（电力电子与电力传动专业论文）新型控制策略下统一电能质量控制器的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 周控制和d e l t a 逆变技术。并提出了一种新的单周控制方法，在单周控制下实现控 制电压量的功能，并通过了仿真的验证 总之，本文深入研究了直接控制下的u p q c ，并取得了丰硕的成果，对u p q c 将 来的发展和研究起到一定的推动和指导作用。 关键词：统一电能质量控制器( u p q c ) ；有源电力滤波器( a p f ) ：控制策略； 单周控制( o c c ) ；直接控制： 坐奎点兰曼兰壁垒塞 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，n o n l i n e a rl o a d sa r ew i d e l yu s e di n p o w e rs y s t e m ，w h i c hb r i n ga b o u ts e r i o u sh a r m o n i c sp o l l u t i o na n db i gc u r r e n to fr e a c t i v e p o w e r i nt h es a m et i m e ，t h el o a di n c l u d i n gh i g h - t c e ha n dh i g hp r e c i s i o ni sd e v e l o p i n g r a p i d l y , w h i c ha s k f o rh i g hq u a l i t yp o w e r i nt h eo t h e rh a n d , t h ep o w e rn e ti sb e c o m i n g b i g g e r ，t h ed i s t u r b e r sb e t w e e nd i f f e r e n tp a r t so f t h ep o w e rn e tb e c o m i n gm o r es e r i o u s s o ， t h ep o w e rq u a i l t ya n ds a f e l yo p e r a t i o no fn e ta r eb e c o m i n gb r i r l e t h eu n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n d i t i o n e r ( u p q c ) i st h ep o w e r f u lt o o tt oc o m p e n s a t et h ef i u c t u a t l o na n d h a r m o n i co f p o w e rl i n ev o l t a g e , a n dr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n to fl o a d s i nt h i sp a p e r , t h et o p o l o g yo fa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i ss t u d i e dd e e p l y , u s i n g d l f f e r e n ta p fi nd i f f e r e n tt o p o l o g i e s 幻c o m p o s ev a r i o u su p q c s , a n dt h e nc l a s sa l lt h e u p q c si n t ot w od i f f e r e n ts o r t ：d i r e c tc o n t r o ia n dd i r e c tc o m p e n s a t i o n n o t i c e t h e c o n c e p to fd i r e c tc o n t r o li sp r o p o s e di nt h ef i r s tt i m e p e o p l ea r eu s e dt oc o n t r o l l i n gt h e u p q ci nt h ew a y o fd i r e c tc o m p e n s a t i o n ，i e 。