电能质量综合调节器（UPQC）及其控制策略研究

论文摘要

电能是当代社会最重要的能源,无论是工农业生产,还是人们的日常生活都离不开电能。我国正处在国民经济迅速发展的时期,电能的可持续发展直接影响着社会经济的可持续发展。因此,电网的稳定安全和电能质量直接影响着国民经济的发展。如今大量新型电力电子设备投入电网中使用,它们在提高生产率的同时也带来了电能质量问题。这些电能质量问题不但会对用电设备造成危害,还会对电网的安全和稳定运行构成了威胁。因此,为提高电能质量而进行的研究工作具有重要的意义。电能质量综合调节器(UPQC)是电力电子技术、电力系统技术、计算机控制技术、控制理论有机结合的产物,不论对电力用户还是供电部门,电能质量综合调节器(UPQC)都是确保电能质量的有效设备。它非常适用于冶金、化工、矿山、医院、电气化铁路以及高压直流输电等领域,是电力电子技术在电力系统中应用的发展方向,蕴含着巨大的应用潜力。并联型有源电力滤波器可以补偿非线性负荷产生的谐波电流,防止谐波电流对电力系统的污染;串联型有源电力滤波器可以针对特定的负荷,防止系统的谐波电压对其造成的不良影响,但是负荷产生的谐波电流要流过滤波器注入到系统中。这两种有源滤波器的优缺点存在互补性,将两者集合在一起即构成了电能质量综合调节器(UPQC)。本文对UPQC的结构、电能质量的检测方法和补偿控制策略进行了详细的分析研究,从有利于技术推广、功能优化等多方面考虑,提出了适用于UPQC的主电路拓朴结构。在分析、研究电压和电流检测技术和算法的基础上,提出了适用于UPQC的检测技术改进方案。在分析、研究电压和电流补偿控制方法的基础上,提出了适用于UPQC的补偿控制策略。本文的主要研究内容有:一、在对串联补偿部分和并联补偿部分的结构、功能及数学模型进行分析、研究的的基础上,提出了串并联结合的电能质量综合调节器(UPQC)主电路拓朴结构,给出了主电路中主要器件如IGBT、变压器、直流侧电容器、滤波电感等参数的计算及选取方法;二、对电能质量综合调节器(UPQC)的电流及电压检测方法进行了分析研究,提出了dq0改进算法及其在UPQC三相电压检测中的应用,并进行了仿真研究;三、提出了dq0改进算法在三相电流检测中的应用方法及仿真研究;四、通过理论分析和实验验证对锁相技术进行了改进,提出了一种应用于单相串联电压补偿中的检测算法并进行仿真验证;五、给出了电能质量综合调节器(UPQC)的串联补偿部分和并联补偿部分电压补偿及电流补偿的控制思想以及理论依据,在对多种补偿及控制方法进行了分析、研究的基础上,提出适用于UPQC的补偿控制策略;六、提出了最小补偿能量、最佳补偿电压的串联电压补偿策略;七、对基于无差拍控制思想的串联电压补偿控制方法进行了仿真研究;八、提出了直接取反负载电流与直流侧电容吸取电网有功电流相结合的电流补偿控制策略,并进行了仿真研究;九、给出了电能质量综合调节器(UPQC)实验样机的检测及控制电路设计,给出了软件设计思想、软件总体结构及主要模块的软件流程;给出了UPQC显示监控制系统的硬件设计方案及通讯、显示以及键盘模块的软件设计;十、提出了具有光伏并网功能的UPQC拓朴结构和控制策略,并进行了仿真研究及样机实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 研究电能质量综合控制系统的意义
• 1.1.1 电能质量的定义
• 1.1.2 电能质量问题的危害
• 1.1.3 电能质量指标
• 1.2 电能质量控制技术研究现状
• 1.2.1 国外电能质量控制技术研究现状
• 1.2.2 国内电能质量控制技术研究现状
• 1.3 电能质量控制技术发展前景
• 1.4 论文的主要工作
• 第二章 UPQC主电路拓朴结构的研究
