（电力系统及其自动化专业论文）电流质量复合调节装置的控制技术及仿真研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电流质量复合调节装置的控制技 术及仿真研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学 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：巡e l期：望巴生三丛墨慢 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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 导师签名： 日 期： 华北电力大学硕十学位论文 摘要 随着电力系统的发展，各种非线性负荷和冲击性负荷的普遍使用使得配电网电 能质量问题日益突出，各种用于改善配电网电能质量的调节装置的研究得到了迅速 的发展。本文开展了对m v a 级电流质量复合调节装置的控制技术研究和仿真分析。 在装置直流侧电容电压的稳定控制技术上，设计了电流环和电压内外环相结合的方 法，保证了电容电压的平衡。同时将装置的补偿策略和装置的补偿能力相结合，提 出一种利用遗传算法优化分配装置多目标补偿容量的补偿策略。本文利用在 p s c a d e m t d c 中建立的系统仿真模型，分析了装置启动并网对系统稳定性的影响以 及装置接入系统后，在系统不同工况下的运行特性和控制策略，同时还讨论了装置 故障对系统的影响。 关键词：电流质量调节装置，控制技术，补偿策略，p s c a d 仿真，系统故障 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 rs y s t e m ，t h ew i d e s p r e a du s eo fn o n l i n e a rl o a da n d s h o c kl o a dm a k e st h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t a sa r e s u l t ，a l lr e g u l a t i n gd e v i c eu s e dt oi m p r o v ep o w e rq u a l i t yg o tar a p i dd e v e l o p m e n t t h i s p a p e rc a r r i e do nt h ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i so fm v a l e v e lc u r r e n t q u a l i t yc o m p o u n dr e g u l a t i n gd e v i c e ac o n t r o lm e t h o di n c l u d i n gi n t e r n a la n de x t e r n a l v o l t a g el o o pa n dac u r r e n tl o o pw a sd e s i g n e dt oe n s u r ec a p a c i t o rv o l t a g eb a l a n c e b e s i d e s ，c o m b i n e dt h ec h o i c eo fc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yw i t ht h ec o m p e n s a t i o na b i l i t yo f t h ed e v i c e ，ac o m p e n s a t i o ns t r a t e g yu s i n g g e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ea l l o c a t i o no f t h ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t yo fe a c ho b j e c t i v ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r w h a t sm o r e ，t h i s p a p e ru s ep o w e rs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lw h i c hb a s e do np s c a d