i ti st h ef i r s ts t e pt 0d e t e c ta n dc a l c u l a t e t h ea b e r r a n c eo f c u r r e n ta n dv o l t a g e 一t h ef l u c t u a t i o na n dh a r m o n i co f p o w e rl i n ev o l t a g e ， a n dr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n to fl o a d s ，t h es e c o n ds t e pi st o p r o d u c et h e a b e r r a n c eo fc u r r e n to rv o l t a g eu s i n gt h ei o v e a e rc oc o m p e n s a t et h el o a d sc u f r e n to rt h e l i n ev o l t a g e i nt h i sw a y , t h ep r e c i s i o na n dt h er e a lt i m eo fc a l c u l a t i o no ft h ea b e r r a n c e w i l li n f l u e n c et h ee f f e c to f t h ec o m p e n s a t i o n h o w e v e r , i ti sp u z z l et oc a l c u l a t ea b e r r a n c e o fj n s t a n t a n e o u sv o l t a g ea n dc u r r e n to np o w e rn e li nr e a lt i m e s o an o v e lu p q ci s p r o p o s e dw h i c hu s e dan o v e ls t r a t e g yo f c o n t r o l ，t h e r ea r en on e e dt od e t e c ta n dc a l c u l a t e t h ef l u c t u a t i o na n dh a r m o n i co fp o w e rl i n ev o l t a g e ，a n dr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c c u r r e n to fl o a d s i nt h i sc o n t r o ls c h e m et h es e r i e ss e r l a 】a c t i v ep o w e rf i l t e ri se o n t r o l m da s ac u r r e n ts o u r c ea n dm a k e st h ei n p u tc u r r c n ts i n u s o i d a l ，w h i l et h es h u n ta p fi sc o n t r o l l e d a sa v o l t a g es o u l x ：ea n dk e e p st h ei o a dv o l t a g ei nt h en o r m a lv a l u e i nf a c t t h es e r i e sa p f c o m p e n s a t e st h ef l u c t u a t i o na n dt h eh a r m o n i co ft h es o a r c ev o l t a g e ，a n dt h es h u n ta p f c o m p e n s a t e s t h eh a r m o n i co f t h en o n l i n e a rl o a d f i r s t l y , t h ee q u i v a l e n c eb e t w e e nd i r e c t l yc o n t r o la n di n d l r e e t l yc o n t r o lf o ra p fi s d i s c u s s e d t h ec o m p e n s a t i o np d n c i p l ei sa n a l y z e d , a n ds i m u l a t i o ni np i s mv e r i f i e dt h e 山东大学硕士学位论文 e f f e c t i v e n e s so f a p p l y i n gs u c hc o n t r o ls t r a t e g yi no n e p h a s ea n d t h r e e p h a s eu p q c t h e n ，t h ed i r e c tc o n t r o li se x t e n d e d ，a n do n e - c y c l e - c o n t r o l ( o c c ) a n dd e l t ai n v e a a r ei n c l u d e d i ti st h ef i r s tt i m et ou 辩o c ci nu p q ct oc o n t r o ll o a dv o l t a g e a n di ti s v e r i f i e df e a s i b l eb ys i m u l a t i o ni np