（电力电子与电力传动专业论文）统一电能质量调节器控制方法研究.pdf

a b s t r a c t t h eu n i f i e dc o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g yo fp o w e rq u a l i t y , w h i c hb a s e do np o w e r e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc r o s s e db ym a n ys u b j e c t ( t h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h e s i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h ec o n t r o lt h e o r i e se t c ) ，b e l o n g st oo n eo fi m p o r t a n tc o n t e n t so f c u s t o mp o w e r ，t h eu n i f i e d p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ( u p q c ) c a n n o t o n l y c o m p e n s a t ev o l t a g ef l i c k e r s ，s a g ，f l u c t u a t e a n dv o l t a g ei m b a l a n c e ，b u ta l s o c o m p e n s a t eh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r t r a d i t i o n a l l y , t h ed e v i c ef o rp o w e rq u a l i t y c o n d i t i o n e rc a nc o m p e n s a t ed i s t o r t e d v o l t a g ea n dc u r r e n th a r m o n i cr e s p e c t i v e l y h o w e v e r ，u p q ch a sc a p a c i t yo fs i m u l t a n e o u s l yc o o r d i n a t i n gv o l t a g ea n dc u r r e n t c o m p e n s a t ea n ds a r i s f yt h ed e m a n do ft h ep o w e rc o n s u m e ra n ds u p p l ys y s t e m i na w o r d ，t h eu p q ci sam u l t i f u n c t i o n a lc u s t o mp o w e rc o n t r o l l e r t h es t r u c t u r e ，d e t e c ta n dc o n t r o lm e t h o da r ed e e p l ya n a l y z e t h e s ec o n t r o l m e t h o da r ed i v i d e di n t ot h et w om a j o rt y p e s ，a n dp u tf o r w a r de x i s t e n tp r o b l e mo f t h e s ec o n t r o lm e t h o d a c c o r d i n gt op r e s e n tp r o b l e m s ，t h es e r i e si n v e r t e ra n dt h e p a r a l l e li n v e r t e ro fu p q ch a v eb e e nt r e a t i n ga sau n i f i e du n i t ，b u i l d i n gt h eu n i f i e d m o d e l ，w h i c hc o n t a i n su p q c ，e l e c t r i cp o w e ra n dl o a d o nt h ef o u n d a t i o no ft h i s m o d e l ，t h ed e a d b e a tc o n t r o la l g o r i t h ma n dt h er o b u s tc o n t r o la l g o r i t h mh a v eb e e n p r e s e n t t h ed e a d b e a tc o n t r o la l g o r i t h me a s yt ob ed i g i t a l i z e da n dc a nc o m p e n s a t et h e d e l a yc a u s e db yag r e a td e a lo fc o m p u t a