e m t d ct oc a r r yo u t t h ei m p a c to fd i v i c es t a r t u pf o rs y s t e ms t a b i l i t ya n dt h ed e v i c eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n dc o n t r o ls t r a t e g yw h e nt h es y s t e mu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa f t e rt h e d e v i c ea c c e s st os y s t e m ，m o r e o v e rt h ei m p a c to fd e v i c ef a i l u r et ot h ep o w e rs y s t e mw a s d i s c u s s e d l i us h u m i n g ( p o w e rs y s t e ma n d a u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f x uy o n g h a i k e yw o r d s ：c u r r e n tq u a l i t yr e g u l a t i n gd e v i c e ，c o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m p e n s a t i o n s t r a t e g y , p s c a ds i m u l a t i o n ，p o w e rs y s t e mf a u l t 华北电力大学硕上学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论一1 1 1 选题背景和研究意义l 1 2 国内外研究动态2 1 3 本文完成的主要工作3 第二章电流质量复合调节装置的工作原理- 4 2 1 装置主电路拓扑结构及参数介绍4 2 1 1 装置主拓扑结构4 2 1 2 装置的参数设计5 2 2 装置的补偿原理及调制技术一6 2 2 1 装置的补偿原理概述一6 2 2 2 装置的调制技术6 2 3 装置的指令电流信号检测技术一7 2 3 1 瞬时无功功率理论8 2 3 2 谐波和无功电流的检测方法8 2 3 3 负序电流的检测方法一9 2 4 本章小结1 0 第三章电流质量复合调节装置的控制技术1 1 3 1 装置的控制策略1 l 3 1 1 高频模块的控制策略l l 3 1 2 基频模块的控制策略1 2 3 1 3 直流侧电容电压的控制策略1 3 3 2 装置补偿功能的仿真分析1 6 3 2 1 谐波电流的补偿1 6 3 2 2 无功电流的补偿一19 3 2 3 负序电流的补偿2 0 3 2 4 复合补偿2 1 3 3 本章小结2 2 第四章电流质量复合调节装置的补偿策略2 3 4 1 装置的补偿目标一2 3 华北电力大学硕士学位论文 4 2 装置的复合补偿策略2 4 4 2 1 遗传算法简介一2 4 4 2 2 装置优化的目标函数一2 5 4 2 3 补偿策略流程2 6 4 3 算例分析2 9 4 4 本章小结3 3 第五章电流质量复合调节装置接入系统分析3 4 5 1 系统电压不对称时装置的运行情况3 4 5 1 1 直流侧电容电压的波动3 4 5 1 2 触发脉冲同步信号的影响3 5 5 1 3 装置的输出与运行3 6 5 2 系统动态变化时装置的运行特性3 7 5 2 1 负荷突变时装置的运行状况3 7 5 2 2 系统电压突变时装置的运行情况3 9 5 3 系统故障时装置的运行特性4 0 5 3 1 系统短路故障时装置运行状态分析4 0 5 3 2 不对称故障时装置的运行4 1 5 3 3 系统故障时装置的保护策略一4 3 5 4 装置的启动并网对系统的影响4 4 5 4 1 装置的启动充电策略”4 5 5 4 2 装置投切的运行4 6 5 5 装置故障对系统的影响及装置的保护4 7 5 5 1 直流侧电容器故障4 7 5 5 2h 桥桥臂直通故障4 8 5 5 3 驱动电路故障4 9 5 6 本章小结5 0 第六章结论一5 1 6 1 主要结论5 l 6 2 探索与展望5 2 参考文献5 3 致谢5 6 在学校期间参加科研情况和发表的学术论文5 7 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景和研究意义 第一章绪论 随着电力系统的发展，各种非线性负荷和冲击性负荷的普遍使用使得配电网电 能质量问题日益突出。