（电力系统及其自动化专业论文）统一电能质量调节器的控制方法研究.pdf

a bs t r a c t t h eu 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 ) i sa ne v o l v e m e n to ft h ea c t i v e p o w e rf i l t e r ( a p f ) i tc a nb r i n gt h ea d v a n t a g e so fb o t ht h es e r i e sa c t i v ef i l t e ra n d t h es h u n ta c t i v ef i l t e ri n t op l a yi np o w e rs y s t e m ，w h i c hp r o v i d e sc o m p r e h e n s i v e p o w e rq u a l i t yc o m p e n s a t i o n s ，b yc o m b i n i n gt h es e r i e sp a r tw i t ht h es h u n tp a r t f o rt h i sr e a s o n ，i ti sc o n s i d e r e dt oh a v ee x t e n s i v ep r o s p e c tn o w a d a y sw h e np o w e r q u a l i t yp r o b l e mi sm o r es e r i o u s l yc o n c e m e d p o w e rq u a l i t yp r o b l e mi nt h es y s t e mi sr e c o u n t e df i r s t l yi nt h i st h e s i s ，t h e d e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t y o fa p fa r ei n t r o d u c e da f t e r w a r d i nt h eb a s i so f w h i c h ，t h i st h e s i se x p l a i n st h et o p o l o g ya n dt h ef u n c t i o no ft h et n , q c t h e n ，t h e d e t e c t i o nm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y ，w h i c ha r et h ei m p o r t a n tp a r t sa f f e c t i n g t h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to ft h eu p q c ，a r ed i s c u s s e da n di n v e s t i g a t e di nd e t a i l i nt h ed e t e c t i o np a r t s e v e r a lk i n d so fm e t h o d sa r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d w i t h i n t e g r a t i n gt h ec o m p e n s a t i n gt h e o r yo ft h eu p q c ，t h i sp a p e rd e d u c e st h e d e t e c t i n gm e t h o do fv o l t a g ea n dc u r r e n tb a s e do np a r kt r a n s f o r m a t i o ni nt h e o r y t h em e t h o d i si m p r o v e do nt og e tt h ed e t e c t i o nr e s u l t si ng o o dt i m ew h e nt h e h a r m o n i c sa r en o ti n c l u d e di nt h ea b n o r m a lc o n t e n t t h e n ，s o m er e l e v a n tr e s e a r c h i sd o n ei ns i m u l m i o nt ot e s t i f yt h ev a l i d i t yo ft h ed e t e c t i n gm e t h o d i nt h ec o n t r o lp a r t ，t h eh y s t e r e s i sc o n t r o la n dt h et r i a n g l ec a r r i e rw a v ec o n t r o l a r ef i r s t l yi n t r o d u c e d a f t e r w a r d t h em o d e lo fu p q ci sd e d u c e dd e t a i l e d l y c o n s i d e r i