1电力系统有源不平衡补偿装置的设计与仿真分析.doc
电力系统有源不平衡补偿装置的设计与仿真分析【说明书论文开题报告外文翻译】
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0目 录目录 .1第一章绪论 .21.1 课题背景及其研究意义 .31.1.1 低压电网三相平衡的重要性 .41.1.2 三相负载不平衡的不利影响 .51.2 三相四线制不平衡治理技术的发展及国内外现状 .61.2.1 配电网络三相不平衡治理技术的发展史 .71.2.2 三相四线制不平衡的检测 .81.2.3 三相四线制不平衡装置的拓扑结构设计 .91.2.4 三相四线制不平衡装置的系统控制策略 .101.3 本文的主要研究方向 .11第二章三相四桥臂四支路 LCL 型补偿装置的拓扑结构及其参数设计 .122.1 常见的补偿装置拓扑结构比较 .132.2 四支路 LCL 并网接口模型的设计及其性能指标 .142.3 基于非零序及零序等效电路的分析 .152.4 电路的参数设计 .16第三章以 LPF 为基础的两级滤波的不平衡分量检测方法 .173.1 不平衡分量的概述 .183.2 传统的三相四线制不平衡的检测方法 .193.2.1 不平衡电流检测法的发展 .203.2.2 基于 dq0 旋转坐标系的谐波电流的检测方法 .213.3 基于两级滤波的双 dq0 变换正负零序基波电流的检测方法 .223.3.1 关于双 dq0 旋转变换的三相锁环正负序相位的提取 .233.3.2 关于系统直流分量的提取 .24第四章三相四桥臂 LCL 型不平衡电流补偿策略 .254.1 不同坐标系下的数学模型的比较及其选择 .264.1.1 静止坐标系下的主电路的数学模型的建立 .274.1.2 dq0 坐标系下主电路数学模型的建立 .284.1.3 不同数学模型的比较以及选择 .294.3D-SVPWM 调制算法 .304.3 电流控制器的设计 .314.3.1 标准 PR 电流控制器分析 .324.3.2 在标准 PR 控制基础之上的电流控制器的分析 .334.3.3 对于传统 PR 控制改进的策略 .34第五章仿真实验验证 .355.1 运用 MATLAB 进行仿真实验验证 .365.2 验证结果 .371第六章课题总结与展望 .386.1 本文的工作总结 .396.2 对于未来工作的展望 .40参考文献 .41翻译部分 .42英文原文 .43中文译文 .44答谢 .452第一章 绪论1.1 课题背景及其研究意义电能质量即生产生活中所用电的质量。电能质量对国家以及社会非常重要，一个优秀先进的国家其电能质量应该是优质的。电力能源与现如今人类社会的日常生产和生活息息相关。现在电能的使用率非常高，几乎各行各业都离不开电能。其利于传送、使用方便、洁净、能源利用率高等。随着现代科学技术的不断进步与发展，对于电能的需求量变得越来越多。人们对于电能的需求也不仅对其的量有要求，而且也有质的要求。要想保证整个电力网络以及电力电子设备的安全运行，良好的电能质量是必不可少的。并且工业生产中产品的数量、质量以及人们的日常生活都和电能质量密切相关。从电力电子技术产生到如今的迅猛发展，差不多有单个多世纪了。并且随着电力电子技术的飞速进步，器件的性能得到了质的提高，适用的荷的影响最为严重。可能在使得低压和全网供电以及配电系统在非线性的情况下运行。我们所说的电能质量，从狭义的角度来说就是指供电网络的电压、频率以及波形满足一定的要求。其在理想的情况下应该是完美正弦波。当非线性负荷、非对称或者冲击性负荷接入电网时，会在电网之中产生谐波1使波形偏离原来的正弦波形，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。在各种电网的不平衡之中，其中世界上主要研究三相不平衡。1.1.1 低压电网三相平衡的重要性1)三相负荷平衡是能够安全供电的基础。2)三相负荷平衡才能保证用户所用的电能的质量。3)三相负荷保持平衡也是降价的基本保证。国家规定 380/220V 供电系统电压的不平衡度偏差一般不超过额定的 5%。当系统之中的各相阻抗相同时，继电保护装置才能在良好状态下的运行，保障我们的生命安全。1.1.2 三相负载不平衡的不利影响3当电力网络之中出现的三相不对称的情况时，按照其对系统运行的影响程度可分为非事故性和事故性。