【正文】 …… …………………………… .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(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(jìn)行變換和控制的技術(shù) 【 1】 。 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)。近年來電力開關(guān)器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使已有研究成果的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性不斷得到改善。 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 。 主要應(yīng)用形式有： （ 1） 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵磁控制 。 （ 3） 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵 的變頻調(diào)速 。 在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用 電力電子技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)中最典型的應(yīng)用是直流輸電（ HVDC）技術(shù)和柔性交流輸電（ FACTS） 技術(shù)。目前，全球已建成的直流輸電工程超過 60 項(xiàng)。同時(shí)大幅度簡化設(shè)備，降低造價(jià)。 （ 2） 柔性交流輸電（ FACTS）技術(shù) 1986年提出的 FACTS 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。 在配電 和用電環(huán)節(jié)中 的應(yīng)用 【 3】 在配電和用電環(huán)節(jié)中，配電環(huán)節(jié) 解決的問題是如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量，用電環(huán)節(jié)在保證各種 負(fù)荷 的電力用戶自身用電安全可靠的條件下不產(chǎn)生對電網(wǎng)的干擾，這就是電能質(zhì)量控制技術(shù)。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。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。 電能質(zhì)量控制既要滿足對 3 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。 電能質(zhì)量控制技術(shù) 電能質(zhì)量控制的研究具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，它對于減少用電設(shè)備的故障，從而保證生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行；對于減小電網(wǎng)內(nèi)部因電能質(zhì)量問題造成的損耗，從而提高電能的使用效率；對于供電企業(yè)樹立強(qiáng)烈的競爭意識，從而有力地促進(jìn)電力市場的孕育與形成 ；對于開辟和帶動電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而推動整個(gè)電力產(chǎn)業(yè)的革新與進(jìn)步都具有極其重要的意義 【 3】－【 6】 。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】 。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。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。 用戶電力技術(shù)主要包括串并聯(lián) 補(bǔ)償 的電能質(zhì)量控制技術(shù)、電力系統(tǒng)固態(tài)開關(guān)技術(shù)和超導(dǎo)儲能 4 及其能量變換技術(shù) 。 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）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(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。 DVR 的引用可以有效的消除電網(wǎng)中由于電壓瞬時(shí)跌落、閃變、振蕩等引起的事故，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。 （ 2） 串聯(lián)型有源 電力濾波器 串聯(lián)有源電力濾波器（ Series Active 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，其電路結(jié)構(gòu)1V ?LV ?T 1T 4 T 6T 3 T 5T 2dV+Cbac?LX V ??cV ?I?圖 1 . 1 PWM 開關(guān)型串聯(lián)基波電壓補(bǔ)償器負(fù)載cI?+ +2V ?圖 1 . 2 串聯(lián)型有源電力濾波器T 1T 4 T 6T3T 5T 2dVsi+CC oL oLXcvsvbaAcA 1PTacvccvbcvBCC 1B 1 5 如圖 所示。為此，串聯(lián)有源電力濾波器通過串聯(lián)變壓器 PT 串聯(lián)注入一個(gè)與負(fù)載端的諧波電壓大小相等、方向相反的補(bǔ)償電壓 cv ，從而使得接在 A B C1 端的其他負(fù)載的電 壓是正弦波，避免了諧波電壓的危害。這意味著對于諧波電流，串聯(lián)有源電力濾波器在電網(wǎng)側(cè)具有無窮大的阻抗，因此沒有諧波電流經(jīng)負(fù)載流入電網(wǎng)，或經(jīng)電網(wǎng)流入負(fù)載。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(shí)具有可靠的保護(hù)。 并聯(lián)補(bǔ)償型電能質(zhì)量控制器 （ 1） 并聯(lián)型有源電力濾波器 典型的并聯(lián)型有源電力濾波器（ Shunt Active Filter）由一個(gè)可控的電壓源變流器組成。負(fù)載電流 Li 中除了正弦基波電流 1Li 外，還含有豐富的諧波 電流 hi ，檢測 、 控制 、 驅(qū)動系統(tǒng)T 1T 4T6T3T5T2dV diiavibvicvACi+C G非線性負(fù)載T6T 1PTE?1V ?lX2V ?cLsiii ??1Li?hcii ?BVCVBCiCCiAiBiAV?dVdVAV圖 1 . 3 并聯(lián)有源電力濾波器AVhLLiii ??1hQLPLiii ???11ACiBCiCCiL f 6 hQLPLhLL iiiiii ????? 111 ，這里 PLi1 、 QLi1 分別為基波有功、無功電流。若還要求補(bǔ)償負(fù)載電流中 的無功電流，則只要令補(bǔ)償器輸出的電流 hQLc iii ?? 