【正文】 tive Filter）由可控的電壓源變流器組成，通過與電網(wǎng)串聯(lián)的變壓器而與電網(wǎng)串聯(lián)連接。 串聯(lián)補(bǔ)償型電能質(zhì)量控制器（1）動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR（Dynamic Voltage Restorer），DVR僅在電網(wǎng)電壓發(fā)生突變、偏離額定正弦電壓波形瞬時(shí)值時(shí)，變換器才輸出一定數(shù)值和波形的非周期補(bǔ)償電壓，串聯(lián)加入電網(wǎng)后使負(fù)載端電壓近似為額定正弦波。一方面使電力系統(tǒng)的容量和范圍不斷的擴(kuò)大，發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)的控制更加復(fù)雜；另一方面各種沖擊性、非線性、不平衡的負(fù)載和對電能質(zhì)量敏感的電力用戶在不斷增加；要求提高電力生產(chǎn)的質(zhì)量和供電的電能質(zhì)量。兩者的技術(shù)基礎(chǔ)都是電力電子技術(shù)，各自的控制器在結(jié)構(gòu)和作用上也基本相同，其差別是額定電氣值的不同，只是針對不同的需要分別應(yīng)用于不同的領(lǐng)域【7】【8】。電能質(zhì)量控制既要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動和干擾。為了改善電力電子裝置對電網(wǎng)的干擾，功率因數(shù)校正技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，電源技術(shù)不斷向高頻化、模塊化、數(shù)字化及軟開關(guān)方向發(fā)展，電磁兼容性能也不斷提高。（2） 柔性交流輸電（FACTS）技術(shù) 技術(shù)的概念，是一項(xiàng)基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。目前，全球已建成的直流輸電工程超過60 項(xiàng)。（3）發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用貫穿發(fā)電、輸電、配電和用電全過程。由于電力電子技術(shù)不僅可以對電能使用形式進(jìn)行靈活多樣的變換，還可以對電壓、電流、頻率、相位、和波形等基本參數(shù)做出精確的控制和高效的處理，使其本身成為一門高新技術(shù)，同時(shí)又是其它高技術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。最后，給出10kVA三相四線制UPQC串聯(lián)變流器實(shí)驗(yàn)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別對串聯(lián)變流器單獨(dú)運(yùn)行和串聯(lián)變流器在UPQC系統(tǒng)中運(yùn)行的各種工況下的運(yùn)行進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 其次，分別在靜止ABC及空間旋轉(zhuǎn)dq0坐標(biāo)系下建立了電能質(zhì)量控制器的串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型，指出三相四線制的串聯(lián)變流器在三相坐標(biāo)系下的獨(dú)立性以及dq0坐標(biāo)系下0軸獨(dú)立于dq軸的特性。 本論文屬于 （請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√”） 學(xué)位論文作者簽名：唐軍 指導(dǎo)教師簽名： 日期：2006 年4月20日 82摘 要隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量成為電力系統(tǒng)、電力用戶、電力設(shè)備生產(chǎn)商等各個(gè)方面共同關(guān)心的問題。 學(xué)位論文作者簽名：唐軍 日期： 2006年 4月 21 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 Electrical DriveSupervisor: Prof. Yinfu Yang Dr. Xun Li Huazhong University of Science and TechnologyWuhan, Hubei . China 430074April, 2006獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)面向配電系統(tǒng)的FACTS技術(shù)（DFACTS）——用戶電力技術(shù)（CUSPOW）成為解決電能質(zhì)量問題有效手段。討論了串聯(lián)變流器在理想電網(wǎng)電壓下的控制及非理想電網(wǎng)電壓下的控制問題。驗(yàn)證了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的串聯(lián)變流器改善電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量有效性。電力系統(tǒng)是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。 在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性為主要目的。（4）太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)。近年來，直流輸電技術(shù)又有新的發(fā)展，輕型直流輸電采用IGBT等可關(guān)斷電力電子器件組成換流器，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負(fù)荷點(diǎn)送電的問題。