基于交流斩波技术的无功补偿器研究

摘要

无功补偿对现代电力系统的安全可靠运行至关重要。大功率感应电机、变压器、电力电子负载运行时会消耗大量无功。这些负载接入电网会降低电网功率因数，影响电网的电能传输效率。大量非线性负载接入电网，向电网中注入大量的谐波电流，严重恶化了电能质量。因此，无功补偿和谐波抑制至关重要。但是，现有的无功和谐波补偿方法或者成本过高，或者不能满足现在和未来电网的动态补偿要求。本文研究了基于交流斩波拓扑的无功和谐波补偿方案，针对两电平和三电平的单相Buck交流斩波型无功补偿系统做了以下研究。
　　深入研究了两电平系统的工作原理，为分析交流斩波变换器对不同扰动的响应以及系统中各变量间的动态联系，建立了系统的小信号模型，推导出无功补偿电流相对于交流斩波电路占空比以及网侧电压的传递函数，以此为基础设计了系统无功电流的补偿网络，设计了系统静态以及动态无功补偿的控制方案，并用仿真进行了验证。为将交流斩波型无功补偿系统应用于中高压配电网中，研究了Buck型交流斩波电路的三电平实现方案，重点论述了飞跨电容型和级联两电平模块的三电平实现方案，并详细分析了飞跨电容三电平系统的工作原理。提出浮动电容充放电平衡和2∶1变比的变压器两种浮动电容电压控制方案，对比分析了两种方案的优缺点，并用仿真进行了验证。
　　为了使交流斩波型无功补偿系统具备谐波抑制功能，分析了两电平系统的偶次谐波调制策略，得到补偿电流各次谐波分量的表达式，并建立了该策略下的频域模型，提出灵敏度分析方法研究补偿电流谐波分量与偶次谐波调制项的定性关系。定量和定性地研究了补偿电流各次谐波分量与偶次谐波调制项的关系，并以此为基础设计了系统的无功和谐波综合补偿方案，并用仿真进行了验证。
　　最后，搭建了两电平和三电平系统的实验平台，对文中的理论分析和仿真分析进行了实验验证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究目的及主要研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 主要研究内容

2 两电平交流斩波型无功补偿器的控制策略

2．1 两电平交流斩波型无功补偿器的拓扑结构

2．2 两电平交流斩波型无功补偿器的工作原理

2．3 两电平无功补偿方案

2．3．1 恒定占空比调制策略的小信号模型

2．3．2 系统闭环控制器设计

2．4 恒定占空比调制策略的仿真分析

2．5 本章小结

3 三电平交流斩波型无功补偿器的控制策略

3．1 交流斩波器的三电平实现方案

3．2 三电平交流斩波型无功补偿器的工作原理

3．3 浮动电容电压控制策略

3．4 三电平交流斩波型无功补偿器的仿真分析

3．5 本章小结

4 两电平交流斩波型无功补偿器的偶次谐波调制策略

4．1 偶次谐波调制原理

4．2 偶次谐波调制的频域模型

4．2．1 频域模型

4．2．2 灵敏度分析

4．3 无功和谐波综合控制方案

4．4 偶次谐波调制策略的仿真分析

4．5 本章小结

5 交流斩波型无功补偿系统的实验研究

5．1 交流斩波主电路设计

5．2 信号采集和相位检测电路设计

5．3 控制系统的软件设计

5．4 实验结果及分析

5．4．1 两电平系统静态感性负载实验

5．4．2 三电平系统静态感性负载实验

5．4．3 两电平系统突变感性负载实验

5．4．4 两电平系统非线性负载实验

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