【正文】 h phase of the threephase fourwire series converter is individual in ABC frame and 0 axis is independent of dq axis in synchronous frame. The control strategies for series converter are discussed with ideal or nonideal input voltage. For suppressing the influences of nonideal input voltage, three effective control methods are introduced. The first is threephase ABC individual control, the second is dq0 axis control, the third is the harmonic of input voltage forward feedback control. Based on MATLAB SIMULINK environment, a circuit modeling simulating method is introduced. Finally, Finally, a 10kVA power circuit of the series converter of the threephase fourwire UPQC and its coordinated control system based on DSP is designed . A large number of experimental results are obtained when the series converter operate by itself and in the UPQC system,the results prove that the series converter can effectively improve the current quality of power system . Keywords: three phase four wire unified power quality conditioner(UPQC) Series converter threephase ABC individual control dq0 axis control 目 錄 摘要 ………………………………………………………………… .… ...I ABSTRACT………………… ……… ………………………………… ..II 1 緒論 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 ……… …………………………… .1 電能質(zhì)量 控制 ……………… .…………… …………………… ..…. .3 用于電能質(zhì)量控制的用戶(hù)電力 技術(shù) … ………… .………… ……… .… ......3 本課題研究的必要性和研究?jī)?nèi)容 … …………… … …… …………… ....8 2 統(tǒng)一 電能質(zhì)量 控制器 （ UPQC） 的工作原理 UPQC 系統(tǒng)主電路 …………………… …… ……………………… .…… 9 UPQC 系統(tǒng)的工作原理 ……………………………… ………………… .10 UPQC 系統(tǒng)的等效電路模型 …… ...………… ……………… ..…… .… ..13 UPQC 系統(tǒng) 的 控制 方案 … … …………… .…………… ………………… .15 3 串聯(lián)變流器的 控制 和仿真 串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型 ………… …………………………………… ..17 理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的 控制 ………… … ……… .…………… 22 非 理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制 ………………… …………… ...28 鎖相環(huán) …………………… .………………………………………… ..32 串聯(lián)變流器控制仿真建模和仿真分析 … .……………………………… 33 4 串聯(lián) 變流器設(shè)計(jì) 及其控制方案的實(shí)現(xiàn) 串聯(lián) 變流器 主電路的設(shè)計(jì) …………………………………………… ..45 串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) ……… … …… ……………… ..50 串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) ……………………… ………… .… .56 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和 全文總結(jié) 單獨(dú)工作的串聯(lián)變流器實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 …………………………… .… .61 串聯(lián)變流器 在 UPQC 系統(tǒng) 中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析 ……………………… .… .64 全文總結(jié) ……………………………… …… ………………… .… .