统一电能质量调节器检测与补偿控制策略研究

天津大学博士学位论文统一电能质量调节器检测与补偿控制策略研究ResearchonDetectionandCompensationControlStrategyforUPQC一级学科：电气工程学科专业：电力电子与电力传动研究生：周海亮指导教师：万健如教授天津大学电气与自动化工程学院二零一二年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要随着工业化和信息化进程的加快，电网结构和负荷组成日益复杂化、多样化，电压和电流问题往往相伴出现在配电系统中，如何保证并改善电能质量，已成为电力研究领域亟需解决的关键难题之一。统一电能质量调节器（UPQC）是一种具有综合补偿能力的电能质量调节装置，其以电力电子技术为基础，兼具动态电压恢复、谐波电流和无功功率补偿能力，可同时满足配电系统中对电压和电流质量问题的抑制需求，具有广阔的发展前景和实用研究价值。首先，本文在无中线三相三线制UPQC拓扑结构基础上，推导了三相静止坐标系下分别基于开关函数和占空比描述的数学模型，特别的，为方便控制器设计，基于状态空间平均理论建立了同步旋转坐标系下的低频模型；对比分析正弦、非正弦条件和瞬时功率理论中功率定义的异同点，并基于瞬时功率理论计算UPQC内部功率流，获取内部有功和无功潮流图。其次，针对硬件锁相环和软件锁相环存在的缺陷，基于虚拟正余弦函数表和低通滤波器，提出一种简化的无锁相环UPQC补偿量检测算法，在电网畸变和不平衡状态下能够准确计算出补偿量，并减少DSP计算量；在分析硬件延时对补偿量检测结果影响的基础上，从修正同步旋转变换中参考角度出发进行硬件延时补偿，并通过增加一个内反馈环来补偿LPF的计算延时。再次，针对系统数学模型中的耦合现象分别在两相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下对电压、电流补偿单元采用完全解耦和不完全解耦PI控制；针对PI控制存在的诸多缺陷，并考虑电压、电流补偿单元的协调控制，将电网电流和负荷电压分别看作电压和电流补偿控制中的不确定，采用具有强鲁棒性能的滑模变结构控制方法进行补偿量跟踪，结合电压、电流补偿单元的不同特点，将电压补偿单元转化为解耦的逆系统处理，分别选取不同的滑模面，设计相应滑模控制器，并对其稳定性条件进行界定，研究结果表明，基于滑模变结构控制的UPQC具有很好的补偿效果和鲁棒性能。最后，为拓展传统UPQC功能，使其具备UPS特征，提出一种由传统UPQC和超级电容储能系统共同构成的超级电容储能型电能质量调节器。针对电网断电和非断电故障，将其工作模式分为补偿模式和UPS模式。与传统UPQC相比具有两个特点：一是直流母线电压的稳定控制由超级电容储能系统完成；二是在电网断电情况下，由超级电容作为能量源，将直流电转换为交流电，短时供给负荷，降低或者避免经济损失。关键词：电能质量；统一电能质量调节器；动态电压恢复；谐波和无功补偿；电压畸变和不平衡；补偿量检测；滑模变结构控制；超级电容储能系统ABSTRACTWiththeacceleratedprocessofindustrializationandinformationtechnology,gridstructureandloadcompositionbecomeincreasinglycomplex,Voltageandcurrentproblemsoftencomeoutinpairsinthedistributionsystem.Howtoensureandimprovepowerqualitybecomesoneofthekeychallengesinthefieldwhichshouldbesolved.UnifiedPowerQualityConditioner(UPQC),whichisfromuserpowertechnologyarea,isapowerqualitycontrollingdevicewithcomprehensiveabilitytocompensate.Basedonpowerelectronicstechnology,it’sabletorestoredynamicvoltage,compensatetheharmoniccurrentsandreactivepower,meetthedemandindistributionsystemtocurbqualityproblemsofthevoltageandcurrent,andithasgotbroadprospectsfordevelopmentandpracticalvalue.Fristly,basisedonnoneneutrallinethree-phasethree-wiresystemUPQCtopology,Themathematicalmodeldescribedbytheswitchingfunctionanddutyratioisformulatedinthethree-phasestationarycoordinatesystem.Inordertofacilitatethecontrollerdesign,thelow-frequencymodelinthesynchronousrotatingcoordinatesystemisestablished,whichisbasedonstate-spaceaveragetheory.Similaritiesanddifferencesofsinusoidalconditions,non-sinusoidalconditions,andinstantaneouspowertheoryareanalyzedcomparatively.Basedoninstantaneouspowertheory,theUPQCinternalpowerflowiscalculatedtoobtaintheinternalactiveandreactivepowerflowdiagrams.Secondly,aimingatthedefectsofhardwareandsoftwarephase-lockedloop,akindofsimplifieddetectionalgorithmforUPQCcompensationswithoutPLLispresentedonthebaseofvirtualcosinefunctiontableandthelow-passfilter,whichcancalculatetheconpensationsaccuratelyundergriddistortionandunbalancewithlessconputationsforDSP.Thearticledetailedanalysisedtheinfluenceofthehardwaredelaytothecompensationdetectionresults,andhardwaredelaycompensationisprocessedfromtheperspectiveofthecorrectionsynchronousrotatingreference.Meanwhile,forthecalculationdelayoftheLPF,thesolutionisgivenwhichaddsaninternalfeedbacklooptoimprovethedynamicresponse.Thirdly,consideringthecouplingphenomenoninthesystemmathematicalmodel,voltageandcurrentcompensationunit(VCUandCCU)adoptedfulldecoupledandimperfectcoupledPIcontrolunderthetwo-phasestationarycoordinatesystemandtwo-phasesynchronousrotatingcoordinatesystem.AimingtothedefectsofPIcontrollorandtakingthecoordinationcontrolbetweenVCUandCCUintoconsideration,slidingmodecontrolwhichwithstrongrobustnessisadoptedtomakecompensationscantrackthereferenceaccuratelybytakingthegridvoltageandloadcurrentastheindeterminacy.BecauseofthedifferentcharacteristicsofVCUandCCU,itisneccessarytoconverttheVCUtothedecoupledinversesystem.Thendifferentslidingsurfacesareselectedrespectively,andcorrespondingslidingmodecontrollersaredesigned,meanwhiletheirstabilityconditionisdefinedtoo.TheresearchresultshowsthatUPQChasexcellentcompensationeffectandgoodrobustnessbasedontheslidingmodevariablestructurecontrolmethod.Finally,inordertofurtherexpandthefunctionoftraditionalUPQCfunctionsandmakeithascharacteristicssimilartotheUPS,akindofnewpowerqualityconditionercomposedoftraddtionalUPQCandultricapacitorenergystoragesystemispresented.Underthedifferentconditionsofpowergridoutageandnon-outagefault,itsoperationmodeisdividedintocompensationmodeandUPSmode.ComparingwithconventionalUPQC,ithastwocharacteristics:First,thevoltagecontroloftheDC-LINKisaccomplishedbytheultracapacitorenergystoragesystem.Second,whenthepowergridoutage,thepowerstoredinultracapacitorinverttoACpowerandsupplytheloadinshortterminordertoavoidorreducetheeconomiclosses.KeyWords:Powerquality;UPQC;DynamicVoltageRestorer;HarmonicandReactiveCompe