【正文】 ????? ? （ 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 ? 。 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 ?。 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。一般在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器參數(shù)時， 認(rèn)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(rèn)為在電流的動態(tài)變化過程中直流電壓基本不變。 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。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。 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。控制并聯(lián)變流器為額定正弦電壓源，可使它輸出至負(fù)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(fù)載端對電壓的要求。 （ 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。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。 雖然并聯(lián)有源電力濾波器可以實現(xiàn)對負(fù)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(fù)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。 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。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。 主要應(yīng)用形式有： （ 1） 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵磁控制 。 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。本人完全意識到本聲明的法律效果由本人承擔(dān)。它以實現(xiàn)“高效率用電和高品質(zhì)用電”為目標(biāo) 【 2】 ，是一門綜合電力半導(dǎo)體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)等許多學(xué)科的交叉學(xué)科 。世界上第一個采用 IGBT構(gòu)成電壓源換流器的輕型直流輸電工業(yè)性試驗工程于 1997 年投入運行。 用于 電 能質(zhì)量控制 的 用戶電力技術(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。此外從控制策略角度看，電網(wǎng)電壓的補償 是間接性的，而不是直接性的。當(dāng)變流器 II 工作在整流狀態(tài)對蓄電池進(jìn)行充電時，也可以同時向電網(wǎng)輸出滯后的或超前的無功功率，還可以輸出諧波補償電流。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，電壓波動范圍 %15? ， 10 可能包含諧波電壓，也可能三相不對稱。 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電池組 bE 和單個電容 dcC ，此外電路中忽略了線路阻抗，串聯(lián)變壓器 Ts 視為一個理想的變壓器。該等效電路模型的獲得基于以下必要的假設(shè)： （ 1） 并聯(lián)變流器采用高頻 PWM 控制技術(shù)，于負(fù)載端提供平衡的、額定的正弦波電壓，總諧波畸變率 THD 值低，并且與電網(wǎng)輸入電壓同相。檢 測負(fù)載的無功和諧波電流，作為電流指令，對并聯(lián)變流器進(jìn)行控制，使得并聯(lián)變流器輸出與負(fù)載無功和諧波電流大小相等的無功和諧波，從而實現(xiàn)對負(fù)載無功和諧波電流的補償，使得電網(wǎng)輸入圖 UPQC 間接控制策略框圖 16 電流為正弦波電流，功率因素為 1。根據(jù)UPQC 的功率電路 如 圖，如圖 示出了 串聯(lián)變流器的功率電T 1T 4 T 6T 3 T 5T 2dcV+C dc 1av?交流電網(wǎng) C dc 2E b 1E b 2AS 1bv?cv?LavLbvLcvL 1saisbisciai1bi1ci1BCNsavsbvscvT SVSC 11dci2dcioiav1bv1cv1caNvcbNvccNv1N2N12NNNs?ABC+1dcV2dcV圖 串聯(lián)變流器功率電路 18 路，圖中 sN 為串聯(lián)變壓器變比。 檢測三相 A、 B、 C 系統(tǒng)的負(fù)載電流、負(fù)載電壓和電網(wǎng)輸入電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換和低通濾波 LPF 后得到與基波對應(yīng)的直流分量，利用 UPQC 系統(tǒng)功率平衡原理求出 *1dI ， 若考慮系統(tǒng)中的功率損耗，則需在 *1dI中附加一增量 1I? ，其由外環(huán)直流母線電壓調(diào)節(jié)器 dcVR 產(chǎn)生。而圖 ，基波頻率處的動態(tài)穩(wěn)定度為 ，相當(dāng)于串聯(lián)變流器基波等效輸入阻抗為 ? ， 是 變流器交流側(cè)電抗的 121 倍，說明串聯(lián)變流器被控制為一個電流源在運行。在實際實驗系統(tǒng) 中 ， 電 流 環(huán) 的 截 止 頻 率 為 srT ec /9 1 04 5 ????， 電 壓 環(huán) 截 止 頻 率 為srTT etuc /4171 ??? ，符合要求。電流調(diào)節(jié)器 dCR1 、 qCR1 的輸出結(jié)合解耦電壓反饋和輸入電壓前饋 合成控制量 dv1 、 qv1 ，由此控制量對串聯(lián)變流器實行實時的SVPWM 或 SPWM 控制，使變流器輸入電流 1i 跟蹤 *1dI ，則可實現(xiàn)串聯(lián)變流器作為基波正弦電流源運行的功能，從而也就實現(xiàn)了對電網(wǎng)輸入電流的控制。