i s m i no n ew o r d ，t h i sp a p e rg i v e st h er e f e r e n c eo fd i r e c tc o n t r o ls t r a t e g yi nu p q c ，a n d w i l li m p r o v et h ed e v e l o p m e n to f t h eu p q c k e y - w o r d s ：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 r ( u p q c ) ； a c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f ) ； c o n t r o ls t r a t e g y ；o n e - c y c l ec o n t r o l ( o c c ) d i r e c tc o n t r o l i v 虬一一电网电压 虬一一给定的电压参考值 址一一直流电容的电压 e 一一直流参考电压 + 一一电压幅值 符号说明 一一负载电压 一一控制的负载电压的理想值 一一电网高次谐波电压 “。一一串联有源滤波器通过 串联变压器补偿的电压 t 一一电网电流 乏一一并联有源滤波器补偿的电流 ，。一一变压器一次侧电流的基波幅值 一一负载的基频有功电流 f - 一一双闭环控制电路中通过 外环产生的内环电流跟踪目标值 0 。c ，一一串联a p f 的输出无源滤波器 彩一一角频率 k 一一受控源的等效电阻值 p 一一功率 f一一频率 以一一滤波器系数 一一三角波载波电压幅值 u 一一s p w m 逆变中直流侧电压 一一负载侧电压的控制目标量 吒+ 一一负载参考的正弦交流电压 一一电网基波电压 “玎一一负载基波电压 t 一一负载电流 葶 一一变压器二次侧电流的控制目标量 一负载高次谐波电流 0 一一负载的基频无功电流 邬：g ：一一并联a p f 的输出无源滤波器 舻一一初相角 k 一一变压器的变比 t 一一时间 d 一一开关管的开关占空比 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：叠益肇 日期：型堕：幺兰 il 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权 山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储鹳婶师鹕：蚴。一：渺略 山东人学_ 呗】：学付论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，电能作为种国民生活的基础能源，直接影响着人民的生活，国家的安 全和社会的进步。电能又是一种特殊的商品，不仅仅是电厂和电网给用户提供合格 电能就结束，而是用户的负载成分反过来也影响着整个电网的电能质量和运行安全。 所以，有效的提高用户端电能质量，抑制用户发出的凿波和无功，减小电网中的谐 波和无功流量是整个电力行业的重大课题。 从用户端来看，截至蛰j 2 0 0 3 年底，全国认定的高新技术企业为3 3 3 9 2 家，2 0 0 2 年至2 0 0 3 年，全国营业总收入过亿元的高新技术企业实现工业增加值7 8 5 6 亿元，高 新技术产业已经成为工业增加的主要力量之一，且发展迅速。高新技术的应用，尤 其是计算机、现代控制理论、精密测量技术等的应用，使得敏感电力负荷所占的比 重日益增大，供给电能不仅需要安全，经济，更需要保持优质运行。 同时，随着社会电气化程度的提高，现代电力电子设备在各领域得到广泛应用， 如变频调速装置、开关电源、感应加热、电气化火车等设备在生产、生活中的应用， 使生产效率得到提高，人民生活水平得到改善。但这些非线性负荷的大量使用，影 响系统的电气运行环境，成为制约电能质量提高的因素。 从供电方来看，为提高电力系统运行的稳定性，电网规模不断扩大，彼此之间 的联系不断加强，此时更需要综合协调处理各个部门。任何局部故障或事件部可能 造成大面积影响，甚至重大损失。因此，只有综合提高电能运行质量，才能提高抵 抗局部干扰和故障的能力，更好地维护电网安全运行。 美加大停电以后，为了减少用户对电网的污染程度。2 0 0 3 年美国j n , n 电网公司 起草了用户电量收费新方案，其中提到将来对用户的收费不仅仅根据用电量的多少， 还要根据用户从电网中吸收无功的大小和注入电网谐波的多少来收取不同标准的费 用，也就是说，将来的用户要为自己吸收的无功和送出的谐波付出更高费用，迫使 用户自觉优化自己的负载。为优化负载，世界各国都为电器设备的生产提出不同的 山东丈学硕士学位论文 电磁兼容标准，如我国的3 c 认证等。再者，不同用户对电能质量的要求也有所差异 所以，面向每个用户的个性化电能质量控制器有了广阔的市场前景和发展空间。 可见，提高电能质量，实现提供不同标准的电能质量是现代社会发展的需要， 是供用电双方的共同愿望，也是电力行业的重要课题。 1 2 电能质量的基本问题 1 2 1 电能质量的特征 电能是一种特殊商品，有其自身的特，征【l 】： l 、电网的电能质量始终处在动态变化中：电能从发电生产到用户消耗是一个整 体，电能量的流动始终处于动态平衡之中。