基于AC-AC变换器的低压配电网电压柔性调控技术

摘要

能源短缺、环境污染等问题造成的压力，促使全世界各国都在加强对可再生能源的研究。以光伏、风力等分布式电源（distributed generation,DG）为代表的可再生能源是一条缓解能源短缺、减轻环境污染的有效途径，然而可再生能源固有的间歇性、随机性和不确定性给电网的优质运行带来了巨大的压力，尤其加剧了电网电压的波动频率和幅度。配电网作为电力系统发、输、变、配、用五个环节中，与用户连接最为紧密的环节，电压的波动将会对用户和电网造成巨大的危害。因此，本文以解决低压配电网出现的高/低电压波动问题为研究目标，在充分研究传统电压调节手段的基础之上，提出了基于AC-AC变换器的低压配电网电压柔性调控技术。 首先，分析了低压配电网出现过/欠电压问题的原因以及危害，对现有几种典型调压措施进行了优缺点的比较分析，在此基础上将直接式AC-AC变换技术引入到电压调节中。针对双极性电压调控的需求，基于两电平无差分交流斩波桥臂提出了一种新型双极性AC-AC变换器（BT-AC）拓扑结构，解决了AC-AC变换器存在的换流问题，提高了系统的可靠性。所提BT-AC具有简单的控制策略、易于工程实现，并且双极性电压的输出能够同时解决低压配电网出现的过/欠电压问题。 其次，详细分析了BT-AC的拓扑结构、调制原理、工作过程，在理论分析的基础之上，采用PSIM进行了仿真验证。结合仿真结果对单相BT-AC实验样机的参数进行了优化设计，在参数固定的情况下，详细分析了BT-AC输出电压谐波含量，并利用MATLAB绘制了谐波畸变率THDV与两个调制比d1和d2的关系图。建立了基于所提BT-AC的单相电压柔性调控系统数学模型，给出了基于电压有效值的系统闭环前馈反馈复合控制策略，并分析了单相调压系统的仿真结果。 最后，在理论分析和仿真验证的基础之上，采用FPGA控制器与型号为IKW75N60T的IGBT功率开关管，搭建了额定功率1kW的单相BT-AC实验样机和基于BT-AC的单相电压柔性调控系统实验平台，验证了所提出的电压柔性调控方案的有效性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 电压调节措施的研究现状

1.3 AC-AC变换器研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 双极性AC-AC变换器的拓扑结构与工作原理

2.1 BT-AC的拓扑结构及调制原理

2.1.1 拓扑结构

2.1.2 含零矢量的PWM调制原理

2.2 BT-AC的工作原理

2.2.1 工作模式A

2.2.2 工作模式B

2.2.3 工作模式C

2.3 仿真分析

2.4 本章小结

第3章 BT-AC无源参数优化设计与输出特性分析

3.1 单相BT-AC无源参数的优化设计

3.1.1 功率开关管的选择

3.1.2 滤波电感的设计

3.1.3 滤波电容的设计

3.2 BT-AC输出电压谐波分析

3.3 本章小结

第4章 基于BT-AC的单相电压柔性调控系统控制策略

4.1 调压系统的模型

4.2 电压补偿调控策略

4.2.1 最小能量补偿调控法

4.2.2 完全电压补偿调控法

4.2.3 同相位电压补偿调控法

4.3 基于电压有效值的前馈反馈闭环复合控制策略

4.3.1 基于坐标变换与求导法则的单相电压有效值计算

4.3.2 系统闭环复合控制策略

4.4 仿真分析

4.4.1 欠电压问题时的仿真结果

4.4.2 过电压问题时的仿真结果

4.4.3 过、欠电压问题同时出现的仿真结果

4.5 本章小结

第5章 单相电压柔性调控系统实验验证

5.1 实验样机与系统实验平台

5.1.1 单相BT-AC实验样机

5.1.2 系统实验平台

5.2 单相BT-AC实验结果分析

5.2.1 工作模式A下的BT-AC开环实验结果分析

5.2.2 工作模式B下的BT-AC开环实验结果分析

5.2.3 工作模式C下的BT-AC开环实验结果分析

5.2.4 不同负载工况下的实验结果分析

5.2.5 BT-AC的动态特性与效率实验结果分析

5.3 基于BT-AC的单相电压柔性调控实验结果分析

5.3.1 欠电压问题时的实验结果分析

5.3.2 过电压问题时的实验结果分析

5.3.3 过、欠电压问题同时出现时的实验结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