n gt h a tu p q ci sac o u p l i n gn o n l i n e a rs y s t e mi ns y n c h r o n o u sr o t a t i n g 由c o o r d i n a t es y s t e m ，t w om e t h o d sa r ea d o p t e dt od e s i g nt h ec o n t r o l l e r o n ei s s t a t e f e e d b a c kd e c o u p l ec o n t r o lm e t h o dw i t hp ia d j u s t m e n t ，w h i l et h eo t h e ri s v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o du s i n gi n v e r s e s y s t e mt e c h n i q u e s o m er e l e v a n t r e s e a r c ha n dc o m p a r i s o na r em a d ei ns i m u l a t i o n t h es t a b i l i z a t i o no fc a p a c i t a n c e v o l t a g ei nt h ed i r e c tc u r r e n ts i d ei sr e a l i z e db yp ic o n t r 0 1 k e yw o r d s ：u p q c ：n o n l i n e a rs y s t e m ：i n v e r s es y s t e m ：v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 勿孑似 m 禽a1， 铣妒 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：够珈吩 醐m 烨 指导老师 日期： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 电能作为现代工业发展的基石，其质量标准与工业发展的阶段密切相关。 在电力工业发展的相当长一段时间内，由于负荷特性，电能质量问题显得并 不尖锐，大多数用户因其自身发展的需要只注重对电能“量”的要求，而对 “质”的要求相对较低，电力系统中许多机电设备都能在电能参量相对较大 的变化范围内正常地工作。但是随着科学技术的发展，特别是在近2 0 年，社 会进入飞速发展的电子时代：生产的自动化、数字化和集成化程度不断加强； 精密电子设备的广泛应用和家用电器的日益普及；基于计算机、微处理器控 制的用电设备和电力电子设备在系统中的大量使用。这类以电子控制为特点 的负荷面对系统的干扰比机电设备更加敏感，因此对供电质量的要求也更高， 即不论系统是处于正常稳态还是故障暂态，均需保证幅值偏差很小( 如只允 许在额定值的1 0 或更小的范围内波动) 的基波正弦电力的可使用性，哪 怕几个周波的供电中断或电压跌落都将影响这些设备的正常工作，造成巨大 的损失i l 吃j 。一方面是对电能质量敏感的用电设备的大量普及，促使电力用户 对电能质量和供电可靠性提出更严格的要求：另一方面，造成电能质量下降 的因素不断增加，除了电力系统本身所引起的电能质量问题以外，各种非线 性、冲击性以及波动性负荷也会导致电网发生波形畸变，产生谐波、电压波 动、闪变、三相不平衡等一系列问题。这些问题日趋严重，对电网的电气环 境产生了越来越严重的污染。深入分析和研究电能质量问题及其控制装置， 已成为供用电双方共同关心的重大问题【3 - 5 1 。 1 2 电能质量问题概述 现代生产和生活离不开电力，电力部门不仅要满足用户对电力数量不断 增长的需要，而且也要满足对电能质量的要求。如同其它产品一样，电能质 量也有优劣之分，超出一定范围的频率或电压的偏差或波形的畸变，都会对 电力用户以及电网的安全、经济运行等带来不良的影响【6 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 电能质量的定义 目前，世界各国对电能质量的定义都不完全相同。从不同的角度来看， 对电能质量会有不同的理解：从供电角度看，电能质量是指供电的参数符合 标准及供电的可靠性；从用电设备生产商的角度看，电能质量是指提供设备 所要求的电能特性；从用户角度看，电能质量问题是指一切会引起用电设备 运行故障的供电电压、电流及频率的异常扰动。i e e e 给出电能质量问题的一 般解释为在供电过程中导致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现 象，如电压凹陷、过电压、暂态、谐波畸变和电气噪声等。事实上，电能质 量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，用户是电能的最终使用者。如 果送达用户的电能其质量指标的变化不影响用户设备的性能和寿命，那么电 能质量就是合格的；反之，如果送达用户的电能其质量指标的变化已影响到 用户设备的正常运行、效率、产品质量及寿命，那么电能质量就是不合格的。 也就是说，用户的衡量标准应成为定义电能质量及其指标的主要依据1 7 谓j 。因 此，本文对电能质量采用如下的定义【7 1 ：电能质量是任何明显引起电压电流或 频率偏移并由此导致用户装置故障或误动作的电能问题。 