（电力系统及其自动化专业论文）超级电容器储能系统并网运行的控制理论研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超级电容器储能系统并网运行的控制 理论研究，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己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 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： 日期； 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第一章引言 集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电艇生产、输送和分配 的主要方式，正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。这种形式也存在一些弊端f l j ， 主要有；对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电；不能灵话跟踪负荷的变化：大 型互联电力系统中，局部事故极易扩散，导致大面积的停电：而电力系统越庞大， 事故( 如雷击) 发生的概率越高。因此可以说，现有的电力系统是既“笨拙”又“脆弱” 的。另一方面，强劲的经济发展对电能增长的需求高于计划增长速度，规划的发电、 输送容量没有与电能的实际需求同步发展，在世界上一些经济发展较快的地区都出 现了电力供应短缺的现象。严重的电力短缺不仅直接影响了经济的发展，而且对社 会运行乃至广大居民的日常生活也带来诸多不便。在这种情况下，传统的做法只能 是增加当地或区域的发电或输送容量，这样，需要巨大的投资，花费较长的时间， 无法及时满足用户的用电需求，而分布式能量系统投资少、建设周期短，可以根据 需求的发展随时增加或扩建，提供了最及时、最具有成本效益的电能生产方式。在 全球范围内正在进行的电力市场化改革又使得独立发电运营商成为可能，并有机会 进入原本被电力系统垄断的发电侧电力市场，参与电力市场竞争。在市场经济体制 下，由国家垄断地进行能源基础设施建设投资的主体局面将会打破。分布式发电技 术为众多投资者提供了投资和获利空间，也增加了能源设施建设的投资渠道。同时， 世界范围内电力工业技术进步和地球资源日渐衰竭及人们对环境的关注，使得电力 系统中形成了这个新的研究热点分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) 技术。 分布式发电技术的研究在近年来已经取得了突破性进展，其中规模较大的利用 往复式发电机和中小型燃气轮机发电的分布式发电技术已经较为成熟，在分布式发 电中具有重要的地位。由于微型燃气轮机和燃料电池的输出功率比较小，通常安装 在靠近负荷侧，有的就安装在负荷侧，那么系统受单个负荷波动的影响比较大。微 型燃气轮机和燃料电池等均具有响应比较慢和无惯性的特点，其功率输出变化的时 间常数为5 m s 5 0 s ，这么慢的响应就需要在直流母线或交流系统中具备一定的储能 以跟踪负荷的变化肛j 。特别是基于可再生能源的分布式发电中加入储能装置就可以 有效地提高能源利用率、降低环境污染、改善系统的热经济性，所以说储能技术将 会在分布式发电中起重要作用。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 本课题的研究意义 分布式发电并网后会对电力系统的规划、设计、运行、控制及保护等各个方面 造成影响。随着d g 应用的日益广泛，它们在电力系统的渗透率也越来越高。若d g 与电力系统并网运行，将会有一系列的问题产生，其一就是会对电网其它用户的电 能质量产生潜在的影响。未来是一个数字化的社会，对电能质量的要求将会越来越 高。任何由于谐波、瞬态、电压凹陷和扰动引起的偏离都会导致电能质量降低。电 能质量的好坏尽管对居民生活来说没有太大的影响，但是对工业生产和公司工作却 有着巨大的影响。