并且整个电力网的电能质量随地、时、 结构、负荷的变化而始终处在动态变化中。 2 、电力系统是一个整体，其电能质量状况相互影响：电能不易储存，其乍产、 输送、分配和转换过程直至消耗几乎是同时进行的。生产与消费同时进行，任何一 处故障，既是受害者也是破坏者。 3 ) 电能质量扰动的潜在危害与广泛传播：电能质量扰动现象多，诱发条件复杂， 对设备危害有时并不立即显现，具有潜在性。由于电力线对扰动传导的高速、面广， 所以其危害和影响具有快速传播性。 4 ) 有些情况下用户是保证电能质量的主体部分：由于用户用电设备反作用的影 响，电能质量的某些方面更多的受用户左右。 5 ) 对电网的电能质量指标进行综合评估非常困难：目前尚无一个准确的和普遍 认可的定量综合评估计算方法。 6 ) 改善电力系统电能质量是一项系统工程：从整个电力系统来讲，保证优质电 力生产和用户安全使用还要靠多方共同努力。 1 2 2 电能质量问题的存在 目前的市电电网存在着严重的电能质量问题，如：电压中断、电压升降、不平 山东大学硕 ：学位论文 衡、谐波、波动等等这是由于市电电网的复杂性，例如容量的不足，输变电和各 种配电设备的性能及质量问题，各用电设备配置的不合理、设备之间的相瓦影响以 及配电系统中各种非线性负载的增加，电力半导体变流设备的广泛应用，自然界的 雷击地电及人为因素的影响，使得供电质量逐渐地恶化，主要表现为市电电压的波 动，谐波、闪变等。市电的恶化往往给用户带来较大的损失。同时，用户负载中的 异步电动机、变压器、荧光灯等一些阻感性负载和电力电子装置的大量应用，也引 起了谐波和无功功率的大量产生，不仅增大了市电电网的负担。也造成了市电电网 的严重污染。 由于供电系统中的非线性元件和负荷的原因，配电系统中的电压和电流波形均 有可能偏离正弦波，即发生畸变。广义上说，基频电流与基频电压之间的相位额定 值也被认为是波形畸变，三相系统中的不平衡电流亦可归结为三相系统中的一种波 形畸变。因此，引起电能质量的闯题均可归结为波形畸变，这也就是通常意义上的 无功功率，谐波，三相不平衡电压波动及电压闪变。众所周知，上述波形畸变无 论对供电系统本身还是对用户都有一定的影响。主要表现为一下几个方面【2 1 ： ( 1 ) 产生附加损耗：设备及线路损耗中，q 2 r u 2 就是无功功率引起的损耗；谐 波同样也产生附加损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率：大量3 谐波流过 中线时，线路过热甚至引起火灾。( 2 ) 影响各种电气正常工作：无功功率增加 各种供用电设备的容量；谐波会产生机械振荡、过压、噪声，引起变压器、电 容电缆等设备过热和绝缘破坏等。 ( 3 ) 影响电网运行安全：谐波会引起公用电网局部并联谐振和串联谐振，使谐波 放大，损坏各种运行电气设备；冲击性无功功率引起电压剧烈波动等。 ( 4 ) 谐波引起测控仪器的误差，会导致继电保护和自动装置的误动作。 ( 5 ) 产生附加磁场：干扰通讯、电子装置和计算机系统，使其产牛错误信号 因此，改善电能质量的需求愈来愈高。仅就营波一项，我国至少7 0 以上工，的电 网需治理。世界各国纷纷制定了各种限制谐波的法规，如美国的i e e e 5 5 5 - 2 、欧溯的 i e c 、我国的g b t 1 4 5 4 9 9 3 等。 山东人学颁一 ：学付论文 1 3 电能质量的补偿技术的现状 电能质量补偿装置、控制装置实际上是连接在供电系统和用户负荷之间，并且 通过他们的调节作用以改变系统或用户侧的各项电量参数的一类设备。近年来，用 户电力技术( c u s p o w ) 成为研究和实用热点，它是一种面向低压配电系统快速发展 起来的新型电力技术，主要解决供电的可靠性和电能质量控制问题。随着电力电了 器件的高频化和集成化，c u s p o w 技术更方便、更灵活、更实用的推广开来，成为控 制电能质量的主要工具。其中不乏有源电力滤波器( a p f ) 、不间断供电断电源( u p s ) 、 开关稳压电源、动态电压恢复器( d v r ) 、静止无功补偿器( s v c ) 、静止无功功率 调解器( s t a t c o m ) 等等。 1 9 7 6 年g y u g y il 等提出的有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e ra p f ) 圳成 了电能质量补偿技术中的关键环节，主要可分为串联型装置和并联型装置。其中并 联型补偿技术比较成熟，在日、美等发达国家得到广泛应用，仅在日本己有五百多 台a p f 应用于工业领域，容量从5 0 k v a 到6 0 州a 。串联型补偿装置是最近几年新兴和发 展起来的一类补偿装置，a b b 和西屋公司的d v r 都是用来抑制电压跌落的串联型有源 滤波技术，并且各种装置实际的应用获得了很好经济效益。 但是单独串联或者并联有源滤波器应用时，有一定的不足：不能同时补偿电压 和电流扰动、需要考察负载特性、往往以检测补偿量为前提、且单独使用的成本也 高【3 3 5 1 3 6 1 。