（电力电子与电力传动专业论文）统一电能质量调节器串联补偿单元检测控制方法及策略研究.pdf

a b s t r a c t a san e wd e v i c ef o ri m p r o v e m e n to fp o w e rq u a l i t y , u n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n d i t i o n e rb e c o m e sah o t s p o ti np o w e re l e c t r o n i cf i l e d t h ep a r a l l e lc o m p e n s a t i o n u n i ti su s e df o rc o m p e n s m i n gr e a c t i v ec u r r e n ta n dh a r m o n i cc u r r e d 吨a n dt h es e r i e s c o m p e n s a t i o nu n i ti su s e df o rc o m p e n s a t i n gv o l t a g es a g ，s w e l l ，t h r e e - p h a s ei m b a l a n c e a n dh a r m o n i c s s o m er e s e a r c ho nt h ep a r a l l e lc o m p e n s a t i o nu n i tw a sc a r r i e do ni nt h e l a b o r a t o r ya n dt h ec e r t a i na c h i e v e m e n tw a sy i e l d e d ，o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e rf o c u s e s o nt h ed e t e c t i o na n dc o n t r o lf o rt h es e r i e sc o m p e n s a t i o nu n i t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o ns c o p eo ft h r e e p h a s e t h r e e w i r es y s t e ma n dt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e mf o ru p q c t h i sp a p e ra n a l y z e s t h r e ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g i e so fc o m p l e t ec o m p e n s a t i o n ，s a m e p h a s ec o m p e n s a t i o n a n de n e r g yo p t i m i z e dc o m p e n s a t i o n ，s t u d i e sav o l t a g ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do n s y n c h r o n o u st r a n s f o r m a t i o no fc o o r d i n a t e su n d e rd i f f e r e n tc o m p e n s a t i o ns t r a t e g i e s ， a n da n a l y z e st h ec o m p e n s a t i o ne f f e c t sa n de n e r g yf l o wc o n t r o ls t a t e s t h i sp a p e ra d o p t sah y s t e r e s i sc o n t r o lm e t h o dw h i c hc a nc o m p e n s a t em a n yk i n d s o fv o l t a g ea b e r r a n c ep r o b l e m s ，b u tt h ec o n t r o la c c u r a c ya n dt h ea n t i - j a m m i n g c a p a b i l i t yh a v er o o mf o ri m p r o v e m e n t f o rf u r t h e rp e r f e c t i o n ，t h i sp a p e ra d o p t sa o n e - c y c l ec o n t r o l m e t h o dw h i c hh a sh i g hc o n t r o l a c c u r a c y , g o o dd y n a m i c t r a c k a b i l i t