片刻电能的丢失和陷落都会导致生产制造工序和计算机的重新启 动，这样就会造成难以估计的损失。然而，由于d g 是由用户来控制的，因此将根 据其自身的需要起动和停运d g ，这可能使配电网的电压常常发生波动。d g 的频繁 起动会使配电线路上的负荷潮流变化大，从而加大电压调整的难度，调节不好会使 电压超标。未来的d g 可能大量采用电力电子型电源，电压的调节和控制方式与常 规方式会有很大不同，需要相应的控制策略和手段与其配合。当d g 切换成孤岛方式 运行时，如无储能元件或其能量太小，就易使用户负荷发生电压闪变。此外，电力 电子型的分布式电源易产生谐波，造成谐波污染。而且不同类型的d g ( 即基于逆 变器的d g 和传统的旋转型d o ) 所产生的影响也会存在差别。若分布式发电是旋 转式发电机直接发出工频交流电则属于旋转型，例如水力发电、太阳热发电等；而 逆变器型的通常是指将直流电逆变上网的分布式发电，包括风力发电、光伏发电以 及各种储能技术1 3 j 。 分布式发电并网所产生的一系列问题特别是电能质量问题要求其具有强劲有 效的并网系统，分布式发电的研究重点集中在分布式发电对电力系统的影响，而如 何并网对电力系统冲击最小是研究的热点【3 l 。针对分布式发电所引起的较为严重的 电压波动及谐波等电能质量问题，将先进的电能质量控制技术及储能技术应用到分 布式发电的并网系统中，研究并网系统的运行特性与控制技术，将是该领域的重要 发展方向之一。 1 3 本课题的研究现状 分布式发电通过并网系统与电力系统相连，一个完整的并网系统可以实现：1 ) 电能转换和调整。在必要的情况下，电能转换功能将某种类型的电能转换为与常规 电网相同；2 ) 保护功能监控d e r 的电能输入和输出、与常规电网的公共耦合点， 以及d g 不满足i e e e p l 5 4 7 标准所要求的正常运行条件时与常规电网的分离，例如 过，欠电压或频率的保护整定及反孤岛方案。因此应具有电能转换单元和保护、测量 及控制单元，实际应用中每个d g 的并网系统所包含的组件并不一定相同，其具体 2 华北电力大学硕士学位论文 选择受市场需求、技术特性以及相关规范和标准的驱动。 电源变换器作为电能转换装置，通过合理选择及控制，不仅可将d g 所发电能 转化为符合并网要求的电能，而且可有效改善系统接入点处的电能质量，从而有效 减小d g 并网对电力系统的冲击。目前针对分布式发电系统的电源变换器研究尚不 多见，电源变换器常应用于有源滤波、无功动态补偿等领域【4 】。分布式电源究竟适 宜采用电压源变换器( v s r ) 还是电流源变换器( i s r ) 还没有定论。电压源变换器 易进行脉宽调制( p w m ) 、无差拍控制和重复控制等多种控制，有效实用，已经在 风力发电、太阳能光伏发电等孤立系统中得到了初步应用【5 l 。应用中对v s r 进行适 当控制，能够确保分布式电源出口电压基本维持恒定，并保持严格的频率水平。研 究并网运行的分布式电源的逆变器接口及其外特性是解决分布式电源应用的关键 之一。 基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式发电系统要存储一定数量的电能，用 以应付突发事件。储能系统作为分布式发电系统必要的能量缓冲环节其作用越来越 重要。除此之外，储能系统对电力系统配电网电能质量的提高也具有非常重要的作 用。在并网系统中，当所接负载功耗小于某个范围，系统将d g 多余的发电量或利 用电网对储能系统进行充电，保证储能系统的浮充和备用供电之需。如果电网发生 故障，例如停电或者供电品质不合格，系统就会自动断开电网，形成独立工作模式， 由储能系统提供负载所需的交流电能。一旦电网恢复正常，系统则再切入并网模式， 由电网进行供电。 储能技术主要有：蓄电池储能、超导储能、超级电容器储能、飞轮储能、压缩 空气储能和抽水蓄能等。超级电容器亦称双电层电容器，是近年来出现的一种新型 能源元件。超级电容器的极板为活性炭材料，充放电时不进行化学反应，只有电荷 的吸附与解吸附，具有极大的有效表面积s ，其容量可以达到法拉级甚至数千法拉。 