同时新的敏感设备的大量出现对电能质量提出了更高的要 求，因此各种用于改善配电网电能质量的调节装置的研究得到了迅速的发展【l 西】，主 要包括：有源滤波器( a p f ) 、配电静止补偿器( d s t a t c o m ) 、动态电压调节器( d v r ) 、 不间断电源( u p s ) 等。目前，我国大型电弧炉有1 7 0 0 座以上，电气化铁路已达2 4 万公里，牵引变电站超过4 8 0 个，这些场合都需要大容量的电能质量调节装置。由于多 电平变流技术的r 益成熟f 7 。9 1 ，对这些调节装置的研究也趋于向高压、大功率的方向 发展，装置在拓扑结构上越来越多的采用级联型多电平结构。由于国内在这些技术 上还没有自己的知识产权，大多需要进口，从目前进口的设备看，装置的进口价格 高达2 0 0 0 元k v a 以上，有的甚至达到5 0 0 0 元k v a 。为了打破国外技术和产品在该 领域的垄断局面，使我国完全自主掌握高压、大容量复合型电能质量装置的设计、试 验及制造技术，并积累初步的运行和维护经验，国家科技部设置专项资金进行了深入的 研究。本论文结合“十一五”国家科技支撑计划“电能质量复合控制技术及装置”项目， 以m v a 级电流质量复合调节装置为研究对象，开展了对电流质量复合调节装置的控制技 术研究和仿真分析。 电流质量复合调节装置适应于负荷侧电流源干扰的场合，根据其控制策略可以 实现以下几种功能l l m ： 1 、动态无功补偿：其工作原理是输出一个与系统电压同相位的电压，通过控 制其电流，连续调节输出无功功率。利用这一功能可进行负载功率因数的控制。此 外，还可以用于电弧炉这类波动性负荷的无功补偿，抑制其产生的电压波动和闪变。 2 、有源滤波：通过检测电路将非线性负载电流分解为基波分量和谐波分量两 部分，通过注入与负载谐波分量大小相等、方向相反的补偿电流，消除非线性负载 对电网的影响。 3 、消除三相不平衡：通过补偿三相不对称负载所引起的负序电流，抑制不对 称负载对供电电流的影响。 电流质量复合调节装置的多个补偿功能对应着不同的控制目标，协调不同控制 目标的关键是处理好多目标的优化，得到最优的复合控制算法。因此电流质量复合 调节装置的控制技术研究在装置的实用化工程中起着重要作用。本论文开展了对电 华北电力大学硕十学位论文 流质量复合调节装置控制目标的协调优化研究，对系统出现不同电能质量问题时提 出了相应的补偿策略，同时针对装置接入系统后，系统条件、负荷特点和装置的性 能参数，开展了对装置接入系统分析的研究。 1 2 国内外研究动态 电流质量复合调节装置控制器的核心技术主要包括补偿信号的检测技术和电 流跟踪控制技术。目前国内外对信号检测技术的研究呈现出将传统的分析方法和新 兴的智能方法相结合的趋势【12 1 ，如基于傅里叶功率定义的检测方法【13 1 、基于频域分 析的f f t 检测方法【14 1 、自适应检测法【15 1 、基于小波变换的时变谐波检测法【1 6 】、基 于人工神经网络的谐波检测法【1 7 】等，这些方法虽然在某些方面有一定的优越性，但 都存在计算量大、延迟时间较长或运算较为复杂等问题，有的还停留在仿真阶段， 并没有应用到实际系统中。由h a k a g i 等人提出的瞬时无功功率理论的谐波电流检 测法【l8 】实时性较强，在实际中得到了广泛的应用，但该法在电压有畸变的情况下不 能精确的检测出畸变电流，采用基于广义瞬时无功功率理论的d q 检测法则较好的 解决了这一问题，本论文中装置谐波和无功电流的检测就是采用该法。 由检测环节得到指令信号后，经过适当的电流控制方式产生需要的调制信号， 再通过可行的调制技术得到控制电力电子开关器件导通与关断的开关信号，从而控 制主电路，使之输出所需要的电流。目前适应于电能质量复合调节装置的控制方法 主要有以下几种： 1 、p i d 控制。该法是电力系统最常见的方法，其理沦完善、鲁棒性强、稳定性 好、易于在工程中实现。经典p i d 控制采用比例、积分、微分等典型的控制模块， 能改善系统动态、稳态性能。但也存在响应有超调、对系统参数敏感和抗负载扰动 能力差等缺点【”】。 2 、三角波载波移相p w m 控制法。该方法将指令电流和检测电流的差值经放大 后与三角波比较，以产生开关动作信号。采用这种方法，电力电子开关器件的开关 频率受限于三角波载波信号的频率，因此逆变器所产生的高次谐波容易滤除【2 0 1 。 3 、滞环比较控制法。该方法将指令电流和检测电流的差值传送至滞环比较器， 由此直接产生开关动作信号。滞环控制实现简单、鲁棒性好、跟踪误差小、动态响 应特性灵敏，但是它也存在开关频率不固定、线路电流相互影响等缺点。针对滞环 控制存在的缺点，一些专家提出了相应的改进方法。