三相輸入電感是對稱的，也即其值及電感電阻大小相等 。此外，當(dāng)交流電網(wǎng)掉電或恢復(fù)供電時，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切換，這對于控制來說是不利的。 （ 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。負(fù)載電流 Li 具有非線性特性，由基波有功電流 LPi 、基波無功電流 LQi 和諧波電流 Lhi 三部分組成， LhLQLPL iiii ??? 。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。 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)之間的通用補償器，要求的容量較大。如圖 所示，變流器與負(fù)載并聯(lián)地接在電網(wǎng)上，直流端包含一個電容 C ，輸出端為濾波電感 fL 。 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。 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 同步補償器 (STATCOM)） ,從而使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個參數(shù)：電壓、線路阻抗及功率角可以按系統(tǒng)要求迅速調(diào)整。 電力系統(tǒng)是電力電子技術(shù)應(yīng) 用的一個重要領(lǐng)域。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。 I 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)商等各個方面共同關(guān)心的問題。 現(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 。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。 串聯(lián)補償型電能質(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）的電路結(jié)構(gòu)如圖 所示， 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值時，變換器才輸出一定數(shù)值和波形的非周期補 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。若還要求補償負(fù)載電流中 的無功電流，則只要令補償器輸出的電流 hQLc iii ?? 1 即可，如此可以實現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)為 1。 因此 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是面向配電網(wǎng)（電 力用戶）的最優(yōu)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。 （ 5） 直流母線電容 1dcC 和 2dcC ：串聯(lián)連接， 21 dcdc CC ? ，并接在串聯(lián)變流器 VSC1和并聯(lián)變流器 VSC2 的公共直流端。本文中 串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，其輸出電流 1i 為正弦波，經(jīng)串聯(lián)變壓器 Ts的線性放大作用，因此電網(wǎng)輸入電流 si 受控為正弦。圖 (a)，電網(wǎng)輸入電壓作為參考向量，記為 0?sV ；由于并聯(lián)變流器受控為基波正弦電壓源，輸出與電網(wǎng)輸入電壓同相的負(fù)載電壓，因此負(fù)載電壓記為 0?LV ；而串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，因此僅從電網(wǎng)吸收基波有功電流且和電網(wǎng)輸入電壓同相，記為 0?sI ；負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個角度 ? ，記為 ??LI ；負(fù)載吸收的有功功率記為 LP ，無功功率記為 LQ ；并聯(lián)變流器輸出電流記為 33 ??I ；串聯(lián)變流器輸出電壓記為 ??? ?V ；考慮串聯(lián)變壓器漏抗 X ，其壓降記為 XXV ?? 。對于負(fù)載無功和不平衡，串聯(lián)變流器作為正弦電流源運行，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦且功率因素為 1，由于電流源對于諧波電壓具有很大的阻抗，因此電網(wǎng)的諧波電壓被阻斷而不影響負(fù)載端電壓。 若令 dcdcdc CCC ?? 21 ， 并 且 考 慮 電 容 兩 端 電 壓 均 分 ， 電 池 組 對 稱 ， 即dcdcdc vvv ?? ， bbb EEE ?? 21 ， bbb RRR ?? 21 ，則綜合式（ 31）～（ 312）可以得到串聯(lián)變流器在靜止 ABC 坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型： 11111 RivSvvdtdiL adcadcc aNa ???? （ 313） 11111 RivSvvdtdiL bdcbdcc bNb ???? （ 314） 20 11111 RivSvvdtdiL cdccdcccNc ???? （ 315） 2111111 )( dcb bdcccbbaadcdc iR EvSiSiSidtdvC ?????? （ 316） 由式（ 313）～（ 315）可見，對于本文所示的三相四線制串聯(lián)變流器電路，相當(dāng)于三個獨立的半橋電路的組合，這樣的電路結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對三相輸入電流的獨立控制，也利于消除三相電流的不平衡。忽略系統(tǒng)功耗，且電池組不充電也不圖 理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)框圖 1L?1L?? ?????????di1qi1*1 di0*1?qicdvcqvdv1qv1空間電壓矢量驅(qū)動信號發(fā)出 *dcvdcv? ???*1 dIt?sin t?c o s串聯(lián)變流器