（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器設(shè)計及其應用仿真研究.pdf

口鄭州大學。 學碩士論義 睪卜償畸變電流的功能外，還具有主電路開關(guān)器件短路保護及直流電壓檢測的功能。 另外，裝置也設(shè)計了可用于通訊的功能，預留了足夠的擴展接口，為以后裝置功 能升級提供了方便。本文采用工程化的編程方法，編制了部分程序。 最后，本文以某企業(yè)電阻爐產(chǎn)生的畸變電流為補償對象，建立了電阻爐系統(tǒng) 的仿真模型以及其與電能質(zhì)量控制器連接的仿真模型，通過在電阻爐不同工作狀 況下的仿真試驗，驗證了本文設(shè)計的電能質(zhì)量控制器的可行性。 關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量控制器：瞬時無功功率理論；三角波比較：畸變電流：d s p 芯片 j i a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yt h eh i g h e rq u a l i t yo fe l e c t r i c a l p o w e ri sr e q u i r e db yu s e r s m e a n w h i l e ，m o r ea n dm o r en o n l i n e a rl o a d sa d o p t e di nt h e p o w e rs y s t e md e t e r i o r a t ei t i th a sb e e nak e yr e s e a r c hf i e l di np o w e re l e c t r o n i c a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yt os t u d yt h ep o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e rt oc o m p e n s a t et h er e a c t i v e c u r r e n ta n dh a r m o n i cc u r r e n tc a u s e db yt h en o n l i n e a rd e v i c e s a tt h ep r e s e n tt i m e ， c o r r e l a t i v es t u d ya b o u tt h ep o w e rq u a l i t yi sb e c o m i n gt h eh o t s p o t ，a n dt h ec o n t r o l l a b l e t e c h n o l o g yo ft h ep o w e rq u a l i t yi sa l s od e v e l o p i n gq u i c k l ya tt h eo v e r s e a s h o w e v e r , a t h o m et h es t u d yo ft h ep o w e rq u a l i t yi sa l m o s tl o c a l i z e da tt h er a n g eo ft h et h e o r ya n d t h et r i a la b o u tm e r e l yt h es t u d yo ft h eh a r m o n i cq u e s t i o n s t h e r ea r eg r e a tg a pa b o u tt h e c o n t r o lo f t h ep o w e rq u a l i t yb e t w e e na th o m ea n da tt h eo v e r s e a s s h u n tv o l t a g ec o n t r o l l e ro fp o w e rq u a l i t yw i l l b ed e e p l ys t u d i e di nt h i sp a p e rt o r e s t r a i nh a r m o n i cc u r r e n t ，c o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ra n dk e e ps y m m e t r yo ft h ec u r r e n t o f t h ep o w e rs o u r c e ap r a c t i c a lc o n t r o ld e v i c eo fe l e c t r i c a lp o w e rq u a l i t yi sd e v e l o p e d t h ei n t e g r a ls t r u c t u r ei sd e c i d e dt h r o u g ht h es t u d y i n go p e r a t i n gp r i n c i p l eo fs h u n t v o l t a g ec o n t r o l l e ro fp o w e rq u a l i t y t h ed e t e c t i o nm e t h o do fc u r r e n tb a s e do nt h e i n s t a n t a n e o u sv a rp o w e r ：i p 一i sd e e p l ys t u d i e d t h i sm e t h o di sa d a p t e dt od e t e c t c u r r e n tw h e np o w e rs o u r c ev o l t a g ei sd i s t o r t e d h lt h i sp a p e rt h ec o n t r o l s t r a t e g yo f c u r r e n tt r a c k i n ga n dc o m p a r i s o ni sa d o p t e d i no r d e rt or e d u c eh a r m o n i cc u r r e n tc a u s e d b yt h ec o m p e n s a t i o nd e v i c et h a tt