t i o n t h er o b u s tc o n t r o la l g o r i t h mr e d u c e st h e c a l c u l a t ec a p a c i t y b o t hc o n t r o l sa l g o r i t h m sa r es i m u l t a n e o u s l yc o m p u t et h er e f e r e n c e o fs e r i e sp a r ta n ds h u n tp a r t ，w h i c hs i m u l t a n e o u s l yh a r m o n i z ev o l t a g ec o m p e n s a t e a n dc u r r e n tc o m p e n s a t e t h er o b u s t n e s so fb o t ha l g o r i t h m si sa l s od i s c u s s e di nt h i s p a p e r t h ep a r a m e t e r so f p o w e rc i r c u i ta n df i l t e rc i r c u i ta r ei n i t i a t i v e l yd e s i g n e d ，a n da l l p a r a m e t e r s a r eo p t i m i z e d u s i n gt h em a t l a b s i m u l a t i o n o n t h ef o u n d a t i o no f s i m u l a t i o nm o d e l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d t h er e s u l t sv e r i f yt h a t b o t hc o n t r o l sa l g o r i t h m ss i m u l t a n e o u s l yh a r m o n i z ev o l t a g ec o m p e n s a t ea n dc u r r e n t c o m p e n s a t e ，a n dt h eb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c eh a sb e e no b t a i n e dt h a nt r a d i t i o n a l g o r i t h m t h es h u n tp a r to fu p q cb a s e do nd s ph a sb e e nd e s i g n e da n dc o i l s t i x i c t i t c o n t a i n sd s pc o n t r o lc i r c u i t ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，i s o l a t i o nc i r c u i t ，i p ma n df i l t e r c i r c u i t c o n t r o la n dd r i v ec i r c u i tu s e dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7f l st h ec e n t r a lc o n t r o lu n i ts o t h a tr e a l i z ef u l ld i g i t a lc o m p e n s a t e ，w h i c hm a k et h eb e s to ft h er e s o u r c eo fd s pa n d e n h a n c et h ep r e c i s i o na n dp e r f o r m a n c eo fu p q cs y s t e m ；p o w e rc i r c u i tc h o o s e 7 m b p 5 0 r a l 2 0 ，w h i c ha c h i e v ek i n d so fp r o t e c t ；t h ev a l u eo ff i l t e rc a p a c i t a n c ea n d i n d u c t a n c e ，w h i c ha r et h ek e yo fc o m p e n s a t ep e r f o r m a n c e ，h a v eb e e nd e s i g n e d k e yw o r d s ：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 ；u n i f i e dm o d e l ；d e a d b e a t c o n t r o l ；r o b u s tc o n t r o l ；s i m u l t a n e o u s l yh a r m o n i z ec o m p e n s a t e ；v o l t a g