… .72 今后工作展望 …………………………… … ………………… .… .… .73 致謝 ……………………………………………………………………… ..74 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………… ..75 附錄 1攻讀碩士學(xué)位期間公開(kāi)發(fā)表論文 …… ……………… ..… ……… …… 78 1 1 緒 論 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 電力電子技術(shù)是使用電力半導(dǎo)體器件及電子技術(shù)對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù) 【 1】 。為抑制電網(wǎng)電壓不平衡及諧波的影響，提出了 兩 種有效的控制策略：三相 ABC獨(dú)立控制、基于 SFR的 dq0軸控制。 本文主要內(nèi)容是關(guān)于三相四線制電能質(zhì)量控制器（ UPQC）系統(tǒng)的串聯(lián)變流器的研究， 進(jìn)行了以下研究工作。 本論文屬于 （請(qǐng)?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： 20xx 年 4 月 20 日 保密 □ ，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。分類(lèi)號(hào) ______ 密級(jí) _____ U D C ______ 碩士學(xué)位論文 電能質(zhì)量控制器 串聯(lián)變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué)位申請(qǐng)人： 唐 軍 學(xué)科專(zhuān) 業(yè)： 電力電子與電力傳動(dòng) 指導(dǎo)教 師： 楊蔭福 教授 李 勛 博士 論文答辯日期 學(xué)位授予日期 答辯委員會(huì)主席 評(píng)閱人 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering Design and Realization of the Series Converter of UPQC Candidate: Jun Tang Major: Power Electronics amp。本人完全意識(shí)到本聲明的法律效果由本人承擔(dān)。 不保密 √□ 。 首先，根據(jù)電能質(zhì)量控制器系統(tǒng)的功率電路及功能要求，分析了其工作原理 ， 并且 選擇三相四線制的 UPQC系統(tǒng)作為研究對(duì)象。介紹了一種基于 MATLAB SIMULINK仿真環(huán)境的電路模型仿真技術(shù)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證以上控制方案的有效性。它以實(shí)現(xiàn)“高效率用電和高品質(zhì)用電”為目標(biāo) 【 2】 ，是一門(mén)綜合電力半導(dǎo)體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等許多學(xué)科的交叉學(xué)科 。電力電子設(shè)備和系統(tǒng)逐步 應(yīng)用于電力系統(tǒng)的控制 ，大幅度提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，產(chǎn)生巨大 的經(jīng)濟(jì)和社會(huì) 效益。 （ 2）水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁 。 （ 1） 直流輸電（ HVDC）技術(shù) 直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電、海 2 底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。世界上第一個(gè)采用 IGBT構(gòu)成電壓源換流器的輕型直流輸電工業(yè)性試驗(yàn)工程于 1997 年投入運(yùn)行。 電源技術(shù)集中體 現(xiàn) 了電力電子技術(shù)在用電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，現(xiàn)在隨著電力開(kāi)關(guān)器件性能的不斷提升，各種形式的直流、交流電源給各種電力用戶(hù)帶來(lái)了巨大的方 便。因此，迫切要求提高電能質(zhì)量，協(xié)調(diào)供電和用電的關(guān)系。 有關(guān)電能質(zhì)量的控制技術(shù)可以分成兩大應(yīng)用技術(shù)及其領(lǐng)域，一是面向輸電系統(tǒng)的柔性交流輸電技術(shù)（ FACTS），二是面向配電系統(tǒng)的用戶(hù)電力技術(shù)（ CUSPOW）。 用于 電 能質(zhì)量控制 的 用戶(hù)電力技術(shù) [1]【 5】【 6】【 8】 【 9】 隨著 高科技 產(chǎn)業(yè) 的大力發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提高 ， 導(dǎo)致能源需求不斷增加。本文 主要分析 幾種典型的 串并聯(lián) 補(bǔ)償 的電能質(zhì)量控制技術(shù) 。為了增強(qiáng)對(duì)重要負(fù)載補(bǔ)償電壓的支持能力，可將帶升壓回路的電池組并聯(lián)在電容器上，電池組的容量應(yīng)保證對(duì)電壓突變的補(bǔ)償作用時(shí)間和補(bǔ)償功率，通常所需作用時(shí)間從幾十毫秒到幾秒鐘。