（电力系统及其自动化专业论文）并联型复合电能质量扰动及补偿的控制方法与实现.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t m 7 6 u d c ：6 2 1 3 d i s s e r t a t i o nf o r t h ed o c t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g t h eco n t r o lm e t h o da n dr e a l i z a t i o no np a r a l l e l c o n n e c t e d c o m p o u n d p o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c ea n d ，1j l 0 m d e n s a n o n c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： d e p u t ys u p e r v i s o r ： a c a d e m i c d e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e n c e ： s h a nr e n z h o n g p r o f x i a ox i a n g n i n g p r o f y i nz h o n g d o n g d o c t o ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n s c h o o lo fe l e c t r i ca n de l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g j u n e 2 0 1 0 d e g r e e - - c o n f e r r i n g - i n s t i t u t i o n ： n o r t h c h i n ae l e c t r i cp o w e r u n i v e r s i t y 能质量扰动及补偿 ，在导师指导下进 以标注和致谢之处 含为获得华北电力 作的同志对本研究 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 日 期：2 鱼2 垒：z21 后密 一叫 解扛 在缝 嚣一 呼导拶 篡肌 中文摘要 中文摘要 本文围绕电能质量扰动发生和补偿两方面展开，主要从并联型复合电能质量扰 动及补偿装置的主电路拓扑、控制方法以及实验进行了分析和研究。 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 传统型电能质量装置主电路拓扑主要针对无功性质的电能质量问题，如谐 波电流和无功功率。本文提出了一种以背靠背h 桥作为三相四线制电能质量装置主 电路基本单元，具有较强有功功率调节能力。p w m 整流侧采用单相多绕组变压器 并联方式，用以提高整流侧输入电流容量，逆变侧采用( n + 1 ) 个h 桥，用以提高逆 变侧接入系统电压等级，可以实现电能质量装置的模块化和大容量化；n 个h 桥 采用级联方式，1 个h 桥采用差异化连接方式，在主电路上为基波电流与谐波电流 的独立控制提供硬件基础； ( 2 ) 在并联型复合电能质量扰动发生装置上提出了一种三相四线制大容量可控 交流电力电子负载模拟系统，利用正交电压矢量实现了电力电子负载的开环控制， 并提出了一种基于d q 坐标系的闭环功率因数控制，可以实现功率因数( o 1 ) 超前或 者滞后的精确控制； ( 3 ) 在谐波电流发生控制策略中，针对级联型主电路拓扑提出了一种基于电压 源模型的开环控制策略，逆变器输出谐波电压作用于串联电抗器向系统注入电流， 具有结构简单控制容易实现的特点；针对差异化连接的主电路拓扑，提出了一种基 于电流源模型的电感电流滞环控制模式，可以实现谐波电流和基波电流的独立控 制； ( 4 ) 对电流正弦波波动进行了理论分析和数学推导，得出了间谐波电流是引起 电流波形低频正弦波波动的一个内在因素，推导了间谐波频率和电流波动频率之间 的数学关系，并用迭代法计算的电流有效值判断电流是否发生低频正弦波波动，再 用多周期电流数据进行离散傅罩叶分析，仿真和实验结果验证了本文关于间谐波电 流和电流波动关系的理论分析和数学推导是正确的； ( 5 ) 在分析了电能质量扰动发生装置主电路拓扑和控制策略基础之上，提出了 电能质量补偿装置的控制策略，在传统谐波补偿和无功补偿的基础之上，提出了一 种基于系统扰动分量等于零的电能质量统一补偿策略，具有检测简单和容易实现的 特点，但具有稳态工作点飘移的缺点，在此基础之上进行改进，引入了补偿装置输 出d 轴电流等于零的闭环控制策略，具有补偿效果好控制简单易行的特点； ( 6 ) 利用电磁暂态仿真软件p s c a d e m t d c ，建立并联型复合电能质量扰动及 补偿装置的仿真模型，并对各种电能质量扰动及补偿问题进行了仿真分析，最后利 用d s p + f p g a 数字控制系统，一套4 0 0 v 1 0 0 k v a 实验样机实现了并联型复合电能 i 华北电力大学博士学位论文 质量扰动发生及补偿装置的实验研究，仿真和实验结果表明本文提出的主电路拓扑 和控制策略对并联型复合电能质量扰动发生及补偿装置是有效可行的。 