超级电容器兼有常规电容器功率密度大、充电能量密度高的优点，可在短时迅速放 出能量，而且使用寿命长，不易老化。它还有一些自身的优势，比如它没有可动部 分，既不需要冷却装置也不需要加热装置，在正常工作时，内部没有发生任何化学 变化。超级电容器能够安全放电，安装简易，结构紧凑，可适应各种不同的环境【6 】。 超级电容器的这些优点使得它在应用于分布式发电时，在与其它储能方式互相竞争 中胜出。比如说，超级电容器功率密度大、能量密度高的特性使得它成为处理尖峰 负荷的最佳选择，而且采用超级电容器只需存储与尖峰负荷相当的能量，而采用蓄 电池储能则需要存储几倍于尖峰负荷的能量，若采用s m e s 则成本又太高。因此， 在本文中将采用超级电容器作为储能单元进行研究。 d g 通过电压源换流器v s c 整流逆变接入电网。而接有d o 和储能的v s c 能独 立地控制有功功率和无功功率，不同于单独的无功补偿，必须对d g 的v s c 并网系 3 华北电力大学硕士学位论文 统及控制作进一步的研究；同时，电力电子器件的容量和开关损耗是制约v s c 容量 的关键，研究低开关损耗的控制策略对v s c 并网系统有着非常现实的意义。 1 4 本文的主要工作 本文的工作正是针对基于超级电容器储能系统( s c e s s ) 的分布式发电并网技 术而展开的，主要包括如下几个方面： s c e s s 并网运行的结构和原理研究。 s c e s s 中变流器的控制技术研究。在分析空间矢量p w m 基本原理的基础上 研究减小交流器开关损耗的方法，并进行仿真分析。 当d o 通过s c e s s 独立向负荷供电时，为s c e s s 建立以电压相角和幅值为 控制量的稳态模型，并依据所建立的稳态模型，分别为连接电源侧的电压源换流器 ( v s c l ) 和连接负荷侧的v s c 2 设计控制器。 当s c e s s 并联接入电网和负载之间时，为改善接入点的电能质量，实现无功 功率快速补偿及谐波抑制，设计并联接入的v s c 2 控制策略，并进行相应的仿真分 析。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章s c e s s 并网运行的工作原理 分布式发电( d g ) 通过s c e s s 与常规电力系统并网运行。从第一章可知d g 并网会 对电力系统产生的一系列负面影响特别是造成电能质量问题，本章将举例分析分布式发 电引起的电能质量问题，继而阐述s c e s s 作为d g 的并网系统的结构组成以及改善电 能质量的工作原理。 2 1d g 并网所引起的电能质量问题 我们知道分布式发电技术分为很多种，引起的电能质量问题也各异，一一加以 分析并不实际。在这一节中将举例介绍d g 引起的几个主要电能质量问题，如电压 波动和闪变、谐波问题。 2 1 1 电压波动和闪变 随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的影响引起了广 泛关注。风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波 动的，可能影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。电压波 动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一 7 1 。 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变 化。其变化周期大于工频周期。 在电能质量标准中，闪变以灯光闪烁对人眼视感的影响来反映供电电压的波动 程度。电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为闪变，闪变是人 对照度波动的主观视感。闪变不仅与电压波动的幅值有关，而且与电压波动的频率 和波形、照明灯具的性能及入的视感因素有关。闪变的最大觉察频率范围为 0 0 5 3 5 h z ，最大敏感频率为8 8 h z 。 