由于电力网络所引起的不平衡叫做事故性三相不平衡。比如单相接地短路、两相接地短路等。事故性不平衡状态在电力系统系之中不允许持续运行，一般情况下由系统的继电保护装置自动的对故障线路以及故障原件进行切除，经过维修人员的抢修处理之后，再恢复故障设备以及故障线路的正常运行。通常第二种事故是由于电力系统之中的器件、电路以及负载不对称这三种情况所造成的。当电力网络之中存在非事故性三相不平衡时。电力网络在一定的时间之内，并不会对电力网络造成多大的影响。而且电力网络之中的继电保护装置不会动作。但是当电力网络的三相不平衡度超过规定时，其对于电力网络也会造成负面影响。城镇用户以及农村用户是低压配电网络的主要用户。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之下运行。此外，比如铁路之中的单相运行的牵引设备、各个工厂之中接入的单相交流电弧炉以及电焊机等高耗能大功率负载接入，其对三相配电网落的平衡性也会产生冲击性的影响。因为在三相三线制电力网落之中中线是不存在的，所以在系统之中发生不平衡的情况时，产生的零序电流没有途径进行传递。所以相对于补偿来说只要针对于零序电流。但是由于系统之中不存在中线，因此当三相负载不平衡时将会导致中性点的零点漂移。而在三相四线制电力系统之中，零序电流在中性线上大量的存在，造成电网安全隐患加剧。零序以及负序分量会在三相不平衡时大量的存在。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。1）使得线路的电能损耗增加。2)使得配电变压器的电能损耗增加。43)使得配电变压器出力减少。4)使得配电变压器产生零序电流5)影响用电设备的安全运行。配电变压器是在三相负载平衡运行的情况下设计的 。 6)使得电动机效率降低。配电变压器在三相负载不平衡情况下运行时，将会使得输出电压三相之间变得不平衡。正序、负序、零序三种电压分量是不平衡电压的三种成分 13。显而易见的是，正序电压比负序电压大得多。所以正向旋转的速度、动力比反向旋转强。因此电动机将会遵从一开始的方向进行旋转运动。但是由于后者所产生的磁场与原来的转向相反，将会使得电机速度降低。效率的降低将会是在所难免的。电网的不平衡度对于电动机的损耗以及电动机温度的升高具有加剧作用。因此对于电力网络之中的装置要尽量工作在正常的情况之下运行。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，补偿的精度高，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。我们所讨论的三相不平衡一般是指系统中的谐波分量的不平衡。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。单项、两相接地短路以及相间短路所造成的三相电压不平衡问题通常更加严重。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。52008 年颁布实施的 GB/T155-2008电能质量三相不平衡 14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。但是对于并造成电力系统故障的具体原因没有进行详细的说明。公共链接点既我们在正常的情况下选取的观测点。并且在一般的情况之下不超过 2%，瞬时不应超过 4%；对于计入公共链接点的用户来说其不能超过标准的 1.3%，瞬时不超过 2.6%。瞬时的范围是 3s 到 1min。无零序分量的三相电压，不平衡度的计算公式：（1-6312A1）其中：A 1基波正序分量的有效值A2基波负序分量的有效值 22a4b)(4cUUa、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，但是对于零序分量不平衡的情况没有进行说明，所以上面的公式只适用于三相三线制系统之中相电压和相电流的不平衡度进行计算。(1-2)%102U(1-3)10其中： 三相电压零序不平衡度0U三相电压负序不平衡度三相电压基波正序有效值16三相电压基波负序有效值2U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 、 ，我们可以将式子（1-2） 、0i1i（1-3）中的 U 用 I 替换即可求得。