关键词：电能质量，主电路拓扑，电流扰动，可控电力电子负载，控制策略，复合 补偿 i i a b s t r a c t a b s t r a c t m a i nc i r c u i tc o n f i g u r a t i o n sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e s f o r c o m p o u n dp o w e rq u a l i t y d i s t u r b a n c eg e n e r a t i o n ( p q d g ) a n dc o m p e n s a t i o ni ns h u n tc o n n e c t i o na r et h em a j o r r e s e a r c hs u b j e c t so ft h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y s i s ，s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s a r ea u c a r r i e do u t ，a n dm a j o ra c h i e v e m e n t so ft h e s er e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w e d ( 1 ) d i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lp o w e rq u a l i t yd e v i c e sm a i n l ya i m i n ga t r e a c t i v ep o w e r p r o b l e m ss u c ha sh a r m o n i c sa n dv o l t a g ef l u c t u a t i o n s ，an o v e lc i r c u i tt o p o l o g y b a s e do n b a c k t o b a c kh b r i d g em o d u l e si sp r o p o s e df o rt h r e e - p h a s ef o u r - w i r ep o w e rq u a l i t y d e v i c e s ，s ot h a tt h e yh a v et h ec a p a b i l i t yo fa c t i v ep o w e rr e g u l a t i o n t h ep u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) r e c t i f i e rm o d u l e sa r ei n s h u n tc o n n e c t i o nt h r o u g has i n g l e - p h a s e m u l t i w i n d i n gt r a n s f o r m e rt oi n c r e a s et h ei n p u tc u r r e n tc a p a c i t y t h ei n v e r t e rc o n s i s t so f n + ih b r i d g e sa n dno ft h e ma r ec a s c a d e di no r d e rt oi n c r e a s et h ev o l t a g el e v e l ，w h i c h i sh e l p f u lf o rr e a l i z i n gm o d u l a r i z a t i o na n dl a r g e rc a p a c i t yt h er e s th - b r i d g e i s d i f f e r e n t l y c o n n e c t e df o rd e c o u p l i n gc o n t r o lo ff u n d a m e n t a la n dh a r m o n i cc u r r e n t c o n t r o l s ( 2 ) an o v e ls i m u l a t i o ns y s t e mf o rt h r e e p h a s ef o u r - w i r el a r g ep o w e rc o n t r o l l a b l e p o w e r e l e c t r o n i cl o a d ( p e l ) i sp r o p o s e do nt h eb a s i so ft h es h u n t c o n n e c t e dp q d g a n o p e nl o o pc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do no r t h o g o n a lv o l t a g ev e c t o r sw a s r e a l i z e df o ra cp e l ， a n dt h e nac l o s e dl o o pc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nd - qc o o