统一电能质量调节器（UPQC）的关键技术研究

【摘要】：在我国工业和城镇化进程中,电力事业取得了长足的发展。但是由于大量电力电子装置的广泛应用,输配电环节和用电终端的非线性负载大量増加,引起电网电流、电压波形畴变,造成电网的谐波污染,影响了电网的安全稳定运行。特别是在农村或城镇的低压配网,由于线路长、负荷多样化,存在功率因数低、三相不平衡、电压不合格、谐波等多种电能质量问题,严重影响供电质量。当前采用的治理装置功能单一,体积大,调节精度差,且无法综合解决电能质量问题,影响设备安全。低压配网属于弱电网,目前弱电网的电能质量治理方面的研究还不够完善:需建立更精确的数学模型描述低压配网电能质量治理装置的补偿特性,更快的检测技术提取需要补偿的谐波,更加稳定与高精度的控制算法等是低压配网电能质量治理领域的关键技术,极具创新性和挑战性的研究内容。为了推广电能质量综合治理技术的应用领域及加深理论研究,本论文主要以低压配网统一电能质量调节器为研究对象,对检测、调制、拓扑、建模与控制等关键技术进行深入研究,获得了一些创新性研究成果。1、通过Matlab/Simulink仿真分析验证了6种常用时域检测法在8工况的特点。由于DSC检测算法运行稳态并提取精度高,但存在较大延时问题。因此提出了一种快速的DSC检测算法,使检测算法收敛时间只有原来的1/3,快速有效地提取基波。2、三相三线三电平电力电子变换装置没有中性线,可以不考虑零序电压,通常采用2D-SVPWM进行调制,需两次划分为36个扇区,然而存在较大中点电压偏移与扇区划分误差。因此提出了一种优化的3D-SVPWM调制算法,只需根据参考矢量的相位一次划分成12个扇区,简化了调制算法,并消除了子扇区划分误差。在三相三线与三相四线制电气设备上都可以应用。3、统一电能质量调节器(UPQC)串联与并联单元共用一个直流端,在交流侧也有电气连接,因此在直流侧与交流侧都存在相互干扰。本文提出了电阻隔离UPQC拓扑与DC-DC隔离UPQC拓扑两种新型的UPQC拓扑结构,有效隔离了串联与并联单元在直流侧的干扰,提高了补偿精度。采用变压器等效模型首次建立了UPQC集串联单元与并联单元于一体的传递函数矩阵模型,根据所建立的数学模型采用前馈解耦控制实现了并联变换器与串联变换器在交流侧的解耦,提高了系统的鲁棒性与补偿质量。分析了串联与并联单元的补偿机理,提出了一种基于UPF检测技术的协调控制,有效消除了串联与并联单元的重复补偿,该算法易于实现并运行稳定。4、通常并联APF的模型都不考虑电网阻抗,然而低压配网属于弱电网,电网阻抗较大所以必须要考虑。本文建立了包含电网阻抗与负载阻抗的有源电力滤波器(APF)模型,提出了基于电网阻抗模型的反馈线性化比例谐振微分控制(FL-PRD)用于电流内环,提高了系统的响应速度与补偿精度。将非线性负载表示成线性负载加谐波电流源,建立了负载谐波电流注入电网电流的函数,并提出了一种不需要谐波检测与有源阻尼的线性二次型最优控制器(LQR)设计方法,消除检测延时提高了系统响应速度、简化控制系统设计,具有较好的鲁棒性与补偿精度。传统直流侧电压控制难以同时保证较快的动态响应与较好的稳态补偿精度,提出了一种简易模糊比例控制算法(SFP)用于APF直流侧控制,同时实现了较快的动态响应与较好的稳态补偿精度。综上所述,本文研究了低压配网电能质量综合治理的关键技术,如:检测技术,调制技术,建模方法,统一电能质量调节器拓扑、解耦控制以及有源电力滤波器直流电压控制、电流内环控制等。为电能质量治理机理研究与装置研发奠定基础,其研究成果可以应用于其他电力电子变换器的设计与控制。