e sc o m p e n s a t e ； c u r r e n tc o m p e n s a t e ；f u l ld i g i t a lc o m p e n s a t e 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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 楚外 签字日期：2 0 a 3 - 年f 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基壅盘鲎可以将学何论文的令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：炭弗导师签名 签字日期：幻砖年j 月1 日签字日期 融 膨月7 日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着我国工业化的提高，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、 电气化铁路等负荷不断增加，同时半导体电子工业的迅猛发展导致了大批精密仪 器和高档家电的产生，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，使电 网中的电压、电流波形发生畸变，或引起电压波动、闪变和三相不平衡。此外系 统侧发生的雷击线路、投切电容器、短路、断路等，都给供电质量造成严重干扰。 另一方面，越来越多的用电设备对电能质量更加敏感。低劣的供电质量将导致低 劣的产品质量，特别是在重要的工业生产过程中，供电的中断或波动将带来巨大 的经济损失。例如柔性制造系统和计算机集成制造系统对配电系统中干扰和异常 非常敏感，几分之一秒的不正常就可引起制造系统的混乱。根据美国电力科学研 究院1 9 9 5 年的调查报告显示，在美国因电能质量问题每年给用户造成的损失就 超过2 0 0 亿美元【l l 。因此如何提高电能质量成为近年来电力系统、电力电子等相 关领域的热点课题。 1 1 电能质量问题种类、成因与危害 对理想三相供电系统，在电能传递与转换过程中，三相应保持平衡对称，并 且电压电流应为恒定频率的正弦波，功率因数为1 。但是在现实中供电系统是一 个复杂的非线性系统，内部存在各种非线性元件和负荷，外部受雷击、瞬时断电、 短路等各种干扰，不可避免的会出现各种电能质量问题。 目前，i e e e 电能质量标准委员会推荐采用如下几种术语对电能质量问题进 行分类和描述。 电压骤降( s a g ) ：电压有效值降至额定值1 0 9 0 ，持续时间为o 5 个周 期至1 分钟。主要引起原因为系统单相短路及大功率负荷突然启动等。 电压骤升( s w e l l ) ：电压有效值升至额定值1 1 0 以上，持续时间为o 5 个周 期至1 分钟。主要引起原因为系统短路及大功率负荷突然切除等。 l j 变( f l i c k e r ) ：指电压幅值在额定值9 0 1 1 0 范围内有规律地或随机变 化。主要引起原因是配电网中存在电弧炉、大型冲压机等波动性负荷，其无功冲 击很容易造成电力系统大范围频繁波动，局部电压闪变。 供电中断( i n t e r r u p t i o n ) ；指在一相或多相线路中完全失去电压一段时间， 其中持续时间o 5 个周期至3 秒叫瞬时中断：持续3 秒至6 秒为暂时中断；中断 第一章绪论 时间超过6 0 秒为持续中断。主要引起原因是系统故障或误操作。 谐波( h a r m o n i c ) 指频率为电源基波频率整数倍的电压或电流。主要引起 原因是配电网中存在非线性负载。在工业电网中，变频电机等电力电子装置日益 增长，这些装置大部分使用不控或相控方式，产生大量谐波。在民用配电中，家 用电器也开始广泛使用变频装置，造成严重的谐波畸变【2 】。 三相不平衡( u n b a l a n c e ) ；指电压或电流的负序分量与正序分量的比值大于 允许不平衡度。主要引起原因是电力系统元件三相不对称或三相负载不平衡。在 配电网中，许多电器都是单相，使三相不平衡，中性线流过很大电流，是严重的 安全隐患。 负载无功功率问题也会造成大量无谓的电能损耗与无功冲击等问题，它虽然 1 i 属于电能质量范畴，但它与电能质量问题有非常紧密的联系。因为产生谐波、 l 毡压闪变等电能质量问题的电力电子装置电弧炉、冲压机和变频电机等同时大都 也是消耗基波无功的装置；补偿谐波的装置如有源滤波器等通常也可同时用来补 偿无功。 随着工业化水平不断提高，今天的配电网与二十年前相比发生了巨大的改 变，它一方面造成更为严重的电能质量问题，另一方面又对供电质量提出更高要 求，低劣的电能质量会给生产带来极大隐患和损失，主要体现在： 电网电压和频率的偏差，谐波，三相不平衡以及电网电压波动闪变都会直接 影响到电动机输出力矩，使电机转速不均，进而影响产品质量，危害电机安全运 行，缩短电器设备寿命。随着生产自动化和信息化的提高，许多设备往往配合奇 密集的计算机控制系统、计算机网络系统、微机化测控仪器等精密设备形成自动 化生产线( 如f m s ，c i m s ) ，这些设备所带的高精密计算机组件又对谐波和电 压闪变十分敏感，电能质量的干扰和供电的波动都将使计算机重启，整条生产线 1 正常工作，带来巨大的经济损失。