电能质量主要包括以下几项内容佟j ： ( 1 ) 频率：包括额定频率及允许频率偏差。 ( 2 ) 电压：包括电力系统标称电压、电气设备额定电压和电气设备最高运 行电压及电压运行偏差。 ( 3 ) 波形：包括电力系统交流电的波形和波形允许偏差。对于三相系统来 说，还要求三相对称。 1 2 2 电能质量问题的分类 为了系统地分析研究电能质量问题，将电能质量问题进行分类和给出相 应的定义或规定是很重要的。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f 3 】【7 _ 8 】： ( 1 ) 跌落( s a g ) ：电压( 电流) 幅值降至0 1 p u 0 9 p u ，持续时间为0 5 个周 期至l m i n ，频率为标称值。主要引起原因为系统单相短路及大功率负荷突然 启动等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 2 ) 上升( s w e l l ) ：电压( 电流) 有效值升至1 1 p u 1 8 p u ，持续时间为0 5 个 周期至l m i n 。主要原因为系统及大功率负荷突然切除等。 ( 3 ) 中断( i n t e r r u p t i o n ) ：在一相或多相线路中完全失去电压( 电流) 或低于 额定值的1 0 ，持续时间0 5 个周期至3 s 叫瞬时中断；持续3 s 至6 s 为暂时 中断；持续时间大于6 0 s 为持续中断。主要原因是系统故障或误操作。 ( 4 ) 闪变( f l i c k e r ) ：电压幅值在0 9 p u 1 1 p u 范围内有规律地或随机地变 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。 ( 5 ) 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。由 电力系统中的装置和负载的非线性特性引起的波形畸变，可分解为基波和谐 波之和。 ( 6 ) 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。 总的归纳起来，电能质量问题可以分为三类：第一类是电压偏移，包括 电压跌落、电压上升等；第二类是供电连续性，包括瞬时断电、暂时断电、 持续断电；第三类是波形和相移方面，如谐波、三相电压不对称等。 1 2 3 电能质量问题的危害 据美国电力科学研究院( e p r i ) 有关专家估计，当前电能质量的相关问题 在美国每年造成的损失可达到数百亿美元【9 】。电能质量污染的危害和影响主 要涉及三个方面，即电力系统本身、电力用户和相关行业等。具体表现为【1 0 】： ( 1 ) 使电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效 率和使用寿命；( 2 ) 产生机械震动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热； ( 3 ) 导致继电保护和自动装置的误动作，并可能使电气测量仪表计量不准确； ( 4 ) 对邻近的通讯系统产生干扰。轻者产生噪声、降低通讯质量，重者导致信 息丢失，使通讯系统无法正常工作；( 5 ) 谐波使电容器、电缆等设备过热、绝 缘老化、寿命缩短，甚至损坏；( 6 ) 谐波还会导致公用电网中局部的并联谐振 和串联谐振，从而使谐波放大，这就使得上述两种危害的可能性增大，甚至 引起严重事故；( 7 ) 在电压不平衡较严重时，会引起零点电位飘移，影响计算 机的正常工作；( 8 ) 电压波动和闪变对数字系统形成干扰，造成误动作；( 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 电网电压和频率的偏差、谐波含量、三相不平衡以及电压波动和闪变等，均 会直接影响电机的转矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。 1 3 电能质量污染的治理 电能污染日益严重，如何提高电能质量，有效抑制电网中的谐波和无功 功率，引起电力研究人员广泛的关注。许多学者和专家对电能质量问题进行 了大量的理论和实验研究，致力于研究和开发补偿装置来解决电能质量问题。 通过对这些装置和补偿方法的分析，主要分为以下两类： 传统方法i l l j ： ( 1 ) 调节有载调压变压器的分接头，可保持电压稳定，保证电压质量，但 不能改变系统无功需求平衡状态，同时也可能影响变压器运行的可靠性。 ( 2 ) 局部并联电容器组，可补偿系统无功功率，解决电压偏低的问题，但 对轻载电压偏高的电能质量问题却无能为力，此外，在谐波负载下用电容器 进行无功补偿时，会产生谐波电流严重放大，甚至引起谐振现象。 ( 3 ) 无源滤波器是传统的抑制谐波电流的主要手段，安装在电力电子设备 的交流侧，它通过l c 谐振回路吸收电网中的谐波电流，是目前采用的抑制 谐波及无功补偿的主要手段。但它易受系统参数的影响，耗费多、体积大， 而且只能抑制固定频率的谐波，同时也可能造成系统谐振。 ( 4 ) 通过备用发电机组和机械式双电源切换装置等方法对重要用户连续 供电。 以上传统方法都能在一定程度上解决电能质量问题，但在实际应用中也 越来越暴露出本身无法克服的缺陷，因此必须提出新的解决电能质量问题的 方法。 