单相统一电能质量控制器的研究

电能作为目前最为便捷的能源形式,支撑着现代科技的进步和社会经济的飞速发展。如今的电能作为一种商品,走进市场,接受政策的导向和舆论的监督。合格的电能质量已成为电力部门和电力用户共同追求的目标,同时也是电力设备厂商关心的热点商机,因为合格的电能质量是我国目前建设坚强智能电网规划的目标之一。自20世纪80年代以来,基于电力电子技术的FACTS技术得到了广泛重视和研究,其中面向配电系统的用户电力技术(CUSPOW)成为解决电能质量问题有效手段。在众多的CUSPOW装置中,由串、并联双变换器构成的统一电能质量控制器(UPQC)具有综合的电能质量调节能力,不仅可以改善电网侧的电能质量问题,实现高功率因数,也可以改善负载侧的电能质量,稳定负载电压,被认为是最有前途的电能质量调节装置。本文针对单相UPQC系统,按工程化设计的方法进行了以下几个方面的研究。 本文分析了UPQC的工作原理和常见的控制方式。针对直流侧不具备大容量储能装置的单相UPQC系统,提出了双电流源控制方案,即将串联变换器控制成正弦电流源,稳定负载电压和隔离谐波干扰;将并联变换器控制成非正弦电流源,补偿负载无功和抑制谐波。基于系统稳定工作过程进行理论分析,在假设条件下,从数学角度证明两侧变换器分开独立控制的可行性,并推导出控制指令的解析式。讨论了不同工况下,系统的有功功率、无功功率的潮流情况,并指出理论假设和实际状况的不同,这都在后来的实验中得以验证。讨论了不同的因素对系统伏安容量的影响,为系统的设计提供了直观而定量的指标参考。 本文根据双电流源控制方案的特点,详细讨论了自适应谐波检测的原理以及控制指令的提取方法。通过仿真和实验证实了传统变步长算法在检测突变大信号上的不足,提出估值误差定频滤波的优化变步长自适应滤波算法加以改进。随后的仿真和实验验证该方法在保留传统变步长算法良好的动态响应的同时,稳态精度也大幅度提高,拓展了双电流源方案对于不同负载的应用范围。 本文根据分开独立控制的假设条件,将串联变换器在功能上等效成动态电压调节器(DVR)。在控制上按照正弦电流源的控制方法,指出通过串联变压器的磁约束关系可控制阻性负载的额定电流,即可间接控制负载额定电压。采用负载电流周期平均模型(PAM)构建控制模型。针对串联变压器励磁电流对负载电压精确度的影响,提出励磁电流补偿(MCC)的方法。通过实验表明,负载电流直接控制方法可以稳定负载电压,抑制电网电压波动,而励磁电流补偿可以明显提高负载电压的稳态精度。 本文将并联变换器在功能上等效成并联有源电力滤波器(APF),在控制上按照传统的非正弦电流源补偿的方法。考虑到直流电压的建立和稳定是整个UPQC系统正常工作的首要条件,先将并联变换器控制成PWM整流器以满足直流电压的要求,而且通过对直流电压的稳定控制可以实现UPQC能量流动的功能,再加入无功和谐波电流指令实现APF的功能。通过仿真和实验发现,简单的比例控制只能补偿负载的无功但无法较好地抑制谐波,于是引入了比例控制与重复控制技术相结合的复合控制策略,并对重复控制技术进行了全面而详细的介绍,对重复控制器的设计步骤进行了总结,归纳出一套适合于实际应用的工程化方法。仿真和实验结果表明,重复控制技术的加入极大地改善了APF的补偿电流谐波的效果,完善了APF的功能。 最后,本文根据设计的参数,搭建了10kVA的单相UPQC实验平台。讨论了实验平台的控制系统设计,设计了系统投入和退出步骤。基于UPQC的双电流源协调控制策略,对UPQC系统在各种工况下进行了较为全面的实验,并验证了控制策略的有效性,详细分析了统一电能质量控制器的系统性能。