而且其还会对邻近通信产生干扰，轻则产寸： 杂音，降低通信质量，严重则会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 1 ，2 电能质量问题解决方法与趋势 改善电能质量一直是各国关注的一个重要课题，随着近年来电力电子技术的 迅速发展，利用高性能电力电子装置改善电能质量成为研究重点，世界各国均投 入了大量资金和人力对电能质量控制设备的理论、拓扑结构和控制策略进行了深 入研究。在装置的研究方面，根据电能质量的各种问题，研究重点各有侧重，主 要有有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r s ) 、静止无功发生器( s t a r i cv a r g e n e r a t o r ) 和动态电压恢复器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 等。 第一j 章绪论 ( 一) 、有源电力滤波器 有源电力滤波器是一种用于动态抑制非线性负载产生的谐波电流和无功电 流的电力电子装置。它克服了无源型滤波等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺 点，能对大小和频率同时变化的谐波以及变化的无功进行补偿，使电网流过低谐 波含量的正弦电流。按照其与电网连接方式可将其分为并联型与串联型口j 。 1 并联型有源电力滤波器 图1 1 所示为并联型有源电力滤波器其主电路结构及与电网连接方式，包括 主电路与滤波电路。 图卜l 并联型有源电力滤波器主电路及与电网连接方式 图中，e 。为交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤 波器系统分为两部分，一部分是指令电流运算；另一部分是补偿电流发生，它是 由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。 指令电流运算的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，然 后将指令电流运算得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。从本质上说， 并联型有源电力滤波器相当于一个流控电流源【4 j 。 2 串联型有源电力滤波器 串联型a p f 是通过变压器以串联方式与配电系统相连，其主电路结构及与 电网连接方式图1 2 所示。 它也是由控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。只不过它检测分解出 到谐波电流量后，控制主电路开关在串联变压器上产生一个k 倍于谐波电流量， 零倍于基波电流的补偿电压，等效于一个对谐波呈大阻抗，对基波呈零阻抗的电 阻以隔离谐波，阻碍谐波流向电网。从本质上说，串联型有源电力滤波器相当于 一个流控电压源p j 。 第一章绪论 图卜2 串联型有源电力滤波器主电路结构及与电网连接方式 ( 二) 、静止无功发生器 所谓静止无功发生器( s v g ) 通常是指由电力半导体桥式变流器来实现动态 无功补偿的装置。它的基本拓扑结构以及与电网连接方式与图卜1 相同。基本原 理是通过适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或直接控制其交流侧 电流，可以用如图卜3 所示的单相等效电路来说明。 图卜3 静止无功发生器单相等效电路 如图1 3 所示，设电网电压和s v g 输出的交流电压分别用向量u s 和u ，表 示，则连接电抗上的电压u t 即为u s 和u ，的向量差，而连接电抗的电流是可 以由其电压来控制的。这个电流就是s v g 从电网中吸收的电流。因此改变s v g 交流侧输出电压【，的幅值以及相对u s 的相位，就可以改变连接电抗上的电压， 从而控制s v g 从电网吸收电流的相位与幅值，也就控制了s v g 吸收无功功率的 大小与性质。 玩巩= j 础 l 垫谢f 习 0 l i 图卜4 静止无功发生器工作矢量图 4 第一章绪论 ( 二) 、动态电压恢复器 动态电压恢复器是一哥十用于动态抑制电网电压谐波、骤降、闪变等电压质量 问题的电力电子装置，目的是为负载侧提供三相平衡且恒定频率和恒定幅值的旷 弦电压。其主电路拓扑结构及与电网连结方式和图1 2 所示的串联a p f 相同， 所不同的在于检测控制方式。在本质上，d v r 等效为一个以电源侧电压为控制 量的压控电压源， 其工作原理为：利用传感器检测电源电压，通过算法分解出其中畸变电压； 山相应补偿算法产生p w m 信号驱动电力电子器件开关；最后通过滤波器滤出开 关纹波，这样就在串联变压器上得到与补偿指令相同的补偿电压来抵消电源电压 的各种畸变分量睁7 i 。 另外与串联a p f 不同的是，d v r 不但要补偿谐波电压，而且还要补偿电网 电压骡降等问题引起的基波电压变化，而d v r 的直流电压由蓄能装置经升压提 供，所以对电源电压基波幅值变化进行补偿时，只能在一段时间进行。如补偿电 网电压欠压时间过长，d v r 持续向外释放能量，那么蓄能装置的能量也持续下 降，当降低到一定程度时，直流电压会迅速跌落，导致d v r 无法正常工作，必 须退出电网充电。 ( 凹) 、统一电能质量调节器 现有解决电能质量问题的电力电子装置如u p s 、a p f 、d v r 、d s t a t c o m 等都是基于解决其中某类特定问题而设计的，无法适应电力用户需求和电能质量 问题本身的变化，因此研究功能集成化的装置具有理论意义和实践意义。 统一电能质量调节器( u p q c ) 便是在该背景下由日本学者赤木泰文于1 9 9 6 年提出的新的补偿装置系统【8 一l ，从目前国内外的研究情况看，u p q c 已成为电 能质量调节领域的研究前沿。它的主电路是由两个通过电容器耦合的背靠背电压 型逆变器组成，一侧通过变压器串联入电网，另一侧与电网并联。通过适当的补 偿控制策略，它可以不但可以快速补偿供电电压中的骤升、骤降、波动、闪变和 各相电压的不平衡以及故障时的短时供电中断，而且能补偿负载产生的谐波和无 功功率，是一项具有综合功能的c u s p o w 控制器。其基本拓扑结构与工作原理在 第二章将详细论述。 1 3 电能质量调节器研究现状 自u p q c 概念提出后，其相关技术和实验研究主要集中在日本、德国和美 茸等少数发达国家，研究重点主要集中在内部机理分析上，并取得部分成果。但 第一章绪论 近两年来随着电力电子器件的高频化和集成化，高性能数字处理芯片d s p 速度 的提高与应用的普及，各个学科的交叉渗透均以令人难以置信的速度发展， u p q c 实现的复杂性与难度都在降低。与几年前相比，u p q c 在拓扑结构、补偿 壁检测及控制等方面得到了广泛的研究，并有长足进展。 ( 一) 、拓扑结构 从投资成本、运行效率等方面考虑，一般来说电能质量调节装置都要求大容 量、低成本、高电压，这样构成大容量装置就需要使用晶闸管( s c r ) 或可关断 晶闸管( g t o ) ，但谐波补偿需要考虑更多的是高频因素，使用s c r 或g t o 器 件则造成装置主回路结构复杂，制作加工困难，两者的矛盾成为电能质量调节装 置应用的瓶颈【m “”。 为了尽量降低基本拓扑回路容量，就必然要将u p q c 和无源滤波器联合运 行，这样使无源补偿装置主要起到改善功率因数和调节电压的作用，容量可做得 相当大。而u p q c 主要起到控制作用，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，这样u p q c 核心部分容量 就可阻降低。u p q c 和无源滤波器联合运行方式可采用串联、并联和注入式等多 种方案。 ( i ) 、补偿量检测 在谐波电流检测方面主要有离散傅立叶分解法和赤木泰文提出的瞬时无功 功率法，但对于u p q c 的一些控制方法既需要检测电流补偿分量，同时也需要 检测电压补偿分量，分别检测和控制就像在电网中同时安装a p f 和d v r ，不但 失去u p q c 意义，而且由于两者之间计算的不同步，会造成互相干扰和系统不 稳定。因此在检测方面，在a p f 检测方法基础上提出基于广义瞬时无功的难序 分量提取法和功率平衡法，基本思想都是以先得到所期望标准市电电压幅值和相 位，再以其为参考同时得到电压和电流补偿分量【1 2 q3 1 。 另一方面，对于一个未知的且具有噪声和扰动的配电系统，想要只通过其输 出就检测出谐波补偿量难度和计算量太大，一些学者试图采用基于模型识别的谐 波补偿分量检测方法，利用历史数据进行模型辨识，这使得自适应信号处理如潜 线增强器和神经网络信号处理理论也进入该领域，但是使用历史数据会使其对瞬 间扰动响应无法及时跟踪，理论上也无法解决无延时跟踪【1 4 1 酣。而理想谐波补 偿需要对系统谐波进行无延时的跟踪补偿，所以目前如何利用控制实现无延时跟 踪补偿是另一条途径。 第一章绪论 ( 三) 、控制 控制上根据直接控制电源电流为丁f 弦或间接补偿电源电流为正弦，分为两种 控制方案。 前者直接控制电源电流为正弦，利用串联侧压迫补偿电流，即谐波和无功电 流流向并联侧；而并联侧处吸收谐波和无功电流外，还配合串联侧起着抑制电压 ，j 变等问题7j ；但这种方法在电压补偿方面只能消除电源电压的畸变与闪变， 而无法补偿电源电压基波的长时间跌落。后者让串联侧执行d v r 功能，动态补 偿电网电压谐波与跌落等电压质量问题，使负载电压为基波正弦；让并联侧执行 a p f 功能，补偿负载产生的谐波与无功电流，使流入电网的电流为基波正弦。但 采用这种方法如何保证其稳定性与防止互相之间的工作干扰是问题关键1 1 8 2 0 1 。 1 4 本文主要研究内容 本文在吸取和借鉴国内外研究成果基础上，抽象出统一电能质量调节器串并 联统一数学模型，并基于此提出新的控制方法，通过了仿真验证。在实践上，搭 建了u p q c 实验装置并联部分。主要工作如下： ( 1 ) 在理论上深入分析了u p q c 的几种拓扑结构、检测和控制方法，将控 制方法分为两大类，并提出在控制方法中存在的问题； ( 2 ) 针对目前控制方法中存在的问题，将u p q c 视为一个整体，抽象出包 含u p q c 与电网、负载的统一数学模型，在此基础之上，提出无差拍控制与直 接鲁棒控制方案，这两种方法将并联侧和串联侧统进行参考值计算和开关器件 控制，使电压补偿和电流补偿同步协调。并初步探讨了数学模型中模型结构与参 数摄动问题。 ( 3 ) 初步设计u p q c 主电路、滤波电路等部分参数，再利用m a t l a b 仿真验 证所选择的参数，并进一步对其修正。