷不平衡中性点电位在三相负荷严重不对称时会发生偏移,线路压降和功率损失大大增加。单相用户接在中重负荷相易出现电压偏低、电器能效低、大功率电气易烧毁等问题;接在轻负荷相易出现电压偏高、电气绝缘易击穿、电器使用寿命缩短,造成电器损坏。低压配电网络的主要用户是城镇用户以及农村用户。因此大多数负荷都为单相负荷。并且对于负荷的大小以及其所用电时间的变化都是非线性的。因此在电力系统之中不平衡电流始终存在于系统三相之间,而且这种不平衡状况没有任何规律可言,想要提前对其进行预判几乎是不可能的,在此种情况之下低压配电网络之中的负载几乎都会在不平衡的情况下运行。由于在三相三线制电力网落不存在中线,所以在系统之中发生不平衡的情况时,产充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸2生充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸3的零序电流没有传递途径。因此只需要对零序电流进行补偿,而在三相四线制电力系统的中性线上存在大量零序电流,存在严重的电网安全隐患。三相不平衡会出现大量负序及零序分量。它们会对电力网络以及网络之中的设备造成不利的影响,甚至造成破坏。有源补偿装置其与无源补偿装置相比可靠性能高,出现故障的概率低。与晶闸管控制的补偿装置相比其灵活性能好。因为装置具有闭环环节,补偿精度高,可以多级并联,具有发展前景。1.2.三相四线制不平衡治理技术的发展及国内外现状1.2.1 配电网络三相不平衡治理技术的发展史现实生活中配电网络三相不平衡的问题非常普遍。在大城市地区,伴随着电力电子技术以及通信技术的快速发展,三相不平衡的情况也变得越来越复杂。根据我们所研究的对象,三相电压不平衡以及三相电流不平衡是最为主要的不平衡情况。因为在现实生活中在设计线路之前要充分考虑阻抗对称性问题,故在由于系统阻抗所引起的三相电压不对称问题所占比重非常小。单相和两相接地短路以及相间短路造成的三相电压不平衡问题一般更严重。因为对于这些故障无法通过装置直接进行消除,只有对故障设备进行停电检之后,设备才可能恢复正常。GB/T155-2008电能质量三相不平衡是现在我们国家所采用最新的电能质量国家标准,其中对于正常情况下的电力网络之中的各相指标进行了相关的规定。但是对造成电力系统故障的具体原因没有进行详细的说明。通常情况下我们选取公共链接点作为观测点。正常运行一般不超过 2%,瞬时不应超过 4%;对于计入公共链接点的用户而言其不能超过标准的 1.3%,瞬时不超过 2.6%。无零序分量的三相电压,不平衡度的计算公式为 6312A( 1-2 )其中:A 1为基波正序分量的有效值 A2为基波负序分量的有效值 2a4b)(4cU( 1-2 )其中:Ua、 Ub、Uc 为三相电压有效值这个标准之中只对负序基波分量的情况进行了考虑,没有详细说明零序分量不平衡的情况,因此上面的公式只适用于三相三线制系统中的相电压和相电流的不平衡度进行计算。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸4%102U ( 1-2 )充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸5%100U ( 1-3 )其中: -三相电压负序不平衡度0U-三相电压零序不平衡度-三相电压基波正序有效值1-三相电压基波负序有效值2-三相电压基波零序有效值0同理对于三相电流基波负序不平衡度 、 ,我们可以把(1-2)、(1-3)式中的0i1i电压用电流替换。三相不平衡治理的重点在于负载,已有的负荷引起的系统故障可以使用人工或自动补偿装置进行系统补偿。这样做不仅可以补偿电力网络,还能用勘察设计规划等途径把不新增负荷中不平衡负载分配到系统中,从而减少电网电压不平度。但是以上方法都有其缺陷,有源和无源补偿装置主要是根据补偿装置能量来源分类的。系统负荷是变化的,补偿装置的容量却是不变的,所以此装置的补偿效果不理想。如下图 1-1 所示abcnaibcsaibscfaifbifci不平衡负载图 1-1 不平衡负载晶闸管控制技术大规模应用到无功补偿领域,且随着以晶闸管为依托的补偿技术不断发展,这种补偿装置得到广泛应用。经常用到的装置包括晶闸管控制电抗器以及晶闸管投切电容器。现在国际上普遍使用这两种装置对电网的三相不平衡情况进行补偿,或者与其他装置进行组合。晶闸管补偿的响应速度比无源补偿装置更快,只是由于晶闸管只能控制导通不能自行关断,产品性能大大降低。柔性交流输电系统是用于灵活快速控制交流输电的新技术,可以实现潮流控制和电压控制以外,还为电力系统提供了一种较为灵活旳抑制低频振荡的方式。能在较大范围有效地控制潮流,线路的输送能力可增大至接近导线的热极限,电网和设备故障的危害可得到限制,防止线路串级跳闸,以避免事故扩大,易阻尼消除电力系统振荡,提高系统的稳定性。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸61.2.2 三相四线制不平衡的检测治理三相不平衡首要工作是检测电流,准确性、快速性及实时性是对电流的主要要求。采用自适应技术能够对滤波器不断调整,达到跟踪电流的目的。但是这种检测技术无法区分基波和谐波,也就不能够准确控制电流。