ya n ds t r o n ga n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y c o n s i d e r i n gt h ei n t e r n a l r e s i s t a n c e a n dt h el e a k a g er e a c t a n c eo ft h et r a n s f o r m e r , t h i sp a p e ra n a l y z e st h r e ec o n t r o l s t r a t e g i e so fo p e n - l o o pc o n t r o l ，c l o s e d - l o o pc o n t r o la n dc o m p o u n dc o n t r o l ，a n dt h e c o m p o u n dc o n t r o li sp r o v e dt ob et h eb e s tc o n t r o ls t r a t e g y t h i sp a p e rd e s i g n st h ep a r a m e t e r so fs e r i e st r a n s f o r m e r , f i l t e rc i r c u i t ，d cp o w e r s t o r a g eu n i t , e t c ，a n dd e s i g n st h ee l e m e n t a r yd i a g r a m so fv o l t a g ed e t e c t i n gc i r c u i t ， l i g h t - c o u p l e di s o l a t i o nc i r c u i t , e t c b e s i d e s ，t h i sp a p e rw r i t e st h em a i np r o g r a ma n d t h ei n t e r r u p t i o ns u b r o u t i n e ，s e t su pt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dd e b u g ss o m ep r o g r a m s ， a n dd o e ss o m ee x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：u p q c ，s e r i e sc o m p e n s a t i o nu i n t , c o m p l e t ec o m p e n s a t i o n ，e n e r g y o p t i m i z e dc o m p e n s a t i o n ，h y s t e r e s i sc o n t r o l ，o n e - c y c l ec o n t r o l ，c o m p o u n dc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名高吱专q 考签字隰狮7 年6 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞苤鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：南d 2 考畸 签字日期：抽1 年6 月= ；日 导师签名 签字日期：卅年 7 月j ) 日 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的发展，大量非线性、冲击性和波动性负载投入电网，尤其是 电力电子变换装置的广泛应用，使电网中的电压、电流波形的畸变越来越严重， 对电网的供电质量和运行安全造成了越来越严重的影响，而实际电网中三相电压 的不对称和畸变也是普遍存在的现象；同时，现代工业的发展也对电能质量提出 了越来越高的要求，目前工业中大量使用的变频调速装置、精密加工工具、计算 机信息系统等先进设备对电源的波动和干扰十分敏感，任何供电质量的恶化都将 影响这些设备的正常工作，对生产过程和产品质量造成危害。由此可见，一方面， 造成电能质量问题的因素不断增多，另一方面，用电设备对电能质量及可靠性的 要求越来越高。因此如何提高和保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要 解决的重要课题之一。 1 1 电能质量问题概述 电能质量包括电压质量和电流质量两个方面。电压质量指实际用电电压和额 定电压之间的偏差，包含电压幅值、波形和相位等的偏差，反映供电企业向用户 供给的电力是否合格；电流质量表示对用户取用电流提出的恒定频率、正弦波形 的要求，理想情况下应使电流波形与供电电压波形同相位，以保证系统以高功率 因数运行。 理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在 三相交流系统中还要求各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差 1 2 0 度。