h ec o n t r o lm e t h o do ft r i a n g u l a rw a v ec o m p a r i s o ni s a d o p t e d t h es t r u c t u r eo fp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r ( p q c ) m e n t i o n e di n t h i sp a p e ri s a v a i l a b l e t h r o u g hb u i l d i n gt h es i m u l i n km o d e lo fp q cb a s e d o nt h em a t l a b s o f t w a r e m o r e o v e gt h es i m u l i n km o d e lo fp q ci su s e dt op r o v et h ep r a c t i c a le f f e c t i o n o ft h em e t h o do fd e t e c t i n gc u r r e n ta n dt h ec o n t r o lm a n l l e ro ft r i a n g u l a rw a v e c o m p a r i s o n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em e t h o do fd e t e c t i n gc u r r e n ta n dt h ec o n t r o l m a n n e ro ft r i a n g u l a rw a v ec o m p a r i s o ni sa d a p t e dt ot h ep q css u - u c t u r ea d o p t e di nt h i s p a p e r n o w a d a y s ，t h e r ei sn o td e f i n i t ea l g o r i t h mt od e t e r m i n et h em a i nc i r c u i tc a p a c i t o ri n - 1 1 1 鄭州大學1 ：掌碩 論文 d cs i d ea n di n d u c t a n c ei na cs i d e a ne s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt o d e t e r m i n et h er a n g eo ft h ec a p a c i t o ra n dt h ei n d u c t a n c e n l ei n d u c t a n c ei ss e n s i t i v et o t h e r e s u l to fc o m p e n s a t i o n ，a f t e rt h a t ，l a r g eq u a n t i t ys i m u l a t i o ni sn e e dt od e c i d et h e i n d u c t a n c ev a l u ea tl a s t h 1a d d i t i o n ，a sp q cc o m p e n s a t e st h ed i s t o r t i o nc u r r e n t ，i t s e l f w i l lc a u s es o m ep o w e rl o s sa n dr e d u c et h ev o l t a g eo fc a p a c i t o ri nd cs i d e t o c o m p e n s a t et h i sr e d u c t i o n ，al i n e a r i z a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dw h i c hc a l lc h a r g et h e c a p a c i t o ri nd cs i d et ok e e pi t sv o l t a g ei nd e f i n e dr a n g ea s w e l la s c o m p e n s a t e h a r m o n i cc u r r e n t t h eh a r d w a r ec i r c u i to f p o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e rb a s e do nd s pi sd e s i g n e d e x c e p t t o c o m p e n s a t ed i s t o r t e dc u r r e n t ，t h ed e v i c ec a np r o t e c tt h es w i s hd e v i c e sf r o ms h o r t c i r c u i ta n dd e t e c td cv o l t a g e 1 1 1a d d i t i o nt h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni sd e s i g n e di n t h i sd e v i c ea n do n o u g he x p a n s i o np o r t sa r ep r o v i d e dt oc o n v e n i e n tt h ed e v i c eu p g r a d i n g l a t e r p a r tp r o g r a m m eh a v eb e e nf i n i s h e dt h r o u g hp r o j e c tp r o g r a mm e t h o d a tl a s t ，t h ed i s t o r t e dc l i t o n tc a u s e db ye l e c t r i c a lr e s i s t a n c ef u r l l a c ei naf a c t o r yi s s e l e c t e da sc o m p e n s a t i o no b j e c t t h es i