根据国家标准电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ，对电压波动和闪变的限 值如表2 - 1 和表2 2 所示。对于很少的变动频度( 每日少于1 次) ，电压变动限值 还可以放宽。对于随机性不规则的电压波动，依9 5 概率衡量，表中标有。”的 值为其限值。本标准中系统标称电压u n 等级按以下划分，低压( u n l k v ) ，中 压( 1 k v o 外，a a 嵋、a q 。a 点、蛾，o g , 的正 负均不确定。但是，对于一个实际系统有如下的约束： 。 2 以。，这是v s c 正常运行的必要条件。 因为直流侧损耗很小所以有虬， 厶，也。 如果以换流器的额定容量为基值，换流电抗器的标么值约为o 1 o 2 。 一般v s c 换流器的损耗小于额定容量的5 ，这决定了换流器的等效损耗电 阻局的取值。 陪l 0 ，当 厶= o 时，q 。与m 完全无关。 由以上论述可见，对于v s c i 的控制应采用磊控制q 。、m 控制。 4 2 2 2p i 控制器设计 根据以上论述，为v s c l 的定直流电压控制设计了图4 - 2 ( 虚线框以外的部分) 所示的p i 控制器。由式( 4 5 ) 可知。是关于l ，m 的二次多项式，又由4 3 1 节可 2 2 华北电力大学硕士学位论文 知在正常运行区域内。与l m 接近线性关系，因此在图4 - 2 中为控制直流电压的 p i 控制器串联了一个倒数环节进行非线性补偿。 图4 2 定直流电压控制侧控制器结构示意图 由于与有源交流网络相联的v s c l 是一个两输入两输出非线性非解耦的控制对 象，仅采用p i 控制器难以取得满意的控制效果，因此必须采取适当的非线性控制措 施。而逆模型控制是一种能有效克服耦合作用和非线性影响的控制方法。 4 2 2 3 逆模型控制器设计 由于v s c l 中的被控量是变化很快的电压、电流等，我们可以考虑用稳态逆模 型来实现实时的非线性和解耦控制。 1 ) 稳态逆模型的拟合 求定直流电压控制逆模型的问题可归结为已知以，= 、q ，= 和厶。( 实 测得到) 由式( 4 5 ) 、( 4 - 6 ) 求对应的磊。、坻。的问题，即求函数关系： 磊。= 五o 。( u 西一，( 。，l 。) ( 4 - 7 ) 心- = 厶o - ( u 矗，q 匆，l t ) 对于给定的系统一般是固定不变的，故以上两式可简化为 a o l = 五o t ( q 磊，厶1 ) - = 丘o - ( q - ，厶t ) ( 4 - 8 ) ( 4 9 ) ( 4 - 1 0 ) 由于式( 4 5 ) 、( 4 6 ) 是超越方程，式( 4 9 ) ( 4 1 0 ) 的解析表达式一般不 存在，需要对其函数关系进行拟合。 如前所述，考虑逆模型时，对于给定的系统。= 一般是固定不变的，这相 当于在v s c 的直流侧接了一直流电压源。因此考虑逆模型时式( 4 5 ) 、( 4 6 ) 可 变为 华北电力大学硕士学位论文 。箦s 眦4 一等k 血喁 = 鲁u - c ，。k c o s ( 磊一q ) 一配t 2 墨c o s ( 4 - 1 1 ) ( 4 一1 2 ) 由式( 4 - 1 1 ) 、( 4 1 2 ) 可见，在逆模型中m 与q 。成线性关系，m 与厶是二 次多项式关系最多可分成两个单调区间；同时，由于在正弦函数的单调区间内 ( - 9 0 。4 啊- 0 的单调区间，并引入了常数刖l ( 嘶d l 0 ) ，且令a m = a 吲一埘0 ，以 使出能起到正负双向调节作用。a 。的大小取决于稳态逆模型的精度和系统的响 应速度，当仅采用p i 控制器时阮。= 0 。 另外，由于本节主要研究系统的正常运行控制，图4 2 中没有包含保护等部分。 华北电力大学硬士学位论文 4 2 3 负载侧的稳态模型及控制器设计 讨论所用的物理模型仍用图4 1 所示，本节研究图4 1 负载侧的控制策略，负 载侧采用定交流电压控制策略。 