r d i n a t e sf o rp o w e rf a c t o r ( p f ) c o n t r o li sp r o p o s e d ，b yw h i c ht h ep fc a nb ea c c u r a t e l yc o n t r o l l e df r o m0 t o1 0 ，e i t h e r l e a d i n go rl a g g i n g ( 3 ) i nt h eh a r m o n i cc u r r e n t s g e n e r a t i o n ，a no p e nl o o pc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ( v s c ) m o d e li sp r o p o s e d f o rc a s c a d e dm a i nc o n f i g u r a t i o n h a r m o n i cv o l t a g eo u t p u t sb yt h ei n v e r t e rw i l lc a u s eh a r m o n i cc u r r e n t si n je c t e di n t ot h e p o w e rs y s t e mt h r o u g ht h ec o n n e c t i n gr e a c t o r , a n dt h ec o n t r o lm a y b er e a l i z e de a s i l yi n s u c hs i m p l es t r u c t u r e h y s t e r e s i sl o o pc o n t r o lo ft h er e a c t o r sc u r r e n t ，a n o t h e rc l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nc u r r e n ts o u r c ec o n v e r t e r ( c s i ) m o d e l ，i sp r o p o s e df o r d i f f e r e n tc o n n e c t e dc i r c u i tc o n f i g u r a t i o n ，w h i c h a l l o w s d e c o u p l e d c o n t r o lo f f u n d a m e n t a la n dh a r m o n i cc u r r e n t s ( 4 ) o nt h eb a s i so fs i n u s o i d a lw a v e f o r mm o d u l a t i o na n a l y s i so fc u r r e n tf l u c t u a t i o n s ， c o n c l u s i o nc o m e st h a tt h ei n n e rh a r m o n i cc u r r e n ti sa ni n t r i n s i c r e a s o no fc u r r e n t f l u c t u a t i o n t h em a t h e m a t i cr e l a t i o n s h i po fi n n e rh a r m o n i cf r e q u e n c ya n df l u c t u a t i o n f r e q u e n c yi sd e r i v e d t h eo c c u r r e n c eo fl o wf r e q u e n c yf l u c t u a t i o ni nac u r r e n tm a y b e n l c h e c k e db yr o o tm e a ns q u a r e d ( r m s ) v a l u e so ft h ec u r r e n tc a l c u l a t e db yi t e r a t i o n t h e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ( d f t ) u s i n gm u l t i - c y c l ec u r r e n td a t aa l s ou s e df o ro u t p u t c u r r e n t a n a l y s i s s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ec o r r e c t n e s so ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d m a t h e m a t i cd e r i v a t i o nf o rt h ei n n e rh a r m o n i cc u r r e n ta n dc u 力? e n t f l u c t u a t i o n ( 5 ) u s et h er e s e a r c ho fp q d gf o rr e f e r e n c e ，ac o n t r o ls t r a t e g yo fp o w e rq u a l i t y c o m p e n s a t i o n ( p q c ) t h a ti n t e n d st or e d u c et h ec o m p o u n dd i s t u r b a n c et oz e r oi s p r o p o s e d ，w h i c hi ss i m p l ei nd e t e c t i o na n de a s yt ob er e a l i z e d t oa v o i dt h es h i f t i n go f s t e a d y 。