基于APF与TSC的无功与谐波动态混合补偿装置研究

摘要

随着电力电子装置广泛应用于工业和民用场合，电网被注入了大量无功功率和谐波电流。电网无功功率和谐波电流的存在会给电网的安全稳定运行带来巨大隐患。很多高精度的负载装置在受到电网扰动时不能稳定运行，同时由于电能质量问题引起的事故也日益增多，造成了大量的经济损失。因此，用电用户对电网电能质量，尤其是电网无功补偿提出了更高的要求。近年来各种电冈无功与谐波治理装置得到了越来越广泛的重视。
　　在此背景下，本文设计了一种基于APF与TSC的无功与谐波动态混合补偿装置(TAPF)，建立了其通用数学模型，从定性和定量的角度分析比较了TAPF在电流源型非线性负载下采用不同电压、电流采样点时的谐波消除机理和优缺点。分析比较了电网参数波动对采用不同电压、电流采样点时TAPF的性能影响。最后，设计了TAPF的硬件平台，并对硬件设计的一些特点和需要注意的事项进行了讨论。
　　通过前文分析对比，本文提出了负载电流检测和双电流检测下TAPF的数学模型及其稳定影响因子。分析对比了两种电流检测情况下TAPF的稳定性和补偿特性。重点分析了双电流检测时TAPF的两大稳定影响因子:TSC电抗率和APF谐波补偿率。在此基础上，本章设计了一种利用TSC电抗率和APF谐波补偿率的复合稳定算法。
　　电流跟踪是TAPF控制的核心环节，为此本文设计了TAPF的电流跟踪控制方法，对于负载谐波电流采用同步旋转坐标下的PI和谐振控制控制器并联跟踪控制，即PI-RES控制器。PI-RES控制器的每一个谐振控制器可以控制相对应的静止坐标下的两种谐波分量，其动态性能良好，跟踪精度高，提高了系统的效率。
　　为了在无功功率变化的暂态过程中稳定控制晶闸管投切电容器(TSC)，使其与有源电力滤波器(APF)配合精确补偿负载无功功率，本章分别给出了两种电流检测情况下的TAPF指令信号计算方法。特别地，针对双电流检测情况本章提出一种基于离散与连续混合多变量决策的TAPF控制方法。

目录

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摘要

图表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 无功与谐波的来源及危害

1．2．1 无功的来源及危害

1．2．2 谐波的来源及危害

1．3 无功补偿及谐波治理方案

1．3．1 静止无功补偿器(SVC)

1．3．2 并联型有源电力滤波器(APF)

1．3．3 静止无功发生器(SVG)

1．4 无功与谐波动态混合补偿装置研究现状

1．4．1 并联混合型有源电力滤波器

1．4．2 多模块有源电力滤波器并联系统

1．4．3 DSTATCOM和TSC协同运行的混合无功补偿系统

1．4．4 APF与SVC组成的联合运行系统

1．5 本文主要工作

第2章 TAPF系统分析及硬件设计

2．1 TAPF系统结构及工作原理

2．2 APF主电路原理及数学模型

2．3 TSC主电路及数学模型

2．4 TAPF在不同电流采样点下的控制框图

2．4．1 负载电流采样控制

2．4．2 负载谐波电压采样控制

2．4．3 网侧谐波电流采样控制

2．4．4 双电流采样控制

2．5 电网参数波动对取不同采样点时TAPF的影响

2．5．1 负载谐波电流波动的影响

2．5．2 电网谐波电压波动的影响

2．5．3 电网阻抗波动的影响

2．6 TAPF硬件电路设计

2．6．1 PWM变流器设计

2．6．2 晶闸管投切电容器设计

2．6．3 控制电路设计

2．6．4 驱动电路设计

2．7 本章小结

第3章 TAPF系统稳定性分析及控制算法设计

3．1 TAPF数学模型及稳定影响因子

3．1．1 TAPF数学模型

3．1．2 TAPF稳定影响因子

3．2 负载电流检测控制

3．2．1 电抗率和谐波补偿率对系统特性的影响

3．2．2 TAPF抑制谐波原理分析

3．2．3 谐波补偿优化设计

3．3 双电流检测控制

3．3．1 电抗率对系统特性的影响

3．3．2 谐波补偿率对系统特性的影响

3．3．3 TAPF复合稳定算法设计

3．4 仿真结果与分析

3．5 实验结果与分析

3．6 本章小结

第4章 电流闭环跟踪算法

4．1 PI控制

4．2 比例谐振控制

4．3 dq坐标系下PI-RES电流控制器

4．3．1 dq坐标系下的谐振控制器

4．3．2 PI-RES控制器参数设计

4．5 实验结果与分析

4．6 本章小结

第5章 TAPF系统指令信号及混合投切控制策略

5．1 负载电流检测控制

5．1．1 APF指令电流计算

5．1．2 TSC指令信号计算

5．2 双电流检测控制

5．2．1 TAPF无功补偿的问题

5．2．2 混合投切算法设计

5．3 实验结果与分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 未来展望

致谢

实验设备图

攻读硕士期间科研成果

参考文献