電氣工程課程設計-電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)設計

1、東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 電氣工程課程設計 題 目 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)設計 院 系 電氣信息工程學院電氣工程系 專業(yè)班級 電氣 1班 學生姓名 學生學號 指導教師 高金蘭 姚建紅 2012年 7月 18 日東北石油大學課程設計任務書課程 電氣工程課程設計 題目 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)設計 專業(yè) 電氣工程及其自動化 姓名 * 學號 123123123 主要內(nèi)容：分析統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的拓撲結(jié)果和工作原理的基礎，并對統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)機器的控制系統(tǒng)進行設計，將空間矢量調(diào)制應用到統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制中，并與傳統(tǒng)的PID滯環(huán)控制進行比較。通過MATLAB中的SImulink進行電

2、路的仿真，實現(xiàn)兩種控制系統(tǒng)下對電能質(zhì)量的補償，并對補償結(jié)果進行比較。參考資料：1 胡銘，陳珩.有源濾波器技術(shù)及其應用J.電力系統(tǒng)白動化.2000(3):66一70 2 李國勇，劉漢奎，徐殿國統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究 J電力電子技術(shù)，2003，37(1)：74783 陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)M北京：機械工業(yè)出版社，19924 王正林，王勝開等MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真 M北京：電子工業(yè)出版社，2005完成期限 2012.7.10至2012.7.18 指導教師 專業(yè)負責人 2012年 7 月 9 日目 錄 TOC o 1-2 h z u 1設計要求.12電能質(zhì)量污染問題.1 2

3、.1電能質(zhì)量污染問題產(chǎn)生的原因.12.2電能質(zhì)量污染問題的危害.12.3電能質(zhì)量污染問題的改善方法.23UPQC拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理.23.1UPQC拓撲結(jié)構(gòu).23.2 UPQC的檢測原理.33.3 UPQC的補償原理.54統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng).54.1滯環(huán)控制系統(tǒng).54.2 SVPWM控制技術(shù).65電仿真結(jié)果及分析.85.1檢測部分的仿真.85.2滯環(huán)控制的仿真.95.3空間矢量調(diào)制（SVPWM控制）的仿真.9結(jié) 論.11參考文獻.131 設計要求（1）首先在掌握統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的電路拓撲結(jié)構(gòu)的基礎上，分析其工作原理。利用瞬時無功功率理論，改進電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制與諧波檢測算法，分析其

4、可行性和可靠性。（2）在熟悉統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的基礎上建立它的系統(tǒng)設計的數(shù)學模型，對其工作原理進行理論分析。（3）學習MATLAB軟件并熟練運用其系統(tǒng)建模和仿真功能。用MATLAB進行系統(tǒng)仿真，分析計算仿真結(jié)果。調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)確定最佳參數(shù)。（4）給出改進前后電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的仿真波形圖，驗證系統(tǒng)設計的可靠性和實用性。2 電能質(zhì)量污染問題2.1 電能質(zhì)量污染問題產(chǎn)生的原因隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大以及系統(tǒng)中非線性負荷的不斷增加，電力系統(tǒng)受到的“諧波污染”也越來越嚴重，加上電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的內(nèi)外故障，這些因素都可能惡化系統(tǒng)的電能質(zhì)量。電力系統(tǒng)電能質(zhì)量污染問題的產(chǎn)生主要有以下原因：（1）非線性負載。（

5、2）電力系統(tǒng)設備的非線性特性。（3）電力系統(tǒng)故障電力系統(tǒng)運行的內(nèi)、外故障也會造成電能質(zhì)量問題，如短路故障、雷擊、誤操作、電網(wǎng)故障時發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)的改變、故障保護裝置中的電力電子設備的啟動等都將造成各種電能質(zhì)量問題。2.2 電能質(zhì)量污染問題的危害電能質(zhì)量污染問題對電力系統(tǒng)、供電部門和電力用戶帶來嚴重的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率。大量3次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災。（2）諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產(chǎn)生機械振動和噪聲等，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，甚