s t a t ew o r k i n gp o i n t ，s o m ei m p r o v e m e n ti sm a d e t h ei n t r o d u c t i o no fc l o s e dl o o p c o n t r o lp r o v i d i n gz e r oc u r r e n ti nd - a x i s i m p r o v e st h ec o m p e n s a t i o ne f f e c tw i t h o u t i n c r e a s ed i f f i c u l t yt or e a l i z e ( 6 ) s i m u l a t i o nm o d e l so fs h u n t c o n n e c t e dc o m p o u n dp q d ga n dp q ca r ee s t a b l i s h e d i np s c a d e m t d c ，a n dm a n yk i n d so f p r o b l e m si np q d ga n dp q ca r ee x a m i n e d a 4 0 0 w 10 0 k v a p r o t o t y p ew i t hd s pa n df p g ad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e df o r e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fp q d ga n dp q c t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e dm a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ef e a s i b l ea n d e f f e c t i v e k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , m a i nc i r c u i tt o p o l o g y , c u r r e n td i s t u r b a n c e ，c o n t r o l l a b l e p o w e re l e c t r o n i cl o a d ，c o n t r o ls t r a t e g y , c o m p o u n dc o m p e n s a t i o n i v 目录 目录 中文摘要 a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 电能质量控制技术的研究现状2 1 2 1 电能质量控制装置分类2 1 2 2 电能质量控制装置的主电路拓扑介绍4 1 3 并联型复合电能质量扰动发生技术的提出7 1 4 并联型复合电能质量补偿控制技术的提出8 1 5 本文研究的主要内容8 ， 第二章并联型复合电能质量装置主电路研究1 0 2 1 引言10 2 2 主电路拓扑的确定1 0 2 2 1 背靠背h 桥拓扑的提出1 0 2 2 2 低压样机主电路拓扑的确定1 l 2 3 主电路建模分析1 3 2 3 1 主电路各部分功能分析一1 3 2 3 2 逆变侧主电路分析一1 4 2 4 主电路关键参数设计1 6 2 4 1p w m 整流侧参数设计1 7 2 4 2 级联h 桥参数设计19 2 4 3 高频h 桥参数设计2 0 2 4 4 放电支路参数设计一2 2 2 5 本章小结2 3 第三章并联型复合电能质量扰动及补偿控制策略研究2 5 3 1 引言2 5 3 2 整流侧电路控制策略分析2 5 3 2 1 整流电路软启动2 5 v 华北电力大学博士学位论文 3 2 2p w m 整流控制分析2 6 3 3 逆变器空载并网控制策略分析2 7 3 4 功率因数调节控制策略分析2 8 3 4 1 扰动装置逆变侧功率分析2 8 3 4 2 基于电压矢量的功率因数开环控制2 9 3 4 3 基于d q 坐标系的功率因数闭环控制3 0 3 5 负荷不平衡扰动发生策略分析3 2 3 6 谐波电流扰动控制策略分析3 5 3 6 1 基于电压源模型的开环控制策略分析3 5 3 6 2 基于电流源模型的滞环电流控制策略分析。3 6 3 7 电流低频正弦波波动控制策略分析3 7 3 7 1 间谐波及谐波集。