• 2.1 UPQC串联补偿部分的单相主电路结构
• 2.1.1 串联补偿部分的主电路组成
• 2.1.2 串联补偿部分的功能
• 2.1.3 串联补偿部分的单相主电路拓朴结构
• 2.1.4 串联补偿部分的单相数学模型
• 2.1.5 串联补偿部分主要器件的参数计算与选型
• 2.2 UPQC并联补偿部分单相主电路结构
• 2.2.1 并联补偿部分单相主电路组成
• 2.2.2 并联补偿部分的功能
• 2.2.3 并联补偿部分的单相主电路拓朴结构
• 2.2.4 并联补偿部分的单相数学模型
• 2.2.5 并联补偿部分主要器件的参数选择
• 2.3 UPQC主电路拓朴结构的确定
• 2.4 本章小结
• 第三章 UPQC电能质量检测方法的研究
• 3.1 电压、电流瞬时值比较增量式检测法
• 3.1.1 电压瞬时值比较增量式检测法
• 3.1.2 电流瞬时值比较增量式检测法
• 3.2 瞬时值无功理论检测法
• 3.2.1 瞬时无功理论概述
• 3.2.2 基于瞬时无功理论的检测法
• 3.3 DQ0检测法的改进及其在UPQC三相电压检测中的仿真研究
• 3.4 DQ0改进检测法在单相电压检测中的仿真研究
• 3.4.1 单相电压检测算法
• 3.4.2 单相电压检测算法的改进
• 3.4.3 仿真试验结果
• 3.5 DQ0改进检测法在UPQC三相电流检测中的仿真研究
• 3.5.1 三相电流检测原理
• 3.5.2 三相电流检测方法仿真
• 3.6 其它的检测方法介绍
• 3.7 本章小结
• 第四章 UPQC补偿控制策略的研究
• 4.1 UPQC串联补偿策略研究
• 4.1.1 UPQC串联补偿控制思想
• 4.1.2 串联电压补偿原理
• 4.1.3 串联电压补偿方法
• 4.1.4 UPQC单相串联电压补偿策略
• 4.1.5 UPQC三相串联电压补偿策略
• 4.1.6 UPQC串联补偿部分控制方法的研究
• 4.1.7 无差拍控制算法在串联补偿中的仿真研究
• 4.2 UPQC并联补偿策略研究
• 4.2.1 UPQC并联补偿控制思想
• 4.2.2 并联补偿原理
• 4.2.3 UPQC并联补偿中直流侧电容电压控制策略
• 4.2.4 电流补偿跟踪控制方法
• 4.2.5 UPQC并联补偿控制策略的研究及仿真
• 4.3 本章小结
• 第五章 UPQC的硬件及软件设计
• 5.1 UPQC硬件系统结构
• 5.1.1 UPQC总体硬件结构
• 5.1.2 显示监控系统硬件结构
• 5.2 UPQC检测及控制电路设计
• 5.2.1 UPQC串联、并联部分控制系统结构
• 5.2.2 UPQC检测电路设计
• 5.2.3 UPQC驱动电路设计
• 5.2.4 UPQC保护电路设计
• 5.2.5 UPQC通讯电路设计
• 5.3 UPQC软件结构及软件设计
• 5.4 UPQC显示监控系统软件设计
• 5.4.1 通讯系统软件设计
• 5.4.2 显示系统软件功能
• 5.4.3 键盘系统软件设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 具有光伏并网发电功能的UPQC仿真研究
• 6.1 具有光伏并网功能的UPQC系统结构
• 6.2 具有光伏并网功能的UPQC控制策略
• 6.2.1 并联部分控制方法
• 6.2.2 串联部分控制方法
• 6.3 仿真实验研究
• 6.4 结论
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 今后的展望
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文