基于用户电力技术的解决方法【1 】【6 】【1 2 】： 电力电子技术的应用给解决电能质量问题开拓了广阔的前景，1 9 8 8 年， 用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 的概念首次被美国电力科学研究院的 n g h i n g o r a n i 提出。该概念提出，将电力电子技术、微处理技术、控制技术 等运用于中低压配电和用电系统，可很好地解决谐波畸变、电压波动和闪变、 电压不对称等问题，提高供电可靠性和电能质量。9 0 年代以来，随着各种大 功率电力电子器件的相继问世，出现了一系列的电能质量补偿控制设备，从 而大大提高了电网的电能质量。用于改善电网电能质量的用户电力技术主要 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 使用的装置有： ( 1 ) 静止调相机( s t a t c o m ) ，正常工作时并联连接在电网中，通过调节电 力半导体的通断，改变交流侧与电网同频率的输出电压的幅值，使该电路吸 收或发出满足要求的无功功率，来实现无功补偿的目的。 ( 2 ) 固态电子转换开关( s s t s ) ，克服传统的机械开关响应速度慢的弊端， 用于保障由多回独立馈线对重要负荷的供电质量，当馈线发生故障或电压跌 落时，利用s s t s 的快速切换特性( 切换速度不到半个周期) 将重要负荷切换到 由另一条馈线供电，保证对重要用户可靠供电。 ( 3 ) 动态电压恢复器( d v r ) ，是目前保证敏感负荷供电质量非常有效的串 联补偿装置，因为它通过自身的储能单元，能在毫秒级内将电压跌落补偿至 正常值，因此是抑制动态电压干扰的有效补偿装置，可以保证敏感负荷对电 压质量的要求，如半导体生产厂家等。 ( 4 ) 不间断稳压电源( u p s ) ，当系统供电正常时，u p s 将交流整流成为直 流并向电池充电，从而交流电能储存为直流电能，供电中断时，u p s 将储存 在电池中的直流电能逆变成为交流电能，用于保证重要负荷的不间断供电， 如银行、医院、厂矿等的紧急供电。 1 4 有源电力滤波器的发展、现状 随着电力电子技术的飞速发展，工作在非线性条件下的各种功率器件得 到广泛应用。这些电力电子装置在节约能源、提高生产效率和人们生活质量 等方面起着很重要的积极作用，然而由于电力电子装置的非线性和多样性特 点，大量的谐波和无功电流注入电网，造成系统效率变低，功率因数变差， 并对其它设备和装置产生扰动，严重威胁电网的电能质量和用户设备的安全 运行。过去，国内外大量采用无源滤波装置来进行谐波抑制、无功补偿和提 高功率因数。传统的l c 无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器适当组 合而成，具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性高、运行费用较低和维 护方便等优点。但也存在不足和缺陷，如无源滤波器的谐波补偿频带窄，只 能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会发生放大作用，滤波特性受系统 参数的影响较大，当系统阻抗和频率变化时，可能会与电网阻抗之间发生串 并联谐振现象，装置笨重，体积大，损耗大等等1 1 引。 随着电力电子技术和功率集成电路技术以及相关的谐波理论的发展，七 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 十年代提出了应用电力电子装置进行谐波和无功补偿的方法，这就是有源电 力滤波器( a p f ) 。有源滤波器的思想最早出现于1 9 6 9 年b m b i r d 和j e m a r s h 的论文中1 1 4 j 。文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的 谐波，来改善电源电流波形的新方法。文中所述的方法被认为是有源电力滤 波器思想的诞生。1 9 7 1 年，日本的h s a s a k i 和t m a c h i d a 完整描述了有源电 力滤波器的基本原理i l 引，1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g y i 和 e c s t r y c u l a 提出了采用脉宽调铝i ( p w m ：p u l s ew i d t hm o d u l a t i n n ) 控制的有源 电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有 源电力滤波器的补偿思想i l6 | 。然而，在2 0 世纪7 0 年代由于缺少大功率可关 断器件，有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。到 了2 0 世纪8 0 年代，新型电力半导体器件的出现，p w m 技术的发展，尤其 是1 9 8 3 年日本的h a k a g i 等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该 理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功 的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展i i 7 。