有源无源混合的三相电力平衡技术研究

摘要

随着科学技术的发展及生产生活水平的上升，居民负荷的类型日益丰富，用电量连年攀升。在低压配电系统中，三相不平衡、谐波等电能质量问题日益突出，对低压配电系统的稳定运行及用电安全造成影响。有源电力滤波技术虽然谐波处理能力强大，但是价格昂贵且不适合处理零序电流。本课题同山东邦世电气有限公司合作，开发有源无源混合的三相电力平衡器。
　　本文首先陈述了三相不平衡问题的危害及治理措施，讲述了部分国家三相不平衡度的定义，明确了国标中对三相不平衡度的定义。然后讲述了三相电力平衡技术及电力滤波技术的发展现状，简要的陈述了各种电能质量治理技术的优缺点。在此基础上，本文介绍了混合三相电力平衡技术的基本结构及原理，说明了混合三相电力平衡技术在三相不平衡问题治理上的优越性。
　　混合三相电力平衡器的无源模块由两个特殊的电抗器构成，他们是零序阻断器(ZSBT)和曲折接线变压器（Zig-Zag变压器）。其中Zig-Zag变压器实际上是只有一次侧绕组的曲折接线的接地变压器，但其额定电压为400V，它的设计是在传统变压器设计的基础上根据其自身特点进行设计，并制作样机进行实际测试。ZSBT是三个相线绕组绕在同一铁芯柱上的电抗器，它的设计是在传统电抗器设计方法的基础上根据其自身结构特点设计出其主要参数，然后在ANSOFT中建立3D仿真模型，分析修正其主要参数，最后制作样机进行实际测试。
　　混合三相电力平衡器的有源模块主要包括电流检测、主电路、电流跟踪、PWM控制。电流检测方法的种类很多，本文采用基于瞬时无功理论的方法检测不平衡电流及谐波电流，并且在Simulink中建立电流检测的仿真模型，进行仿真分析。本文的PWM控制方式采用直流电压利用率较高的SVPWM控制方式，并在DSP中编写跟踪正弦电压矢量的C语言程序，验证其效果。本文采用相对于二电平逆变电路更加稳定的二极管钳位的三电平逆变电路作为主电路，并介绍了其基本结构及工作原理。电流跟踪方式采用PI+重复控制的方法，对其流程图进行推导分析。
　　混合三相电力平衡器的控制系统是基于DSPTMS320F28335的控制系统，以DSP的工业核心板为核心器件，设计三相电压、三相电流及直流侧电压等模拟量的检测电路、过零检测等开关量检测电路、电源电路、输出放大转化电路、通信电路。在硬件设计的基础上，本文根据混合电力平衡器的控制要求设计了相对应的控制软件。
　　最后，本文根据设计的混合三相电力平衡器在Simulink中建立仿真模型，对电力平衡器进行分析，并根据已有的实验条件对样机进行测试分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．2．1 三相不平衡问题的危害

1．2．2 三相不平衡问题治理措施

1．3 三相电力平衡技术的研究现状

1．3．1 不平衡度

1．3．2 无源三相平衡化技术

1．3．3 有源电力滤波技术

1．4 本文主要研究内容

第2章 混合三相电力平衡技术的基本原理

2．1 混合三相电力平衡技术的基本构成

2．2 混合三相电力平衡器工作的基本原理

2．3 本章小结

第3章 电抗器本体设计

3．1 Zig-Zag变压器的本体设计

3．1．1 铁芯计算

3．1．2 绕组的计算

3．1．3 零序阻抗的计算

3．1．4 Zig-Zag变压器设计案例

3．2 ZSBT的本体设计

3．2．1 铁芯选择

3．2．2 绕组的计算

3．2．3 窗口核算

3．2．4 气隙计算

3．2．5 漏电感的计算

3．2．6 ZSBT案例

3．2．7 ZSBT仿真模型的建立

3．3 本章小结

第4章 有源电力滤波技术

4．1 不平衡电流及谐波电流的检测

4．1．1 零序电流分量的检测

4．1．2 非零序电流分量的检测

4．2 主电路的拓扑结构

4．3 PWM的调制方法

4．3．1 SVPWM算法

4．3．2 电容电压平衡

4．4 电流追随方式

4．5 本章小结

第5章 三相混合电力平衡器控制系统设计

5．1．1 模拟信号检测及处理电路

5．1．2 开关信号检测及处理电路

5．1．3 PWM控制信号处理电路

5．2 控制系统的软件设计

5．2．1 主程序设计

5．2．2 中断程序设计

5．4 本章小结

第6章 混合三相电力平衡技术的仿真及实验

6．1 混合三相电力平衡技术的仿真

6．1．1 仿真模型的搭建

6．1．2 混合三相电力平衡器运行过程的仿真分析

6．2 混合三相电力平衡器的样机实验

6．2．1 Zig-Zag变压器的测试

6．2．2 ZSBT的测试

6．2．3 混合三相电力平衡器运行过程的测试

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文