但由于系统中的发电机、变压器和负载的非线性或不对称性，以及运行 操作、外来干扰和各种故障等原因，会导致电网中出现电压骤升、骤降、闪变、 三相不平衡以及电流谐波等电能质量问题。电能质量问题对电力系统供电部门和 电力用户造成严重的危害，影响各种电气设备正常工作，导致继电保护和自动装 置的误动作，影响电网安全运行，造成生产经济损失。 根据电能质量的定义，电能质量问题总体上可分为以下几种i l j ： ( 1 ) 电压跌落( s a g ) ：电压幅值降至额定值的1 0 0 0 - - 9 0 ，持续时间1 0 r e s - 1 m i n 。 ( 2 ) 电压中断( i n t e r r u p t i o n ) ：电压幅值降至0 或低于额定值的l0 ，持续时 第一章绪论 间低于6 s 为暂时中断，持续时间大于6 0 s 为持续中断。 ( 3 ) 电压上升( s w e l l ) ：电压幅值升至额定值的l1 0 - 1 8 0 ，持续时间 1 0 m s - i m i n 。 ( 4 ) 电压闪变( f l u c t u a t i o n s ) ：电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化， 幅值通常为额定值的9 0 11o 。 ( 5 ) 过电压( o v e r - v o l t a g e ) ：电压幅值为额定值的1 1 0 1 2 0 ，持续时间大 于1 分钟。 ( 6 ) 欠电压( u n d e r - v o l t a g e ) ：电压幅值为额定值的8 0 一9 0 ，持续时间大于 1 分钟。 ( 7 ) 谐波( h a r m o n i c ) ：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流。 ( 8 ) 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。间 谐波主要由静止变频器、感应电机和电弧设备产生。 最近几十年来，由于敏感负载的增加，由电能质量问题造成的经济损失迅速 增加，根据各国学者和电力部门的统计和分析，电能质量问题对公用电网和用户 的影响主要表现为以下几方面： ( 1 ) 电压跌落。电压跌落对设备造成最直接的影响就是由于电压幅值较低， 当跌落持续时间较长时，设备得不到足够的能量而无法正常工作；电压跌落同时 会引起一些保护继电器动作，直接将设备退出运行；对于大多数微机及微电子控 制设备，电压跌落的恢复过程会引起微机的重新启动。 ( 2 ) 电压三相不平衡。电压三相不平衡会使电机、变压器等设备的利用率降 低，产生附加损耗及发热；会引起以负序分量为启动信号的多种保护发生误动作， 直接威胁电网运行；在三相四线制系统中，会使中性线中流入过大的不平衡电流 而使线路过载，发生危险。 ( 3 ) 谐波电压和谐波电流。谐波会使电网中的设备产生附加损耗，增加设备 温升，加速绝缘老化，缩短使用寿命；会影响各种电气设备正常工作，如引起电 机振动等；会导致继电保护和自动装置的误动作，造成电能计量的误差；会对附 近的通信系统产生干扰，降低通信质量。 1 2 电能质量补偿技术研究现状 利用高性能补偿装置改善电能质量是当前电能质量补偿技术研究的重点，现 代电力电子技术的发展为解决电能质量问题开拓了广阔的前景。 传统的电能质量补偿技术主要采用静态补偿方法，其特点是结构简单，运行 费用低，便于维护，可以在一定程度上解决特定的电能质量问题，但存在较大的 第一章绪论 局限性和不足，如无源滤波器只能抑制特定次谐波，变压器分接头调节器调节范 围有限，只能在一定程度上减轻电压跌落的影响，等等。 基于这种不足，一些新的补偿装置不断出现，目前常用的抑制电能质量问题 的设备有： ( 1 ) 静止转换开关s t s ( s t a t i ct r a n s f e rs w i t c h ) 。负荷由双电源供电，当供电电 源发生电压跌落时，s t s 可以在一个半周期内将故障电源切除，备用电源投入效 率可达9 9 。缺点是造价太高，对于要求严格的重要负荷可以采用。 ( 2 ) 不问断电源u p s ( u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs u p p l y ) 。在减少电压跌落和电压 中断影响的装置中，u p s 是使用较广的设备，当电源发生电压跌落或者电压中断 时，由u p s 供电，提供给用户合格的电压，效率达到9 2 0 o - - 9 7 。缺点是大容量 受限制，运行维护费用高。 ( 3 ) 动态电压恢复器d v r ( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) i ： 。d v r 串接在电源和敏 感负荷之间，当电压跌落发生时，d v r 可以在毫秒级内将电压跌落补偿到正常值。 由于d v r 只是在电压跌落出现时，提供负荷满足正常电压所需的功率消耗，负荷 所需的大部分功率还是由电源提供，因而d v r 的效率很高，费用低于u p s 、s t s ， 是抑制电压跌落最有效的补偿装置。 ( 4 ) 有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。a p f 主要用于抑制电流谐波和 补偿无功，具有较高的可控性和快速响应特性，可以跟踪补偿各次谐波，自动产 生负载所需的无功电流，是目前应用最广泛的谐波抑制和无功补偿装置。 ( 5 ) 统一电能质量调节器u p q c ( u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) p j 。1 9 9 6 年，日本学者a k a g i 首次提出了统一电能质量调节器u p q c 的概念，将串联补偿单 元和并联补偿单元通过公用的直流母线电压耦合而成，综合了串联侧补偿电网电 压畸变的功能以及并联侧抑制电流谐波的功能，具有综合的电能质量调节功能， 是一种理想的提高配电网电能质量的补偿装置。 从目前国内外的研究看，u p q c 已经成为电能质量调节领域的前沿，尤其是 随着电力电子器件的高频化、集成化，以及高性能数字处理芯片d s p 速度的提 高与应用的普及，u p q c 实现的复杂性与难度都在降低。与过去相比，u p q c 在 拓扑结构、补偿量检测及控制等方面得到了广泛的研究，并有长足进展。 目前国内华北电力大学、西安交通大学、东南大学等在u p q c 的研究中都 取得了一定的进展，但我国目前还没有相应的u p q c 运行经验，所研制的u p q c 样机容量小，等级低，还有待于工业环境的检验。 第一章绪论 1 3 本文主要工作 实验室的前期工作已经对u p q c 中用于改善电流质量问题的并联补偿单元 的拓扑结构、补偿量检测原理和控制方法进行了研究，并取得一定的成果。本文 在实验室前期工作的基础上，着重研究了用于改善电压质量问题的串联补偿单元 的拓扑结构、电压补偿策略、检测方法、控制方法及控制策略，并进行了仿真分 析和软硬件设计。具体工作内容如下： ( 1 ) 介绍和分析了u p q c 的拓扑结构及工作原理，分析了三相三线制和三相 四线制两种主电路结构的适用范围。 ( 2 ) 在对能量流动分析的基础上，研究了完全电压补偿、同相电压补偿和最 小能量补偿三种电压补偿策略，研究了特定补偿策略下的基于同步坐标变换的电 压检测方法，该方法能够在三相电压不对称且发生畸变的情况下快速检测出基波 正序电压，准确求出指令电压信号。在实现检测算法的基础上分析了不同补偿策 略的补偿效果和能量流动控制情况。 ( 3 ) 采用了电压滞环跟踪控制方法，能够实现对不同电压畸变问题的补偿， 但控制精度和抗扰动能力还有待提高。在此基础上，引进了一种新的控制方法 单周控制，并将其应用于u p q c 串联侧的控制中，该方法能在一个周期内消除 稳态误差，控制精度高、动态跟踪性好、抗干扰能力强。 ( 4 ) 考虑到串联变压器内阻和漏抗对补偿效果的影响，研究了开环控制、闭 环控制和复合控制三种控制策略。开环控制虽然动态响应特性较好，但受变压器 阻抗的影响，输出的补偿电压的幅值和相位都有一定的偏差，闭环控制和复合控 制在一定程度上消除了这种偏差，并且复合控制具有更好的稳定性。 ( 5 ) 设计了串联变压器、滤波电路、直流储能单元等主电路结构以及信号调 理电路、采样周期信号发生电路等控制电路原理图，编写了主程序以及中断服务 子程序流程图，并进行了部分实验。 第二章电压补偿策略及检测方法研究 第二章电压补偿策略及检测方法研究 u p q c 串联补偿单元的主要功能是，解决电网中电压骤升、骤降、闪变、三 相不平衡、电压谐波等电压质量问题。电压补偿策略决定了能量流动状态，电压 检测方法决定了补偿精度和速度，根据负载特性和补偿要求选择合适的补偿策略 和检测方法，不仅能够减少串联补偿单元的有功输出，在装置容量一定时，获得 较长的补偿时间，而且能够提高补偿的精度和速度。本章重点研究电压补偿策略 及检测方法，在此之前，首先分析u p q c 的拓扑结构及工作原理。 2 1u p q c 拓扑结构及工作原理 u p q c 拓扑结构如图2 1 所示。它由串联补偿单元和并联补偿单元组成，两者 的直流侧通过电容耦合。串联补偿单元通过耦合变压器串联连接在电网和负载之 间，按受控电压源方式工作，主要用来调节负载电压幅值和补偿电压谐波，提高 供电电压的质量和可靠性。并联补偿单元并联连接在负载上，按受控电流源方式 工作，主要用来补偿负载谐波、基波无功和负序电流，使流入电网的电流为基波 正弦，并通过p i 调节保持直流侧电容电压的恒定。 串联补偿单元 并联补偿卑兀 图2 - 1o p q c 拓扑结构 u p q c 的基- 本工作原理是【4 1 ，当电网电压出现跌落、上升、不平衡、谐波等 问题时，串联侧的电压检测环节检测出指令电压信号，通过一定的控制方法将 其转化为p w m 信号控制串联侧变流器工作，变流器的输出电压通过耦合变压器 串联接入电网，调节负载电压为基波正弦。当非线性负载引起谐波和无功电流 时，并联侧的电流检测环节将检测出的指令电流信号转化为p w m 信号控制并联 侧变流器工作，变流器的输出量并联接入电网，调节负载电流为基波正弦。 第二章电压补偿策略及检测方法研究 图2 2 是u p q c 主电路结构图，直流侧电压恒定由并联补偿单元来维持1 5 j 。