利用所建立的仿真模型，对所提出的控制 方法进行仿真验证，证明与传统方法相比，其将并联侧和串联侧统一进行参考值 计算和开关器件控制，使电压补偿和电流补偿同步协调，避免了两者在调节过程 中互相干扰，并使系统具有良好的动态性。 ( 4 ) 设计并完成了基于d s p 的u p q c 系统并联侧部分硬件电路i 。控制、 驰动电路以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心，实现全数字化补偿；主电路部分选择 7 m b p 5 0 r a l 2 0 智能功率模块( 1 p m ) ，实现多种保护；设计对补偿性能起关键作 用的滤波电容、电感值。编写完成d s p 软件程序检测部分，其充分利用了d s p 片内资源软件程序，简化了系统设计，降低了硬件成本，并提高了系统精度和动 态性能。 第一章绪论 ( 三) 、控制 控制上根据直接控制电源电流为f 弦或间接补偿电源电流为证弦，分为两种 控制方案。 前者直接控制电源电流为正弦，利用串联侧压迫补偿电流，即谐波和无功电 流流向并联恻；而并联侧处吸收谐波和无功电流外，还配合串联侧起着抑制电压 测变等问题f ”1 ：但这种方法在电压补偿力面只能消除电源电压的畸变与 j 变， j m 尢法补偿电源电压基波的长时间跌落。后者让串联侧执行d v r 功能，动态补 偿电网电压谐波与跌落等电压质量问题，使负载电压为基波正弦；让并联侧执行 a p f 功能，补偿负载产生的谐波与无功电流，使流八电网的电流为基波正弦。但 采用这种方法如何保证其稳定性与防i l 互相之间的工作干扰是问题关键i ”。“。 1 4 本文主要研究内容 本文在吸取和借鉴国内外研究成果基础上，抽象出统一电能质量调节器串并 联统一数学模型，并基于此提h 新的捧制方法，通过了仿真验证。在实践上，搭 建了u p q c 实验装置并联部分。主要工作如下： ( 1 ) 在理论上深入分析了u p q c 的几种拓扑结构、检测和控制方法，将控 制方法分为两大类，并提出在控制方法中存在的问题； ( 2 ) 针对目酊控制方法中存在的问题，将u p q c 视为一个整体，抽象m 包 含u p q c 与电网、负载的统一数学模型，在此基础之上，提出无差拍控制与直 接鲁棒控制方案，这两种方法将并联侧和串联侧统一进行参考值计算和开关器件 控制，使电压补偿和电流补偿同步协调。并初步探讨了数学模型中模型结构与参 数摄动问题。 ( 3 ) 初步设计u p q c 主电路、滤波电路等部分参数，再利用m a t l a b 仿真聆 证所选择的参数，并进步对其修正。s i l l 所建立的仿真模型，对所提出的控制 力法进行仿真验证，证明与传统方法相比，其将并联侧和串联侧统一进行参考值 计算和开关器件控制，使电压补偿和电流补偿同步协调，避免了两者在调节过程 中互相干扰，并使系统具有良好的动态性。 ( 4 ) 设训并完成了基于d s p 的u p q c 系统并联侧部分硬件电路i 。控制、 驰动电路以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心，实现全数字化补偿；主电路部分选择 7 m b p s o r a l 2 0 智能功率模块( i p m ) ，实现多种保护；设计对补偿性能起关键作 用的滤波电容、电感值。编写完成d s p 软件程序检测部分，其充分利用了d s p 片内资源软件程序，简化了系统设计，降低了硬件成本，并提高了系统精度和动 片内资源软件程序，简化了系统设计，降低了硬件成本，并提高了系统精度和动 态性能。 第二章统一电能质量调节器拓扑结构与工作原理 第二章统一电能质量调节器拓扑结构与工作原理 2 1u p q c 拓扑结构 图2 - 1 所示为u p q c 核心部分拓扑结构。它是由两个通过电容器耦合的背 靠背电压型逆变器组成，- f l u 通过变压器串联入电网，另一侧与电网并联。根据 串联侧与并联侧的前后顺序可将其分为以下两种。 ( b ) 图2 - 1u p q c 核心部分拓扑结构 这两种拓扑结构通过选择适当的补偿控制策略，不但可以快速补偿供电电压 中的骤升、骤降、波动、闪变和各相电压的不平衡以及故障时的短时供电中断， 而且能补偿负载产生的谐波和无功功率，是一项具有综合功能的用户电能 ( c u s t o mp o w e r ) 控制器。 基本的u p q c 拓扑结构由于电力电子器件的限制，要实现大功率电路相当 困难，而且成本很高，因此在实际应用中通常与无源补偿装置联合使用。目前由 第二章统一电能质量调节器拓扑结构与上作原理 基本的u p q c 拓扑派生出的装置结构多种多样，相应采用的控制方法也是千变 万化，此处不能一一列举。图2 - 2 仅列出其中两种不同核心拓扑所派生的实际装 置结构简图。 ( a ) ( b ) 图2 - 2 基本u p q c 拓扑派生装置结构 在图2 - 2 所示结构中，无源补偿装置主要起到改善功率因数和调节电压的作 用，容量可做得相当大。u p q c 主要起到控制作用，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，这样u p q c 核 心部分容量就可以降低。 但这两种派生拓扑运行有其各自特点，因此需要选择结合不同的控制策略才 能够使基本的u p q c 与无源补偿装置两者相当好地互补。