6、至損壞。（3）引起電網(wǎng)諧振。（4）導致繼電保護和自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。（5）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重則導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。2.3 電能質(zhì)量污染的改善方法2.3.1無源濾波器無源濾波器也稱為LC濾波器，是由電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的濾波裝置。在交流系統(tǒng)中，無源濾波器不僅可以起到濾波作用，還可以兼顧無功補償?shù)男枨?。LC濾波器雖然有結(jié)構(gòu)簡單、設備投資少、運行可靠性較高、運行費用較低等優(yōu)點，但是無源濾波器不能補償頻率變動，其濾波效果依賴于系統(tǒng)阻抗和非線性負載的特性，并且容易受溫度漂移、電網(wǎng)污染程度、濾波電容老化

7、及非線性負載變化的影響。此外，由于無源濾波器僅對特定次諧波進行有效衰減，而出于經(jīng)濟和占地面積方面的考慮，濾波器的個數(shù)是有限的，所以對于諧波含量豐富的場合，無源濾波器的濾波效果往往不夠理想。濾波電容還會產(chǎn)生諧振，造成損壞。2.3.2有源電力濾波器有源電力濾波器(APF)根據(jù)與補償對象的連接方式不同，分為串聯(lián)型與并聯(lián)型兩種。按照目前的工業(yè)應用和實踐，串聯(lián)型APF主要用于補償電網(wǎng)電壓的各種畸變分量，使用戶端得到標準的正弦波電壓;并聯(lián)型APF主要用于抑制非線性負載的電流諧波，避免諧波污染電網(wǎng)電流。2.3.3統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器日本學者Akagi在1996年分析有源濾波器新趨勢一文中，首次提出了統(tǒng)一電能質(zhì)

8、量調(diào)節(jié)器（UPQCunified power quality conditioner）的概念。它是由串聯(lián)型APF和并聯(lián)型APF通過公用的直流母線電壓耦合而成（故又有文獻稱其為串并聯(lián)復合型有源濾波器），集串聯(lián)型APF和并聯(lián)型APF的功能于一體，不僅可以補償由非線性負載產(chǎn)生的諧波、無功、負序電流，還可以調(diào)節(jié)負載端電壓為幅值一定的三相對稱電壓，具有綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，是一種較為理想的提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量的補償裝置。3 UPQC的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理3.1 UPQC拓撲結(jié)構(gòu)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）將串聯(lián)APF和并聯(lián)APF通過公共的直流母線電壓整合起來，從而結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，具有多種電能質(zhì)量補償功

9、能，不僅可以補償非線性負載產(chǎn)生的無功和諧波以及負序電流，還可以調(diào)節(jié)負載端電壓為幅值一定的三相對稱電壓和補償電源電壓負序分量。在電源電壓和三相電網(wǎng)均發(fā)生諧波畸變的電力系統(tǒng)中，UPQC無疑是一種極有前途的電能質(zhì)量補償裝置，目前已有不少研究機構(gòu)和學者就此展開研究。典型的UPQC拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1 UPQC的拓撲結(jié)構(gòu)圖3.2 UPQC的檢測原理三相電壓用正序、負序和零序來表示，其變換公式為 （3-1）其中 將a代入A相正序量為 （3-2）從而可得 （3-3）lp為基波正序電壓初相角使用基于瞬時廣義無功功率的dp坐標變換，經(jīng)過低通濾波后可得到dp軸直流分量，即可得到基波電壓幅值： （3-

10、4）在dp坐標下，通過一個低通濾波器就可以得到dp軸直流分量udp和udp，由下式即得到基波電壓幅值： (3-5)可得到電壓單位基波正序分量： (3-6)這樣從電網(wǎng)電壓中減去電網(wǎng)電壓基波正序分量，便得到需要補償?shù)陌C波、無功和負序的電源電壓畸變量，即補償量為： （3-7）3.3 UPQC的補償原理3.3.1并聯(lián)有源濾波器的補償3.3.2 UPQC的補償原理 UPQC的補償?shù)刃г韴D如圖3.2所示。其中Us為系統(tǒng)電網(wǎng)電壓，通常情況下存在著諧波干擾和三相不對稱的情況，Ui和Uc分別是負載電壓和串聯(lián)APF提供的補償電壓，iL和iS分別對應負載電流和電源電流，iC是并聯(lián)APF提供的補償電流，Z為系統(tǒng)