在 运行中，并联补偿单元的检测装置实时检测直流侧电压，将电压偏差转化为有功 电流量并将其记入并联补偿单元的电流补偿量中，采用传统的p i 控制方式就可以 控制直流侧的电压波动以有功电流的形式与电网之间交换能量，达到动态平衡， 从而维持直流侧电压的恒定。与传统的直流储能单元的设计方法相比，u p q c 的 设计精简了系统硬件装置，节省成本，但控制方法相对复杂。 图2 - 2u p q c 主电路结构图 非线性负载中常见的是带阻感性负载的整流装置，对这类电流谐波源的补偿 主要是采用并联补偿单元。近年来，随着变频装置、开关电源和不间断电源等带 阻容性负载的整流装置的广泛应用，电网电压谐波污染问题越来越突出，对于这 类带阻容性负载的整流装置，采用串联补偿单元进行治理更合理【6 j ，本文将重点 研究串联补偿单元。 针对实际电路的应用，u p q c 的主电路拓扑结构主要有三相三线制和三相四 线制两种，不同的拓扑结构在补偿电压问题时对应不同的补偿功能和适用范围。 对于没有中线的三相非容性负载，电网中不存在三相电压不平衡和谐波电压，三 相三线$ 1 j u p q c 可以很好的补偿电压跌落、上升、闪变等问题。对于三相四线制 负载，三相电压之和可能不为零，即中线中存在零序电压，对于阻容性负载，电 网中除了基波电压分量，也可能有谐波电压分量存在，三相三线$ 1 j u p q c 无法消 除线路中的零序电压和谐波电压，而三相四线制u p q c 可以有效补偿三相电压不 平衡和吸收谐波电压【7 】，因此，当三相负载不平衡、中线电流较大或存在比较严 重的电压谐波时，可以采用三相四线制u p q c 实现补偿【8 】。但是由于三相四线制 u p q c 结构比较复杂，成本较高，容量较小，并且直流侧电容电压的控制比较复 杂，所以当负载的中线电流没有超出规定的许可值时，应优先选择三相三线制 u p q c 进行补偿。 总的来说，针对u p q c 拓扑结构的研究涉及到容量、成本、工作原理以及检 第二章电压补偿策略及检测方法研究 测控制策略的配合等多方面因素，如何使u p q c 适应大容量、低成本、高电压的 要求是最终目的。在实际应用中，由于电力电子器件的限制，要实现大功率电路 比较困难，而且成本较高，因此通常采用与无源补偿装置相结合的方法。利用无 源补偿装置结构简单、造价低的特点，其容量可以很大，从而起到抑制谐波和无 功补偿的作用。而u p q c 的主要作用是，改善无源补偿效果，抑制无源补偿装置 投切的过渡过程，抑制电容器组对谐波的放大作用。这种组合可以在很大程度上 降低u p q c 的容量和成本。 2 2 电压补偿策略 理想的u p q c 工作原理是，当电网电压发生畸变时，u p q c 串联补偿单元 产生补偿电压注入到电网中，使负载电压与跌落前电压的幅值和相位保持一致。 但是由于串联补偿单元输出补偿电压的同时与电网存在有功交换，所以在直流储 能单元容量一定的情况下，需要优化电压补偿策略，使补偿范围和补偿时间在储 能一定的前提下获得最大值。从负载侧看，补偿策略的选择依赖于负载的类型， 有的负载对电压相移敏感，有的负载对电压幅值变化敏感，所以选取补偿策略时， 要综合考虑负载补偿要求和能量优化两方面。不同的补偿策略决定了不同的电压 检测原理，因此分析电压补偿策略是研究电压检测方法的前提。 本文针对三种电压补偿策略，完全电压补偿、同相电压补偿和最小能量补偿， 用相量图的形式详细的分析各自的特点及适用范围1 9 j ，在此基础上，重点研究了 完全电压补偿和最小能量补偿下的电压检测方法，并对其补偿效果和能量流动控 制情况进行了比较分析。 2 2 1 完全电压补偿 完全电压补偿要求补偿后的负载电压可完全恢复至电压变化前的值，其中 期望的瞬时电压采用对骤降发生前电压的外推得到，可采用锁相环来实现。该 补偿策略的优点是能保证电网电压畸变前后负载电压的连续性，对于那些对电 压幅值、相位及波形连续性要求很高的负载，是最佳的补偿策略。但是该方法在 电压幅值骤降过大或相角偏移过大时很难实现，并且通常负载都有一定的抗幅 值和相位扰动的能力，所以没有必要进行完全电压补偿，同时其经济性也较差， 实际中较少采用。 完全电压补偿相量图如图2 3 所示，其中，u ，为电网电压，u ：为跌落前负 载电压，啡为串联侧补偿电压，酢。为最大补偿电压，? ：为负载电流。如果电 压跌落发生过深或浪涌过大，引起电网电压u 。过小或过大，圆弧与补偿极限圆 第二章电压补偿策略及检测方法研究 没有交点，则不能实现完全电压补偿；如果圆弧与补偿极限圆有1 个或2 个交 点，则可以实现补偿。电压畸变后的负载电压经过补偿后，其幅值和相位可以 调整到与畸变前负载电压相同，该方法能保证电压畸变前后负载电压连续性，但 是不能控制变流器输出的有功功率，如在电压跌落较大或跌落时间较长时，对 于储能容量一定的装置来说，达不到补偿要求。 2 2 2 同相电压补偿 同相电压补偿要求将电网电压畸变后负载电压的幅值补偿至畸变前的水平， 相位仍与畸变后电压一致，因此该策略只能补偿电压幅值的变化，不能补偿相角 变化。同相电压补偿的优点是补偿电压幅值最小，计算简单，补偿速度快，对容 量要求较小，可补偿的电压范围大，缺点是变流器输出的有功功率不受控制，而 且负载电压的相角偏移得不到补偿，对于那些对相位波动敏感的负载无法适用， 并且在电压畸变时间较长时，也得不到很好的补偿。