1 即可，如此可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)為 1。 雖然并聯(lián)有源電力濾波器可以實(shí)現(xiàn)對負(fù)載諧波電流和無功電流的完全補(bǔ)償，但也存在以下缺點(diǎn)： 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。 （ 2） 靜止同步補(bǔ)償器 先進(jìn)的靜止 VAR 發(fā)生器（ ASVG）：屬于 PWM 開關(guān)型無功功率發(fā)生器，其電路結(jié)構(gòu)基于三相全橋電路組成的電壓型逆變器，如圖 所示。由于采用 PWM 控制， ASVG 可以向電網(wǎng)提供實(shí)時(shí)連續(xù)的感性和容性無功功率，可使得電網(wǎng)功率因數(shù)為任意指令值，電流波形接近正弦，由于同時(shí)能調(diào)控電網(wǎng)電壓，它在提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)振蕩等方面，圖 先進(jìn)的靜止 VAR 發(fā)生器（ ASVG） 7 其性能遠(yuǎn)優(yōu)于晶閘管為基礎(chǔ)的 SVC，它是電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。 UPQC【 5】 【 6】 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 UPQC（ Unified Power Quality Conditioner）結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)兩個(gè)有源電力濾波器，不同的是兩個(gè)變流器直流公共端并接有蓄電池，其電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。變流器 I經(jīng)串聯(lián)變壓器 PT1 輸出補(bǔ)償電壓，向電網(wǎng)注入交流功率，同時(shí)變流器 I 也可以輸出諧波補(bǔ)償電壓。當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，蓄電池對變流器 II 供電，變流器 II 工作在逆變狀態(tài)，向負(fù) 載提供工作電壓，確保負(fù)載的不間斷供電（ UPS），保證了重要用戶的供電可靠性。另一類是相對容量較小，特別應(yīng)用于對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量要求高的電力用戶。 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。為實(shí)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。 本文 除了緒論以外 主要包括以下內(nèi)容： 首先 分析了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的工作原理 、系統(tǒng)的等效電路 、 系統(tǒng)的控制方案 。最后 對 10KVA 三相四線 UPQC 實(shí)驗(yàn)裝置的串聯(lián)變流器主電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述， 對以 TI公司 DSP 芯片 TMS320LF2407A DSP 為核心控制系統(tǒng)電路作了仔細(xì)的分析 ， 并 對控制 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。 9 2 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 UPQC 的工作原理 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 UPQC 是具有綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力的電力電子裝置，電路結(jié)構(gòu)比單一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器復(fù)雜，為了對其實(shí)現(xiàn)有效控制并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，首先要對其工作原理進(jìn)行分析 和研究。 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(rèn)識，本節(jié)詳細(xì)地描述了三相四線制 UPQC 系統(tǒng)的功率電路。 （ 2） 串聯(lián)變壓器 Ts：該變壓器可以是三相耦合的三相變壓器，也可以是三個(gè)獨(dú)立的單相變壓器，它串接在交流電網(wǎng)和負(fù)載之間，故稱為串聯(lián)變壓器。 （ 3） 串聯(lián)變流器 VSC1：該變流器經(jīng)輸入電感 L串聯(lián)變壓器 Ts 串聯(lián)接入電網(wǎng)，稱為串聯(lián)變流器，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。 （ 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。 （ 7） 輸入靜態(tài)開關(guān) S1 和旁路靜態(tài)開關(guān) S2：由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管組成。 需要注意系統(tǒng)的中性點(diǎn) N 連接到電網(wǎng)輸入中線、串聯(lián)變壓器中線、電池組中點(diǎn)、直流母線電容中點(diǎn)及并聯(lián)變流器濾波電容的中點(diǎn)。對于負(fù)載側(cè)，使得在電網(wǎng)電壓畸變、不對稱、非額定的情況下，負(fù)載端電壓始終保持對稱、額定正弦且與電網(wǎng)基波電壓同相。 當(dāng)發(fā)生交流電網(wǎng)掉電時(shí)，直流母線端的電池組放電，經(jīng)并聯(lián)變流器向負(fù)載不間斷的供電，具有 UPS 的功能。 通過對 UPQC 兩個(gè)變流器進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制， 可以實(shí)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。交流電網(wǎng)輸入電壓 sv 包含諧波分量 shv ，其基波分量記為 1sv ， shss vvv ?? 1 。 對兩個(gè)變流器 進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制， 可以實(shí)現(xiàn)前述各項(xiàng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能。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?？刂撇⒙?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。而由于并聯(lián)變流器受控為額定基波正弦電壓源，負(fù)載電壓 Lv 總是維持額定正弦波不變，