文献 2 1 、 2 2 提出了滞环控 制与电压控制矢量相结合的控制方式，该方法结合了电压空间矢量开关次数少与滞 环控制简单和动态性能好的优点，并且降低了装置对电源电压和负荷参数变化的敏 感性。 4 、滑模变结构控制法。它的运动过程可分为两部分：j 下常运动段和滑动模态 2 华北电力大学硕士学位论文 段，过渡过程的品质决定于这两段的运动品质。滑模变结构控制具有很强的鲁棒性， 对系统的变化和外部干扰不敏感，并且控制简单、动态响应快。但它对开关频率要 求较高，如果发生过冲和抖振现象将严重影响跟踪精度【2 3 1 。 除上述方法以外，国内外专家对电流跟踪控制进行了大量的卓有成效的研究工 作，各种新的控制理论也被纷纷引入。例如：基于神经网络的电流控制【2 4 1 、基于模 糊数学的控制2 5 1 、单周控制【2 6 。2 7 】等。当前，对已有方法的深入研究或提出新的切实 可行的方法仍是热点之一。 目前对于大容量电流质量复合调节装置的研究主要集中在装置的控制策略上， 而对装置的多目标补偿策略以及装置接入系统以后，装置的运行状况研究的较少。 文献 2 8 介绍了基于自适应遗传算法对无源滤波器的参数选择综合优化的方法。文 献 2 9 采用遗传算法对混合电力有源滤波器的多个补偿目标进行优化，这为电流质 量复合调节装置的多目标补偿策略的研究提供了思路。另外，文献 3 0 一3 1 介绍的 并联型电力有源滤波器在电网短路故障情况下，装置的运行特性和保护策略以及文 献 3 2 中对电力有源滤波器的故障分析，都为研究电流质量复合调节装置接入系统 后的运行状况提供了方法。 1 3 本文完成的主要工作 本文结合国内外研究现状，开展了对电流质量复合调节装置的控制技术研究和 仿真分析，主要内容如下： 1 、根据装置的主拓扑结构和控制目标，分析了其工作原理，介绍了装置容量、 主电路器件参数，运用e m t d c p s c a d 软件建立了装置的仿真模型，并确定了适应于 装置的信号检测方法和底层调制技术。 2 、根据装置有源滤波、无功补偿、三相不平衡补偿等多种功能开展了装置的 复合控制技术研究。研究了不同电能质量问题对控制算法的不同要求以及相互之间 的影响，并对装置直流侧电容电压的稳定控制技术进行了研究。 3 、研究了装置的上层补偿策略，将装置的补偿策略和装置的补偿能力相结合， 分析了装置补偿能力充足和补偿能力不足两种情况下，不同的补偿策略所达到的补 偿效果。提出将遗传算法应用到装置的补偿策略中，对多个补偿目标优化分配补偿 容量的方法，并结合实际算例，验证了该方法的优越性。 4 、根据系统条件、负荷特点和装置的性能参数开展了装置接入系统分析研究。 分析了装置在系统稳态运行、系统动态变化以及系统故障的情况下装置的运行状况以 及相应的控制策略，并对系统故障时装置应采取的保护策略进行了研究。 3 华北电力人学硕士学位论文 第二章电流质量复合调节装置的工作原理 电流质量复合调节装置是一种新型的电力电子装置，它并联接在负载侧，相当 于受控电流源，可以动态地向负载侧注入电流以抵消负载产生的谐波电流、无功电 流和调节不对称电流，从而可以抑制系统侧电流的畸变、进行无功补偿、消除系统 不平衡电流，提高电网的电能质量水平。 2 1 装置主电路拓扑结构及参数介绍 2 1 1 装置主拓扑结构 本文所研究的电流质量复合调节装置为并联在负荷侧的三相星形连接的h 桥级 联型结构，其主电路拓扑如图2 - 1 所示： 图2 - 1 装置的主电路拓扑图 根据设计要求，电流质量复合调节装置需要完成谐波、无功及负序电流的复合 补偿，并且能提供冲击负荷的动态有功支撑以及负荷波动功率的补偿。装置的额定 电压为l o k v 、最大容量为1 m v a ，开关器件选用大功率自关断电力电子元件i g b t 。 装置每相由1 1 个h 桥级联组成，各桥直流电容相互独立。由于装置需要产生高频 分量，因此对i g b t 的开关频率要求较高。若采取统一化h 桥级联设计，各h 桥的 4 兰! ! 皇垄奎堂堡圭兰垡笙苎 i g b t 均需要选用高频开关，经济性较差，开关损耗也会随之增加。另外，由于装置 需要同时产生基频和高频分量，若采取统一化级联设计，采用合适的滤波器保证多 频率分量的输出非常困难，因此h 桥模块的设计采用差异化的思想。图2 - 1 中第一 个h 桥为高频模块，选用开关频率较高的i g b t 元件，用来补偿谐波电流。其余h 桥为基频模块，用于补偿无功和负序电流。差异化设计的优点在于有利于耐压程度 较低的高频i g b t 的选取，为了降低高频模块的承压水平，将高频模块与基频连接 电感并联。此时，高频模块的交流侧电压仅为基频连接电感上的电压，而基频连接 电感厶。( x = a ，b ，c ) 上的电压较低，因此高频模块所需承受的电压较低，有利于高 频i g b t 的选取。