m u l a t i o nm o d e lo fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c ef u r n a c ei s b u i l t ，i na d d i t i o n ，t h ea u t h o ra l s ob u i l dt h es i m u l a t i o n m o d e lt h a tp q ci sc o n n e c t e dw i t h t h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c ef u r n a c e t h o u g ht h es i m u l a t i o no ft h es y s t e mi nd i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o nt h ef e a s i b i l i t yo f p q c i sp m v e d k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r ( p q c ) ；i n s t a n t a n e o u sv a rp o w e r ；t r i a n g u l a rw a v e c o m p a r i s o n ；d i s t o r t e dc u r r e n t ；d s pc h i p i v 鄭重聲明 本人的學位論文是在導師指導下獨立撰寫并完成的，學位論文沒有剽竊、抄 襲等違反學術(shù)道德、學術(shù)規(guī)范的侵權(quán)行為，否則，本人愿意承擔由此產(chǎn)生的切 法律責任和法律后果，特此鄭重聲明。 學位論爻作者( 簽名) ：礦才寸， l 緒論 1 1 課題背景及研究意義 第1 章緒論 電能既是一種經(jīng)濟實用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源形式，又 是一種由電力部門向用戶提供，并由供用電雙方共同保證質(zhì)量的特殊產(chǎn)品。如今 電能作為走進市場的商品，與其他商品一樣，無疑也應講求質(zhì)量。 由于供電電源的電能質(zhì)量下降而影響電氣設(shè)備正常工作的問題，早在電力供 應開始就引起了供用電雙方的關(guān)注。人們首先把電力系統(tǒng)運行中電壓和頻率偏 離標準標稱值得多少作為檢驗電能質(zhì)量的主要指標。之后，隨著工業(yè)規(guī)模的擴大 和科學技術(shù)的發(fā)展，越來越多的用戶采用了性能好、效率高但對電源特性變化敏 感的高科技設(shè)各，電力用戶對電能質(zhì)量的要求在不斷提高 1 2 。與此同時，許多新 型的電氣設(shè)備在運行中會向電力系統(tǒng)注入各種電磁干擾，對電力系統(tǒng)的安全和用 電設(shè)備的正常工作造成的危害與影響不斷增加，電能質(zhì)量問題日益突出，引起了 供電部門和廣大電力用戶的普遍重視。研究改善電網(wǎng)供電質(zhì)量以及抑制用戶對電 網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響具有重要的意義。 1 1 1 電能質(zhì)量問題的分類 在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量這一技術(shù)名詞涵蓋著多種電磁干擾現(xiàn)象。但是 由于工業(yè)領(lǐng)域的各個行業(yè)對電能質(zhì)量認識上的不同和使用名詞上的不統(tǒng)一，使得 長期以來人們在描述各種各樣電壓、電流干擾電力供應及電氣設(shè)備正常工作的電 磁現(xiàn)象時，所提出的專業(yè)名詞的含義上很不準確，使用很不規(guī)范，嚴重地影響了 電能質(zhì)量工作的開展。國際電氣工程界在關(guān)于電能質(zhì)量問題應采用規(guī)范的技術(shù)名 詞上逐漸趨向一致，國際電氣電子工程師協(xié)會( e e ) 標準化協(xié)調(diào)委員會已正式 通過采用“p o w e rq u a l i t y ”( 電能質(zhì)量) 術(shù)語的決定。其基本的含義是指，提供給敏 感設(shè)備的電力和為其設(shè)置的接地系統(tǒng)均適合于該設(shè)備正常工作。與之相對應，國 際電工委員會( i e c ) 提出了電磁兼容( e m c ) 的概念，給出了干擾允許值、抗擾 闡值和兼容值的定義，并在此基礎(chǔ)上制定了一系列電磁兼容標準。電磁兼容強調(diào) 鄭州大學工掌碗士論文 的是設(shè)備與設(shè)備相互之間的電磁作用和影響，以及電源與設(shè)備相互之間的電磁作 用和影響。在i e c 提出的電磁兼容標準中，有許多與電能質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容。e m c 標準采用發(fā)射來表示由設(shè)備產(chǎn)生的電磁污染，在電能質(zhì)量領(lǐng)域它反映出電流質(zhì)量 問題。 為了系統(tǒng)地分析和研究電能質(zhì)量現(xiàn)象，并能夠?qū)ζ錅y量結(jié)果進行分選識別， 從中找出引起電能質(zhì)量問題和采取針對性的解決辦法，因此將電能質(zhì)量進行分類 和給出相應的定義是很重要的。具體分類見附錄2 【3 1 0 。 不難看出，上述電能質(zhì)量的問題有很多種，根據(jù)不同的起因，可以有的放矢 的進行處理，本文設(shè)計的控制器主要是抑制用戶側(cè)的電流對電源電流的影響，主 要考慮如何抑制負荷諧波電流、確保電源三相電流對稱以及減小線路無功負荷傳 輸。 1 ，1 2 電能質(zhì)量標準 電能質(zhì)量標準是保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行、保護電氣環(huán)境、保障電力用戶正常 使用電能的基本技術(shù)規(guī)范，是實施電能質(zhì)量監(jiān)餐管理，推廣電能質(zhì)量控制技術(shù)， 維護供用電雙方合法權(quán)益的法律依據(jù)。