1 8 】。其基本思想如下图所示： 图卜l 有源电力滤波器 图1 1 即为有源电力滤波器的基本思路，由a p f 产生一个与负载谐波电 流大小相同方向相反的电流，与负载的谐波电流相抵消，从而使电源电流不 包含谐波。 a p f 是一种主动型的补偿装置，具有良好的动态性能，是近年来电力电 子领域的热门话题。a p f 分为并联型a p f 和串联型a p f ，分别补偿电流谐波 和电压谐波，如图1 2 和图l 一3 。串联a p f 通过变压器与系统串联，补偿系 统测的电压谐波，以保证负载端电压为标准的正弦电压，其补偿思想与并联 a p f 是一样的。目前有源滤波技术己在日本、美国等少数工业发达国家得到 应用，其装置容量最高达2 0 m v a ，国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步 阶段【1 9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - 2 并联a p f图1 - 3串联a p f 与无源滤波器相比，a p f 有高度可控性和快速响应性，其特点如下1 2 0 l ： ( 1 ) 不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点， 在性价比上较为合理； ( 2 ) 滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险； ( 3 ) 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。 1 5 统一电能质量调节器的提出和发展现状 随着电网结构和电力负荷成分的日益复杂，各种电能质量问题在同一配 电系统中同时出现的情况越来越多。若针对每一种电能质量问题都分别采取 一种类型的调节装置，这样多种装置同时使用将会大大增加治理的成本，还 会增加装置运行维护的复杂程度，并且各装置之间还存在着协调配合问题， 影响联合运行的可靠性，这样即不经济，又不现实。 针对这种情况，文献 2 1 】首次提出了统一电能质量调节器( u 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 ) 的概念，该装置由并联a p f 和串联a p f 相结合而 成，其基本结构如图卜4 所示。文中指出了统一电能质量调节器具有的作用 是补偿电压闪变、不平衡、无功功率、负序电流和谐波。换句话说，u p q c 能够改进电力配电网或工业电力网中设备安装点的各种电能质量。因此，对 于一些对电压闪变不平衡敏感的负载来说，u p q c 是一种很有力的解决方 案。目前，u p q c 的研究重点是并联a p f 与串联a p f 的协调控制，也就是 并联部分为串联部分提供良好的功率支撑，维持直流侧电压的稳定，最终使 并联部分能保证负载向系统注入的电流为标准的正弦基波有功电流，而串联 部分则确保为敏感负载提供三相平衡且动态波形质量良好的电压1 2 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 a p f l 肘1 2 图1 - 4 统一电能质量控制器 近年来国外许多先进国家都已在研制这种能综合解决多种电能质量问题 的装置，德国西门子公司在其串联型、并联型电能质量调节器产品基础上开 展了u p q c 同类综合型电能质量调节器的研发【2 3 1 ，但至今世界上尚未有此种 综合装置投入现场实际运行，相信随着电力用户对电能质量要求的不断提高 和该类装置成本的降低，以及研究工作的不断深入，在不久的将来u p q c 将 得到实际应用。目前，在国内，该技术也得到了较快的发展，清华大学在成 功研制s t a t c o m 基础上也开展了u p q c 同类装置用户电力统一控制器( u n i v e r s a lc u s t o m e rp o w e rc o n t r o n e r ：u c p c ) 实验样机的研制并取得了阶段性成 果。另外，哈尔滨工业大学、东南大学、武汉大学等也在u p q c 的研究中取 得了进展【2 4 1 。在理论上，u p q c 的研究也取得不小的成绩，目前针对u p q c 的理论研究主要集中在补偿量的检测和补偿电路的控制上。 文献 2 5 】提到，日本学者a k a g i 给出的只是将串联型有源滤波器和并联 型有源滤波器合并在一起的u p q c 拓扑结构的雏形，具体电路形式有待进一 步深入和扩展，综合功能也有待进一步丰富和完善，特别是u p q c 多重补偿 信号的快速同时检测方法，u p q c 电压、电流波形跟踪补偿优化控制理论和 u p q c 串并联单元的协调控制策略等问题更需要系统、深入的研究，以使其 能充分发挥强大的综合功能，创造一个绿色、高效的供用电环境。 1 6 本文的主要内容 本文在分析a p f 的结构、功能和原理的基础上，以一种新型的有源滤波 装置统一电能质量调节器( u p q c ) 为研究对象，选取三相三线制u p q c 为具体模型来展开研究。课题的主要内容如下： ( 1 ) 首先介绍了电网中电能质量问题的定义和分类，分析了电能质量问题 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 产生的原因、危害和治理电能质量问题的一些措施。对a p f 的运行机理和发 展现状进行了说明。 ( 2 ) 在分析a p f 结构和原理的基础上，详细分析了u p q c 的系统结构和 补偿原理，以及在配电系统中串并联侧和直流侧的功率流动情况。 ( 3 ) 对于补偿量的检测，简要介绍了几种目前存在的检测方法，着重探讨 了基于瞬时无功功率理论的谐波检测法，如p q 法，驴一f g 法和d - q 法。并在 此基础上，理论推导和分析了基于p a r k 变换的u p q c 电压电流综合检测法。 该方法简单易行，实时性好，避免了大量的相量计算，省去了对畸变电网电 压的锁相环节，很好的克服了现有的u p q c 检测方法中存在的一些缺点和不 足。在被检测量不含谐波，而只含基波负序和零序等不平衡量时，对砌变换 后直流量的提取方法进行了一些改进，该方法可以省去锁相环节和低通滤波 环节，使检测的实时性更好。 ( 4 ) u p q c 的补偿效果除了取决于指令信号检测方法外，还取决于对变流 器采用的控制手段。本文首先介绍了当前存在的一些控制方法，然后着重阐 述了目前应用最广泛的滞环控制和三角载波比较控制的工作原理，指出了它 们的优缺点。接着，对u p q c 的数学模型进行了详细的推导和分析，在砌旋 转坐标系下，u p q c 的数学模型是耦合的非线性系统，针对该耦合系统，文 中采用了两种方法来设计控制器，一种是采用基于p i 调节的前馈解耦控制， 在理论上论证了该方法的有效性。另一种方法是首先采用逆系统方法对数学 模型进行解耦，将原系统变换为一个解耦的伪线性系统，然后针对该系统使 用滑模变结构控制来设计控制器。对于直流侧电容电压的稳定，是采用p i 调节来实现的。 ( 5 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下搭建了仿真模型，对以上采用的检测方法和 控制方法进行验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 第2 章统一电能质量调节器的工作原理 统一电能质量调节器是由有源电力滤波器发展而来的，串联型a p f 和并 联型a p f 是构成u p q c 的主要组成部分，因而研究a p f 的工作原理有助于 对u p q c 的原理有更好的理解。 2 1 有源电力滤波器的工作原理【2 6 】 图2 1 并联a p f 并联a p f 一般由变压器并联在主电路中，图2 1 为并联a p f 的基本原理 图。系统侧电流为，负载侧电流为f f ，a p f 补偿电流为t 。其中由基波电 流谚和谐波电流组成，实际应用中，如往往还包含基波无功分量。 i s = i l + i c l i2 l l f + l | h 02 一 i 。= + t = f f ， ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式( 2 - 1 ) ( 2 4 ) 表示，含谐波的负载电流经过a p f 的补偿后流入系统， 变化为只含有基波分量的正弦电流。 串联有源电力滤波器是1 9 8 8 年f zp e n g 等人提出来的，串联a p f 的基 本结构一般由逆变器通过变压器串联在主电路中，在变压器副电路侧产生一 个谐波电压，用来抵消电网的谐波电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 2 串联a p f u s 一”。= 掰， ( 2 - 5 ) u 。= “矿+ “曲+ a u 盯 ( 2 6 ) “。= u 曲+ a u 矿( 2 7 ) u l = ( 2 8 ) 图2 2 为串联a p f 的工作原理图，系统电压为甜，其中包含基波电压标 准值u 盯、谐波电压u 妇和基波电压波动，串联a p f 的补偿电压为u c ，负 载侧电压为坼。式( 2 5 ) - ( 2 8 ) 表示，含有谐波和波动的网侧电压经过补偿之 后变为只含标准基波分量的负载电压。 2 2 统一电能质量调节器的工作原理 2 2 1 u p q c 的拓扑结构 统一电能质量控制器u p q c 与柔性交流输电系统( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ：f a c t s ) 中的统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r ：u p f c ) 具有一样的主电路拓扑结构，但它们应用的场所和所实现 的功能不同，u p f c 应用于输电系统，而u p q c 应用于配电系统。u p q c 作 为功能最强大的电能质量综合补偿装置，其串联单元具有d v r 、u p s 功能， 并联单元具有s v g 、a p f 功能。u p q c 的串并联单元可解耦后独立运行实 现各自的功能，也可联合运行实现统一的综合功能1 27 | 。 下图所示为u p q c 的基本拓扑结构，它由一个串联a p f 和一个并联a p f 组成，两部分通过中间的直流电容耦合在一起。其中靠近电网侧的串联a p f 按受控电压源方式工作，通过变压器串联接在电网和负载之间，补偿来自电 网的电压谐波和抑制电压波动，提高供电电压的质量和可靠性，一般还会在 串联侧接入l c 电路用来抑制逆变器产生的高频开关脉动。靠近负载侧的并 联a p f 按受控电流源方式工作，通过输出电感并联接入电网，向电网注入与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 负载谐波和无功电流大小相等方向相反的电流，抑制非线性负载对电网的影 响。