如( a ) 通常利用串联 侧隔离谐波，压迫谐波与无功电流向电容器组流动，而并联侧则主要补偿安装点 电压畸变。( b ) 通常采用串联侧补偿电压，并联侧调节无源滤波补偿效果的控制 方式。 三相三线制与三相四线制在拓扑结构和检测控制方面都有很大不同，在拓扑 结构方面，三相四线制与三相三线制最大的不同在于串联侧不再是一个三相逆变 器，而必须是三个单相逆变器并通过三个单相串联变压器与电网相连。这是因为 在三相四线制系统中，电网电压可能存在不平衡现象，如果仍采用三相逆变器和 9 第二章统一电能质鼙调节器拓扑结构与工作原理 三相串联变压器，无法得到预期补偿效果。而采用三个单相逆变器，其工作互相 独立，可以达到较好的补偿效果。 2 ，2u p q c 功率流动分析 要对u p q c 工作机理进行详细分析，首先就必须分析其功率流动与平衡。 图2 3 给出一个三相三线制u p q c 拓扑结构图。 圈2 - 3 三相三线制u p q c 拓扑结构图 由电源流入u p q c 的总功率为： 只，= “。- f 。= 0 ，+ “。1 ) i 2 = “，i ，一“，i 2 + “( 1 i 2 控制u p q c 系统使： 吃= “。f 。一“，i 2( 几为u p q c 系统损耗) 对于串联变压器原、副边有“。l i ，= “。：i ，代入式( 2 2 ) 有： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 如= , i l 一, ，i 2 ( 2 - 3 ) 式( 2 - 3 ) 表明在控制u p q c 系统使( 2 2 ) 成立时，流入u p q c 系统的有 功总功率正好补偿了系统损耗。如果忽略系统损耗，可以认为在这种情况下两个 电力有源滤波器的输入、输出有功功率是平衡的。 两个逆变器之间的直流母线电流流过的有功功率包括从串联侧和并联侧输 入的有功功率两部分。 从并联侧输入的有功功率为： 匕姗= “，i 3 = 一“止，i 出2 ( 2 - 4 ) 从串联侧输入的有功功率为 巴州3 l n = ”。2 i l = “如，f 出 则式( 2 - 2 ) 变为 ( 2 5 ) 第二章统一电能质量调节器拓扑结构与工作原理 “。( f 。一f 。：) = 吃 当系统损耗可以忽略时，由式( 2 - 4 ) 和( 2 - 5 ) 可得 只。= “i 。= ( “。一“j i ，= 一只m 。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 通常负载端电压“，被控为与电网电压同相的额定正弦波电压。则上式表 明了u p q c 内部有功功率流动情况。当电网电压u s 高于额定值“，时，则 只；。 0 ，而民。 0 ，有功功率从串联侧进入，从并联侧流出；当电网电压 低于额定值“，时，则匕。 o ，有功功率从串联侧进入，从并 联侧流出。 2 3u p q c 补偿量检测原理 u p q c 补偿量检测方法是在a p f 补偿量检测方法基础上发展而来。控制方 法的不同需要选择不同的检测方法，而且一些控制方法只需检测电流谐波，亦可 以直接使用a p f 的检测方法。 2 3 1 a p f 补偿量检测方法 目前a p f 补偿量检测方法基本可分为两大类：傅立叶频域分析方法和直接 时域分析方法。 在传统的傅立叶分析方法中，要了解一个工频周期信号的频谱特性，必须将 个周期数据收集后再利用傅立叶变换才能得到其频谱特性然后经过频域处理 运算后才得到补偿分量，这种方法算法实现复杂，计算量大，要求处理芯片具有 很快的处理速度，而且每一次计算都需要收集一个周期数据，实时性差，该方法 很少应用。 目前应用较广的是实时递推离散傅立叶分析方法，它由传统的傅立叶分析方 法演变而来。其基本思想是先将非正弦波通过消除谐波处理后变为正弦波，再对 三相正弦波进行无功电流和不平衡电流分解，这种方法中的傅立叶分析目的只是 提取总的谐波含量，并不需要计算各次谐波，因此算法得到大大简化，得到了一 些实际应用。 实际应用中，被更广泛使用的是日本学者赤木泰文提出的基于瞬时无功功率 理论的检测方法，及在此方法上发展出的i p - i q 算法和基于由0 坐标系下的广义 瞬时无功功率检测法。 图2 - 4 所示如一i q 检测算法原理图。它是各种算法被最广泛使用的一种1 2 “。 第二章统一电能质量调节器拓扑结构与j 二作原理 豳2 - 40 一i 。检测算法原理图 舯c 一。i s i n c o t - “c o s o ) t g o sc o tn 0 9 l 一一s l k 该方法中，需用到与a 相电网电压e 。同相位的正弦信号s i n w t 和对应的余弦 信号- - c o s w i ，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个正、余弦信号发生电路得到。根据 定义可以计算出，经l p f 滤波得出、i q 的直流分量、。这里i ，和i 。是由协、f 6 卜 匆产生的，因此由i ，和i 。即可计算出切、f ”f 。，进而计算出i a h 、i 拍、i 曲。 其优点在于计算量较其它两种方法小，且在三相三线制下电流谐波计算结果不会 受到电源电压畸变的影响。 l 述几种方法也可以检测电压谐波，因此目前d v r 补偿量检测所采用的方法 也基本与上述方法相同。 