我國已經(jīng)制定并頒布的電能質(zhì)量國家標準 有：電能質(zhì)量供電電壓允許偏差( g b l 2 3 2 5 一1 9 9 0 ) 、電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波 ( g b t 1 4 5 4 9 - - 1 9 9 3 ) 、電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度( g b ，t 1 5 5 4 3 一1 9 9 5 ) 、 電能質(zhì)量電力系統(tǒng)允許偏差( g b f f l 5 9 4 5 1 9 9 5 、電能質(zhì)量電壓波動和閃變 ( g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ) 和電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓( g b t 1 8 4 8 1 - - 2 0 0 1 ) 等六項國家標準。見附錄3 1 2 , | 0 1 。 上述各項標準既有針對供電部門的，也有針對用戶做出的，本文主要涉及電 網(wǎng)的諧波、電壓閃變和負荷平衡部分。 1 1 3 電能質(zhì)量的解決方法 電能質(zhì)量存在很多問題，目前還沒有一種切實有效的辦法解決所有問題，要 改善電能質(zhì)量，既需要供電部門提高供電質(zhì)量，同時在用戶側(cè)就地改善電能質(zhì)量 也是很有必要的，相關(guān)標準明確指出：用戶的非線性負荷、沖擊性負荷、波動負 荷、非對稱負荷對供電質(zhì)量產(chǎn)生影響或?qū)Π踩\行構(gòu)成干擾和妨礙時，用戶必須 采取措施加以消除。本文所要解決的主要是如何在用戶側(cè)抑制用戶產(chǎn)生的諧波電 流、電壓波動( 閃變) 以及電流不對稱等電能質(zhì)量問題。 鰭論 電壓波動( 閔變) 主要是由工業(yè)負荷的無功功率引起的，可以通過無功補償 進行改善：諧波問題可以通過濾波解決：電流不對稱是由三相間負荷分布不均勻 所產(chǎn)生的負序分量導致的，可以通過補償負序分量的方法解決。 抑制電壓波動、閃變、電壓不對稱、電網(wǎng)諧波等不利影響有兩種途徑：( 1 ) 裝漫改善電能質(zhì)量裝置，如同步調(diào)相機、靜止型無功補償裝置、l c 濾波器、電能 質(zhì)量調(diào)節(jié)器等，這是一種被動的方法。( 2 ) 實施電網(wǎng)調(diào)度自動化、無功優(yōu)化、負 荷控制以及對設(shè)備進行改造，使其不產(chǎn)生諧波和無功，如設(shè)法提高整流裝置的相 數(shù)或采用高功率因數(shù)整流器，這是一種主動的方法。本文僅對第一種途徑進行討 論。 傳統(tǒng)的無功功率動態(tài)補償裝置是同步調(diào)相機( s y n c h r o n o u sc o n d c n s e r - - s c ) ， 它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機，在過勵磁或欠勵磁的情況下，可以發(fā)出 不同大小的容性和感性無功功率。由于是旋轉(zhuǎn)電機，因此損耗和噪聲都比較大， 運行維護復雜，響應速度慢，7 0 年代以來，開始逐漸被靜止型無功功率補償裝置 ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - - s v c ) 所取代。 靜止無功補償裝置包括早期的飽和電抗器( s a t u r a t e d r e a c t o r - - g r ) 、晶體管控 制電抗器( t t t y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r - - t c r ) 、晶閘管投切電容器( t h 佃s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o r - - t s c ) 以及兩者混合裝置( t c r + t s c ) ，或者晶閘管控制電抗 器與固定電容器( f i x t e d c a p a c i t o r - - f c ) 或機械投切電容器( m e c h a n i c a l l y s w i t c h e d c a p a c i t o r - - m s c ) 混合使用的裝置，還包括8 0 年代以后出現(xiàn)的更為先進的采用自 換相交流電路的靜止型無功補償裝置靜止無功發(fā)生器( s t a t i cv a r g e n e r a t o r - - _ s v g ) ，也稱之為高級靜止無功補償器( a d v a n c e ds t a t i cv a t c o m p c n s a t o r - - a s v c ) 川。 l c 濾波器是傳統(tǒng)的諧波補償裝置。是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組 合而成，它與負載并聯(lián)，除起濾波作用外，還兼顧補償無功。 無源濾波器雖然具有結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低。容易實現(xiàn)，既可補償諧波，又 可補償無功的特點，但是其本身固有的缺陷限制了其發(fā)展 1 2 1 ： 1 ) l c 濾波器是針對特定諧波進行補償?shù)?，對電網(wǎng)阻抗和頻率的變化十分敏 感，濾波效果不易保證； 2 ) 濾波器在濾除諧波的同時會產(chǎn)生無功，在以二極管整流器作為主要用電設(shè) 備的網(wǎng)絡(luò)中，產(chǎn)生不必要的超前功率因數(shù)； 3 ) l c 濾波器可能會跟電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，將諧波電流放大，從而導致 系統(tǒng)不麓正常工作，甚至會燒壞濾波器。 電能質(zhì)量控制器可用于動態(tài)抑制諧波、補償無功、平衡負荷、降低閃變水平、 鄭卅i 大學工學碩士論文 防止電壓跌落、進行電壓平衡等，其動態(tài)特性較之于傳統(tǒng)的補償方式有較大改善 【l3 1 4 l 1 2 電能質(zhì)量控制器技術(shù)的研究現(xiàn)狀 電能質(zhì)量控制器的核心技術(shù)基本上分為兩部分，分別是信號的檢測技術(shù)、控 制策略技術(shù)。電能質(zhì)量控制器的技術(shù)從本質(zhì)上與有源電力濾波器技術(shù)致。 