因此该方法在负载对相位波 动不敏感的系统中应用广泛。 同相电压补偿相量图如图2 4 所示，其中，u 。为电网电压，u ，为跌落前负 载电压，u r 为串联侧补偿电压，酢一为最大补偿电压，为负载电流。该策略 能补偿的最大电压跌落深度是l 吼i _ i 一i ，即只有跌落后的电网电压u 满足 i 玑i i i _ i 一i 时，才可以补偿，否则便超出了串联侧补偿能力，达不到补 偿要求。 o i i 图2 3 完全电压补偿相量图 2 2 3 最小能量补偿 图2 - 4 同相电压补偿相量图 从能量流动的观点来看，通过引入无功功率来实现补偿，采用与网侧电压有 一个合适的相位超前的电压注入电网可以减少有功交换10 1 。通过使串联补偿单元 提供的有功功率最小化来实现电网提供的有功功率最大化，使电网的功率因数增 加，串联补偿单元的功率因数减少，这种补偿策略被称为最小能量补偿。对于具 第二章电压补偿策略及检测方法研究 有固定储能容量的串联补偿单元，注入能量的减少意味着补偿时间和范围的增 加，采用最小能量补偿策略可以在装置储能一定的前提下获得最大的补偿范围。 然而具有超前相位的电压注入需要更大的注入电压，由此也会带来一定的电压相 移，因此该策略适用于对电压相位波动不敏感的负载。由于最小能量补偿策略能 充分有效地利用设备储能，经济效益显著，实现灵活，因而应用广泛。 图2 - 5 最小能量补偿相量图图2 - 6 防止能量倒灌相量图 最小能量补偿相量图如图2 5 所示，其中，u 。为电网电压，u ：为跌落前负 载电压，酢为串联侧补偿电压，酢为最大补偿电压，z 。为负载电流。由于串 联侧变流器输出的功率与坼和，的夹角有关，当夹角越接近9 0 0 时，变流器输 出的有功越小，因此可以通过改变u r 和，之间的夹角，使变流器输出的有功最 小。变流器输出的有功满足辟= 0 一只( 异为负载有功，只为电网侧有功) ，可以 看出，要减小变流器的有功输出，在负载有功e 一定的前提下，增加电网侧有 功只即可。在图2 5 中，【，。的初始运行点在a 点，如果逆时针向c 点旋转u 。， 则u 。与，的夹角增大，u r 与，的夹角减小，系统输出的有功减少，变流器输 出的有功增加，u 。旋转n c 点时，系统输出的有功最小，变流器输出的有功最 大。如果顺时针向b 点旋转u ，则情况相反，在b 点电网输出的有功最大，变流 器输出的有功最小1 1 。因此，要想满足最小能量补偿的要求，就应该顺时针向 b 点旋转u 。由于实际的电网电压是固定的，不能旋转，因此在假定电网电压 可以旋转的前提下，补偿后负载电压比跌落前电压有一定的相角偏移。 另外，在顺时针向b 点旋转u 。时，要防止有功向变流器倒灌。防止能量倒 灌相量图如图2 - 6 所示。顺时针向b 点旋转u 。时，u c 与，的夹角增大，交流器 输出的有功减小。当坼与j ，的夹角为9 0 0 时，即旋转到d 点时，变流器输出的 有功最小，等于零；再继续顺时针旋转【，。，啡与，的夹角大于9 0 0 ，有功向变 流器倒灌；因此，在这种情况下，变流器的最佳运行点是d 点，此时负载的有 功全部由电网侧提供，变流器只提供无功。若u 。的初始运行点在圆弧b d 段， 采用完全电压补偿或同相电压补偿时，变流器输出有功为负，即发生能量倒 第二章电压补偿策略及检测方法研究 灌；采用最小能量补偿时，运行点处于d 点，变流器输出的有功为零，避免了 能量倒灌。 总之，采用最小能量补偿时，找出电网电压u 的最佳运行点，求出相应的 啡，该电压就是使变流器输出有功最小的补偿电压。 由上面的讨论可知，对于那些对电压幅值和相位偏移要求非常高的负载， 只能采用完全电压补偿法策略，此时装置的补偿能力完全依赖于串联补偿单元 的最大电压注入能力和存储器的容量。如果负载只对电压幅值敏感，可以允许 相位有一定的偏移，则可以采用同相电压补偿策略和最小能量补偿策略进行补 偿。当i 玑l 1 i i 一i 时，串联补偿单元可以瞬间将负载电压的幅值和相位 补偿至跌落前水平，此时可以根据负载要求和能量优化来选择合适的补偿方 法；当i u i 0 ，此时应 第二章电压补偿策略及检测方法研究 根据譬：o 来确定口值，使满足电压幅值补偿要求时，尼最小。 根据堡d a = o 可求得善3u ，s i n ( 一口+ 哆) = o ，此时最优相位超前角为 一吆= 矽+ 夕 ( 2 18 ) 综合上述两种情况，根据相量图可求，最小能量补偿策略下串联补偿单元输 出的补偿电压和有功功率分男i 为 = 属面乒瓦百面i 丽 3 p 詈c p ! = 3 u 2 i c o s # - u ，c o s ( 一+ t ) y = l ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 对应地，若采用完全电压补偿策略时，= 0 ，此时串联补偿单元输出的 1 = 昵+ 一2 u 2 u 。j c o s ( a ) ( 2 - 2 1 ) 尼= 3 u ：, i c o s # - u ，i c o s ( # + a s ) ( 2 - 2 2 ) 卧三圈 协 ”如，口口2 蜘( 觚+ ) ( 2 - 2 4 ) 。 h j 热焉f = 一圭+ ，争= ，孚， 第二章电压补偿策略及检测方法研究 _ 一一 。