FACTS技術(shù)一方面是現(xiàn)代電力電子開關(guān)與電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的阻抗控制元件、功角控制元件以及電壓控制元件（如串補(bǔ)電容、并聯(lián)電容、并聯(lián)電抗、移相器、電氣制動電阻等）相結(jié)合的產(chǎn)物，另一方面又將電子技術(shù)引入電力系統(tǒng)，形成了以變流器為核心的新型控制設(shè)備（如靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)）,從而使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個(gè)參數(shù)：電壓、線路阻抗及功率角可以按系統(tǒng)要求迅速調(diào)整。 隨著配電系統(tǒng)中非線性、沖擊性和不平衡負(fù)荷的不斷增加,電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用， 即用戶電力（ CustomPower）技術(shù)或稱DFACTS 技術(shù)，是在FACTS 各項(xiàng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是現(xiàn)在最有前景的電能質(zhì)量控制新技術(shù)。本文分析的電能質(zhì)量控制技術(shù)是面向配電系統(tǒng)的用戶電力技術(shù)（CUSPOW）。在配電系統(tǒng)中用戶電力技術(shù)了可以為用戶提供高質(zhì)量、可靠的電能同時(shí)協(xié)調(diào)電網(wǎng)和用戶之間的關(guān)系使電網(wǎng)不受負(fù)載的干擾。在任意瞬間，當(dāng)電網(wǎng)電壓較正常正弦波電壓瞬時(shí)值偏高時(shí)，補(bǔ)償電壓為負(fù)值使負(fù)載電壓降低為正常瞬時(shí)值，反之當(dāng)電網(wǎng)電壓較正常正弦波電壓瞬時(shí)值偏低時(shí)，則補(bǔ)償電壓為正值使負(fù)載電壓增大到正常瞬時(shí)值。一般而言，交流發(fā)電機(jī)的空載電壓是較好的正弦波，如果負(fù)載是線性的，負(fù)載端的電壓也將保持正弦，如果負(fù)載是非線性的，由于諧波電流的影響，將使得負(fù)載端電壓非正弦。而對于基波成分，則等效為零阻抗。變流器與負(fù)載并聯(lián)地接在電網(wǎng)上，直流端包含一個(gè)電容，輸出端為濾波電感。從負(fù)載側(cè)看，并聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)一個(gè)變化的阻抗，對于諧波頻率來說其阻抗為零或相當(dāng)?shù)牡停鴮τ诨l率，其阻抗則無窮大。對開關(guān)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)的PWM控制，使得逆變器輸出電壓與交流電網(wǎng)電壓同相，那么逆變器輸出的電流將與電網(wǎng)電壓相差，也即逆變器只輸出無功功率。變流器I和變流器II都是雙向的PWM變流器，即可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)。UPQC有兩類應(yīng)用場合，一類是應(yīng)用于配電系統(tǒng)和工業(yè)電力系統(tǒng)之間的通用補(bǔ)償器，要求的容量較大。 本課題研究的必要性和主要研究內(nèi)容 本課題研究的必要性由于采用單一的串聯(lián)或并聯(lián)的電能質(zhì)量控制器，雖然可以改善電力系統(tǒng)的某些運(yùn)行特性和供電質(zhì)量，但其電路結(jié)構(gòu)要么和電網(wǎng)并聯(lián)，要么和電網(wǎng)串聯(lián)，其功能相應(yīng)的較為單一，且不能全面滿足當(dāng)今電力用戶對電能質(zhì)量的全面高要求。然后本文建立了電能質(zhì)量控制器的串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型，討論了串聯(lián)變流器在理想電網(wǎng)電壓和非理想電網(wǎng)電壓下的控制方案，詳細(xì)分析了串聯(lián)變流器的仿真模型的建立，并對串聯(lián)變流器各種控制方案進(jìn)行了仿真分析。因此本章首先對三相四線制下的UPQC功率電路進(jìn)行了描述，說明了UPQC的功能，闡述了UPQC的工作原理和控制方案，然后分析了UPQC系統(tǒng)的系統(tǒng)的等效電路，最后討論了不同主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的影響，通過上述的分析，可以對UPQC系統(tǒng)有一個(gè)清晰的認(rèn)識。圖21所示串聯(lián)變壓器Ts為三相耦合變壓器，采用星型接法。（6）直流母線電池組和：串聯(lián)連接，并接在變流器的公共直流端，作為交流電網(wǎng)掉電時(shí)的備用電源，保證負(fù)載的不間斷供電需求。 UPQC系統(tǒng)工作原理【14】－【16】 系統(tǒng)功能，安裝在交流電網(wǎng)和電力用戶之間，可以獲得如下的補(bǔ)償效果：對于交流電網(wǎng)側(cè)，使得在負(fù)載不平衡、非線性的情況下，交流電網(wǎng)輸入電流平衡、正弦且與交流電網(wǎng)電壓同相，電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1，電網(wǎng)僅向負(fù)載輸送有功功率。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電后，系統(tǒng)重新切回到電網(wǎng)供電狀態(tài)。負(fù)載電流具有非線性特性，由基波有功電流、基波無功電流和諧波電流三部分組成。若控制使得與電網(wǎng)輸入電壓同相，則電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1，使電網(wǎng)僅向負(fù)載輸出有功功率,而無功功率，顯然此時(shí)串聯(lián)變流器只是處理有功功率，而無功功率。正是由于串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器的共同作用，使得在負(fù)載非線性、電網(wǎng)輸入電壓高于或低于額定值且含有諧波電壓時(shí)，負(fù)載電壓補(bǔ)償?shù)脚c電網(wǎng)輸入電壓同相的額定正弦電壓，同時(shí)交流電網(wǎng)僅輸入基波有功電流，電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1。