電能質(zhì)量控制是一個復雜的的系統(tǒng)工程，主要涉及電力系統(tǒng)、電工理論、電 力電子技術(shù)、自動控制等學科，包括電源畸變、不平衡的功率理論，電能質(zhì)量的 檢測與控制等技術(shù)，還與國家政策和管理機制有關(guān) 1 5 1 。 國外有關(guān)電能質(zhì)量控制的研究正掀起高潮，從所適用的功率理論的擴展，到 電能質(zhì)量評價指標體系的建立：從全國性的電能質(zhì)量普查、監(jiān)測到用戶終端電氣 環(huán)境的定義：各種電能質(zhì)量問題分析方法的提出，以及用戶電力技術(shù)等電能質(zhì)量 控制技術(shù)的研究和裝黌的開發(fā)正深入進行。 目前，國內(nèi)在電能質(zhì)量控制方面的研究大多局限在諧波問題的范圍內(nèi)，也提出 和開發(fā)了些改善和提高電能屢量的電能質(zhì)量補篙裝置，包括各種有源電力濾波器 ( a c t i v ep o w e rf i l t e r - - a p f ) 、電能質(zhì)量綜合補償裝置( 即統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié) 器) ( u n i f l e dp o w e rq u a l i t yc o r t d i t i o n e r - - u p q c ) ，以及動態(tài)電壓恢復器( d y n a m i c v o l t a g er e s t o r e r - - d v r ) 等，與國外的差距是非常明顯的。在我國，有源電力濾波器方 面的研究仍處于起步階段。有關(guān)有源電力濾波器的研究主要集中在并聯(lián)型、混合 型，也開始研究串聯(lián)型。研究最成熟的是并聯(lián)型，而且主要以理論研究和實驗研究為 主。理論上涉及到了功率理論的定義、諧波電流的檢測方法、有源電力濾波器的 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性研究等【l 。 12 1 檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀 對于電壓波動和閃變、諧波、三相不平衡這些變化相對較緩慢、持續(xù)時間較 長的電能質(zhì)量問題，對稱分量法、諧波分析法是最常用的時域分析方法。它們的特 點是數(shù)學表達式簡單，物理概念明確。但時域分析方法計算量大、耗時長，不能實現(xiàn) 實時、在線控制，因此必須采用變換的方法，快速、準確地得到所需的控制信號。傅 旱葉變換作為最經(jīng)典的信號處理手段在電能質(zhì)量檢測中發(fā)揮了重要作用。目前，各 種算法的離散傅里葉變換( d f t ) 和快速傅里葉變換( f f t ) 已經(jīng)成為頻譜分析和諧波 分析的基礎(chǔ)m 】。 緒論 對于電壓下跌、電壓上升、瞬時脈沖以及電壓瞬時中斷等這類電能質(zhì)量擾動， 出于它持續(xù)時i 訓短，發(fā)生時間具有很大的隨機性，傅里葉變換已不能滿足要求，因此 必須采用新的信號分析方法，如加窗傅里葉變換1 1 ”、短時傅里葉變換和小波變換 u 9 2 0 l 等。另外，將傳統(tǒng)的分析方法與新興的智能方法相結(jié)合也是分析電能質(zhì)量問題 的個趨勢2 。 諧波電流的檢測與分析是電能質(zhì)量分析的另一個重要方面?，F(xiàn)有的諧波電流 檢測方法有基于f r y z e 功率定義的檢測方法、模擬帶通濾波器檢測方法、基于頻域 分析的f f t 檢測方法、同步測定法、自適應檢測法、基于瞬時無功功率理論的畸 變電流瞬時檢測法等，此外還有基于小波變換的時變諧波檢測法、基于鑒相原理的 諧波電流檢測法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測法等。其中，根據(jù)1 9 8 4 年由h a k a g i 等人提出的瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法實時性強，在有源濾波方面得到了 廣泛的應用。但這一方法忽略了零序分量的影響，在電壓有畸變的情況下求出的諧 波電流與實際值是有差別的，采用基于廣義瞬時無功功率理論的d q 0 變換則能更精 確地實時檢測出諧波電流。 下面給出上述涉及的諧波檢測方法的特點： ( 1 ) 基于頻域分析的模擬帶通或帶阻濾波器檢鍘法f 2 舅。帶通( 或帶阻) 濾波器 用于分離出檢測信號中預定的某一單一頻率分量，是用模擬的方法來實現(xiàn)頻域分 析的一種方法。也是最早被采用的諧波電流檢測法。該方法的優(yōu)點在于電路結(jié)構(gòu) 簡單、造價低廉、輸出阻抗低、品質(zhì)因數(shù)易于控制。但是該方法還有別許多缺點， 如濾波器的中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想 的幅頻和相頻特性；當電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，不僅影響檢測精度，麗旦檢測出的 諧波電流中含有較多的基波分量，大大增加了有源電力濾波器的補償容量和運行 損耗，此外，這種方法只能區(qū)分負載電流不同的頻率分量，無法將基波有功和無 功電流相分離，因而目前已較少采用。 ( 2 ) 基于f r y z e 時域分析的有功電流檢測方法 2 4 j 。該方法的基本原理是將負載 電流分解為兩個正交分量：一個是與電網(wǎng)電壓波形完全一致的電流分量，稱為有 功電流分量；另一個分量為負載電流與有功電流的差值，包含基波無功和諧波， 成為廣義無功電流分量。該方法的主要缺點是必須計算負載的有功功率和電網(wǎng)電 壓的有效值，這需要對電網(wǎng)電壓和負載的有功功率的乘積以及電網(wǎng)電壓信號的平 方進行積分運算，再加上其它運算電路所需的計算時間，用該方法計算出廣義無 功電流瞬時值至少有一個周期以上的時間延遲，故不適用于頻繁變化負載的補償。 而且，這種方法僅僅區(qū)分有功電流和廣義無功電流，卻無法將基波無功和諧波電 流從基波電流中分離出來，因此這種方法只能適用于全補償?shù)膱龊?，對于需要?鄭州大學工學碩士論文 基波無功電流和諧波電流分別補償?shù)那闆r，該方法無法應用。 f 3 ) 基于頻域分析的快速付氏變換( f f t ) 檢測法 2 5 1 。