假设负载侧所采用p w m 方案的直流电压利用率为l ，调制度为鸩( o 鸠1 ) ， 并忽略高通滤波器的基波导纳，则有 虬：= 等： ( o 鸩鲫 蜘磊： ( 4 - 1 3 ) ( 4 - 1 4 ) 由式( 4 1 3 ) 、( 4 1 4 ) 可得 蜘瓮l 剩邮幽，( 4 - 1 5 ) 这里u ：是被控量，鸠是控制量，于是有 等= 击l 剩岭。( 4 - 1 6 ) 式( 4 1 6 ) 表明，以2 与鸩成线性关系，因此仅采用p i 控制器就能够满足要求。 由于被控量以：是有效值，为提高控制器的响应速度，希望能够实时检测配：，因此， 采用了空间矢量的概念。为方便起见，这里空间矢量的定义采用了式( 4 1 7 ) 所示 的形式( 与第三章中式( 3 - 2 ) 的定义只差了一个常系数) 矿= 店( u a + 1 1 b e l l 2 0 + 叩。1 2 ”) ( 4 - 1 7 ) 设三相电压的基波分量为 = 肛：c o 螂扔 = 肛：c o 蝌”2 0 0 ) 铲肛：c o s ( 耐m 1 2 0 0 ) 将式( 4 1 8 ) 代入式( 4 1 7 ) 得 丘2 = u 以p 埘枷 ( 4 - 1 8 ) ( 4 - 1 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 所以 以：= 帜，l - 店k ：。+ 也：1 ”+ 虬：i - 、冉了l l 吩。，。f 1 2 0 , 。i ( 4 - 2 0 ) 根据式( 4 - 2 0 ) 就可以实现以：的实时检测( 当然还需要适当的低通滤波) 。 综合以上，本节设计了v s c 2 定交流电压控制的控制器如图4 4 所示； 图4 4v s c 2 定交流电压控制的控制框图 4 2 4 无源高通滤波器的设计 设计滤波器，首先要对v s c 2 输出电压的频谱进行分析。本节采用的是空间矢 量p w m ，开关频率为z = 1 8 k h z ，根据三相电路的p w m 理论，特征谐波的频率应 为蜕士确( 栉，珊= l ，2 ，；f o = 5 0 h z 为基波频率) 。本节v s c 2 输出电压的频谱分 析结果如图4 - 5 所示。图4 - 5 表明3 2 次谐波是幅值较高而频率最低的特征谐波，7 1 次、7 3 次谐波则有最高的幅值。因此，可采用图4 6 所示的高通滤波器。 l r 图4 _ 5 谐波频谱图 图4 6 高通滤波器 根据图4 - 5 的频谱分析结果，高通滤波器的参数整定为：截止频率矗= z ，电阻 r = l o q ，电容c - - 8 8 4 1 9 u f ，电感= 0 2 5 6 4 2 m h 。其幅频特性如图4 7 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图4 - 7 所设计的高遥滤波器的幅频特性 4 2 5s c e s s 的启动控制 由于式( 4 - 3 ) 只有当 2 q 时才成立，前面讨论的控制方式不适用于s c e s s 的起动过程；同时，为避免起动过程的过电流必须采取一定的限流措施。因此对于 起动过程必须采取单独的控制方案。 对于定直流电压控制，在起动过程中，当以s 2 以时封锁触发脉冲，并通过 串入限流电阻墨。，( 如图4 - 1 所示) 限制起动电流，这时v s c 工作于整流状态，当 以 4 2 u 。时切除起动电阻，并切换到正常控制方式。 对于定交流电压控制，由于交流侧没有电源，在起动过程中只能始终封锁触发 脉冲，直到直流侧的电压达到额定值后再切换到正常的定交流电压控制方式。 上述启动方式属于自励起动方式，当然也可以采用它励起动方式，本文不对此 做进一步讨论。 4 3 仿真分析 本节针对图4 - 1 所示系统进行了仿真分析，仿真中交流系统额定电压 配。= 1 0 k v 、等效损耗电阻局= 是= 0 8 1 3 、换流电抗器上l = 厶= l o m h 、直流侧额定 电压2 0 k v 、额定负载阻抗z = 3 3 3 q ，开关频率为z = 1 8 k h z 。控制器参数利用 m a t l a b 优化获得，优化的目标函数为：嘞= l 眠蜴+ 。峨+ 心+ 瑶) 础。 其中、心为权系数，参数优化是在乙和如，阶跃变化的情况下进行的。 