一般还会在系统中并联高通滤波器，负责滤出并联a p f 产生的开关噪声 和负载谐波中的高次分量。直流侧电容为a p f 的正常工作提供直流电压和有 功支持。 图2 - 3u p q c 的基本拓扑结构 2 2 2u p q c 的功率平衡分析【2 8 】 n 图2 4u p q c 的主电路结构 一 本文采用如图2 4 所示的三相三线制u p q c 主电路结构，串联侧a p f 接 入l c 电路用于滤除逆变器产生的高频电压谐波，三相电容器组采用星型接 法；并联侧a p f 通过电感并联接入电网，为理论分析的方便，省去并联侧变 压器和系统中的高通滤波器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 假定由电网电源流入系统的总功率为p 。，则： 己= 甜，c = ( u t + “。1 ) ( 2 1 ) 其中，甜。为串联侧原边电压。由于= i ：一t ：，则： 巴= u s i s = ”，i l 一“，- t 2 + “。l 。 ( 2 2 ) 若控制u p q c 系统使 甜，= 约i + & ( 2 - 3 ) 成立，其中巳为系统损耗，则可以得到： 吃= 一l l ，- t 2 + “。】 ( 2 - 4 ) 对于串联侧变压器原、副边有“d = ：之，其中“。：和之分别为变压器副边 电压和电流，则有： 吃= 一嘶t 2 + “。2 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 表明，在控制系统中式( 2 3 ) 成立的基础上，流入u p q c 系统的有 功功率刚好补偿了系统的损耗。如果忽略这个损耗，可以认为在这种情况下 串联a p f 侧和并联侧a p f 输入、输出的有功功率是平衡的。考虑直流母线 电流，可以得到串联a p f 输入的有功功率为： 只。，f 甜加= “。2 t = u 出一i d c l ( 2 6 ) 并联a p f 输入的有功功率为： 匕洲抽= 嘶t 2 = 一l d c 2 ( 2 - 7 ) 则式( 2 3 ) 所示的功率平衡方程式变化为： 甜出一i d c l b l 出一l d c 2 = 吃 ( 2 8 ) 当系统损耗可以被忽略时，由式( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 可得： 足月靠加= 一p s h 删加= ( u ，一嘶) c ( 2 - 9 ) 通常甜。是不可调节的，而u ，要求被控为与“。同相位的额定电压，负载电 流f ，由负载大小和类型决定，所以要使式( 2 3 ) 成立，需控制电网电流f ，而并 联侧的电流关系为t = - i l ：，可见可以通过控制t ：来控制c ，即并联a p f 被 控为电流源输出所需电流f ，使得t 为所需的标准正弦值。同时，串联a p f 被 控为电压源来补偿电网电压使得扰，为与“。同相位的标准正弦电压。 式( 2 9 ) 表明了，u v q c 内部有功功率流动情况，当电网电压u s 高于甜，时， 只。m 0 ，只mm 0 ，有功功率从串联侧流入，从并联侧流出；而当“。低 于“，时，巴m 加 0 ，有功功率从并联侧流入，从串联侧流出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 3u p q c 的补偿原理 2 9 - 3 0 u p q c 的工作主要包括三个部分：检测部分、控制部分和主电路部分。 检测部分的主要功能是从补偿对象的电路中提取电压和电流谐波以及无功分 量等补偿量。控制部分的作用是以检测部分得出的补偿量作为参考信号，控 制开关器件的通断，使主电路输出符合要求的电压和电流。 净一 一 - 如 )z 匕 ii + 优7 图2 5u p q c 的等效原理图 图2 5 为图2 4 的u p q c 主电路结构的等效原理图，u ，是串联a p f 提供 的补偿电压，串联侧采取检测谐波电压补偿，控制其发出的电压等于负的系 统谐波电压；f ，是并联a p f 提供的补偿电流，并联侧采取检测电流补偿， 控制其输出的电流等于负的负载谐波电流；z 是系统的非线性负载。 若电网电压是非正弦畸变信号，通过傅立叶分析，可被分解为基波正序、 基波负序和谐波分量。如图2 5 所示，当u p q c 的串联a p f 提供电网中的基 波负序和谐波分量时，则负载侧电压即可成为三相对称正弦电压。由于线路 损耗等原因，电网电压的基波正序分量在到达负载端时，幅值可能会有所下 降，为了保证负载端能够得到幅值一定的三相对称电压，故在研究中让串联 a p f 也承担了一定基波正序电压补偿的功能。同样，并联a p f 提供的补偿电 流满足负载电流中除基波正序有功电流外的其他分量，希望补偿的无功和谐 波电流将不再流进电源，而直接进入并联a p f ，从而电源电流将只提供负载 中的基波正序有功电流。 对于并联a p f 部分，它除了补偿电流畸变量以外还负责调节直流母线电 压睨，使其为恒定值。由上文介绍的电压型a p f 的特性可知，在工作过程 中大电容的电压值被看作是一个恒定的量。但是电力变换器在实际工作中存 在着有功损耗，因此如果电网不向u p q c 输入一定的有功功率，则电容c 0 的 初始电压睨将不断减少，造成u p q c 不能正常工作。所以电网每个周期必 须要给电力变换器补充能鼍，向并联a p f 输入一定的有功电流。