該方法是建立在f o u r i e r 分析的基礎(chǔ)上的，因此要求被補償?shù)牟ㄐ问侵芷谧兓?，否則帶來較大誤差。通 過f f t 將檢測到的一個周期的諧波信號進行分解，得各次諧波的幅值和相位系數(shù)， 將擬抵消的諧波分量通過帶通濾波器或者傅立葉變換器得到所需的誤差信號，再 將該誤差信號進行f f t 反變換，即可得補償信號。其優(yōu)點是可以選擇擬消除的諧 波次數(shù)，通過附加的計算，該方法還可以通過電網(wǎng)電壓基波分量與負載電流基波 分量的相位關(guān)系，計算出負載電流的基波有功和基波無功電流；而且受環(huán)境因素 的影響也較小。但是該方法需要進行f f t 變換及其反變換，計算量非常大，因而 有較大的時間延遲，當電網(wǎng)電壓波形畸變嚴重或者頻率波動時，將引入較大的非 同步采樣誤差，對諧波電流的檢測精度影響很大。 ( 4 ) 基于采樣保持原理的諧波電流 2 6 , 2 7 】。j w d i x o n 等人提出了一種應用采樣 保持電路實現(xiàn)諧波、無功電流和不平衡負載的檢測計算的方法。此方案將負載電 流經(jīng)一帶通濾波器得到相電流基波瞬時值，其經(jīng)過整流輸入采樣保持電路，采樣 保持電路與相電壓峰值同步。采樣保持電路獲得的直流信號正比于電流有功分量 幅值。用同樣的方法得到另外兩相的直流信號。根據(jù)負載的有功功率，對這三相 直流信號進行平均，平均后的直流信號與三個對稱的正玄參考波形相乘，可以獲 得各相對稱基波有功電流，然后它們與實際負載電流相減就得到了所需的補償電 流值。此方法得到的檢測電路既可用于諧波抑制，補償功率因數(shù)；又能平衡系統(tǒng) 三相功率。它沒有復雜的坐標變換和乘除法數(shù)學運算，可以避免負載電流瞬變引 起的電源電壓波動和瞬交現(xiàn)象，但對電路元器件精度要求較高調(diào)整較為困難，且 電壓波形發(fā)生畸變時無法實現(xiàn)有效補償。 ( 5 ) 基于瞬時無功功率理論的檢測方法。將在后面章節(jié)詳細闡述。 ( 6 ) 基于自適應干擾抵消原理的自適應閉環(huán)檢測方法 2 8 2 9 l 。該方法利用信號處 理的自適應干擾對消原理，將電壓作為參考輸入，負載電流做為原始輸入，從負 載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，而得到所有諧波與無功電流之和，按 此原理構(gòu)成的檢測系統(tǒng)是一個閉環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，故其運行特性與元件參數(shù)幾乎 無關(guān)，對器件特性的依賴性也不大。當電網(wǎng)電壓發(fā)生波形畸變以及頻率波動時， 檢測系統(tǒng)仍能正常工作，具有良好的自適應能力，但動態(tài)響應速度較慢。由于人 工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)具有自學習和電流自適應的能力，因此人們將智能控制理論與信號 處理中的自適應噪聲對消技術(shù)相結(jié)合，提出了一種基于單個神經(jīng)元的自適應諧波 電流檢測方法。但這些方法大多停留在仿真研究，還沒有應用到實際系統(tǒng)中。 緒論 i 2 2 控制策略的的研究現(xiàn)狀 一旦檢測、分析出存在的有關(guān)電能質(zhì)量問題的信息，就必須采用有效的控制方 法消除或抑制這些信息。采用何種控制方法與電能質(zhì)量問題類型以及控制裝置密 切相關(guān)。傳統(tǒng)的一些用于穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整的裝置，如并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、變壓 器分接頭等都是機械式的，它們對電能質(zhì)量問題反應速度慢、控制不精確、調(diào)節(jié)能 力有限，過去一般采用手動控制的方法，現(xiàn)在有一部分裝置采用了自動投切的方法， 其控制策略既有非常簡單的開環(huán)控制，也有采用模糊控制、智能控制等現(xiàn)代控制策 略的。 基于電力電子技術(shù)、通過變流器與電力系統(tǒng)相連接的電能質(zhì)量控制裝置，例如 靜止無功發(fā)生器( s v g ) 、有源電力濾波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r - - a p f ) 、動態(tài)電壓 恢復器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r - - d v r ) 、并聯(lián)型d v r ( d i s t r i b u t i o ns t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t i o r - - d s t a t c o m ) 、u p q c 等的控制方法更多。對變流器 p w m 控制技術(shù)是目前最常用的控制方法，通過調(diào)節(jié)導通角6 和調(diào)制脈寬目可以四象 限控制麓量存儲裝置與電網(wǎng)問的有功或和無功交換，而且可以有效地抑制交流側(cè) 的諧波。根據(jù)提取出的電能質(zhì)量擾動信號來確定最終變流器的觸發(fā)信號，目前研究 及應用比較廣泛的控制方法有以下幾種： ( 1 ) p d 控制。這是電力系統(tǒng)中最常用的方法，其理論完善、魯棒性強、穩(wěn)定性 好、穩(wěn)態(tài)精度高，易于在工程中實現(xiàn)。經(jīng)典p i d 控制采用比例、積分、微分等典型 的控制模塊，加上幾種校正網(wǎng)絡(luò)，能改善系統(tǒng)動態(tài)，穩(wěn)態(tài)性能。但p i e ) 控制也存在響 應有超調(diào)、對系統(tǒng)參數(shù)攝動和抗負載擾動能力差等缺點，因此出現(xiàn)了變參數(shù)p i d 控 制 3 0 】、將p d 與變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合等控制方法【3 l 】。 ( 2 ) 滯環(huán)比較控制。目前在跟蹤諧波電流方面應用最廣泛的控制方法是滯環(huán)比 較控制。滯環(huán)比較控制的原理是將被控制量與它的給定值在給定范圍內(nèi)進行比較 以確定電g 變換器開關(guān)元件的開關(guān)時序。