【正文】 of series converter of UPQC are established in ABC frame and dq0 models show that each 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)量控制的用戶電力 技術(shù) … ………… .………… ……… .… ......3 本課題研究的必要性和研究內(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 及其控制方案的實現(xiàn) 串聯(lián) 變流器 主電路的設(shè)計 …………………………………………… ..45 串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 ……… … …… ……………… ..50 串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計 ……………………… ………… .… .56 5 實驗結(jié)果和 全文總結(jié) 單獨工作的串聯(lián)變流器實驗結(jié)果分析 …………………………… .… .61 串聯(lián)變流器 在 UPQC 系統(tǒng) 中實驗驗證分析 ……………………… .… .64 全文總結(jié) ……………………………… …… ………………… .… .… .72 今后工作展望 …………………………… … ………………… .… .… .73 致謝 ……………………………………………………………………… ..74 參考文獻 ………………………………………………………………… ..75 附錄 1攻讀碩士學(xué)位期間公開發(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)對電能進行變換和控制的技術(shù) 【 1】 。 主要應(yīng)用形式有： （ 1） 大型發(fā)電機的靜止勵磁控制 。同時大幅度簡化設(shè)備，降低造價。另外 ,現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用戶的用電設(shè)備對電能質(zhì)量更加敏感 ,對供電質(zhì)量要求更高。它用于解決配電系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種電能質(zhì) 量問題，如消除電壓的波動、跌落、上升、閃變、不對稱、電能的中斷、諧波及無功等， 協(xié)調(diào)供電和用電之間的關(guān)系， 使得電力用戶獲得滿意的供電品質(zhì) ，保證電力用戶的供電可靠性。 DVR 的引用可以有效的消除電網(wǎng)中由于電壓瞬時跌落、閃變、振蕩等引起的事故，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。串聯(lián)有源電力濾波器由于通過串聯(lián)變壓器與電網(wǎng)相互作用，因此要求在電網(wǎng)輸電線路發(fā)生短路故障時具有可靠的保護。 雖然并聯(lián)有源電力濾波器可以實現(xiàn)對負載諧波電流和無功電流的完全補償，但也存在以下缺點： 一方面 由于負載直接連接到電網(wǎng)，因此依然存在電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題，如：電壓畸變、跌落或上升、瞬變和不平衡等。變流器 I經(jīng)串聯(lián)變壓器 PT1 輸出補償電壓，向電網(wǎng)注入交流功率，同時變流器 I 也可以輸出諧波補償電壓。為實現(xiàn)電力用戶電能質(zhì)量的完全改善和最優(yōu)化，選擇統(tǒng)一電能質(zhì)量 調(diào)節(jié)器 （ UPQC） 是一種理想的解決方案。 UPQC 系統(tǒng)主電路 【 10】－【 13】 圖 給出了 UPQC 簡單的示意圖，為建立對 UPQC 系統(tǒng)的感性認識，本節(jié)詳細地描述了三相四線制 UPQC 系統(tǒng)的功率電路。 （ 7） 輸入靜態(tài)開關(guān) S1 和旁路靜態(tài)開關(guān) S2：由兩個反并聯(lián)的晶閘管組成。 通過對 UPQC 兩個變流器進行實時、適式的控制， 可以實現(xiàn)上述綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)， 滿足電力用戶對于電網(wǎng)電能質(zhì)量越來越高的要求?？刂撇⒙?lián)變流器為額定正弦電壓源，可使它輸出至負載的電壓為正弦波額定電壓 Rv 且與電網(wǎng)輸入電壓基波 1sv同相，從而保證了在電網(wǎng)輸入電壓有諧波、非額定、不對稱情況下負載端對電壓的要求。 等效電路模型 本 節(jié)討論 UPQC 系統(tǒng)的等效電路模型，通過定義系統(tǒng)在基波和諧波下的等效電路，使得對系統(tǒng)的靜態(tài)工作特性分析簡單化。 圖 (b)給出了 UPQC 諧波下的等效電路，由于串聯(lián)變流器作為一個基波正弦電流源運行，電網(wǎng)輸入電流中的諧波成分 00??shI ，因此串聯(lián)變流器對諧波電流而言具有無窮大阻抗。如圖 ，檢測電網(wǎng)電壓的畸變和基波偏差，作為電壓指令，對串聯(lián)變流器進行控制，使得串聯(lián)變流器通過串聯(lián)變壓器輸出一個與電網(wǎng)電壓畸變和基波偏差相抵消的補償電壓，從而保證負載電壓是一個額定的正弦電壓。采用直接控制策略，還有一個好處就是在電網(wǎng)掉電或恢復(fù)供電時，不存在工作模式的切換，因為并聯(lián)變流器始終受控為正弦電壓源。 