同时在控制策略上采用分频控制，对谐波电流和基波电流分开补 偿，使得补偿目标相互独立。 2 1 2 装置的参数设计 电流质量复合调节装置的额定电压为1 0 k v ，由于装置并联接在负荷侧，其级联 h 桥单元数的确定按1 0 5 倍额定电压考虑，则其单相相电压= 6 0 6 k v 。i g b t 模 块按目前常用的电压等级为1 7 0 0 v 设计，单个h 桥的直流电容电压为u d c = 1 0 0 0 v ， 直流电容电压利用率选取为k d c = o 8 5 ，高频模块为1 个h 桥，则可以得到级联h 桥 的个数为： 怍。u u 舭s _ m a x = + 1 = 警 + 1 = 1 协， h 桥模块电流的选取按装置的最大输出容量1 m v a ，过载系数口= 1 2 考虑，则有： i n = 勰= 而1 2 ：6 9 3 a ( 2 - 2 ) 考虑h 桥模块的设计裕量为( 2 3 ) i n ，实际则选取i n = 1 5 0 a ，即i g b t 模块 应选取电压等级为1 7 0 0 v ，额定电流为1 5 0 a 的规格。其中高频模块的开关损耗以及 电压电流应力比基频模块高的多，应选用开关频率较高的i g b t 模块。 基频连接电感戽。的选取直接影响到基频模块输出电流的调节精度、高频模块 的承压和输出电流的跟踪性能。工程上一般选取基频连接电感上的压降为系统电压 的1 0 ，本文按基波电流在电抗器上引起的电压降落为6 0 0 v 左右进行设计，有： 厶。：6 0 0 ：2 8 m h ( 2 - 3 ) j c 一一 ， 一 i n 缈 高频连接电感厶。的选取直接影响高频模块输出电流的跟踪性能。工程经验表 明，电感值选取过大，会降低输出电流的跟踪性能，甚至跟踪不上；电感值选取过 小，开关频率过高，同时输出电流的纹波较大。此外，由于高频模块需要输出高频 华北电力人学硕上学位论文 电流，因此连接电感的大小也会受到谐波次数的影响，当谐波次数增大时，等效连 接电感值变大，也会导致输出电流的跟踪性能下降。因此高频连接电感的选取应考 虑多种因素之间的相互制约，本文按l h 口= 3 m h 设计。 2 2 装置的补偿原理及调制技术 2 2 1 装置的补偿原理概述 电流质量复合调节装置的控制系统主要由两部分组成，即指令电流运算电路和 补偿电流发生电路，其工作原理如图2 - 2 所示： 二、一 一 - ，、i 锫揆 1 y j ； 、，7 i 八十 ic l 补偿电流指令电流 发生电路运算电路 厣制电路卜 图2 - 2 装置的工作原理图 其中指令电流运算电路的功能是采用适当的检测方法，计算出装置所需要补偿， 的各种电流量，主要目标是对谐波电流、无功电流和负序电流的检测，把它们作为 控制电路的指令信号。补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路、驱动电路和逆变 电路，其工作原理是将指令电流运算电路所得的指令信号经过适当的电流控制方式 产生所需的调制信号，在通过可行的调制技术得到控制i g b t 导通与关断的开关信 号，从而控制主电路使之输出所需要的补偿电流。该补偿电流与负载电流中要补偿 的谐波、负序和无功电流相抵消，最终得到期望的电源电流。 2 2 2 装置的调制技术 在装置功能的具体实现上，装置采用的调制技术起着重要的作用。由于电流质 量复合调节装置容量较大，在大功率电力电子变流器的实现上，一个重要的问题就 是大功率器件的工作频率较低，无法应用p w m 技术等优秀的调制技术。而载波移相 正弦波脉宽调制技术( c a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w m ，以下简称c p s s p w m ) 为解决 6 华北电力大学硕十学位论文 该问题提供了新的方法【3 3 。3 4 1 。c p s - s p w m 技术是多重化技术和s p w m 技术的有机结合， 是一种适用于大功率电力开关变流器的优秀调制方法，能够在较低的器件开关频率 下实现较高等效开关频率的效果，可以在提高装置容量的同时，有效地减小输出谐 波【3 5 1 。本文结合装置自身的特点对基频模块采用单极性倍频载波移相脉宽调制技 术，控制l o 个级联h 桥开关的通断。所谓倍频是指输出电压的脉动频率五与逆变 器中开关元件的开关频率疋( 也是载波频率) 间存在以下关系： 五= 2 z ( 2 - 4 ) 这样在倍频p w m 电路中，输出电压的脉动频率为开关频率的两倍，也就是说用 同样的开关频率可以把输出电压中的脉波数提高一倍，这对减少开关损耗和改善输 出电压波形质量都是有益的。本文使每个h 桥不同桥臂的调制波互相反相，并且使 各h 桥的三角波载波依次移相1 8 0 。l o 即1 8 。