2 3 2 u p q c 补偿量检测方法 当u p q c 要同时实现a p f 和d v r 两者的功能时，它既要检测电流补偿量 又要检测电压补偿量，而且两者必须由同一检测算法计算得到。如果采用各自算 法得到电流补偿量和电压补偿量，两者之间没有联系和基准，之间的不同步会造 成互相干扰和系统不稳定。因此在检测方面，在a p f 检测方法基础上提出基于 、义瞬时无功和功率平衡的f 序分量提取法。 浚方法首先从三相电源电压中提取电压单位正序分量，以其为基准得到所需 电压和电流补偿量。要得到电压单位f 序分量就必须要知道基波电压正序分量和 基波电压幅值。为得到基波电压j 下序分量可以将采样得到的三相电源电压经低通 滤波器滤去谐波后，再利用瞬时序分量分解，具体实现如图2 5 所示。 图2 - 5 基波电乐正序分解 2 笙三兰丝二皇堂堕篁塑兰墨堑盐笙塑量! 堡堕望一 孵，惜牝：i 料黯黝 l ， 拂川n ：一圭+ - ，孚 口。是基波正序分量与a 相参考电压之恻相差，即基波正序电压初相角。 使用基于瞬时广义无功功率的由口坐标变换经过低通滤波后可得到砌轴直 流分量，即可得到基波电压幅值，原理可用图2 - 6 表示。 即有： a b c d q 图2 - 6 基波电压幅值计算 c o s ( c o t 一2 9 3 ) s i n ( c o t 一2 州3 ) 在砌f = ) 坐标下，通过一个低通滤波器就可以得到d q 轴直流分量“中和“由， “* = 丽 ( 2 - 3 ) i | = u ： v 麟s i n ：( o 掰t + t g ；p ) 翱 4 ， 这样从电网电压中减去电网电压基波正序分量，便得到需要补偿的包含谐 “二= 2 2 0 x “：一“l ( 2 5 ) 分量相同。其幅值参考量为该采样时刻有效值可根据能量平衡原理求解。其有 坩 _ 搴 川川 w 十 十 凇咖 耐甜 誊眦 p。、l 压怄 = 1ll、jh h 第一二章统一电能质茸调仃器拓扑结构与t 作原理 ( 26 ) 其中根据负载实测平均功率与基波l 下序电流参考值从电网基波正序电压所 获得功率相等，可得到负载有功电流有效值。 = 等化屯矗h + “净 ( 2 _ 7 ) u p q c 并联侧有功电流有效值，。可根据u p q c 从电网吸收的总功率是否平 衡，反应在直流母线电容电压是否稳定。该电流幅值由电容电压实际值与参考值 之差经p i 算法给出。 。瑙( 咯* 。寸k ，心亭“出卜 cz 剐 最后，电源电流幅值参考量与基波正序单位参考分量相乘，再与负载实际电 流相减后即得到补偿电流参考值。 k = ，。“：一i “i m = “：一i ，自1 ( 2 9 ) t = ，“：一t 除了该方法外，还有一些算法采用自适应信号处理和神经网络信号处理理 论，利用历史数据进行模型辨识。但这些方法目前都有各自缺点，实现也较为困 难，均不成熟。 2 4u p q c 基本控制方案与工作原理 从图2 3 来看，通常电网电压是不可预测的，也是不可控制的。负载电流是 由负载类型与大小决定的，也是既不可预测也不可控制的；所能控制的只有电网 输入电流和负载电压。从这方面考虑，可将u p q c 的控制方案分为两种，一种 为直接控制电源电流为正弦，利用串联侧压迫补偿电流，即谐波和无功电流流向 并联侧；而并联侧处吸收谐波和无功电流外，还配合串联侧起着抑制电压闪变等 问题；另一种为问接补偿电源电流为正弦，并联侧作为a p f 补偿谐波，串联侧 作为d v r 补偿电压质量问题。根据不同的控制方案，u p q c 有着不同的工作原 理，目前这两种方法均受到广泛关注与研究，以下将其简称为方案a 与方案b ， 分别讨论。 2 4 1 方案 浚控制方案由赤木泰文在1 9 9 6 年提出u p q c 概念的论文中同时提出。它将 1 4 第二章统一电能质量调节器拓扑结构与工作原理 u p q c 看作是一个串联有源滤波器与一个并联有源滤波器的组合。串联有源滤波 器起到负载网络与电源之间的隔离谐波作用，阻止谐波电流从负载流进电源或从 电源流进负载，压迫谐波电流进入并联侧。并联有源滤波器的作用主要是吸收负 载所产生谐波电流。e h _ ：l 可见，采用该控制策略则必须使串联侧下游必须要有吸 收谐波部分，可以是并联侧也可以是无源滤波器，不能使用图2 1 ( b ) 所示拓扑 结构图。 在该控制方案中，串联有源滤波器控制方式为： v 。= k s r f 、 ( 2 - l0 ) 串联有源滤波器检测电源电流i 。，去掉其中的基波分量后，通过式( 2 ， 使其对基波阻抗为零，而对谐波呈高阻抗k s r ，从而起到隔离负载网络与电源之 间谐波的作用。 并联有源滤波器控制方式为： i n u m = k s 7 ”m ( 2 - 1 1 ) 并联有源滤波器检8 , u b 偿点电压，去掉其中基波分量后，对通过式( 2 - 2 ) ， 使其对基波阻抗呈无穷大，而对谐波呈低阻抗1 凰r ，从而起到吸收负载所产生 凿波电流作用。相当于压控电流源( v c c s ) 根据式( 2 - 1 0 ) 和式( 2 - 1 1 ) 可画出u p q c 基本拓扑结构的谐波补偿模型如 图2 7 所示。 由上图可得 “妯 幽2 7u p q c 基本拓扑结构谐波补偿等效电路魁 k 2 百焉一百焉k 瓦s r v 闶8 h ( z * 一k 蚝v m l + k w ( z 一k ) 11 + k m ( z 一k 。) ( 2 1 2 ) ( 2l3 ) 从式( 2 - 1 2 ) 和(