之前存在的负荷以及新增加的负荷是我们进行三相不平衡的治理的着手点。对于存量负荷所导致的系统不正常的情况，可以经人工以及自动补偿装置对系统补偿。这样既对电力网络完成了补偿，当然也可以运用其他的方法对其进行补偿。而对于新增加的负荷而言，我们可以通过勘察、设计、规划等方法将不平衡负载分配到系统之中，降低对电网电压不平度的影响。但是两种方法都有其不足之处。有缘补偿装置和无源补偿装置主要是根据补偿装置能量的来源划分的。无源补偿包括并联补偿电容、增加消弧线圈阻尼等方法。 如下图 1-2 所示，由于系统负荷是变化的，但是补偿装置的补偿容量是不变的，所以此装置的补偿效果不佳。 abcnaibcisaibscifaifbifci不平衡负载图 1-1 不平衡负载上个二十世纪七十年代开始，无功补偿领域开始大规模应用晶闸管控制技术 15。并且随着以其为基础的补偿技术的进步，此种补偿装置得到了广泛的应用。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 16 。现7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。例如华北电力大学应用双晶闸管结构装置实现电抗电容器的12 脉动控制方式不平衡补偿技术 17。与无缘补偿装置相比，晶闸管补偿控制的响应速度快。但是由于晶闸管自身的只能控制导通不能控制关断的原因也限制了其产品的性能。上个世纪 80 年代开始，灵活交流输电系统快速兴起（简称 FACTS） 。FACTS 基于电力电子技术对传统交流输电系统进行改进。通过调节电网之中的补偿装置，控制电网之中能量的传输，提高对于电网控制，进而提高电力网络的效率 18。最具代表性的有用于基本治理的有源电力滤波器（简称 APF）以及用于无功补偿的静止无功补偿器。(简称 STATCOM)19两种装置的主电路几乎一致。都是通过 FACTS 装置作为能量的中转站，以实现功率在个想见的流动，使各相得电压以及电流达到平衡。APF 主要应用于 400V，690V，1.14KV 这些低压场合，STATCOM 主要应用于高压场合，主要是进行基波正序无功分量的补偿。1.2.2 三相四线制不平衡的检测电流的检测是治理三相不平衡的首要一步，对电流的主要要求有准确性，快速性以及实时性。文献20运用自适应技术对自适应滤波器进行不断地调整，从而达到跟踪电流的目的。由于这种检测技术对于基波和谐波无法进行区分，因此也就无法实现精确控制。文献21利用计算矩阵得到每相中的有功以及无功分量。能够提取非线性系统之中的不平衡电流分量，从而实现对于不平衡分量的检测。1.2.3 三相四线制不平衡装置的拓扑结构设计由于补偿对象以及补偿要求的不同，造成补偿装置的拓扑结构一般都不相同。因此只有合理的电路参数及装置的拓扑结构，才有可能实现预期的效果。采用三组单项全桥逆变器实现三相不平衡的补偿。由于此装置需要的逆变器过多，使得直流侧电压不平衡现象对补偿装置的影响过大，所因此需要对其抑制8处理，这样就使得控制的难度大大增加。采用三桥臂逆变器装置，对不平衡现象以及无功功率进行选择性补偿。但是此装置并不适用于三相四线制系统。针对三相四线制系统提出了三相四桥臂电压源型变流器作为补偿装置。由于其对于电感的要求较高，使得输出的电流大小受到了限制，对于高频电压信号无法进行抑制。1.2.4 三相四线制不平衡装置的系统控制策略一般情况之下我们都是对于电流进行补偿，对于不一样的电路的拓扑结构其控制策略也不相同。补偿策略主要考虑 PWM 调制算法选择以及电流控制器设计。主要采用比例积分控制器，实现了电流的无静差跟踪，由于在旋转坐标系中，dq0 存在耦合现象，需要加入解耦环节来消除耦合现象。采用 LCL 型补偿装置，用两相静止的坐标系来替代旋转的坐标系，以此来消除耦合现象。但是比例谐振控制器所受电网频率的影响较大，当电压频率出现波动时，对输出产生强烈的干扰。9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2
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