，使载波分别与调制波和反相调制 波进行比较，调制信号与载波的交点形成一对互补脉冲序列，用它们作为逆变桥同 一桥臂上的两个开关的控制信号；反相调制波与载波的交点形成另一对互补脉冲序 列，用它们作为另一桥臂上两个开关的控制信号，仿真波形如图2 3 所示。 1 5 0 1 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 0 0 6 0 0 0 0 6 100 0 6 2 00 0 6 3 0 图2 - 3 倍频s p w m 调制波波形 通过这样的方式使等效开关频率提高为2 1 0 z ，通过1 0 个h 桥级联与 c p s s p w m 技术相结合，使基频模块的等效开关频率提高到实际开关频率的2 0 倍， 可以极大地改善输出波形，减小输出谐波，从而可以相应的减小滤波器的容量，降 低成本。 2 3 装置的指令电流信号检测技术 装置性能的优劣很大程度上取决于检测方法能否对指令信号准确、实时的检 测。关于目前常用的检测方法在绪论中简单介绍了几种，本小节将详细分析本装置 7 华北电力大学硕上学位论文 所采用的基于瞬时无功功率理论的实时电流检测方法。 2 3 1 瞬时无功功率理论 瞬时无功功率理论于1 9 8 3 年由赤木泰文( a k a g i h ) 提出，此后该理论经过不断 研究逐渐完善。赤木泰文最初提出的理论办称p q 理论，是以瞬时实功率p 和瞬时 虚功率q 的定义为基础，主要用来解决如何快速计算无功功率，对其进行快速补偿 的，其主要一点不足是未对有关的电流量进行定义。为了分析问题方便，在研究瞬 时无功功率和无功电流时往往采用坐标变换的方法，将空间彼此相差1 2 0 。的a b c 坐标系上的电压和电流量变换到空间相互垂直的坐标系( a 0 坐标系) 上研究。电 压和电流的基波正序分量在ab 坐标系下变换为直流分量，谐波和负序变换为交流 分量，通过低通滤波器分离出直流分量后，再进行qd 坐标到a b c 坐标的反变换， 即得到所要求的基波分量。这就是瞬时无功功率理论检测谐波的基本原理。 经过不断完善，瞬时无功功率理论在谐波和无功电流检测的应用中，出现了p q 法、i p - i q 法以及d q 法。p q 法只有在电网电压对称且无畸变的情况下，才能准确 地检测出谐波电流。i p i q 法和d q 法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对 称时也同样有效【3 6 】，本文重点研究了d q 检测法。 2 3 2 谐波和无功电流的检测方法 谐波和无功电流采用d q 检测法，其思想是根据对称分量法，不对称的任意次 数谐波都可分解为相应次数的正序、负序和零序分量，因此任意三相畸变的不对称 电流经p a r k 变换都可以表示成各次谐波序分量的p a r k 变换之和的形式，其检测原 理如图2 - 4 所示。 图2 4 基于d q 法的谐波和无功电流检测框图 对于三相三线制系统，电流不包含零序分量，p a r k 变换将第n 次正序分量变换 成d q 坐标系中第n 一1 次分量，将第n 次负序分量变换成d q 坐标系中第n + 1 次分量， 8 华北电力大学硕士学位论文 只有基波正序分量在d q 坐标系中为直流量。由于在d q 坐标系中，最低次数谐波分 量的频率为工频的两倍，使低通滤波器( l p f ) 的截止频率f o 时，q o ，电容充电，电压升高；反之，a c t c l _ o ，a o ，则吃超前，此时第i 个桥的直流电容进入充电状态，直流 电压升高；反之，当 0 ，即第i 个h 桥直流侧电压大于平均直流电压时，s i n a 0 ， 1 5 ； ； 华北电力大学硕十学位论文 口 o ，则吃滞后，此时第i 个桥的直流电容进入放电状态，直流电压降低。乘 以比例修正环节的目的是修正此过程中调制波幅值的微小变化。此电压内环实现的 目标是使每个独立h 桥的电容电压去跟踪它们的平均电压值，实现了各独立h 桥直 流侧电压的平衡。整个直流侧电容电压的控制原理如图3 - 7 所示： l 吃 吃 o l 图3 - 7 直流侧电容电压控制原理图 图3 - 7 中为直流侧电压指令信号，。与的误差经过p i 调节器，再与 电源电压同相位的单位正弦信号相乘，转化为有功分量，从而得到逆变器需要输出 的有功电流信号毫。此环节为电压外环，目的是得到装置总有功损耗的补偿量，实 现装置与系统的有功功率交换。为检测环节得到的负荷侧需要补偿的电流量。乏 与之和作为逆变器输出电流指令信号，与逆变器实际输出电流的误差经过p i 调节器，得到电压调制信号v m ，此环节为电流环控制。经过c p s - s p w m 调制，最后得 到控制开关通断的脉冲信号，实现逆变器的输出。 