3 7 3 7 2 正弦波调制电流波动理论分析3 9 3 7 3 逐点迭代法计算电流有效值及电流波动检测4 4 3 8 复合电能质量补偿装置的控制策略分析一4 5 3 8 1 系统基波正序有功电流提取4 5 3 8 2 系统电流扰动分量等于零的补偿策略4 6 3 8 3 改进的系统电流扰动分量等于零的补偿策略4 8 3 8 4 复合电能质量补偿装置的闭环控制系统分析4 8 3 9 本章小结5l 第四章并联型复合电能质量扰动及补偿的仿真分析5 2 4 1 引言5 2 4 2 基于p s c a d e m t d c 的数字仿真分析5 2 4 2 1 并联型复合电能质量扰动仿真分析5 2 4 2 2 并联型复合电能质量补偿仿真分析7 l 4 3 基于r t d s 平台的数字物理仿真分析7 5 4 3 1 数字实时仿真平台介绍7 5 4 3 2 外部数字控制器设置7 5 4 3 3 电能质量控制装置的数字物理实时仿真分析7 7 4 4 本章小结8 0 第五章并联型复合电能质量装置的控制系统设计8 1 v i 第六章并联型复合电能质量扰动及补偿的实验研究9 2 6 1 引言9 2 6 2 复合电流质量扰动发生实验研究9 2 6 2 1 单次谐波扰动发生实验9 2 6 2 2 多次谐波叠加扰动发生实验一9 4 6 2 3 电流低频正弦波波动发生实验9 5 6 2 4 线性电力电子负载模拟实验。9 6 6 3 复合电流质量补偿实验分析9 9 6 3 1 谐波电流补偿实验1 0 0 6 3 2 无功电流补偿实验1 0 1 6 3 3 电流不平衡补偿实验1 0 1 6 3 4 低频波动电流补偿实验1 0 2 6 3 5 无功电流和不平衡电流复合补偿实验1 0 3 6 3 6 谐波电流与无功电流复合补偿实验1 0 4 6 3 7 谐波电流、无功电流与不平衡电流复合补偿实验1 0 5 6 3 8 动态阶跃响应实验1 0 6 6 4 装置运行效率测试实验1 0 7 6 4 1 传输纯有功功率效率测试实验1 0 7 v 华北电力大学博士学位论文 6 4 2 发生无功功率效率测试实验1 0 9 6 5 本章小结1 1 0 第七章结论与展望1 1 2 7 1 本文的主要结论：1 1 2 7 2 后续工作展望1 l3 参考文献1 1 4 致j 射1 2 3 附录1 2 4 个人简历及在校期间发表的学术论文和研究成果。1 2 7 v i l l 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论帚一早三百化 我国电力系统飞速发展，以特高压交直流输电网络为骨架、多级电网协调补充 的智能化的坚强电网逐步形成，为我国国民经济的快速发展提供了强有力的电力保 障【1 2 1 。但是由于环境污染、常规能源短缺等问题，我国同时又提出了优先发展清洁 可再生能源分布式电网，作为全国大电网的有力补偿。由于历史原因，我国电力工 业发展还是落后于电力需求，因此我国电网在某些地区仍然存在电力紧张的问题， 同时由于煤炭资源、水电资源的分布不均也直接决定我国电力资源的分布不均，我 国当前需要解决的主要问题是如何将西部的电能输出给负荷中心( 长江三角洲、珠江 三角洲、京津唐等地区) ，这是首要解决的输电和供电问题【3 7 】。 在解决了输供电问题之后，随之而来的是供电可靠性和供电电能质量问题，这 是本博士论文主要研究的内容。考虑到电力系统负荷的多样性和复杂性，现代电力 系统负荷的典型特性可以归结为谐波含量大( 整流设备) 、功率因数低( - - 相感应电 机) 、功率波动性( 电弧炉) 、冲击性( 电气化铁道和城市轨道交通) 等特点，因此当前 电网电能质量问题非常突出，由于电能质量问题而引起的事故屡见不鲜，电气化铁 路谐波、负序问题引起附近发电机保护动作，而引起造成电网大面积停电；另外由 于谐波引起电容器爆炸、3 次谐波引起中性线过载等电能质量问题对电网安全运行 带来了严峻的考验，因此对于电能质量问题的治理尤为重要和突出( s - 1 4 】。 当前在我国电力系统最突出的两个问题是谐波问题和无功功率问题，为此而研 发出来的主要装置也可以分属两类，分别是滤波技术和无功补偿技术。对电网谐波 的治理以有源滤波技术为代表，主要装置是有源电力滤波器；对负荷无功补偿的主 要装置有静止无功补偿器和静止无功发生器，这两类装置对提高电网电能质量有非 常重要的意义【”o9 1 。由于现代电力系统和电力负荷的多样性和复杂性，使得目前常 用的针对单一电能质量问题的电能质量控制和补偿装置已经不能满足要求，而现代 负荷通常表现为多电能质量指标复合的特性，只有通过对已有电能质量装置主电路 拓扑、控制方法和补偿策略的提高和改进才能适应更加错综复杂的实际应用环境， 并发挥出更加有效的电能质量控制和补偿效果，为电网的安全可靠运行提供强有力 的保证，因此电能质量复合控制技术应运而生。 复合电能质量控制技术在大功率场合的应用有十分重要的意义，特别是对于电 网枢纽站、敏感负荷的电能质量补偿是十分必要的。 华北电力大学博士学位论文 1 2 电能质量控制技术的研究现状 1 2 1 电能质量控制装置分类 美国电力学院研究n g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年首次提出了柔性交流输电技术 ( f l e x i b l ea l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e r n s f a c t s ) 的概念【2 m 2 ，之后不断完善 和发展，1 9 9 5 年国际电气与电子工程协会( i e e e ) 及国际大电网会议( c i g r e ) i e 式对 f a c t s 做了定义：一类以电力电子技术为基础并具有其他静止控制器的交流传输设 备，它们能够增强电网的可控能力并增大输电容量。