配电网高压电能质量综合补偿装置的研究

摘要

电能质量问题随着大功率电力电子装置的广泛应用已经日益突出，由此引出的谐波污染以及无功不足等问题，不但导致电力能量的浪费，同时也影响着电力系统的安全运行。现阶段企业配电网中广泛采用的有源电力滤波器、静止无功补偿器以及投切电容器组等治理装置只能解决单一电能质量问题。本文从现行治理装置的基本原理入手，提出一种兼顾无功补偿和谐波治理的动态综合补偿技术，并研制了相应的实验装置。同时就该装置的电路结构、检测方法、复合控制技术、软硬件设计分别进行研究。
　　 本文首先对电能质量治理的基本补偿装置：有源电力滤波器、无功静止补偿器的工作原理进行了分析，在此基础上结合高压配电网的实际工况提出了一种新的拓扑结构，即配电网高压电能质量综合补偿器(High Voltage Power QualityCombined Compensator—HVPQC)，它结合了注入式混合型有源电力滤波器(IHAPF)与无功静止补偿器(SVC)各自的优点，具有无功连续补偿、谐波动态治理和电网电压稳定等作用，是一种综合性的动态电能质量补偿器；文章针对HVPQC的拓扑结构进行分析，分别得出了基波域与谐波域模型，为控制方法的研究打下基础。
　　 检测环节是进行电能质量治理的前提，高压电能质量综合补偿器的工作性能，很大程度上取决于检测的精度、实时性。本文以经典的ip-iq无功检测理论为基础进行研究。针对电网电压不平衡情况作出改进；为减少检测的响应时间，文章结合DFT检测方法提出了基于DFT滑窗迭代与ip-iq算法结合的检测法。同时还对低通滤波器进行研究，设计了巴特沃斯低通滤波器，使其具有更快速的处理速度和更强的检测性能。
　　 控制方法是HVPQC研究中的重点问题，控制器是影响HVPQC性能的关键因素。本文针对HVPQC的内部特性进行分析，以此为基础提出一种有针对性的复合控制方法。SVC单元针对传统的PID控制进行改进，提出基于Ziegler—Nichols寻优电压控制方法；重点对IHAPF的模型参考自适应控制方法进行了研究。最后根据仿真及实验结果验证所述控制策略在对电能质量的控制精度及系统安全可靠性方面的明显优势。
　　 在上述理论研究的基础上，完成了配电网高压电能质量综合补偿装置的设计和样机研制，实验结果表明了本文研发成果的有效性和实用价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 电力系统电能质量的基本概念及标准

1.2 高压配电网电能质量治理的背景及意义

1.3 电网谐波与无功治理的关系

1.4 高压电网电能质量综合治理现状

1.5 本文的研究内容及各章节内容安排

第2章 配电网高压电能质量综合补偿装置模型分析

2.1 静止无功补偿器与有源电力滤波器工作原理

2.1.1 静止无功补偿器SVC补偿原理

2.1.2 有源电力滤波器APF治理原理

2.2 电能质量综合补偿系统(HVPQC)基本结构与建模

2.2.1 HVPQC提出的背景

2.2.2 HVPQC的基本结构

2.3 HVPQC基波域和谐波域模型分析

2.3.1 基波域等效模型建立

2.3.2 谐波域等效模型建立

2.4 本章小结

第3章 基于DFT滑窗迭代与ip-iq结合的新型检测技术

3.1 传统ip0-iq算法与不平衡情况下改进方法的基本原理

3.1.1 传统lp-iq算法的基本检测原理

3.1.2 一种不平衡电压下的ip-iq改进方法

3.2 基于DFT滑窗迭代与ip-iq算法的电能质量检测方法

3.3 数字低通滤波器设计

3.4 实验仿真

3.4.1 数字低通滤波器仿真

3.4.2 总体性能仿真

3.5 本章小结

第4章 HVPQC系统复合控制技术研究

4.1 HAPF与SVC控制方法概况

4.1.1 有源滤波器的基本控制策略

4.1.2 静止无功补偿器SVC控制现状

4.2 HVPQC系统特性分析

4.2.1 SVC单元谐波分析

4.2.2 系统参数变化对HVPQC滤波特性的影响

4.3 HVPQC复合控制策略研究

4.3.1 基于Z-N寻优的SVC电压控制研究

4.3.2 基于模型参考自适应APF电流控制研究

4.4 实验与仿真验证

4.4.1 仿真研究

4.4.2 实验研究

4.5 本章小节

第5章 HVPQC系统软硬件设计

5.1 HVPQC系统整体设计

5.2 HVPQC控制系统硬件实现方案

5.2.1 驱动电路设计

5.2.2 信号采集电路硬件结构

5.2.3 人机接口电路硬件实现

5.2.4 晶闸管保护电路设计

5.2.5 通信接口电路的硬件实现

5.3 HVPQC系统的软件设计方案

5.3.1 DSP控制系统软件实现

5.3.2 电能质量监控软件实现

5.4 样机实验

5.5 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢

附录A （攻读学位期间主要研究成果）