统一电能质量控制器UPQC及其H∞控制方法的研究

统一电能质量控制器 UPQC 是用户电力技术(Custom Power)发展的最新趋势之 一,它集电压补偿装置、电流补偿装置和储能装置于一体,统一实现多重电能质量 调节功能。UPQC 是对配电系统电能质量问题进行全面综合治理及提高供电可靠性 更加有效的途径,已成为该领域的研究热点。 本文结合国家教育部博士学科点专项科研基金(1999007904)课题“柔性配电系 统基础理论研究”深入系统地开展了“统一电能质量控制器 UPQC 及其 H∞控制方 法的研究”的论文工作,主要研究成果如下: 1.对本文所给出的一种典型配置方式的 UPQC 主回路的工作机理进行了深入 研究,进而系统地明确了 UPQC 的多重电能质量调节功能。根据电力电子技术发展 水平和用户应用现状提出了一种经济实用型 UPQC 的拓扑结构,这可大大提高电能 质量综合补偿装置的性能价格比。采用有源功率因数校正 APFC 技术实现了 UPQC 直流环节的电压控制,同时可确保 UPQC 储能单元以高功率因数方式进行充电并避 免其对配电网产生谐波污染。 2.从经典电路理论中瞬时功率的物理本质出发,提出了 UPQC 的电压、电流 补偿信号快速直接检测方法,给出了一种正弦电压幅值快速计算实用公式,实现了 多重补偿信号的快速、准确检测,并对此直接检测方法进行了有效验证。 3.首次提出了一种基于 H∞模型匹配技术的 UPQC 电压、电流波形跟踪补偿最 优控制新方法,为 UPQC 电压、电流波形跟踪补偿控制精度的进一步提高奠定了扎 实的理论基础,也为相关领域的波形跟踪控制技术的研究发展提供了一条新途径。 另外还给出了 UPQC 并联单元、串联单元合理的简化数学模型。利用该 H∞方法设 计出了一套具体的 UPQC 电压、电流波形跟踪补偿 H∞最优控制器,并成功实现了 降阶处理。通过大量有力的仿真实验充分证实了本文所提出的基于 H∞模型匹配技 术的 UPQC 最优控制器设计方法的正确性和先进性。该 H∞设计方法成功地消除了 由 UPQC 的滤波环节和串并联变压器所引起的输出补偿量的附加相移和幅值衰减, 并能确保所设计出的闭环控制系统为内部稳定的。 4.剖析了 UPQC 串联、并联单元之间耦合影响的根本原因,提出了 UPQC 串 联、并联单元的协调控制策略。从机理出发,通过分别在 UPQC 串联、并联单元中 直接引入相应的电压矫正环节并选择合适的 PWM 控制方式,从根本上消除了其串、 并联单元的耦合影响,大大简化了 UPQC 整体控制系统的复杂程度,圆满实现了 UPQC 串联、并联单元的协调控制,通过大量有力的仿真实验充分证实了采用上述 控制策略的 UPQC 可同时实现电压跟踪补偿和电流跟踪补偿的良好性能,最终实现 了 UPQC 的多重电能质量统一控制功能。 5.对经济实用型 UPQC 中的 ATSC 型快速动态无功补偿装置中的关键技术进 -ⅰ- i 华北电力大学博士学位论文 行了深入研究,取得了若干项创新性的科研成果。其主要创新点为:该装置不设限 流电抗器,不需对电容器预充电,不需专门的放电电阻,采用了一种独特的无功功 率检测算法,可实现快速而无冲击地投切电容器,动态响应时间小于 16ms。所研制 的 ATSC 型快速动态无功补偿装置得到了用户的成功应用,充分表明了其所具有的 多种电能质量调节功能。ATSC 技术从根本上解决了投切电容器产生冲击而引发的 电能质量问题。该 ATSC 型补偿装置通过了国家电力公司科技环保部组织的科技成 果鉴定,鉴定结论:国内领先。 本文的研究成果为后续的国家电力公司重点科技项目(SP11-2002-01-09)“配电 电能质量分析与控制模拟试验系统的研究”奠定了理论基础、创造了技术条件。