统一电能质量调节器畸变量检测及跟踪控制策略研究

摘要

随着时代的进步，电能在社会生产和人们的日常生活中发挥的作用越来越大。随着多元化负荷的不断使用，由非线性负载引起的电能质量问题不断增多;与此同时，随着新兴电子设备的不断出现，人们对电能质量的要求不断提高，高质量的电能已经成为时代的需求。因此，能够同时处理多种电能质量问题的统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner, UPQC)，得到越来越多人的关注与研究。
　　本文首先对当前电能质量问题产生的原因、类型、危害及改善电能质量的电力电子装置的特点进行了详细介绍;进而深入分析了UPQC各模块的工作机理及出现常见电压变化时系统内部功率流动的情况，并基于开关函数对UPQC的串联侧电压补偿模块、并联侧电流补偿模块、直流侧储能模块建立了数学模型，作为后文检测算法和控制策略的数学依据。最后对UPQC的两个重要环节，同时也是本文的研究重点——畸变量检测与补偿量跟踪控制进行了全面的分析。UPQC的畸变量检测包括电网电压畸变量检测和电网电流畸变量检测。基于瞬时无功功率的p-q法和ip-iq法的电流畸变量检测算法，在电网电压发生畸变的情况下，不能准确的检测电流畸变量。UPQC的电压畸变量和电流畸变量检测必须在统一的基准下同时检测，才能确保UPQC的电压补偿与电流补偿同步。鉴于此，重点分析了改进的p-q畸变量综合检测算法和基于同步旋转坐标变换的畸变量综合检测算法，这两种算法均能同时准确地检测出电压畸变量与电流畸变量。UPQC的补偿量跟踪控制包括补偿电压跟踪控制和补偿电流跟踪控制。本文首先分析了滞环控制与电压空间矢量控制，鉴于滞环控制存在开关频率不固定及三相电压电流分别控制易引起相间干扰的缺点，给出了两种分别适用于UPQC串联侧电压补偿和UPQC并联侧电流补偿的基于电压空间矢量的补偿量跟踪控制策略。串联侧电压补偿模块是通过控制电压量来补偿电压量，为线性约束关系，在每个开关周期内选用UPQC串联侧变流器输出的两个非零电压矢量，通过控制各自的有效作用时间，精确合成补偿电压矢量。并联侧电流补偿模块是通过调节电压量来控制补偿电流量的变化率，为非线性约束关系，采用在每个开关周期内，在UPQC并联侧变流器输出的电压矢量中，选择一个最优电压矢量。同时，为了提高工作效率，先把补偿电流与指令电流的差值通过恒频滞环过滤，只有在差值大于环宽的情况下，才启动基于电压空间矢量的电流补偿，否则并联侧变流器各开关管保持上一个开关周期状态工作。通过PSIM9.0，对控制策略进行了仿真，仿真结果证明该控制策略对于UPQC是有效的。本文最后对UPQC实验平台的基本硬件电路进行了初步设计，并对系统主程序设计思想及总体结构进行了分析，给出了相关的程序流程图。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 电能质量问题概述

1．2．1 电能质量的基本概念及特点

1．2．2 电能质量扰动的分类

1．2．3 电能质量问题的危害及解决措施

1．3 UPQC的研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第2章 UPQC拓扑结构、工作原理及数学建模

2．1 UPQC拓扑结构及模块功能分析

2．1．1 UPQC拓扑结构分析

2．1．2 模块功能分析

2．2 工作原理

2．3 功率流动分析

2．4 数学模型建立

2．4．1 串联侧数学模型的建立

2．4．2 并联侧数学模型的建立

2．4．3 直流储能侧数学模型的建立

2．5 本章小结

第3章 补偿指令信号检测方法的研究

3．1 傅里叶变换及小波变换检测算法

3．2 基于瞬时无功功率理论的检测方法

3．2．1 p-q检测算法

3．2．2 ip-iq检测算法

3．3 畸变量综合检测算法

3．3．1 改进p-q畸变量综合检测算法

3．3．2 基于同步坐标变换的畸变量综合检测算法

3．4 畸变量检测仿真

3．5 本章小结

第4章 UPQC补偿信号的跟踪控制策略

4．1 电压型变流器的传统控制策略

4．1．1 三角载波脉冲宽度调制方式

4．1．2 滞环跟踪控制方法

4．1．3 三相变流器的空间矢量调制技术

4．2 串联侧基于电压空间矢量的控制策略

4．3 并联侧基于电压空间矢量的恒频滞环控制策略

4．3．1 单相恒频滞环跟踪控制策略

4．3．2 并联侧电压空间矢量法控制原理分析

4．4 直流侧控制方法

4．5 仿真分析

4．5．1 电网电压畸变量三相对称时的仿真分析

4．5．2 电网电压畸变不对称时的仿真分析

4．5．3 直流侧电压仿真

4．6 本章小结

第5章 实验设计

5．1 硬件电路设计

5．1．1 系统主电路设计

5．1．2 信号采样调理电路

5．1．3 电压过零检测电路设计

5．1．4 光耦隔离及驱动电路设计

5．2 检测及控制算法程序设计

5．2．1 系统主程序流程

5．2．2 外部中断子程序

5．2．3 ADC中断子程序

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

附录

参考文献

致谢