11、非線性負載。圖3.2 UPQC的補償?shù)刃г韴D若電網(wǎng)電壓是非正弦畸變信號，通過傅立葉分析，可被分解為基波正序、基波負序和諧波分量。當UPQC的串聯(lián)APF提供電網(wǎng)中的基波負序和諧波分量時，則負載側(cè)電壓即可成為三相對稱正弦電壓。由于線路損耗等原因，電網(wǎng)電壓的基波正序分量在到達負載端時，幅值可能會有所下降，為了保證負載端能夠得到幅值一定的三相對稱電壓，故在設計中讓串聯(lián)APF也承擔了一定基波正序電壓補償?shù)墓δ?。同樣，并?lián)APF提供的補償電流滿足負載電流中除基波正序有功電流外的其他分量，那么希望補償?shù)呢撔?、無功和諧波電流將不再流進電源，而直接進入并聯(lián)APF，從而電源電流將只提供負載中的基波正序電流有功分

12、量對于并聯(lián)APF部分，它除了補償電流畸變量以外還負責調(diào)節(jié)直流母線電壓Uc，使其為恒定值。由電壓型APF的特性可知，在工作過程中大電容的電壓值看作是一個恒定的量。但是電力變換器在實際工作中存在著有功損耗，因此如果電網(wǎng)不向UPQC輸入一定的有功功率，則電容Cd的初始電壓Uc將不斷減少，造成UPQC不能正常工作。所以電網(wǎng)每個電周期必須要給電力變換器補充能量，向并聯(lián)APF輸入一定的有功電流。4統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)4.1 滯環(huán)控制系統(tǒng)圖4.1為一單相采用PID滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式控制電路原理圖。在該系統(tǒng)中，把補償電流的指令信號iC*與逆變器實際發(fā)出的補償電流信號iC。進行比較兩者的偏差作為

13、滯環(huán)比較器的輸入，為使跟蹤效果更好，在輸入滯環(huán)之前加入PID環(huán)節(jié)，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)器件通斷的PWM信號，該PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后控制主電路功率器件的斷，從而控制補償電流iC*的變化。圖4.1滯環(huán)比較控制原理圖由于滯環(huán)控制具有反應速度快，容易實現(xiàn)和不需要了解負載性質(zhì)(感性負載或容性負載)等優(yōu)點，在有源電力濾波器中采用該控制系統(tǒng)是有利的。然而這種滯環(huán)控制存在開關(guān)頻率變化范圍大。因此，在采用滯環(huán)比較的控制系統(tǒng)時，需要設置恰當?shù)臏h(huán)寬度，必要時采取變滯環(huán)寬度的方法，才能達到較好的跟蹤效果。4.2 SVPWM控制技術(shù)4.2.1基本的電壓空間矢量圖4.2是一個典型的電壓型PWM逆變器

14、。利用這種逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合，以及開關(guān)時間的調(diào)整，以保證電壓空間矢量圓形運行軌跡為目就可以產(chǎn)生諧波較少的，且直流電源電壓利用率較高的輸出。圖4.2 三相電壓型逆變器4.2.2空間矢量的控制SVPWM控制算法時，一般都采用矢量合成式的方法。矢量合成式SVPWM在使用數(shù)字處理器實現(xiàn)SVPWM是通過基本電壓空間矢量與其作用時間的組合來等效參考電壓矢量與其作用時間的積分效果。而它的具體實現(xiàn)則需要經(jīng)過以下幾個步驟：（1）判斷參考電壓矢量所處的扇區(qū)；（2）計算出相應電壓空間矢量的作用時間（3）根據(jù)所計算出的作用時間，選擇開關(guān)模式生成PWM信號下面就以一個實例來對各個步驟依次分析：（1）判

15、斷參考電壓矢量所處的扇區(qū)扇區(qū)S則由公式S=a+2b+4c來確定。（2）根據(jù)所屬扇區(qū)分配矢量及其作用時間在確定了參考電壓矢量所屬的扇區(qū)之后，可以確定的是應該由零矢量和六個非零基本電壓空間矢量中的哪兩個來作為合成矢量。為達到其等效積分效果，還需要進一步根據(jù)矢量合成的平行四邊形原則和PWM的等面積原則，來確定每個基本電壓空間矢量的作用時間。這里定義由兩個電壓矢量以逆時針方向組成的每一個扇區(qū)中，相位超前的矢量為,稱為主矢量，相位滯后的矢量為稱為輔矢量，其作用時間分別為和。下面就以參考電壓矢量落在扇區(qū)時為例：當參考電壓矢量落在扇區(qū)時，將與扇區(qū)相鄰的有效空間矢量，以及零矢量來合成，的作用時間,應滿足 （4