滯環(huán)比較控制具有反應速度快、控制精 度高、容易實現(xiàn)和不需要了解負載特性等優(yōu)點；主要缺點是開關(guān)頻率不固定，用于三 相三線系統(tǒng)時有嚴重的相間干擾，在負載換路時被控制量往往不能得到有效控制 等。與矢量控制等方法相結(jié)合可以有效地克服上述缺點【3 2 1 。 ( 3 ) 空間矢量控制?？臻g矢量控制的原理是將測量得到的基于三相靜止坐標系 的交流量( a b c ) 經(jīng)過p a r k 變換得到基于兩相弦轉(zhuǎn)坐標系的直流量( d q ) ，實現(xiàn)解禍控制， 具有良好的穩(wěn)態(tài)性能與暫態(tài)性能。常規(guī)的矢量控制方法需要進行復雜的幣弦、反 正切函數(shù)運算，一般采用d s p 進行處理：為了縮短實時運算時間和降低對硬件的要 鄭州人學工學壩士論文 求，可以采用一些簡化算法p “。 ( 4 ) 無差拍控制。k p g o k h a l e 等人在1 9 8 7 年首先提出逆變器無差拍控制方法， 它的主要思想是根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和當前的狀態(tài)信息推算出下一周期的開關(guān)控 制量，最終達到使輸出量跟蹤輸入量的目的。采用無差拍控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，并 在最短的時間內(nèi)結(jié)束過渡過程：但它也存在魯棒性較差、瞬態(tài)響應超調(diào)量大、計算 實時性強因而對硬件要求很高等缺點，采用帶擾動狀態(tài)觀測器的無差拍控制或最 優(yōu)預見控制技術(shù)都可以大大改善無差拍控制的性能l ”1 。 ( 5 ) 反饋線性化。直接反饋線性化( d i r e c tf c e d b a c kl i n e a r i z a t i o n - - d f l ) 方法即通 過對系統(tǒng)非線性因素的精確補償，將原系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為線性系統(tǒng)，即可用線性控制理論 加以控制。 ( 6 ) 非線性魯棒控制?？紤]s m e s ( 超導儲能裝置) 實際運行時會受到各種不確 定性的影響，因此可通過對s m e s 的確定性模型引入干擾，得到非線性二階魯捧模 型。對此非線性模型，既可應用反饋線性化方法使之全局線性化，再利用所有線性系 統(tǒng)的控制規(guī)律進行控制 3 卅；也可直接采用魯棒控制理論設(shè)計控制器。以某種性能指 標的優(yōu)化為設(shè)計依據(jù)的魯棒控制理論最典型的代表就是加拿大學者g z a m e s 于 1 9 8 1 年開創(chuàng)的h o o 控制理論。該理論目前已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，成為分析和設(shè)計不 確定系統(tǒng)的有力工具。 ( 7 ) 自適應控制。實際的s m e s 系統(tǒng)在運行過程中必然會受到負載擾動及其他 環(huán)境因素變化的影響。采用常規(guī)的控制器，以一組不變的控制器參數(shù)去適應各種變 化顯然難以取得滿意的結(jié)果。自適應控制方法可以在線辨識系統(tǒng)模型，然后根據(jù)系 統(tǒng)模型和控制指標及時整定控制器參數(shù)，實現(xiàn)高精度控制1 3 6 】。 ( 8 ) 模糊邏輯控制：用經(jīng)典控制理論的“頻域法”和現(xiàn)代控制理論的“時域法”設(shè) 計控制器時，必須知道被控對象精確的數(shù)學模型。自適應控制、自校正控制雖然在 很大程度上降低了對建模精度的要求，但需要使用大量的先驗數(shù)據(jù)，而且要對模型 進行在線辨識，算法復雜、計算量大，限制了其應用范圍。模糊控制作為一種智能控 制方法，不需要對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學模型，通過對系統(tǒng)特征的模糊描述，可以大大 降低獲取系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特征量付出的代價【3 ”。模糊控制有較強的魯棒性，對外來 干擾、過程參數(shù)變化和非線性因素均不敏感。但模糊控制存在穩(wěn)態(tài)誤差，在工作點 附近容易引起小范圍振蕩?？梢詫⑵渌刂品椒ㄅc模糊控制相結(jié)合，如變結(jié)構(gòu)控制、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，從而改善模糊控制的性能。 ( 9 ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( a n n ) 。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應和自組織能力，可以根據(jù)輸 入、輸出學會它們之間的非線性關(guān)系，而不需要系統(tǒng)的數(shù)學模型；a n n 的容錯性和 自適應性可以應付復雜系統(tǒng)在運行過程中的眾多不確定因素。提高系統(tǒng)的抗干擾能 緒 舍 ；a n n 固有的并行結(jié)構(gòu)和并行處理能力使它可以快速處理系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)f 2 1 。 