1 9 9 6 年。日本学者a k a g ih 在总结串联和并联有源滤波器各自特点基础 上，按f a c t s 技术中的统一潮流控制器( u p f cu n i t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 思路 提出了统一电能质量控制器( u p q cu n i f i e dp o w e ro u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 的概念 3 7 1 。它同时具有串并联a p f 的优点，它抑制低级电网谐波和无功电流流向高级电网 的同时，补偿高级电网中电压波动和谐波，为低级电网提供更高质量的电压【3 2 1 。现 已成为国内外控制电能质量方面研究的热门课题。 1 4 统一电能质量控制器( u p q c ) 的研究现状 u p q c 诞生于并联a p f 和串联a p f 的结合，所以我们要研究u p q c 的现状就首先要跟 山东大学颂i ：学位论文 踪a p f 的研究现状 随着电力电予技术的发展，特别是大功率高频电力电了器件的不断发展。a p f 得以飞速进步。a p f 在拓扑结构上看；以其直流储能元件类型分为电压逆变器和电流 逆变器：以其介入系统的方式分为串联( 补偿谐波电压和阻尼谐波振荡) 和并联( 吸 收谐波电流) 但基本拓扑结构的a p f 有容量大、费用商、器件要求高( 高频) 、保 护和工艺难的缺点。故它常常与无源滤波器的结合，可以利用无源滤波器来分担蓐 波无功以及5 、7 等低次谐波的补偿，a p f 只补偿高次谐波，扩大整体容量。如：1 9 8 8 年p e n gf z 提出一种串联a p f 结合并联无源滤波器的混合结构口羽。1 9 9 1 年f u j i t a 等 提出一种a p f 于无源滤波器串联的混合电力滤波器拓扑结构p 9 1 ，以后得了到进一步 的研究吲。为了扩大容量，很多学者研究了多重化级联结构和多单元的串并联结构 5 1 6 1 1 7 1 嗍1 9 ，如早期1 9 9 5 年p e n gf 连提出带独立电压源的单相桥式逆变器组成的新 型a p f 拓扑，可以无需变压器而直接接入i o k v 电网。 在有源滤波器的补偿分量检测方法的研究方面，人们一开始用无功功率珲论来 解决补偿分量问题但此理论来指导和实现有源滤波器，系统谐波不能得到完全补 偿。日人本人a k a g ih 提出的建立在三相对称的正弦系统的瞬时无功功率理论l 删最 为流行，该理论从单相系统的有功与无功功率理论出发，将三相系统在p - q 坐标中分 解电压和电流，最后将无功功率通过电压、电流的瞬时值表示出来，其最大的意义 就是突破传统的频域定义无功功率的方法，对实时无功功率控制和有源滤波器的实 际应用起到了较大的推动作用。但是，该方法更多的用来计算谐波电流总量。或者 谐波和无功电流的总量，对谐波分析具有较大的局限性。后经我国学者的研究将其 改造以适应谐波补偿的检测【i o ，也可以检测各次谐波【1 l l 2 1 但是，应用该理论在进 行谐波补偿分量计算时，需要进行大量坐标变换，运算量大。影响有源滤波器的补 偿速度。另一方面，人们也在频域内进行大量的相关研究，虽然可通过傅立叫分析 简化计算4 ”u 3 1 ，但至今无法实时的跟踪补偿。实际上，通过检测计算未知扰动的 配电系统中的谐波分量实在不易实现，人们研究了有模型识别意义的谐波补偿分量 的无延时检测方法。利用历史数据进行模型辨识，采用自适应信号处理理论和神经 网络信号处理方法【1 4 1 【1 5 1 进行谐波补偿分量检测的研究，但终究离不开历史数据的限 制最后，人们不得不把目光转向控制策略的研究。 5 山东大学硕七学位论文 有源滤波器的控制策略研究近几年成为了热点。实际上，有源滤波器的控制有 两层：外层指令电流的产牛和内层电流的跟踪。第一层( 即内层) 直接面向电力电 子主回路实现指令电流的跟踪，主要有两种控制方法，一、脉宽调制技术( p w m ) ， 另一种、滞环控制( h y s t e r s i sc o n t r 0 1 ) 这两种控制方法在实际中均得到广泛应用。 电子器件高频化以后，基本上都能满足内层控制要求。因此有源滤波器的控制丰要 转向外层控制的研究，根据指令电流的得到方式分为：负载电流检测控制方式和电 源电流检测控制方式( 朋。负载电流检测控制物理意义明确，但属于开环控制；电源 电流检测控制属于闭环控制i l “，单独应用都有缺陷。将两者结合起来组成复合控制， 应用具有较强非线性特征的变结构控制【4 2 l 和模糊控制组成的控制器，实现变结构控 制【1 7 】【1 8 】，但是变结构控制本身存在开关的抖动问题。1 9 9 1 年有留美华人马克跃 ( k e y u em a s m e d l e y ) 提出的单周控制【4 习给人耳目一新的感觉，并逐渐应用至i j a p f 中1 4 5 1 。它不需检测，用简单的复位积分器实现电压电流关系，直接给出恒频的电 力电子器件开关信号，大大简化了电路，而且跟踪速度快，滤波和保护容易。目前， 单周控制在a p f 中的应用全部用来控制电流，没有电压的控制，应用还未成熟。 