16、-1）為PWM開關(guān)周期，并且其中 （4-2）而 （4-3）且可以看出，經(jīng)過計算可以得到 （4-4） 因此，將基本電壓空間矢量的模長代入計算可以得到在扇區(qū)內(nèi)主、輔空間矢量的作用時間為： （4-5） （4-6） （4-7）（3）確定矢量切換點Tcm1 ，Tcm2 ，Tcm3 ，如下表4-1表4-1個扇區(qū)矢量切換點表扇區(qū)號Tcm1 Tcm2Tcm3 5仿真結(jié)果及分析Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。5.1檢測部分的仿真UPQC

17、的檢測部分仿真的電路圖，如圖5.1所示。圖5.1 UPQC的檢測仿真模型圖5.2滯環(huán)控制的仿真在電源電壓在0.02秒到0.06秒之間設置一個電壓的跌落，來驗證UPQC對電壓跌落的補償效果。雖然跌落的電壓得到了補償，但是補償后的電壓波形存在一定的局部震動，沒有成為嚴格意義上的正弦波形補償效果不是太好。經(jīng)UPQC補償后，電流的波形已經(jīng)明顯趨向正弦波，但是使用PID滯環(huán)的控制下的電流波形很不理想，電流存在嚴重的波動。這種電流補償波形雖然有所好轉(zhuǎn)，但不能滿足要求。5.3空間矢量調(diào)制（SVPWM控制）的仿真空間矢量調(diào)制控制的仿真圖如圖5.2所示圖5.2 SVPWM控制方法的仿真模型圖如圖5.3所示，在0

18、.02秒和0.06秒之間有一個電壓跌落。圖5.3補償之前的三相電壓波形圖經(jīng)SVPWM控制后，電壓補償后的波形圖如圖5.4所示：圖5.4補償后的三相電壓波形圖圖中可以看出，用SVPWM控制補償后，電網(wǎng)電壓的跌落得到了很好的補償，得到的波形基本為正弦波形。電流波形如圖5.5所示：圖5.5補償前的三相電流波形圖圖5.6補償后的三相電流波形圖經(jīng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器補償后得到的電流波形如圖5.6所示，從圖中可以看出，經(jīng)SVPWM控制后，電流的波形有了很大的改善，電流的波形基本是標準的三相正弦電流，原來的畸變電流得到了完全補償。說明此控制系統(tǒng)是可行的，而且得到了很好的效果。結(jié) 論統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是今年來一

19、個熱點，理論分析和仿真結(jié)果表明，UPQC技術(shù)能補償電網(wǎng)側(cè)欠電壓和畸變，使得負載得到較好的正弦電壓，使用戶免受電源畸變的影響，又能抑制非線性負載電流的畸變量，避免電網(wǎng)受到負載諧波的污染。因此，UPQC可有效的補償電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)產(chǎn)生的諸多電能質(zhì)量問題。本設計在深入分析統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的拓撲結(jié)果和工作原理的基礎上，主要對統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)機器的控制系統(tǒng)進行了深入的探討，將空間矢量調(diào)制應用到統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制中。結(jié)果表明，空間矢量調(diào)制系統(tǒng)是可行的，而且有較好的補償效果。參考文獻1 李國勇，劉漢奎，徐殿國統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究 J電力電子技術(shù)2003，37(1)：74782 胡銘，陳珩.有源濾波器技術(shù)及其應用J.電力系統(tǒng)白動化2000(3):66一703 宋文南，劉寶仁.電力系統(tǒng)諧波分析水利M.電力出版社19934 翁利民，陳允平，舒立平.大型煉鋼電弧爐對電網(wǎng)及自身的影響和抑制方案J電網(wǎng)技術(shù).2004,3(8):52-585 姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器:結(jié)構(gòu)、原理、控制M 科學出版社20096 宋琦并聯(lián)型有源濾波及無功補償?shù)难芯緿華中科技大學碩士畢業(yè)論文20057 王兆安，楊君，劉進軍諧波抑制和無功功率補償M北京:機械業(yè)出版社20058 杜永基于全數(shù)