由于 A B C1 端的電壓經(jīng)補(bǔ)償后為正弦，而電網(wǎng)電壓 sv 也為正弦，因此電網(wǎng)輸入電流 si 也就隨之正弦化。此外從控制策略角度看，電網(wǎng)電壓的補(bǔ)償 是間接性的，而不是直接性的。使變流器輸出一個(gè)與負(fù)載諧波電流大小相等的補(bǔ)償電流 ci ( hc ii ? )，于是電網(wǎng)電流 1LcLs iiii ??? ，電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī) G、變壓器 PT 及線路均只流過(guò)負(fù)載基波電流。 另一方面 當(dāng)同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功和諧波電流時(shí)，系統(tǒng) PWM 變流器的容量要求很大，相對(duì) LC 無(wú)源 濾波器而言造價(jià)高。用它可以取代早 期采用旋轉(zhuǎn)式同步發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率的“旋轉(zhuǎn)式同步補(bǔ)償機(jī)”，因此 稱(chēng)為靜止同步補(bǔ)償器（ STATCOM）。當(dāng)變流器 II 工作在整流狀態(tài)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，也可以同時(shí)向電網(wǎng)輸出滯后的或超前的無(wú)功功率，還可以輸出諧波補(bǔ)償電流。不管那種場(chǎng)合， UPQC 可以有效的滿(mǎn)足電力用戶(hù)的電能質(zhì)量要求，即可消除電網(wǎng) 8 諧波電壓、基波偏差、不平衡，保持負(fù)載端電壓的額定和正弦，還可以消除負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功、諧波電流，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦，功率因 數(shù) 為 1，實(shí)現(xiàn)負(fù)載和電網(wǎng)之間完全的擾動(dòng)隔離。 本文選擇統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 的 串聯(lián)變流器 作為研究對(duì) 象， 是 因?yàn)?UPQC 的電路基礎(chǔ)是串并聯(lián)的雙四象限 PWM 變流器， 適用于多種新型電能質(zhì)量補(bǔ)償器、控制器、調(diào)節(jié)器，另外 有源電力濾波器 APF 的理論研究特別是并聯(lián)型 APF 的理論研究較深入， 但是串聯(lián)型APF 則研究得不深入，投入實(shí)際應(yīng)用的也很少， 所以串聯(lián)變流器是本文的重點(diǎn) 。 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析證明電能質(zhì)量控制器串聯(lián) 變流器可以有效的改善電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。如圖 所示， UPQC 系統(tǒng)由以下各部分組成： （ 1） 交流電網(wǎng)：三相四線制，額定電壓 220V，頻率 50Hz，電壓波動(dòng)范圍 %15? ， 10 可能包含諧波電壓，也可能三相不對(duì)稱(chēng)。 （ 4） 并聯(lián)變流器 VSC2：該變流器 經(jīng)輸出濾波電感 L濾波電容 C2 后并接在負(fù)載端，稱(chēng)為并聯(lián)變流器，同樣由三相全控半橋電路組成，采用高頻 PWM 控制技術(shù)，具有雙向四象限工作特性。 （ 8） 負(fù)載：對(duì)于 UPQC 系統(tǒng)，可以適合各種負(fù)載特性，諸如線性、非線性、不平衡等。當(dāng)需要時(shí)，可以通過(guò)串聯(lián)變流器或并聯(lián)變流器對(duì)直流母線端的電池組進(jìn)行充電控制。 系統(tǒng)工作原理分析 圖 給出了 UPQC 的單相電路原理圖，區(qū)別于圖 的功率電路，直流母線端的電池組和電容等效為單個(gè)電池組 bE 和單個(gè)電容 dcC ，此外電路中忽略了線路阻抗，串聯(lián)變壓器 Ts 視為一個(gè)理想的變壓器。采用直接控 制策略，串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器分別進(jìn)行獨(dú)立的控制， 從而使得整個(gè) UPQC 系統(tǒng)是一個(gè)單輸入單輸出（ SISO）的系統(tǒng)，這樣的控制策略可 避免多輸入多輸出（ MIMO）圖 UPQC單相電路原理圖 ????VSC 12LTs??shv1sv基波諧波1S2v 2i3i??**1L1C 2CcI?LhLii ??? LQiLPiNsNp變比 N = Np / NsNiis/1?dsLPiii2??ciii ??32sLPdiii ??2cLQqiii ??2Lhhii ?2Cv1i1vVSC 2bEsishssvvv ??12SRsLvvvv ??? ?shRshvvvvvv ??? ????? )(11sPsQTPLQLP1P2P2Q1Q??dcVdcc 12 系統(tǒng)在控制上的復(fù)雜性，利于各個(gè)變流器選擇最優(yōu)的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。 由于電網(wǎng)輸入電流 si 在串聯(lián)變流器的控制下為正弦波，因此迫使并聯(lián)變流器向負(fù)載輸出電流 )(3 sLPLhLQ iiiii ???? ，其中