单独的并联a p f 会对电源产生谐波电流干扰；单独的串联a p f 会导致负载供电 电压严重畸变。因此，1 9 9 6 年a k a g ih 在总结串联和并联有源滤波器各自特点摹础 上提出t u p q c 的概念。其基本思路串联补偿检测电源电流，通过控制使补偿点对 谐波频率呈大阻抗，而并联补偿检测补偿点电压，通过控制使补偿点对谐波频率呈 低阻抗，这样一方面可基本维持负载供电电压质量，另一方面可补偿谐波电流。当 时这种u p q c 主要用于主配电变压器出口的谐波电流补偿。j9 9 8 年a k a g ih 等提出适 合补偿闪变电压而维持负荷供电电压波形的u p q c 拓扑结构m 】，并对适合补偿谐波 电流和抑制闪变电压的控制策略进行了深入研究，重点分析u p q c i 内部的瞬时有功 功率和无功功率潮流控制，通过实验进一步证实u p q c 在改善电能质量的有效性。 很多学者继续研究u p q c 的工作特性【4 7 】、电压电流检测计掣1 引( 2 0 l1 4 8 1 ，以及优化控制 和拓扑结构，但是，更多的离不开电压电流补偿量的检测计算，影响实时性和成本。 也出现了一些不需检测计算畸变量的新型控制策略出现【2 1 】1 2 2 l 【4 9 】。这看似远离了现 代化的高速计算轨道，却是补偿控制的另个分支：直接控制的进一步发展。所谓 直接控制，是相对于以前有源滤波器中习惯于先检查电压电流畸变量，然后跟踪补 山东大学硕l = 学俺论文 偿的直接补偿法而提出来的，它直接控制电网流入电流或者负载电压，未必一定检 测谐波的畸变量。 统一电能质量控制器从有源滤波器发展而来，继承了有源滤波器的固有本性， 这是理所当然的，人们沿着有源滤波器的直接补偿法研究统一电能质量控制器【5 0 1 睁“，也是情理之中的，这也是眼下u p q c 研究的主流方向。这种方式下的u p q c ，检 测电路复杂、成本高、实时性差等，难以大范围的推向低压用户。但是，统一电能 质量控制器毕竟是串并联有源滤波器的结合，有其自身特点，如本文提出的直接控 制法在u p q c q ，的应用，将有力地解决了成本和实时性问题。 1 5 本文主要工作 1 ) 分析了u p q c 的现状，目前的u p q c 离不开电压电流畸变量的检测，往往影响到其工 作的实时性、精度以及成本的高低。 2 ) 总结了有源滤波器的补偿原理及其拓扑结构，推广应用到u p q c 。分析t a p f 直接 控制电压电流的理想目标量与直接补偿电压电流畸变量的等效原理，并在此基础 上提出的u p q c 一种新型控制策略：直接控制策略。进而将u p q c 的控制分为两类： 直接控制和直接补偿。 3 ) 设计了双闭环电流等效策略下的u p q c 控制器，并通过仿真实验，验证了等效控制 策略在单相、三相三线、三相四线制中的应用。 4 ) 将直接控制策略进一步拓宽，涵盖了单周控制和d e l t a j 瞪变技术提出一种单周 控制在u p q c 中新的应用结构，解决了单周控制无法控制负载电压的问题，并通过 仿真验证。分析了两者的优缺点，提出两者结合的建议 5 ) 研究了滞环比较控制的周期，提出一种恒频无偏差控制，并通过了在s a b e r 下仿 真验证，有利于跟踪控的进一步发展。 7 山东大学颈十学何论文 第二章u p o o 的发展过程及其基本结构 统一电能质量控制器( u p q c ) 产生于串并联有源滤波器( a p f ) 的结合，它继 承了有源滤波器的绝大多数特点，所以人们沿着原来研究有源滤波器的思路研究 u p q c 是情理之中的。但是u p q c 毕竟是串联a p f 和并联a p f 的结合，有其新的 特点需要我们研究。要研究u p q c 的基本结构，首先来研究a p f 的摹本结构。 2 。1 有源电力滤波器( a p f ) 的阻抗原理 2 1 1 受控源对支路阻抗的基本原理 ( 1 ) 受控电压源变换支路阻抗 图2 一i l a 中，各矢量定义和方向如图所标。有源单元，即电压源是受控的。原 支路阻抗为z o ，加入有源单元后，等效阻抗为 乙= 等当- 7 “- 屹= z o + 芋 由于电压源是可控的，因此，支路阻抗也是可变的。 学甜 卜一j 乙叫卜旦一 图2 一la 、受控电压源变化支路阻抗图2 一lb 、受控电流源变化支路阻抗 图2 一i 受控源变化支路阻抗 当电压受控于支路电源电流i 时，即= 七口，组成电流控制电压源( c c v s ) ， 受控源等效为一个k 值电阻，支路阻抗为：乙= z 0 + 七；当受控于z o 两端电压吒时， 即吃= 七吒，组成电压控制电压源( v c v s ) 。此时受控源等效为一个与z o 成比例的阻 抗，则z = ( 1 + t ) z 0 。 山东大学硕 ：学静论文 可见，加k c c v s 改变了支路的阻抗：加) k v c v s ，可使支路导纳为0 0 ( 当k = 一l 时) ( 2 ) 受控电流源变换支路阻抗 另一种改变支路阻抗的方法如图i b ，在原支路z 0 上并联一个受控电流源。各矢 量含义和方向如图中所标。显然，由于有源单元的加入。