串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型 【 26】－【 35】 為實現(xiàn)對串 聯(lián)變流器的預(yù)期控制，首先要建立串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型。 根據(jù) PARK變換的定義，并遵循變換前后功率不 變的原則，可以得到從 ABC 坐標(biāo)系變換到 dqo 坐標(biāo)系的變換矩陣 0dqABCT ? 如下： ?????????????????????????212121)32s i n ()32s i n (s i n)32c o s ()32c o s (c o s320??????????dqABCT （ 323） 21 其反變換矩陣 ABCdqT ?0 為： ???????????????????????????21)32s i n ()32c o s (21)32s i n ()32c o s (21s i nc o s320??????????ABCdqT （ 324） 圖 表明了兩相空間旋轉(zhuǎn) dqo坐標(biāo)系與三相 ABC坐標(biāo)系之間的關(guān)系，其中 wt?? ，為 d 軸與 A 軸之間的夾角。 圖 給出了解耦后的串聯(lián)變流器輸入電流控制系統(tǒng)。一般在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器參數(shù)時， 認為直流電壓的變化對交流電流無影響，或者說相對于電流變化而言直流電壓變化比較慢，可以認為在電流的動態(tài)變化過程中直流電壓基本不變。 由圖 ，可以得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) )(sG 及輸出動態(tài)穩(wěn)定度傳遞函數(shù) )(sH ： 121*11 )( )()(RpiieiRpidd kkSTTTS kksi sisG ???? （ 344） 1121112131)()()( )()(RiRieRpiRpiiLiieLiedcd kSTkTTS kkkkTSTTTTSTTTSsi svsH ? ??????? （ 345） 27 式（ 344）、（ 345）的頻率響應(yīng)分別如圖 、圖 所示，由圖 可見，在系統(tǒng)基波頻率處（ srad /314?? ），系統(tǒng)的幅值增益為 0dB，而相角為 o7? ，系統(tǒng)帶寬約為3550 srad/ （ 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。 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的兩個變流器要么作為電流源控制，要么作為電壓源控制。 在設(shè)計調(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)計方法，但它們不是唯一的。 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11 1RkR ?， 111 RLTL ??？刂葡到y(tǒng)中 引入解耦電壓反饋和輸入電壓前饋，可以消除它們對系統(tǒng)的擾動影響。 串聯(lián)變 流 器的 d,q 軸電流解耦控制 【 32】【 36】－【 38】 由式（ 330）表示的串聯(lián)變流器數(shù)學(xué)模型得串聯(lián)變流器輸入電流滿足下式： dcdqdd vviLiRdtdiL 1111111 ????? ? （ 331） qcqqdq vviRiLdtdiL 1111111 ????? ? （ 332） 式中 di1 、 qi1 為變流器輸入電流 ),(1 cbai 在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的 d、 q 軸分量，同理 cdv 、cqv 為變流器輸入電壓 Ncbacv ),( 的 d、 q 分量， dv1 、 qv1 則為控制量，有 dcdd vSv 11 ? 、dcqq vSv 11 ? 。串聯(lián)變壓器視為理想的變壓器，忽略漏感，因此交流電網(wǎng)與負載電壓間的電壓差可以線性的折算到串聯(lián)變壓器的付方，也即作為串聯(lián)變流器的輸入。因此 ，本章首先建立了串聯(lián)變流器的不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 直接控制方案 【 21】－【 25】 如圖 所示，直接控制方案指串聯(lián)變流器受控為正弦電流源，而并聯(lián)變流器受控為正弦電壓源。 實際的控制效果并不可能完全消除諧波的 15 影響，但相對基波成分而言，由諧波成分引起的諧波功率分量可以忽略不計，因此諧波頻率下 UPQC 的工作特性研究是很簡單的，它主要用來分析變流器的視在功率和 kVA 容量。 圖 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 14 （ 4） 串聯(lián)變壓器變比為 1，使得串聯(lián)變流器輸入電流也就代表了電網(wǎng)的輸入電流，串聯(lián)變壓器原邊電壓也即串聯(lián)變流器輸入電壓。 正常時交流電網(wǎng)與 UPQC 共同對負載供電，稱為 Standby 工作模式，此時輸入靜態(tài) 13 開關(guān) S1 導(dǎo)通，其兩個并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通信號是按輸入電壓的正負半周分別加上的。