3 2 装置补偿功能的仿真分析 为了验证上述控制策略的效果，在e m t d c p s c a d 仿真软件中建立了电流质量复 合调节装置的仿真模型。主要的仿真参数为：三相电源线电压l o k v ，系统短路容量 5 0 m v a ，直流侧电容器电容值4 0 0 0uf ，单个h 桥的直流侧电容电压l k v ，基频模块开 关元件i g b t 的开关频率为2 0 0 0 h z ，高频i g b t 的开关频率为5 0 0 0 h z 。 3 2 1 谐波电流的补偿 若系统中存在三相不控整流器等非线性负载，其整流器的直流侧为感性负载， 电阻值为2 1 0q ，电感值为1 5 m h 。此时，系统a 相的电流波形如图3 - 8 所示。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 。i 磊矿i 弱r 1 丽矿一i 弱矿一虿森虿一 图3 - 8 系统a 相电流波形 由图3 - 8 可知，系统电流畸变严重，含有大量的谐波电流，电流畸变率高达 2 9 3 9 ，应对其电流质量进行改善。将本装置接入系统后，装置的指令信号检测采 用基于瞬时无功功率的d q 检测法，其仿真电路如图3 9 所示。 图3 - 9 装置检测电路的仿真图 其中滤波器为二阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器，截止频率为5 0 h z 。图3 1 0 为检 测得到的各次谐波电流之和的波形。 s 0 18 00 18 00 ：2 0 00 2 ：2 00 2 4 00 2 6 0 图3 1 0 谐波电流波形 如图3 - 1 0 所示，第一条曲线为检测得到的畸变电流中所含的谐波电流之和的 波形。把此电流信号作为高频模块的指令信号，控制高频模块的输出，第二条曲线 即为高频模块输出电流的波形。经计算，高频模块输出电流较好的跟踪了指令电流， 1 7 乍北电力大学硕：l 学位论文 谐波检测误差在2 以内，谐波的补偿精度在9 2 以上。在系统运行0 1 1 秒时将装 置接入系统，所得的系统a 相电流波形如图3 - 1 1 所示。 ；2 蝴1 ( i o ：- 0 _ 。e 0 o 黼 毽：蒜 掣曲脚 囊耄篙 甥旃自嘲 - o l 瓣 鬟靛艄蔼瀚瞒，。 秆朋耵豺卿霸罪， 孵 口j 嚣，0 9 4 0姒e 孵 图3 - 1 1 装置接入系统后a 相电流波形 由图3 1 1 可知，复合电流调节装置接入系统后，系统电流波形得到很大改善， 电流畸变率减小到3 2 4 0 5 ，可以起到较好的谐波补偿效果。为了消除纹波的影响， 在装置接入系统侧加入一个容量为0 1 8 m v a r 的高通滤波器，其中滤波器参数为 c = 1 0 u f ，l = 3 5 m h ，r = 2 0q ，截止谐波次数为1 7 次。经过改进后系统电流畸变率t h d 由3 2 4 下降到2 9 8 0 5 ，接入点系统电压畸变率t h d 。，由0 6 5 0 5 下降到0 4 2 0 5 。所得 波形如图3 - 1 2 所示。 磊 想 缆 掣 嚣 蛹 崩嘲嘲料释麓橱嘲蛹“瞒 杰t n 铤2 翻” 露鸳 嚼： 一i 蕊i 蕊弱磊一i j 磊”一霸鬲r 一磊丽一虿鬲一西焉ii i 蕊i 磊丽蕊一i j 丽”5 j 磊一 暴) 国) 图3 - 1 2 加入高通滤波器后a 相电流、电压波形 在装置进行谐波补偿的整个过程中，各h 桥的直流侧电容电压始终维持在1 k v 左右，且相互之间的偏差在2 0 v 左右，为额定电压的2 ，保证了装置良好的运行的 效果，如图3 1 3 所示。 1 2 0 1 0 8 0 蔓 。邡 0 4 0 0 2 0 0 0 0 1 0 01 2 01 4 01 6 01 b 0 图3 一1 3 装置a 相各h 桥的直流侧电压 华北电力人学硕上学位论文 3 2 2 无功电流的补偿 设系统中存在感性的无功负载，负载的等值电阻为8 0q ，等值电感为0 1 5 h ， 此时由图3 9 的检测电路，得到系统中的有功电流与无功电流如图3 1 4 所示。 s 0 4 2 00 4 4 00 4 6 00 4 8 0 0 s 0 00 5 2 00 5 4 0 图3 - 1 4 系统中有功电流和无功电流分量 图3 一1 4 中曲线1 为系统有功电流，曲线2 为无功电流。有功电流有效值为 5 2 5 a ，无功电流有效值为3 1 8 a ，功率因数p f = o 6 8 3 ，将检测得到的无功电流作 为基频模块的指令信号，控制基频模块的输出，在0 4 s 时将装置并联接入系统中， 则系统电源侧电流波形如图3 一1 5 所示。 。 s 0 3 6 00 3 8 00 4 0 00 4 2 0 0 4 4 0 图3 - 1 5 装置接入系统后电源电流 图3 一1 5 中曲线1 为电源侧电流波形，曲线2 为基波有功电流波形。