仿真结果如图4 8 、4 9 所示。 a一。u量日置li 华北电力大学硕士学位论文 龋：v 二- 二二二二二二二二二 2 0 n i 陋a 一 u s 2 取v ) - 1 | | | ，一 一 o j o s d ( m v e t ) u d l o c ” t 如 图4 - 8 在= o ，m = l ，z = m ，z , v ，m 条件下的仿真图 q s l ( m v a r ) u s 2 o c v 1 1 t r , m s ， 华北电力大学硕士学位论文 q i o a d 删v e r ) t 舯睁， 图4 - 9 在l = 千1 8 m v a r ，p ，= o 8 ，z l = a o ，z _ 条件下的仿真图 图4 8 、4 9 中，从上到下波形分别是直流电压玑、v s c l 控制发出的无功q f ， 交流侧电压幅值玑，和瞬时值，：，电源侧电流瞬时值、负载侧电流瞬时值。， 负载侧输出无功q 。，其中的直线或折线为其整定值，电流瞬时值均为a 相值，电 压瞬时值为a 相与b 相的线电压。此外，图4 8 中还包含了起动过程的波形 由图可见：即使各个被控量的整定值同时做阶跃变化，本节所设计的非线性 控制器仍有很快的响应速度和很好的稳定性；在不同的运行点，各个被控量都能 达到较高的稳态控制精度；采用本章的起动控制策略起动电流得到了有效限制， 直流电压能快速上升；q 。的阶跃变化对定交流电压控制几乎没有影响；在1 8 k h 的开关频率下，加上适当的高通滤波，u 2 达到了很好的波形质量；在不同的运 行状态，控制效果略有不同，这是由于所设计的非线性控制器中仍采用了p i 控制器， 而对于一个非线性的控制对象来说，一组p i 参数不可能对所有的运行点都是最佳 的，为取得更好的控制效果可考虑采用交参数p i 控制器。 4 4 本章小结 本章建立了s c e s s 独立供电时的稳态模型，并依据该模型确定了v s c i 两个控 制量与两个被控量之间的合理对应关系，在此基础上设计了由逆模型控制器和p i 控制器构成的非线性控制器，并为控制直流电压的p i 控制器增加了适当的非线性补 偿环节，同时为v s c 2 设计了交流电压稳定控制的控制方案，简要讨论了s c e s s 的 起动控制及无源高通滤波器的设计。仿真结果表明所设计的控制器具有足够的响应 速度和稳态控制精度，在各种不同的工作点都能取得较好的控制效果，同时仿真结 华北电力大学硕士学位论文 果也证明了所建稳态模型的正确性和所确立的两控制量与两被控量之间对应关系 的合理性。由于稳态模型不依赖于具体的换流器结构，因而本节的控制方法具有普 遍的适用性。 华北电力大学硕士学位论文 第五章s c e s s 并联运行时的控制研究 当d g 通过s c e s s 并联接入电网时，s c e s s 系统的物理模型如图5 1 所示； 母线竺坚 图5 1s c e s s 稳态物理模型 由于我们关心的是d o 并网对电力系统造成的影响，因此，在s c e s s 并联接入 电网时主要关心接入点端变换器的控制策略，而分布式电源端的v s c i 的控制可参 照第四章中v s c l 的设计，在本章中，v s c 2 相当于并联接入的有源滤波器使用， 对接入点进行谐波抑制及无功补偿，改善接入点的电能质量。本章将重点针对并联 接入的v s c 2 的控制策略进行分析与研究。 5 1s o e s s 并联入网的拓扑结构 为方便讨论可将s c e s s 并联入网时的各物理量标示如图5 2 所示( 经前面分析， 图中只示出了v s c 2 接入电网部分) ： 图5 2 并联接入的v s c 2 简化模型 图5 - 2 中，、t 为电网电流；非线性负载为谐波源，如各类电力电子装 3 i 华北电力大学硕士学位论文 置等；t 、么、t 为负载侧电流( 含谐波和无功分量) ；乙、屯、为s c e s s 的 补偿电流。 在v s c 2 的补偿控制中，关键在于检测模块算法及电流控制策略。检测模块通 过对采集得到的系统电压电流信息的运算把谐波电流从负荷电流中分离出来，根据 用户需要，有时还需要检测负荷电流中无功分量，为以后的控制提供目标；然后由 电流控制器控制补偿电流的大小，从而补偿电网电流中的谐波及无功功率。 