配电系统动态无功补偿技术的研究

20世纪80年代以来，随着高压、大功率电力半导体器件的不断更新和发展，功率变换技术的日臻完善，电力电子装置在现代社会中得到了广泛应用，这对增强电力系统运行的稳定性和安全性，提高输电能力和用电效率，节能等方面发挥了越来越重要的作用。然而，电力电子装置为人们带来巨大利益的同时，也导致了电网中日益严重的谐波污染。而且，许多电力电子装置的功率因数很低，也给电网带来额外负担并影响电能质量。 面对我国目前电网结构薄弱和输配电技术手段、自动化水平低的现状，研究电网谐波治理和无功补偿新技术及新装备，具有十分重要的理论和现实意义。本论文围绕配电网动态无功补偿问题这一中心主题展开。作为“用户电力”中的一个重要器件，配电网静止同步补偿器DSTATCOM(Distribution Static SynchronousCompensator)是一种进行动态无功功率补偿、维持电压稳定、提高电能质量的有效手段。 对于电流间接控制的DSTATCOM，本文在分析比较多种控制策略的基础上，将多变量逆系统方法应用到电流间接控制的DSTATCOM中。首先建立了DSTATCOM更为合理和精确的数学模型—损耗双折算模型，为了便于实现解耦控制将该数学模型进行状态重构，然后利用多变量逆系统方法对直流侧电压和无功电流成功进行解耦，大大简化了PI控制器的设计。提出了一种状态反馈控制和前馈控制相结合的动态控制策略，可使系统获得快速的无功和电压响应，提高装置的暂态稳定控制能力。在进行逆系统电压—无功解耦控制时，通过对所得伪线性系统内部的零动态子系统本身的稳定性的分析和证明，确保了伪线性系统的稳定性，进而证明所设计的控制律能使系统全局稳定。基于设计的多变量逆系统控制器，对DSTATCOM在系统不对称情况下的运行控制进行了深入的研究。文中给出了基于逆系统方法的电压—无功解耦控制的DSTATCOM的软件仿真结果，有效地证明了该控制策略的合理及有效性。 对于电流直接控制的DSTATCOM，本文首先证明了电源电流直接控制与传统的电流直接控制的等效性，亦即用电源电流直接控制代替传统的电流直接控制，控制效果是一样的，但由于该法具有不需要检测和计算负载中的无功和谐波等一系列的优点，将使电路大大简化。其次，实现电流直接控制的关键是采用跟踪型PWM控制技术，本文在比较了各种跟踪型PWM控制技术的基础上，采用了一种新型的开关频率基本恒定的电流跟踪控制法—双向抛物线法，给出了其基本原理。最后设计并实现了一种新型的直接电流控制DSTATCOM系统—采用电源电流直接控制和双向抛物线法电流跟踪控制新技术。通过大量的仿真和实验，验证了这种新型DSTATCOM的先进性与合理性。 配电系统通过设置动态补偿装置来补偿谐波和无功功率，这属于被动补偿的范畴。换一种思路考虑，如果能对负载侧的电力电子装置本身进行改造和控制，使其尽量不产生谐波，且实现输入电流和电压同相位，那么，对配电系统补偿装置的容量需求将大为减小，甚至无需外加动态补偿装置。也就是说，通过改进用户侧电力电子装置自身的性能，显然是一种更为积极主动的方法，利于从根本上解决配电网的电能质量问题。本文在这一方面也开展了较为深入的研究工作。 目前广泛应用的整流器负载，功率因数很低，是配电系统中主要的谐波源。若通过控制此类整流器负载的输入、输出特性，使其对外尽量不产生谐波，且功率因数近似为1，就可构成高功率因数整流器。在综合研究当前有源功率因数校正技术的基础上，本文提出了一种基于单周控制的高性能功率因数校正HPPFC(High-Performance Power Factor Correction)方法，可用于单相整流类负载，实现功率因数校正和谐波综合治理。本文分析了基于单周控制的HPPFC方法的电路拓扑和基本原理，推导了相应的单周控制方程，给出了主电路的主要参数(电感、直流侧储能电容)的设计和选取标准。建立了单周控制HPPFC电路的大信号模型，在此基础上进行了控制系统中PI调节器设计，将控制系统校正为典型Ⅱ型系统，从而消除了稳态误差、提高了抗扰性能，为系统的综合设计提供了理论依据。通过对单周控制的HPPFC、单周控制的直流侧APF的综合分析和设计，以及样机试验结果证明了理论分析和设计的正确性。