通过计算矩阵可以提取每一相中有功和无功分量,并且得到非线性系统的不平衡分量,最终检测出不平衡分量。1.2.3 三相四线制不平衡装置的拓扑结构设计根据不同的补偿对象和补偿要求,需要不相同的补偿装置拓扑结构。只有理想的电路参数及装置拓扑结构,才能实现预期效果。由于三组单项全桥逆变器需要的逆变器过多致使直流侧电压的不平衡严重影响补偿装置,于是就需要对其进行抑制,也就大大增加了控制难度。1.2.4 三相四线制不平衡装置的系统控制策略一般根据不同的电路拓扑结构,选择不不同的电流控制策略。主要考虑 PWM 调制算法及电流控制器设计,选取比例积分控制器可以满足电流无静差跟踪,dq0 耦合现象存在于旋转坐标系中,此时需要增加解耦环节消除耦合。采取 LCL 型补偿,消除耦合现象可以将旋转坐标系替换为静止的坐标系。比例谐振控制器易受到频率影响,因而电压频率波动时,会产生很大的干扰。I电力系统有源不平衡补偿装置的设计与仿真分析摘 要目前市场中大多数不平衡补偿装置是针对于三相三线制系统而设计的,本课题的主要研究对象是三相四线制不平衡系统,现有的装置无法消除零序不平衡电流。本设计首先研究不平衡负载,选择三相四桥臂 LCL 并网接口作为主电路的拓扑结构。搭建主电路模型进行分析,分解不平衡分量设计合理的滤波电路。然后讨论不同的补偿方案,改进现有的不平衡装置。确定需要补偿的电流信号为零序分量以及负序电流信号。给予 LPF的两级滤波检测方法可以弥补传统装置提取不平衡分量速度慢的缺点。接着依据主电路的拓扑结构,搭建了两种坐标系的数学模型,对比确定合适的补偿控制策略。最终选择空间矢量算法,改进传统 PR 控制使系统实现快速、实时、准确跟踪控制。最后搭建matlab 仿真,对设计方法进行验证。关键词:负载不平衡,三相四桥臂,四支路 LCL,控制策略,PR 控制IIAbstractIn this paper, the three-phase four-wire unbalanced load is studied, and the topology of the main circuit is selected according to its characteristics: three-phase four-leg four-way LCL and network interface. And the main circuit is modeled and analyzed, the unbalanced components are decomposed according to the superposition principle, and the design method of the LCL filter circuit is given.Then, according to the existing unbalanced device, the compensation bill of this article is discussed. Determine the need to compensate for the current signal can be divided into zero sequence and negative sequence current signal. The traditional device can not achieve the fast extraction of unbalanced DC components, so the proposed two-level filtering based on LPF double synchronization coordinate detection method.For unbalanced compensation, the compensation strategy is very important. For the topology of the main circuit. And the mathematical model of the two-phase stationary coordinate system suitable for use in this paper is taken as the object of study. The space vector algorithm is used to improve the traditional PR control, so that the system can realize the fast, real-time and accurate tracking control of the unbalanced components.Finally, the simulation is carried out, and the method proposed in this paper is verified.Key words:load imbalance;three-phase four-leg;four-way LCL,;control strategy;PR controllerIII目 录摘 要 .IIIAbstract .IV第一章 绪 论 .11.1 课题背景及其研究意义 .11.1.1 低压电网三相平衡的重要性 .11.1.2 三相负载不平衡的不利影响 .11.2.