12 - 3 目前國外改善電能質(zhì)量的裝置種類 國外己提出并開發(fā)了許多改善和提高電能質(zhì)量的裝置，包括：有源電力濾波器 ( a p f ) 和無源濾波器( t u n e df i l t e r t f ) 、電池貯能系統(tǒng)( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g e s y s t e m - - b f s s ) 、配電用靜態(tài)同步補償器( d i s t r i b u t i o ns t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t i o r - - d s t a t e c o m ) 、配電用串聯(lián)電容器( d i s t r i b u t i o ns e r i e sc a p a c i t o r d s c ) 、動態(tài)電壓恢復器( d v r ) 、功率因數(shù)校正電容- 器( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n c a p a c i t o r - - p f c c ) 、避雷器( s u r g ea r r e s t e r - - s a ) 、超導磁能貯存系統(tǒng)( s u p e r c o n d u c t i o nm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g es y s t e m - - s m e s ) 、靜態(tài)電子分接開關(guān)( s t a t i c e l e c t r o n i ct a pc h a n g e r - - s e t c l 、固態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)( s o l i d s t a t et r a n s f e rs w i t c h - - - s s t s ) 、 固態(tài)斷路器( s o l i d s t a t ec i r u i tb r e a k e 卜- s s c b ) 、靜止無功補償器( s v c ) 、晶閘管開 關(guān)電容器( t s c ) 、不間斷電源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l 卜u p s ) 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié) 器( i j p q c ) 或稱電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器口q c ) ”，它可快速補償供電電壓中的突升或突降、波 動和陽變、諧波電流和電壓、各相電壓的不平衡以及故障時的短時電壓中斷等，是一 項具有綜合功能的電能質(zhì)量控制器。這些裝置均是采用電力電子技術(shù)，其產(chǎn)品開始進 入大量實用化階段。如日本的有源電力濾波器使用很普遍，并聯(lián)型有源電力濾波器 最大容量達5 0 m v a ，采用的是g t o 、s c r 器件，用于抑制電弧爐引起的閃變。 1 _ 3 本文研究內(nèi)容及所做的工作 本文針對國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，意圖設(shè)計一種并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器以求能彌補 目前國內(nèi)在電能質(zhì)量控制器產(chǎn)品化設(shè)計方面的不足。本文所做工作如下： ( 1 ) 確定電能質(zhì)量控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和控制目標。分析其工作原理，確定系 統(tǒng)容量選擇了主電路器件設(shè)計了主電路形式，搭建了電能質(zhì)量控制器的總體 結(jié)構(gòu)。 ( 2 ) 分析了幾種空間矢量變換方法，深入分析了基于空間矢量變換的瞬時無功 功率的電流檢測方法，并在此基礎(chǔ)上比較了兩種常用的檢測諧波、無功和負荷不 對稱電流的方法。分析了電流跟蹤型三角波比較控制方式的特點。通過建立提出 的電能質(zhì)量控制器總體結(jié)構(gòu)的仿真模型，驗證了其結(jié)構(gòu)的合理性。另外，在模型 的基礎(chǔ)上，驗證了電流檢測方法和電流跟蹤型三角波比較控制方式的實際效果。 ( 3 ) 推導了主電路結(jié)構(gòu)中的電容和電感的計算公式，并通過大量仿真驗證了這 鄭州大學工學碩士論文 種方法的可行性。對電容電壓的控制推導了一種線形化的控制算法。 ( 4 ) 設(shè)計了電能質(zhì)量控制器的硬件電路 ( 5 ) 用工程化的軟件設(shè)計方法為整個系統(tǒng)軟件設(shè)計了功能模塊代碼的接口程 序，為以后的具體功能模塊的軟件代碼的編輯提供了良好的接口環(huán)境。 ( 6 ) 結(jié)合實際應用，建立了某企業(yè)的電阻爐生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型以及電能質(zhì)量控 制系統(tǒng)和電阻爐系統(tǒng)連接的仿真模型。通過仿真試驗檢驗了不同工況下的補償效 果。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計的電能質(zhì)量控制器是可以達到補償電流和矯正波形 的作用。 電能質(zhì)量控制器工作原理 第2 章電能質(zhì)量控制器的工作原理 并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器是一種新型的電力電子裝置，它并接在負載側(cè)，相當 于受控電流源，可以動態(tài)地向負載側(cè)注入電流以抵消負載產(chǎn)生的諧波電流、無功 電流和調(diào)節(jié)不對稱電流，從而抑制系統(tǒng)側(cè)電流的畸變，降低電壓閃變水平。 2 1 電能質(zhì)量控制器的功能和結(jié)構(gòu) 電能質(zhì)量控制器按它接入電網(wǎng)的方式和功能的不同可分為三種，如表2 ，1 所 示。每類又可根據(jù)它的使用方式分為許多種，如圖2 1 所示1 3 8 】。 表2 1電能質(zhì)量控制器的功能 t a b 2 1p ( k s f u n c d o n s 并聯(lián)型電能質(zhì)最控制器串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器綜合電能質(zhì)量控制器 1 抑制諧波1 抑制諧波2 無功補償3 負荷 i 防止電壓跌落 2 無功補償平衡4 降低電壓閃變水平5 2 屏蔽諧波 3 負荷平衡防止電壓跌落6 屏蔽諧波7 3 電壓平衡 4 降低電壓閃變水平電壓平衡 電能質(zhì) 騷控制 器 串聯(lián)型1 并聯(lián)型 單獨使用方式 與l c 濾波器混合使用 單獨使用方式 廣_ 與l c 濾波器串聯(lián) 與l c 濾波器混合使用1 l 與l c 濾波器并聯(lián)