电能质量控制装置就是伴随着 半导体技术、电力电子技术和计算机控制技术的发展而快速发展起来的一类装置， 是f a c t s 家族当中的重要成员。 下面介绍业已发展和应用的几种类型的电能质量控制装置的基本情况。 ( 1 ) 静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r s v c ) 静止无功补偿器是相对于旋转的同步调相机而言的一类无功补偿装置，国际大 电网会议将s v c 定义为7 个子类： 机械投切电容n ( m s c ) 机械投切电抗器( m s r ) 自饱和电抗器( s r ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 晶闸管投切电抗器( t s r l 自换向或电网换向转换器( s c c l c c ) 前两类m s c 和m s r 采用机械开关投切，具有动态响应速度慢、机械开关不能 频繁投切、并开关寿命低等问题，在早期得到广泛使用。目前机械开关已经被晶闸 管开关或者复合开关取代，动态响应速度、使用寿命等方面都大有改进，主要包括 t c r 、t s c 和t s r 等装置，由于晶闸管的控制简单、易于串联、损耗小等特点，s v c 仍然是目前应用最成熟、最广泛，同时也是电气参数最高，目前已经有s v c 装置直 接接入3 5 k v 系统，中国电力科学研究院下属的中电普瑞科技有限公司承担广州联 众不锈钢有限公司二期3 5 k v 2 0 0 m v a r 的s v c 工程，于2 0 1 0 年正式投运。 ( 2 ) 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r - a p f ) 随着电力电子技术的飞速发展，电力系统中的非线性负荷的应用日益增加，例 如二极管整流电路、晶闸管相控整流电路等整流设备以及开关电源的大量使用，向 系统注入大量的谐波电流，使得系统电流畸变严重，同时引起系统电压谐波含量增 加。早期的谐波抑制手段大多采用无源滤波技术，以单调谐l c 滤波器和多调谐滤 波器为主，无源滤波器只能针对某次或者某几次谐波起到良好的抑制作用，但其抑 2 第一章绪论 制效果受外界影响较大，特别是电容器参数受环境温度、湿度和使用寿命等因素的 影响较大，经常会引起滤波器失谐而抑制效果大大降低。由于电容器对高次谐波的 低阻特性，会引起某些谐波电流放大而使电容器损坏等问题。正因为无源滤波器存 在问题，有源电力滤波技术应运而生，它克服了无源滤波器存在的失谐、电容器损 坏等问题。有源电力滤波器是一种基于全控型半导体器件构成的电力电子装置【2 2 。2 7 1 ， 结合谐波电流检测、数字控制、脉冲调制、驱动脉冲放大等技术而产生的一种装置， 具有实时谐波检测并补偿，并根据不同类型的非线性负荷进行动态的谐波电流补 偿，补偿效果取决于传感器精度、采样精度、控制算法等，通过采用高精度传感器、 采样电路和优良的控制算法能够保证有源电力滤波器具有良好的补偿效果，目前在 对非线性负荷补偿中得到了一定的应用研究，与无源滤波器相比，具有体积重量小 补偿效果好，但在成本上仍然比无源滤波器高很多。 ( 3 ) 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 - d v r ) 电力系统电压质量问题是最为普遍和严重的问题之一，特别是短路容量较小的 公共连接点( p c c ) 尤为严重，例如线路短路、大容量感应电机的启动、快速波动的 负荷等都可能会引起电压的暂升暂降、电压波动等电压质量问题【2 引。电压质量问题 对于敏感性负荷尤为重要，在电网电能质量不能得到根本性解决的情况下，不间断 电源( u p s ) 、动态电压恢复器( d v r ) 等电力电子装置发挥着不可替代的作用【2 9 。3 3 1 。动 态电压恢复器串联在敏感负荷与系统电源之间，通过控制保证负荷侧电压为额定电 压，是抑制系统电压波动，为负荷提供优质电能的一种重要手段之一。1 9 9 6 年8 月， 美国西屋电气公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o r p o r a t i o n ) 在d u k e 电力公司位于南加 州安德森的1 2 4 7 k v 变电站安装了第一台d v r 。a b b 还推出了基于i g c t 器件的 d v r 。s i e m e n s 公司也在动态电压恢复器的研制上处于先进水平，不仅开发了用 于中等电压等级的d v r ，还开发了用于大功率负荷的多模块动态电压恢复器以及架 空d v rp m ( p l a t f o r m m o u n t e dd v r ) 系统。国内的中国电力科学研究院也已经有 自主研发的电压等级为l o k v 的d v r 装置，安装于敏感负荷与系统电压之间，与国 外的技术水平差距同益减小。 ( 4 ) 静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r s v g s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r s t a t c o m ) 静止无功发生器是一种全控型主动无功功率发生装置，与静止无功补偿器( s v c ) 相比有本质上的不同，具有跟更强的无功功率调节能力，另外s t a t c o m 具有较快 的动态响应速度，因此能够对电压波动等快速电能质量问题进行良好的补偿【3 4 埘】。 