_ 一_ _ 一_ _ _ _ _ 一 时u d 店 c 。s 鲥c 。s ( c o t 一娶) j “n 研“n ( 刎一娶) j 1 1 22 c o s ( c o t + 了2 i t ) “n ( c o t + 娶) j l ，2，j k kl ( 2 2 7 ) k j 经过同步坐标变换后，三相电网电压负序和谐波分量仍为交流分量，通过两 个低通滤波器可将基波正序分量分别提取出来。万和万在d q o 空间的对应量为一 直流分量，且数值与a b c 系统中的基波正序的幅值“二布棺角劬之间存在着如下关 系 再根据 可求得 ( 2 - 2 8 ) 歹u + “三= u t ps i n o 佴2 p 咖_ = t a n 协2 铭一 ( 2 - 3 0 ) 至此就可以提取出基波正序电压的初始相位【1 7 1 。 设电压跌落时，伴随着相位的跳变，则三相电压中基波分量分别变为 k ：厕s i n ( 倒+ + 万) k = 如。s i n ( c o t + + 万一了2 f ) ( 2 - 3 1 ) k = 函s i n ( c o t + + 万+ 等 式中，u i 为跌落后电压的有效值，万为跌落伴随的相位跳变角。再将式( 2 3 1 ) 进 行同步坐标变换，并经过低通滤波器将直流成分一l - i d a 、一q a 提取出来，可得 压2 3 u c o s 万( 2 - 3 2 ) 【- 。= 一3 u ls i n 8 则可以计算出电压跌落后的幅值和相位跳变角为 u ；f 、_ 3 。 ( 2 3 3 ) 豳 驴 妒 “ ” o = = = 一一一 第二章电压补偿策略及检测方法研究 万：一a r c t a n ( 兰姿) ( 2 3 4 ) u d a 至此可选择式( 2 17 ) 或式( 2 一l8 ) 来计算最优相位超前角，其中跳变角 罗= 万= 一a 咖n ( 丝) ；功率因数角满足公式c 。s = 3 万c 。s 旃= 3 n刀c 。s ( 一) ， a n 瓦h 其中破为基波功率因数角，气和o p i 分别表示基波电压相角和基波电流相角，所 师。s ( 翔刊) ；一( 焉 。s ( 半) 。 确定了最优相位超前角o r o p t 就可以确定负载期望电压函数，负载期望电压函 数即负荷侧电压经过补偿后要达到的电压量。它是一个三角函数，幅值为标准相 电压幅值，本文中设为2 2 0 2v ，相角是由扰动前基波电压初相角免、扰动引起 的相位跳变角万以及最小能量补偿策略共同确定的【】8 】。负载期望电压函数为 “。= 2 2 0 压s i n + 岛+ 口) = 2 2 0 压s i 懈+ + 口一争 ( 2 - 3 5 ) ”2 2 0 , f 2 s i n ( 础+ + 口+ 争 式中+ 口为a 相负载期望电压函数的相位角，是跌落前电压初相角，口 为补偿后负载电压比补偿前负载电压相位的超前角。 至此，串联补偿单元需提供的补偿电压可求得 i “= u 口一“阳 i 1 = 一掰曲 ( 2 3 6 ) 【u c c = “c 一“卵 综上所述，最小能量补偿的电压检测框图如图2 1 3 所示。 图2 1 3 最小能量补偿的电压检测框图 第二章电压补偿策略及检测方法研究 利用m a t l a b s i m u l i n k 对最小能量补偿的电压检测方法进行仿真分析，重 点分析其既定补偿效果及能量流动控制情况，并与完全电压补偿策略进行比较。 最小能量补偿的电压检测方法仿真模型如图2 1 4 所示。 图2 1 4 最小能量补偿法的电压检测方法仿真模型 仿真结果如下： 首先分析最小能量补偿策略和完全电压补偿策略的既定补偿效果。通过将电 网电压与负载期望电压进行比较，分析不同的补偿策略对电压幅值和相位的补偿 能力和补偿效果。图2 1 5 为最小能量补偿策略下的电网电压- 负载期望电压波形， 图2 1 6 为完全电压补偿策略下的电网电压负载期望电压波形。其中电网电压在 图2 1 5 最小能量补偿策略下的 图2 1 6 完全电压补偿策略下。的 电网电压负载期望电压波形电网电压- 负载期望电压波形 从波形的比较可以看出，采用最小能量补偿策略时，负载期望电压比电网电 压相位有一定的超前，补偿后负载电压的幅值与跌落前电网电压相同，可见最小 能量补偿法在补偿电压幅值的同时会带来一定的相移，适用于只对电压幅值敏 感、可以允许相位有一定偏移的负载。采用完全电压补偿策略时，负载期望电压 第二章电压补偿策略及检测方法研究 与电网电压同相位，补偿后负载电压的幅值与跌落前电网电压相同，可见完全电 压补偿策略能够完全补偿负载电压的幅值和相位至跌落前的水平，适用于对电压 幅值和相位偏移要求非常高的负载。 其次分析最小能量补偿策略和完全电压补偿策略对能量流动的控制情况。为 了分析变流器输出的有功大小，需要比较变流器输出的补偿电压与负载电流的相 位关系，即指令电压与负载电流的相位关系( 理想控制情况下，变流器输出的补 偿电压即指令电压) ，为了使相位差清晰可见，这里选用线性负载，以获得正弦 电流波形。图2 17 为电网电压跌落深度不同时最小能量补偿的指令电压负载电 流波形。图2 1 8 为电网电压跌落深度不同时完全电压补偿的指令电压负载电流 波形。