三相四线制不平衡治理技术的发展及国内外现状 .11.2.1 配电网络三相不平衡治理技术的发展史 .21.2.2 三相四线制不平衡的检测 .31.2.3 三相四线制不平衡装置的拓扑结构设计 .41.2.4 三相四线制不平衡装置的系统控制策略 .4第二章 三相四桥臂四支电路 LCL 型补偿装置的拓扑结构及其参数设计 .42.1 常见的补偿装置拓扑结构比较 .52.2 四支路 LCL 并网接口模型的设计及其性能指标 .62.3 基于非零序及零序等效电路的解耦分析 .82.4 电路的参数设计 .10第三章 以 LPF 为基础的两级滤波的不平衡分量检测方法 .133.1 不平衡分量的概述 .133.2 传统的三相四线制不平衡的检测方法 .18IV3.2.1 不平衡电流检测法的发展 .183.2.2 基于 dq0 旋转坐标系的谐波电流的检测方法 .183.3 基于两级滤波的双 dq0 变换正负零序基波电流的检测方法 .203.3.1 关于双 dq0 旋转变换的三相锁环正负序相位的提取 .213.3.2 关于系统直流分量的提取 .22第四章 三相四桥臂 LCL 型不平衡电流补偿策略 .224.1 不同坐标系下的数学模型的比较及其选择 .234.1.1 静止坐标系下的主电路的数学模型的建立 .234.1.2 dq0 坐标系下主电路数学模型的建立 .244.1.3 不同数学模型的比较以及选择 .274.2 3D-SVPWM 调制算法 .274.3 电流控制器的设计 .284.3.1 标准 PR 电流控制器分析 .284.3.2 在标准 PR 控制基础之上的电流控制器的分析 .294.3.3 对于传统 PR 控制改进的策略 .31第五章 仿真实验验证 .325.1 运用 MATLAB 进行仿真实验验证 .325.2 创建模型及其封装 .335.2.1 四支路 LCL 并网模型 .335.2.2 负荷模型 .33V5.2.3 脉冲宽度调制模型 .345.2.4 逆变器模型 .355.2.5 派克变换的仿真模型 .365.2.6 低通滤波器模型 .365.3 MATLAB 仿真结果 .38参考文献 .41致 谢 .431第一章 绪 论1.1 课题背景及其研究意义电力系统是集电能的生产、输送、分配和消费于一体的设备。电能的生产、输送和消费都是同步实现的。电力系统运行的基本要求保证向用户提供安全优质经济的电能,同时必须符合环境保护标准。一个优秀先进的国家其电能质量应该是优质的,现在电能的使用率非常高,电力能源与现如今人类社会的日常生产和生活息息相关,各行各业都离不开电能。科学技术的不断进步与发展,人们对电能的需求更多是质的要求。良好的电能质量是保证整个电力网络以及电力电子设备的安全运行关键。电力电子技术产生到如今的迅猛发展也有半世纪了,随着技术的飞速进步,器件性能都有了显著提高,适用范围越来越宽泛,各种大功率器件使用场合非常普遍。然而随着电力网络符合种类越来越多,越来越现代,电力网络的负荷组成变得语法的复杂,其中与我们生活密切相关的低压配电网络,受到的不平衡非线性负荷的影响最严重。狭义角度的电能质量是指供电网络的电压、频率以及波形满足一定的要求。理想状况下波形是完美正弦波。当电网中出现大量非线性负荷,不对称负荷或冲击性负荷时,便会随即产生偏离理想正弦波形的谐波,其评价标准主要从以下三个方面考虑电网的电压、频率、波形。三相不平衡是各种电网的不平衡之中研究重点。1.1.1 低压电网三相平衡的重要性相负荷平衡是电能质量的基础,电网中三相负载不平衡会增加线路和变压器铜损,降低变压器出力影响安全运行,严重时会导致某相导线烧断甚至配电变压器单相烧毁等严重后果。对动力用户来说,只有三相平衡才能保证电能质量,减少电机过热现象。1.1.2 三相负载不平衡的不利影响三相负荷不平衡中性点电位在三相负荷严重不对称时会发生偏移,线路压降和功率损失大大增加。单相用户接在中重负荷相易出现电压偏低、电器能效低、大功率电气易烧毁等问题;接在轻负荷相易出现电压偏高、电气绝缘易击穿、电器使用寿命缩短,造成电器损坏。低压配电网络的主要用户是城镇用户以及农村用户。因此大多数负荷都为单相负荷。并且对于负荷的大小以及其所用电时间的变化都是非线性的。因此在电力系统之中不平衡电流始终存在于系统三相之间,而且这种不平衡状况没有任何规律可言,想要提前对2其进行预判几乎是不可能的,在此种情况之下低压配电网络之中的负载几乎都会在不平衡的情况下运行。由于在三相三线制电力网落不存在中线,所以在系统之中发生不平衡的情况时,产生3的零序电流没有传递途径。因此只需要对零序电流进行补偿,而在三相四线制电力系统的中性线上存在大量零序电流,存在严重的电网安全隐患。三相不平衡会出现大量负序及零序分量。它们会对电力网络以及网络之中的设备造成不利的影响,甚至造成破坏。有源补偿装置其与无源补偿装置相比可靠性能高,出现故障的概率低。与晶闸管控制的补偿装置相比其灵活性能好。因为装置具有闭环环节,补偿精度高,可以多级并联,具有发展前景。1.2.三相四线制不平衡治理技术的发展及国内外现状1.2.1 配电网络三相不平衡治理技术的发展史现实生活中配电网络
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