可见，在 装置接入后，无功电流分量被抵消，电源侧电流与有功电流波形基本重合，系统中 只剩下有功电流分量。此时系统侧功率因数p f = o 9 8 2 ，基本上完成了对无功电流的 补偿。 此时a 相各h 桥直流侧电容电压波形如图3 1 6 所示。 i o i 蟊量= 亘黼e l 一。拿l 章t 递i 三运互涎巫西i - y 嘲歪甄互匿獭壬蔓运：r 蒜j 厂 蔓n 印1 f 剖 $0600 2 00 4 0 0 6 00 8 01 0 01 2 0 图3 - 1 6 装置接入系统后a 相各h 桥直流侧电压 可见，在装置接入系统后，各h 桥直流侧电压基本维持在设定值i k v 左右，且 互相之间保持稳定的平衡状态，保证了装置的良好运行。 1 9 华北电力大学硕：t 学位论文 3 2 3 负序电流的补偿 负序电流的补偿原理和无功电流的补偿原理基本相同，也是采用基于瞬时无功 功率理论的d q 检测法，只是将d q 变换矩阵做下变形，再将检测得到的负序电流作 为指令信号，控制各相基频模块的输出电流，从而注入系统中抵消系统中的负序分 量。基频模块电流控制方式和调制技术均与无功电流的补偿方法相同。其检测环节 的仿真电路如图3 - 1 7 所示。 图3 - 1 7 负序电流的检测电路 设系统中存在三相不平衡负荷，三相负载均为纯阻性，阻值为1 8 0q ，2 0q ， 1 0 0q 。此时测得系统电流不平衡度为4 8 2 5 ，系统不平衡电流如图3 1 8 所示。 o 0 1 7 00 1 9 00 2 j 0。0 2 3 0 o 2 5 0。0 2 7 0 图3 - 1 8 系统三相不平衡电流 图3 1 8 中曲线1 ，2 ，3 分别为系统a ，b ，c 三相相电流。将检测得到的负序电 流作为基频模块的指令信号，控制基频模块的输出，在0 3 3 4 s 左右将装置接入系 统，所得系统三相电流波形如图3 - 1 9 所示。 _ i 宾ai 冀hi r n 0 1 0 0 琰溆艘 0 0 5 0 0 0 0 0 望 0 0 5 0 0 1 0 0 图3 - 1 9 负序电流的补偿图 2 0 华北电力大学硕士学位论文 可见将装置接入系统补偿负序电流之后，系统电源侧电流中的负序分量基本消 除，只剩下基波正序分量，系统三相电流不平衡度接近于0 ，达到了良好的补偿的 效果。 3 2 4 复合补偿 当系统中同时带谐波、无功和不平衡负载时，验证装置的综合补偿效果。其中 谐波负荷为三相不可控整流桥，带感性负载，电阻值2 1 0q ，电感值0 0 1 5 h ；无功 负荷为感性负载，电阻值2 3 0q ，电感值0 6 h ；不平衡负载为纯阻性负载，a 、b 、 c 三相的阻值分别为1 8 0q 、2 0q 、1 0 0q 。此时，电源侧电流畸变严重，如图3 - 2 0 所示。 o o 18 00 2 0 0o 2 2 00 2 4 0o 2 6 0o 2 8 0o 3 0 0 图3 - 2 0 含谐波、无功和负序的系统侧畸变电流 图3 2 0 中，系统侧电流畸变率t h d 。= 1 4 8 1 ，功率因数p f = o 7 7 4 ，三相电流 不平衡度为。= 2 4 9 0 。将装置接入系统后，由高频模块补偿谐波电流。基频模块 补偿无功和负序电流，所得的电源侧电流波形如图3 2 1 所示。 o 2 5 0 o 2 0 0 o 1 5 0 o 1 0 0 o o s 0 o 0 0 0 x o 0 5 0 - o 1 0 0 一o 1 5 0 o 2 0 0 o 2 5 0 图3 - 2 1 综合补偿后电源侧电流波形 以系统侧a 相电流的波形为例，验证无功电流的补偿效果，如图3 - 2 2 所示。 0 2 0 0 s 0 2 6 00 2 8 00 3 0 00 3 2 00 3 4 00 3 6 0 图3 2 2 系统侧a 相电流波形 2 l 华北电力人学硕士学位论文 图3 2 2 中，曲线1 为a 相电源侧电流波形，曲线2 为检测得到的a 相基波正 序有功电流，可见经过补偿，两个波形基本重合，电流中只剩下基波正序有功电流 分量。 经计算在装置接入系统后，经过补偿，电流畸变率t h d 降为1 7 9 ，功率因数 p f 提高到0 9 9 3 ，三相不平衡度接近于0 。可见电流质量复合调节装置在补偿能力 范围内，按照上述控制策略能够很好地完成补偿功能，起到改善系统电流质量的作 用。 3 3 本章小结 l 、分别介绍了电流质量复合调节装置高频模块、基频模块和直流侧电容稳压 环节的工作原理和控制策略，将高频模块和基频模块分开控制，使补偿目标相互独 立，有利于装置补偿功能的实现。 2 、在直流侧电容电压的稳定控制技术上，采用电流环和电压内外环相结合的 方法，在电容电压总体稳定的前提下，使各h 桥之间直流侧电压保持平衡，保证了 装置的j 下常