其中，图a 是电网电压在0 0 2 s - 4 ) 0 8 s 幅值跌落1 0 的情况，图b 是电网 电压在o 0 2 s - - - o 0 8 s 幅值跌落3 0 的情况。 图a 电网电压跌落1 0 图b 电网电压跌落3 0 图2 1 7 电网电压跌落深度不同时最小能量补偿的指令电压负载电流波形 图a 电网电压跌落1 0 图b 电网电压跌落3 0 图2 1 8 电网电压跌落深度不同时完全电压补偿的指令电压负载电流波形 两组波形比较可以看出，采用最小能量补偿策略时，虽然指令电压的幅值较 大，但指令电压与负载电流的相位差随着跌落深度的减小而增大，电压跌落深度 越小，相位差越接近9 0 。，即串联补偿单元输出的有功越小，无功越大。可见， 第二章电压补偿策略及检测方法研究 采用最小能量补偿策略可以在满足电压幅值补偿要求时使变流器输出的补偿电 压与负载电流的相位差尽可能接近9 0 。，以使变流器输出的有功尽可能小。采 用完全电压补偿策略时，指令电压与负载电流的相位始终接近一致，不随电压跌 落深度的改变而改变，即产生补偿电压时，变流器输出的有功不受控制。 上述分析证明，采用最小能量补偿策略可以有效的减少串联补偿单元注入的 有功，在储能一定的前提下，增加补偿时间和范围，并且能减小直流侧电容的容 值，从而减小装置的体积和成本；但是在满足电压幅值补偿要求时，伴随着一定 的相角偏移，适用于对相位波动不敏感的负载。 第三章电压控制方法及控制策略研究 第三章电压控制方法及控制策略研究 串联补偿单元的工作原理是，通过电压检测算法确定需要补偿的指令电压信 号，然后通过一定的控制算法产生控制变流器开关器件工作的p w m 信号，将直 流电压转变为交流电压注入电网，实现电压补偿功能【1 9 】。串联补偿单元的补偿效 果不仅取决于检测算法的速度和精度，而且与控制方法和策略的选取有密切关 系。本章通过研究控制方法和策略，以期获得速度快、精度高、稳定性好的补偿 性能。 3 1 电压控制方法 3 1 1 滞环控制 随着电力电子技术的发展，i g b t 等全控器件的出现不仅提高了电力电子装 置的性能，也为电力电子装置的控制提供了方便。电力电子装置的控制方法较多， 但对于串联补偿单元中变流器的控制，必须考虑补偿的动态响应速度和补偿精度 两个方面，以实现任意期望调制波形的输出功能。基于这种需求，目前广泛采用 的技术主要有三角波比较s p w m 控制方法、电压空间矢量s v p w m 控制方法，以 及滞环跟踪控制方法等【2 。不同控制方法的区别在于，对于特定的控制信号，产 生可控器件驱动脉冲的方式不同。其中，滞环跟踪控制方法作为一种闭环控制， 具有控制简单、响应快、跟踪精度较高等优点。本文重点研究滞环控制的原理， 并将其应用于串联补偿单元的控制。 滞环跟踪控制分为电压滞环跟踪控制和电流滞环跟踪控制。这种p w m 技术实 际上是利用电压、电流等参考指令值与实际输出值进行瞬时比较，通过一个滞环 比较器以输出高低电平来决定开关管的工作状态，因此是一种闭环跟踪型p w m 技术【2 l 】。本文用到的是电压滞环跟踪控制，以此为例介绍滞环跟踪控制的原理。 图3 1 以单相控制系统为例给出了电压滞环控制原理图。在该方式中，将补 偿电压的指令信号与实际产生的补偿电压信号眈进行比较，两者的偏差u 作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路开关通断的p w m 信 号，该p w m 信号经驱动电路放大后控制开关器件的通断，从而控制补偿电压眈 的变化。 第三章电压控制方法及控制策略研究 图3 1 电压滞环控制原理图 具体说来，当| u l h 时，滞环比较器的输出将翻转，这样，【，就在一h 和h 之间变 化，虬就在吮一h 和虻+ j i l 之间跟随e 的变化，电压滞环控制参考输入与输出 的变化关系图如图3 2 所示。 玩+ 图3 2 电压滞环控制参考输入与输出的变化关系图 在滞环控制方式中，滞环的环宽h 对补偿电压的跟随性能有较大的影响。当h 较大时，变流器的开关频率较低，跟随误差较大，补偿电压中有较大的高次谐波； 当h 较小时，开关频率较高，跟随误差小，但是对开关器件的开关频率要求较高1 2 2 。 在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的环宽通常是固定的，从而导 致开关器件的开关频率是变化的，固定环宽可能使器件的开关频率过高而导致器 件损坏。为了解决这一问题，当把滞环控制方式应用于基于d s p 定时采样的数 字控制系统时，设定每个采样周期对【，判断一次，这样p w m 至少一个采样周 期才变化一次，器件的开关频率最高不超过数字采样系统的采样周期，避免了器 件开关频率过高引起的损坏。 利用m a t l a b s i m u l i n k 对电压滞环控制方法进行仿真分析，u p q c 有三相三 线制和三相四线制两种主电路拓扑结构，三相三线u p q c 结构简单，造价低，能 够补偿系统的电压跌落、上升、闪变等问题，但不能补偿三相电压不平衡和谐波 电压，适用于三相对称负载系统或中线电流没有超出规定的许可值的系统；三相 四线u p q c 除了能很好的解决三相平衡电压问题，还能解决三相不平衡和谐波问 题，但是结构比较复杂，成本较高，容量较