當(dāng)發(fā)生輸出過載或者變流器故障時(shí)，控制信號觸發(fā)旁路靜態(tài)開關(guān)S2導(dǎo)通，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入旁路工作模式。 UPQC基波及諧波單相等效電路模型(a) 基波等效電路模型(b) 諧波等效電路模型（3）變流器的PWM開關(guān)頻率足夠高，開關(guān)頻率諧波易于為低通濾波器濾除，從而使得低頻至開關(guān)頻率的諧波減小到可以忽略的程度，負(fù)載電壓和電網(wǎng)輸入電流中的諧波成分足以小到滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。顯然交流電網(wǎng)只提供有功功率，用于負(fù)載有功消耗和系統(tǒng)損耗，而無功功率，負(fù)載的無功功率需求完全由并聯(lián)變流器提供。由于理想的控制使得電網(wǎng)輸入電流及負(fù)載電壓中無諧波成分，因此系統(tǒng)不從電網(wǎng)吸收諧波功率，也無負(fù)載諧波功率消耗。 UPQC間接控制策略框圖 間接控制方案 【17】－【20】 所謂間接控制方案，是指串聯(lián)變流器作為非正弦電壓源運(yùn)行，并聯(lián)變流器作為非正弦電流源運(yùn)行。此外，當(dāng)交流電網(wǎng)掉電或恢復(fù)供電時(shí)，并聯(lián)變流器需要從間接控制策略轉(zhuǎn)為直接控制策略（或反之），存在工作模式的一個(gè)切換，這對于控制來說是不利的?？傊谥苯涌刂品桨赶拢?lián)變流器隔離了電網(wǎng)與負(fù)載端的電壓擾動，而并聯(lián)變流器隔離了負(fù)載無功功率、負(fù)載諧波電流和不平衡進(jìn)入電網(wǎng)。由于UPQC要補(bǔ)償電網(wǎng)輸入電壓的基波偏差、諧波及不對稱，因此串聯(lián)變流器的輸入電壓也存在諧波及不對稱，因此在這種條件下，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)變流器輸入電流的正弦和平衡與一般的PWM整流器是不同的。通過仿真比較了不同控制策略特點(diǎn)。三相輸入電感是對稱的，也即其值及電感電阻大小相等。(2) 基于空間旋轉(zhuǎn)dqo坐標(biāo)系模型上述模型中，假設(shè)三相電網(wǎng)電壓對稱，三相負(fù)載電壓在并聯(lián)變流器的控制作用下對稱且與電網(wǎng)電壓同相，如下表示： ， （317） ， （318） ， （319）由式（35）～（37）及（317）～（319）可得： （320） （321） （322）即串聯(lián)變流器的輸入電壓是對稱的三相正弦電壓。利用變換矩陣及反變換矩陣，根據(jù)式（313）～（316）可得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下系統(tǒng)模型為： （325） （326） （327） （328） 寫成矩陣表達(dá)式如下： （329）其中式（329）考慮了o軸分量、在電網(wǎng)電壓對稱，輸入電流平衡的情況下，有，若控制，則式（329）可以簡化為： （330） 理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制理想電網(wǎng)電壓是指三相輸入電壓平衡且正弦，電網(wǎng)電壓是一定的, 軸的影響而視為三相三線制PWM整流器，采用dq 軸交叉解耦控制技術(shù),可以獲得理想的變流器輸入電流控制效果。之所以能形成這種簡潔形式其主要原因是引入了電流狀態(tài)反饋解耦（、），而引入了電網(wǎng)擾動電壓（、）作前饋補(bǔ)償也使系統(tǒng)的動態(tài)性能有進(jìn)一步提高。電流調(diào)節(jié)器、的輸出結(jié)合解耦電壓反饋和輸入電壓前饋合成控制量、由此控制量對串聯(lián)變流器實(shí)行實(shí)時(shí)的SVPWM或SPWM控制，使變流器輸入電流跟蹤，則可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)變流器作為基波正弦電流源運(yùn)行的功能，從而也就實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)輸入電流的控制。顯然在輸入電壓平衡正弦的情況下，有為直流量，又要求串聯(lián)變流器三相輸入電流正弦、平衡且與輸入電壓同相，即，因此式（3－37）可以表示為： （3－38）由式（3－38）就可以獲得變流器的輸入電流指令、即： （3－39） （3－40） 系統(tǒng)解耦后傳遞函數(shù)框圖一般希望電流控制具有較好的動靜態(tài)特性，且又希望控制器的設(shè)計(jì)相對簡單成熟，因此電流調(diào)節(jié)器、采用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。圖中考慮了采樣環(huán)節(jié)sys1及保持環(huán)節(jié)sys3，sys2為PI調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)對象為sys4，有， 。，可以得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)及輸出動態(tài)穩(wěn)定度傳遞函數(shù)： （344） （345）式（344）、（345）、在系統(tǒng)基波頻率處（），系統(tǒng)的幅值增益為0dB，而相角為，系統(tǒng)帶寬約為3550（565Hz），這說明在PI調(diào)節(jié)器作用下，系統(tǒng)電流控制穩(wěn)定，不存在幅值誤差。在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器中本文雖然給出了電流調(diào)節(jié)器與電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法，但它們不是唯一的。 非理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制 在第二章分析了UPQC的兩個(gè)變流器要么作為電流源控制，要么作為電壓源控制。這里討論的非理