其支路等效阻抗为； z f ；善；占：【_ ( 2 - 2 ) 乏2 了2 巧百2 1 互 z 0 y 同理，支路导纳是可控的可组成电流控制电流源( c c c s ：= d z ) ，支路等效 阻抗为：互= 熹，当k = 一1 时，乙专m 。，即支路阻抗为无穷大：而组成电压 控制电流源( v c c s ，l = 舡y ) 时，受控源可被视为导纳为l k 的电导，此时，支路的 等效阻抗为：乙：z 0 。 此外，k 可被控制为更复杂的变量。 2 1 2 阻抗变换原理对电力滤波器的归纳1 2 3 电网支路补偿点 图2 2 滤波器简化三支电路谐波等效电路 任何简单或复杂的谐波补偿系统可简化为3 支路的谐波等效电路，分别称为：电 网支路，负载支路和滤波支路( 以下标s 、l 、f 表示) ，如图2 - - 2 所示。负载的非线性 产生的谐波电流可视为谐波电流源 5 2 】【5 3 1 而负载的线性部分可表示成复阻抗z ， 按线性叠加原理，当基波无功已被校正或不需要校正时，z ，为正实数。如图2 - - 2 ， 磊、乙即电网和滤波支路的等效谐波阻抗 9 山东大学硕十学侍论文 由图2 2 可以得出电源电流和负载电压分别受到电源谐波电压和负载产牛的谐 波电流的影响： 厶= z r 生+ 一z , l + 丽1 = q ( s ) 屯+ 匕，吃 2 - 3 吃= 袅匕一箍屯咧帆一z l ( 乩 ( 2 - 4 ) 式( 2 - 3 ) 的第l 项表示非线性负载产生的谐波电流对电网的传递，第2 项表示由电 网谐波电压产生的谐波电流。式( 2 - - 4 ) 中第1 项表示电网谐波电压对负载的影响， 而第2 项表示了负载谐波电流产生的谐波电压。 按谐波抑制系统的目标，理想情况下，式( 2 - - 3 ) 和( 2 - - 4 ) 趋于0 。从支路阻抗的 观点，可采用的技术途径有，增大电网等效谐波阻抗互；减小滤波支路等效谐 波阻抗z ，；增大乙与减小乙相结合的综合方案。 途径、理论上是欠完善的。比如，仅使电网侧等效阻抗z 增大为一，如果 滤波支路阻抗乙过大，则在负载侧，仍将因负载谐波电流而引起极大的谐波电压。 再如，仅滤波支路等效谐波导纳乓增大为一，而电网支路阻抗一般极小，因此，系 统对电网谐波电压十分敏感，容易谐振。途径称为混合方法，它同时增加电网支 路阻抗和减小滤波支路阻抗，是一种较为完善的方法，式( 2 - - 3 、2 4 ) 中四个传 递函数可以同时趋于零。理论上可有效阻止谐波电压电流在电网侧和负载侧的传递。 而且，电网侧谐波电压在系统中不产生谐波电流，负载侧谐波电流在负载端产牛的 谐波电压也较小。 2 2 有源滤波器的基本结构 2 2 i 并联有源滤波器的基本电路结构 1 9 7 6 年美国西屋公司的l g y u g y i 提出了用脉宽调制( p w m ) 逆变器电路构成并 联有源电力滤波器，从原理上讲，并联的p w m 逆变电路是一个可控电流源，他产生 谐波补偿电流注入电源系统中抵消谐波和无功电流分量f ，使电流源成为正弦 山东大学硕 学位论文 波，且功率因数接近1 图2 3 给出了并联a p f 的基本原理结构a p f 使得如下式了 成立： 图2 - - 3 并联型有源滤波器的基本原理结构 i i = i l + i 口 i l = v + i u l 2 一h i i = i l + i c = i h ( 2 - 5 a ) ( 2 5 b ) ( 2 5 c ) ( 2 5 d ) 式中i q 为负载电流的基波分量，为有源滤波器的理想补偿电流，么负载电流的营 波分量。而且实际应用中，有源滤波器补偿的电路t 往往还包括无功分量和不对称 分量( 三相电路) 。 并联有源滤波器的拓扑结构：并联有于滤波器的功能就是补偿谐波电流，因为 直接并联在电网上的有源滤波器式无法控制大系统电网电压的。根据不同的根据控 制信号，有不同的电路等效结构。如下 第一、c e c s 实现的并联a p f ，检测电网电流中高次谐波，= 一帆，用来改变电网电 阻，当“。一1 时，电源与负载之间的等效电阻z 埘2 素戋2 ，阻断高次谐波电流， 使得电网支路谐波电流为零( l _ 0 ) ，如图2 - - 4 a 。 第二、c c c s 实现的并联a p f ，检测负载谐波电流t = 七么，用来改变短去负载谐波 电流，负载电阻当k = - - 1 时使得o = ( 1 + t ) 屯= 0 ，从电网向外看过来，补偿支 路与负载对高次谐波的同等效电阻：z 叶a o 如图2 4 b 不过从电路中可以看 山东大学硕士学位论文 出，负载两端的谐波电压受到电源电压的影响，也可以说此方法下的补偿，负载电 压对电源谐波电压比较敏感。 图2 4 a 、检测电源流入电流中的谐波电流 图2 4 b 、检测负载电流的高次谐波电流 图2 - - 4 并联a p f ( c c c s ) 及其等效电路 第三、v c c s 实现的并联a p f ，检测负载上的谐波电压来控制输出的补偿电流，即 = k ，如 2 - - 5 ，逆变器等效一个并联阻抗i k ，改变负载侧等效阻抗，使负 载导纳增大到有限值。 k i 屯 f摊 i 。= k y f h i 。b磁i l 。