对于s t a t c o m 装置的应用研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年代，以美、日为代表的发 达国家对该类装置的研究取得了突出成果，而我国对该装置的研究起步较晚，在装 置容量、可靠性等方面与国外最先进技术都有一定的差距。国内第一台s t a t c o m 工业样机由清华大学研制成功，装置容量为+ 2 0 m v a r v a ，采用i g c t 级联h 桥链式 3 华北电力大学博士学位论文 结构的方式，与1 9 9 9 年挂网运行，2 0 0 6 年国家电网公司重点科技项目“上海电网 黄渡分区5 0 m v a r s t a t c o m 示范工程 挂网运行，取得了良好的电能质量调节和控 制的目的。现有+ 2 x l o o m v a r s t a t c o m 工程即将运行，经过十几年的研究和发展， 与发达国家的差距日益缩小，其中在s t a t c o m 装置的控制技术和应用领域等某些 方面将处于国际领先地位。 ( 5 ) 统一电能质量调节器( 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 p q c ) 日本学者h i d e a k if u j i t a 和h i r o f u r n ia k a g i 于1 9 9 8 年首次提出了统一电能质量调节 器，由两组串、并联换流器构成，共用直流母线【4 5 - 4 7 1 。具有综合电能质量调节功能， 串联部分则负责对负载电压进行调节，保证负荷电压波形质量；并联部分则对电网 输入电流进行补偿，提高电网的输入功率因数和降低电流谐波含量。由于其强大的 电能质量综合控制和调节能力，被认为是今后最有发展前途之一的电能质量补偿装 置。在国内以华中科技大学、西安交通大学等高校在u p q c 的控制算法等方面开展 了较早的研究，并对三相桥式结构为基础的装置提出了详细的控制策略并进行了实 验研究【4 8 4 9 】，但其研究仍仅限于实验室样机的研究。今后的研究方向将是如何实现 大容量、可靠安全运行的工业应用的研究。 1 2 2 电能质量控制装置的主电路拓扑介绍 1 2 2 1 多电平主电路拓扑介绍 以全控型半导体开关构成的v s c 型变流器主电路在电力系统和电能质量控制 装置中得到了广泛的应用，典型全控型半导体开关是g t o 、i g b t 、i g c t 5 0 掰】。在 低压配电系统中应用较多的电能质量控制装置主电路拓扑为三相桥式主电路结构， 其中图1 1 为基于三相桥式v c s 型变流器主电路拓扑，图1 1 ( a ) 为三相三线制拓扑， 图1 1 ( b ) 为带电容中点输出的三相四线制拓扑，在电能质量控制装置中通常用作为 a p f 和d s t a t c o m 的主电路拓扑。图1 2 则为三相四桥臂v s c 型变流器主电路拓 扑，与上述拓扑相比具有更强的电能质量控制能力，特别是在不平衡补偿及中性线 电流治理方面。 a b c ( a ) 三相三线制两电平v s c 变流器( b ) 三相四线制两电平v s c 变流器 图1 1 三相三桥臂v s c 型变流器主电路拓扑 4 第一章绪论 图1 2 三相四桥臂v s c 型变流器主电路拓扑 就半导体开关器件的耐压水平，目前英飞凌( i n f i n e o n ) 公司生产有6 5 0 0 v 电压等 级的i g b t 器件【5 5 5 6 】，为了能够在1 0 k v 中压系统甚至更高等级的电压系统中直接 应用，即使选用目前电压等级最高的器件构成的两电平拓扑也不能满足要求，因此 必须采用多电平结构来提高装置的电压等级或者采用变压器的方式接入高压系统， 由于变压器会大大增加装置的体积和重量，甚至会使装置控制性能下降，因此目前 对多电平拓扑方面的研究较多，特别是二极管钳位型多电平和h 桥模块级联型多电 平两类拓扑研究较多，如图1 3 和图1 4 所示。在电能质量控制技术当中，最为典 型的电能质量问题是电压暂降、谐波、无功和负序，因此也决定了电能质量控制装 置主电路拓扑直流侧采用直流母线电容为装置提供稳定的直流电压，能够降低装置 成本。但是，该类装置不能对由于有功功率变化而引起的电能质量问题进行良好的 补偿，因此本文对背靠背( b a c k t o b a c k ) 型电能质量装置进行了分析和研究，大大扩 大了电能质量控制装置的应用范围。 矗l c a l c d c 2 图1 3 二极管钳位三电平v s c 型变流器主电路拓扑 5 华北电力大学博士学位论文 c 图1 4 级联h 桥多电平v s c 型变流器主电路拓扑 1 2 2 2 基于开关器件串联的主电路拓扑 上述多电平主电路拓扑存在着直流侧电压稳定控制的问题，特别是级联h 桥多 电平主电路结构需要更多的独立直流母线电压，直流电容电压稳态均压控制及其可 靠性带来了新的问题【5 7 。6 5 1 ，因此有不少学者为了应对器件耐压不够的问题而提出了 一种基于器件串联的主电路拓扑，图1 5 为a b b 公司在中压系统中应用的2 4 m v a 逆变器装置主电路拓扑【6 6 】，采用i g c t 串联的二极管钳位型三电平逆变器，其带来 的好处是直流母线电压等级提高，接入同一等级电压系统的主电路结构简单。该电 路总直流母线电压为u d 。= 1 4 4 k v ，i g c t 电压等级为4 5 k v ，钳位二极管电压等级为 4 5 k v ，输出电流有效值为厶u t _ 1 2 k a 。但其需要解决的关键问题是：全控型开关器 件( i g b t 、i g c t ) 驱动信号的同