5 2 检测方法研究 指令电流运算的准确性对s c e s s 的运行有极其重要的影响，如果指令电流无 法准确及时的获得，则补偿电流的准确产生无从说起，因此谐波与无功功率的检测 方法一直是该领域研究的热点。目前已有许多各具特色的检测与控制方法。在三相 电路谐波与无功功率的各种检测方法中，基于瞬时无功功率理论的d q 变换检测方 法“。，是目前应用广泛和较为成功的方法之一。国内外很多人士对该方法进行了 广泛深入的研究，并提出了多种改进措施，以提高检测的精度。本文采用一种基于 瞬时无功功率理论的z p 一0 法，这种方法无须检测三相电压，只需检测三相负载电 流和三相补偿电流，其实是一种基于瞬时电流理论的方法。 采用基于瞬时无功功率理论的i ，一法，对三相负载电流信号进行采样后，经 过3 2 变换，再经低通数字滤波处理，然后进行2 3 变换，从而得到三相指令电流 信号。其控制系统框图如图5 3 所示。 图5 - - 3 指令电流计算电路系统框图 如上图所示，将三相瞬时电流通过下式变换为有功分量电流i p 和无功分量电流 ( 5 - 1 ) 00 邸 弛 = 0 华北电力大学硕士学位论文 式中 = 叫：吾；岩2 2 c = s i n c a t - c o s o g t - - c o s ( a t - - s h lc o t i c 3 ：= 7 式中c 与a 相电压同相位，在硬件实现中采用同步和锬相得到其相位。 、n 经过低通滤波后的直流分量、岛对应于三相电流中的基波正序分量， 阱f 网 1 1 ：扼万l 一1 1 2 i 一1 2 0 压，2 一压2 舄s i na t - 一c o s 羽o , v s i n w t x i p c o s f o r = 历i _ 1 2 s i n c o t i x 3 2 c o s o o t i + l 2 s 国纵i 一压2 s i i l 研云 一1 2 s i n c o t + x 3 2 c o s c o t i + 1 2 c o s c o t 云+ 以2 s i i l 研i ( 5 2 ) 刚雌 ， 华北电力大学硕士学位论文 图5 4 3 2 转换模块 仿真系统负载电流用典型工业三相不可控整流得到，3 2 变换前后波形如图5 5 所示： lj 【i ll 【i i r；一t：j：t：一 图5 53 2 变换前后波形 在指令电流运算中，低通滤波器的选择对检测结果有很大的影响，常用的滤波 器有f i r 和i i r 滤波器，f i r 滤波器和i i r 滤波器相比，实现阶数高，对于实现相同要 求的数字滤波器，一般前者是后者的5 1 0 倍左右，而且对于本文低通滤波器的作 用是通过直流、滤除交流，故可以选择对相位要求不高、运算量小的i i r 滤波器。 低通滤波器截止频率越低则延迟时间越长、滤波后失真越小，因此需要在延迟时间 和精度上做折衷处理，一般截止频率选择2 0 h z 3 0 h z 比较合适。在本仿真中采用了 b u t t e r w o r t h z 阶低通滤波器，采样频率为1 2 8 k h z ，截至频率为2 0 h z 。、乇及其 经过低通滤波后的直流分量、如图5 - - 6 所示，由上到下分别是、_ i 、， 从图上可以看出滤波后交流分量很小，基本为直流分量，且延迟时间为1 3 个电网 周期。 华北电力大学硕士学位论文 图5 6 数字低通滤波前后波形 2 3 变换模块可由式( 5 2 ) 搭建，方法同图5 4 ，其s i m u l i n k 模块，如图 5 7 所示： 图5 72 3 转换模块 变换前后波形如图5 8 所示： 图5 - - 82 3 变换前后波形 由式，( 5 - 3 ) 得到三相指令电流信号，a 相指令电流信号如图5 9 所示： 3 5 华北电力大学硕士学位论文 图5 9a 相指令电流信号 5 3 指令电流跟踪控制电路 上一节完成了指令电流的检测计算工作，并联型v s c 2 控制中的另外一个重要 部分就是指令电流跟踪控制电路。