h 乎 扯苣 习 li 图2 - - 5 并联a p f c v c c s ) 及其等效电路 2 2 2 串联有源滤波器的基本电路结构 串联电力有源滤波器是1 9 8 8 年f z p e n g 等人提出来的，有较多优势的一种结构， 串联a p f 与并联p f 一共使用。串联a p f 的基本结构一般由逆变器通过变压器串联在 山东大学硬士学位论文 主电路中，变压器毛电路侧往往产生一个谐波电压，用来抵消电网谐波电压这个 谐波电压的产生往往通过变压器对高次谐波的高阻抗分压得到，后边负载对高次凿 波电流阻抗不能太高，所以串联有源滤波器一般不单独使用串联a p f 的摹本电路 如1 蛩2 - - 6 所示，使得如下方程式成立： z ， n 图2 6 串联a p f 的基本电路结构 吒2 巳4 - ( 2 - 6 a ) 巳2 8 咖+ + a e 4 ( 2 - 6 b ) = 一( + 8 0 )( 2 - 6 c ) “l 2 e l + “t 2 e 毋q 6 d ) 式中为电网基频标准电压，虬为有源滤波器的理想补偿电压。负载电流的谐 波分量，电网基频电压的波动。 串联有源滤波器的拓扑结构：串联有源滤波器的一次侧电压最终应该是一个要 补偿的谐波电压，根据控制的信号不同，可以分成三种，并分别给出等效电路图。 第一、如图2 7 a ，c c v s 实现的串联 p f ，检测电源电流控制方式( v e = k i n , ) 肼1 脚1 ，改变电网电阻z j 一互+ 女，使得z j 增大有限值，限制该支路谐波电流，而对 基波有功电流阻抗为零，从而控制电源电流为正弦基波电流。其优点在于将电流弓l 入闭环控制，它不仅能补偿负载侧基频电压【0 引起的电源电流i s 畸变，还能补偿 电源u 畸变引起的砖畸变但是其补偿效果取决于k 的大小，k 越大，补偿效果 越好。为了保证控制系统的稳定，k 不能取得过大 2 5 1 这是该控制方式的不足之处 13 山东大学硕 ：学位论文 第二、如图2 7 b ，v c v s 实现的串联a p f ，检测电源谐波电压的控制方式 ( 跆= k ) ，串联a p f 以电源谐波电压为控制输出目标，来抵消电源谐波电压， 使得负载免受电源谐波电压的影响。但是，电网电流对负载谐波电流较敏感。 第三、如图2 7 c ，v c v s 实现的串连a p f ，检测负载电压的控制方式( v c = k 巧) 。 对电流而言，该控制方式属于开环控制，因此不存在稳定性问题。另外，直接检测 巩，其补偿效果只取决于谐波电压的检测精度和p w m 逆变器的控制精度，补偿效 果与后值的大小有关。所以，该控制方式的补偿效果应该比检测电源电流控制方式 好。但它存在着开环控制的一些缺点，特别是对由于u 畸变所产生的电源电流谐波 无法补偿。 图2 7 a 、串联a p f ( c c v s ) 及其等效电路 ( 检测电源电流控制方式) 2 7 b 、串联a p f ( v c v s ) 及具等效电路 ( 检测电源谐波电压) 隧醒 2 7 c 、串联a p f ( v c v s ) x 及其等效电路( 检测负载谐波电压) 图2 7 串联a p f 及其等效电路 2 2 3 混合有源滤波器的基本电路结构 混合型有源滤波器，为弥补单独使用a p f 的不足【见2 1 2 】，逐渐流行了有源 和无源相结合的混合型有源滤波器。串并联有源滤波器( a p f ) 分别与无源滤波器 ( p o w e rf i l t e rp f ) 的混合使用有很多种类，也采用很多的控制方法，包括复合控制 l4 山东大学硕上学静论文 方法等，这几简单拿出几种典型的例子仅作代表。 第一、串联混合有源滤波器，a p e 众多拓扑结构中，1 9 8 8 年f z p e n g 等人提出的一种 结构( s h a p f ) 具有很多的优势，它将串联a p f ( c c v s ) 与并联p f 混合，等效电路见图2 - - 7 a 另一种如图2 8 所示，e h v c v s 控制的a p f 与p f 串联实现的滤波器，其特点是a p f 在p f 支路，控制的a p e 的信号也是关于p f 的电压：k = k 其等效阻抗为 互= ( 1 + t ) z j ，当k = 一1 时，z = o ，可以将谐波电流源的谐波电流有效的短之， 阻止其流向电网。图2 9 中给出了两种新型串联混合有源电力滤波器单相原理框图 及其等效电路，图2 - - 9 a 中a p f 逆变器输出并联一个工频谐振l c 电路，乙为l c 折算电 阻，可以将变压器二次侧中基频电流短去，有效的减小逆变器的容量”m 。但是a p e 等效电阻有原来的k 变成了k 乙，电阻模值一定小于k ，k 值的减小必然带来a p f 滤 波效果的降低。图2 9 b 中，a p f 逆变器输出串联一个工频谐振l c 电路，互为l c 折算 o0 电阻，串联有源滤波器等效阻抗变成了足与乙之和，而且乙幅值随着频率向着工 频的远离而迅速增大，因此有源部分只需对电网中的低频成分进行部分补偿。提高 了直流电压的利用率，降低了逆变器的容量3 4 】。 豳邈 图2 8p f 与a p f ( v c v s ) 串联混合组成的并联型a p f 的等效电路 图2 9 a 、输出并联l c 的新型串