保持直流母 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 线电压恒定的这个过程，常采用p i 控制来实现，其具体控制方法将在后续章 节中详细介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章统一电能质量调节器的检测方法研究 统一电能质量控制器( u p q c ) 作为综合型的电能质量补偿装置，常常需要 同时解决多重电压、电流质量问题，这样就要求u p q c 能够分别将电压、电 流各自的多重扰动量及时、准确的检测出来，以作为u p q c 串并联单元进 行多重电压、电流质量问题综合治理的依据，这样才能保证u p q c 补偿的实 时性和准确性。 3 1 现有的检测方法 电能质量信号的检测技术一直是电能质量问题方面的研究热点。目前谐 波检测方法主要有以下几种：模拟滤波器检测法【3 1 】、基于f r y z e 功率定义的 检测方法【32 1 、基于频域分析的f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) 傅立叶变换检 测法【3 3 】、自适应检测法【3 4 1 、基于神经网络的检测法【3 5 1 、基于小波变换检测方 法【36 j 和基于瞬时无功功率理论的检测法。 ( 1 ) 模拟滤波器：模拟滤波器有两种，一是高通滤波器，通过滤波器滤除 基波分量，得到谐波电流分量；二是用带通滤波器得出基波分量，再与被检 测电流相减得到谐波分量。模拟滤波器原理和电路结构简单，造价低，能滤 除一些固有频率的谐波，但这种方法误差大，实时性差，电网频率变化时尤 其明显，另外该方法对元件参数十分敏感，参数变化时检测效果明显变差。 ( 2 ) 基于f r y z e 功率定义的检测方法：该检测方法的原理是将负荷电流分 解为与电压波形一致的分量，将其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电流) 。 它的缺点是：因为f r y z e 功率定义是建立在平均功率的基础上，所以要求瞬 时有功电流需要进行一个周期的积分，再加上其它运算电路，会有几个周期 延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流 值。 ( 3 ) 快速傅里叶变换( f f t ) 检测法：快速傅里叶变换的出现，大大减少了 时域频域之间相互变换的运算量，以快速傅里叶变换为基础的全数字频域滤 波方法应运而生。该方法能自动跟踪电网频率的波动，自适应地提取基波分 量。但此方法需进行两次f f t 变换，运算量仍很大，并且为防止混频干扰， 往往还要对采样信号加前置滤波器以滤去高频成分，所以该方法仍存在时延 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 较大、实时性较差、补偿效果不好等缺点。 ( 4 ) 自适应检测法：自适应检测法是利用自适应干扰对消原理，从负载电 流中消去基波有功分量，从而得到所需的补偿电流指令值，它通过不断的自 我调整使系统处于最佳状态。其优点是抗干扰能力强，具体体现在：当电网 电压畸变或基频扰动时，检测系统仍能正常工作，运行特性基本上不受元件 参数影响。其缺点也非常明显，那就是实时性不好，动态响应较慢，难以保 证实时性，它比较适合对缓慢变化负荷的检测。 ( 5 ) 基于神经网络的检测法：人工神经网络技术不依赖于模型，能大规模 的并行处理，信息分布存贮，具有连续时问的非线性动力学特性，高度的容 错性和鲁棒性，适合于具有不确定性或高度非线性的对象，并且有较强的适 应和学习能力。将神经网络应用于谐波测量，主要涉及网络构建、样本的确 定和算法的选择。神经元是组成神经网络的基本单元，它有一定的映射能力 及自适应和自学习等功能，故单个神经元可视为最简单的神经网络。人工神 经网络与自适应干扰对消相结合的方法动态跟踪效果比单纯的自适应干扰对 消方法有所提高，但计算复杂。 ( 6 ) 基于小波分析的谐波检测方法：小波分析作为信号处理中时域分析的 重要发展，是时域分析的重要工具，它克服了傅立叶分析在频域完全局部化 而在时域完全无局部化的缺点，尤其适合突变信号的分析与处理。对于需要 检测谐波和其它的电能质量控制领域，小波分析的应用很多，能够很快得到 谐波信号。由于小波变换具有将暂态信号突变点进行精确定位的优点，以及 小波变换分析具有多尺度分解的特点，能够检测电压暂态扰动，通过对暂态 扰动信号特征的提取，能够在半个周期甚至更短的时间内即可判断出扰动的 类型，而且将该扰动检测出来。 基于瞬时无功功率理论的检测法是目前研究及应用最广泛的检测方法。 3 2 基于瞬时无功功率理论的检测法 3 2 1 三相瞬时无功功率理论【1 7 】 3 7 1 三相瞬时无功功率理论是日本学者赤木泰文于1 9 8 3 年首先提出来的，此 后经不断的研究逐渐得到了完善。基于瞬时无功功率理论的检测法现己包括 p q 法、绉一岛法和d - q 法。p q 法应用最早，适用于三相对称且无畸变的公用 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 假设三相电路中的电压和电流瞬时值分别为e 口、e 小e 。和i a 、i b 、i 。采 用c 3 2 变换矩阵，将它们变换到a 侈两相正交坐标上有： 凇：目舡z 豳 p ， 压 c 3 ：= 雪 1 三三 2 2 o 笪一鱼 22 ( 3 - 2 ) c