补偿电流的控制属于逆变器p w m 电流控制范畴， 主要有： ( 1 ) 三角载波调制法“”这是一种最常见且简单的线性控制方法。它将指令电 流之与实际补偿电流之间的差值经p i 调节后与高频三角载波进行实时比较， 得到它们的交点作为逆变器开关动作的依据。其优点是动态响应好，开关频率固定， 电路简单，对高开关频率的系统具有较好的控制特性，且输出波形中含有载波频率 固定，容易滤除，容易实现有源滤波的全数字控制，但另一方面，高频三角波将使 逆变器始终以高频状态工作，从而产生较大的开关损耗，因此在大功率应用中受到 限制。 ( 2 ) 滞环比较控制法“”该控制方法将指令电流与实际补偿电流的差值输入到 具有滞环特性的比较器中，然后用比较器的输出来控制逆变器的开关器件，使实际 电流始终在滞环带中。与三角载波控制方式相比，该方法开关损耗小，动态响应快。 但是很明显，系统的开关频率、响应速度和电流的跟踪精度均受带宽影响，当带宽 窄时，响应速度快，精确度较高。其缺点是，由于逆变器开关频率在滞环带内变化 不定，容易引起脉冲电流和开关噪声。后来，为限定开关频率的最大值而提出了变 滞环带宽改进算法，这必将影响响应速度和补偿电流跟踪精度。 ( 3 ) 无差拍控制法”该控制法是一种采用数字技术实现的预测控制方法， 它以电流误差等于零为目标，根据第k 个时刻的补偿电流参考值和实际值，计算第 k + i 时刻的电流参考值及各种开关状态下的逆变器电流输出值。选择使电流误差最 小的开关模式作为第k + i 时刻的开关状态，该方法能快速响应电流的突然变化，特 别适合快速暂态控制。但缺点是计算量大，且对系统参数依赖性较大。后来，又有 一些简化其计算的改进方法出现，随着数字信号处理器( d s p ) 应用的不断普及，这 是一种很有前途的控制方法。 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 空间矢量控制法”空间矢量控制方法把三相逆变器作为一个整体来考 虑，通过跟踪电流在矢量空间的分布来决定开关状态，提高了效率，减少了系统损 耗。在同样的交流侧线电流谐波总畸变率t h d 的要求下，其开关频率小，动态响应 速度快，控制精度高，而且该控制方法还可以对无功电流进行方便的调节，以补偿其他 用电设备的无功【，2 h ”j 。而且空间矢量控制易于数字技术实现，避免了模拟电路所固有的 缺点，调试简单，而且具有可复制性。特别是在微处理器性能日益增强，电力电子技术 装置数字化的实现也越来越容易，比如高速运算单片机如i n t e l 8 x c l 9 6 m c 及其数字信号 处理器( d s p ) 的应用，使得一些相对比较复杂的控制方式例如矢量控制、解耦控制的 实现成为现实。由于其突出优点本文中采用s v p w m 设计指令电流控制电路。 指令电流s v p w m 的调制步骤为：1 ) 判断指令电流j 所在的扇区：2 ) 选择开关矢 量及其作用顺序；3 ) 计算开关矢量的作用时间，合成三相p w m 信号关于空间矢量 控制的原理和方法本文已在第三章作了较为详尽的介绍，此处不予重复叙述。各步 骤的具体调制结构如下： 1 ) 指令电流矢量所在区间的判断 将三相正弦指令电流按每6 0 。划分区间，一个工作周期被划分为6 个区间，每个区 间中，保证有任意两相电流符号相同，而与另一相的符号相反。控制系统只需检验三相 指令电流与0 的大小关系即可。具体计算公式如下： 洲俨嚣描舻咖力 n = s i g n c i o ) + 2 s i g n ( i # ) + 4 s i g n ( i 。) 计算得到系数与矢量，所在扇区的关系如表5 1 所示： 表5 1 系数与矢量，所在扇区的关系 ( 5 - 4 ) ( 5 5 ) 2 ) 开关矢量的选择 用第三章中适当使用零矢量使开关损耗最小的方法选择开关矢量，各矢量的切 换顺序如表5 - 2 所示： 表5 - 2 双三角合成模式的矢量切换 扇区 i v 矢量切换 t i i t 1 t 1 i 2 2 6 i i t i i i !； t i i i i i 7 i 7 - 0 t 4 tttt1 i i i 3 l 6 s i t