發(fā)布時間：2016-12-14 21:51

第1章 緒論  

1.1 研究背景
隨著現(xiàn)今電力電子產(chǎn)品日益增多，電力終端用戶對電能質(zhì)量的要求也隨之提高，但是接入電網(wǎng)的用電負(fù)荷種類繁多，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，所以提高電能質(zhì)量成為輸配電領(lǐng)域長期的論題。保持用戶電壓恒定是優(yōu)質(zhì)電能質(zhì)量的要求，但是隨著電力變壓器、交流電抗器以及交流電動機(jī)等大量感性用電負(fù)荷接入電網(wǎng)，當(dāng)這些感性電力負(fù)載啟動時將會從電網(wǎng)中吸收大量無功功率，導(dǎo)致電網(wǎng)輸出電壓波動，產(chǎn)生諧波[1-6]等問題。 電力電子裝置以及沖擊性無功負(fù)載（軋鋼機(jī)、異步電機(jī)）都需要從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率，大量無功電流的流動會使得輸電線路產(chǎn)生較大的壓降。如果沒有適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償措施，會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。 電力電子裝置產(chǎn)生諧波危害，諧波影響到電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的正常運(yùn)行，使得用電設(shè)備遭受到額外的諧波損耗，不僅減少用電設(shè)備的使用壽命，還會降低其工作效率進(jìn)而影響到電力系統(tǒng)輸配電效率；諧波危害還包括使得電機(jī)、變壓器等重要電氣設(shè)備噪聲過大、機(jī)械振動增強(qiáng)、機(jī)體過熱以及電容器和電纜等元件的絕緣性能降低等問題；此外諧波還會引起電力網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振現(xiàn)象[7-8]，從而放大諧波的危害，嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。總體概括，無功功率補(bǔ)償裝置的作用體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）提高電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和接入電力網(wǎng)絡(luò)的用電負(fù)荷的功率因數(shù)，減少無功功率在網(wǎng)側(cè)與負(fù)載之間的傳遞，以此降低用電設(shè)備額定容量；（2）穩(wěn)定電網(wǎng)輸出電壓，減少用電終端的電壓跳動，提高供電質(zhì)量；（3）使三相的有功功率和無功功率負(fù)載平衡，由于無功功率補(bǔ)償裝置可以對負(fù)載電信號中的負(fù)序電流分量進(jìn)行補(bǔ)償，且配合合理的繞線形式隔斷零序電流的通路，以此達(dá)到平衡用功功率和無功功率負(fù)載的效果[9-11]。 而無功補(bǔ)償裝置基本原理是通過把容性設(shè)備和感性負(fù)載并聯(lián)使用，是的無功功率的傳遞轉(zhuǎn)換大多發(fā)生在這兩種負(fù)載的通路之間，達(dá)到減少無功功率經(jīng)過電網(wǎng)傳遞的頻率。  圖 1.1 闡釋了容性設(shè)備對感性負(fù)載進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)脑�理和過程。 
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1.2 研究現(xiàn)狀
在電壓源型 STATCOM 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，目前常見的 STATCOM 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)式是多電平電壓源型的逆變器。若無功補(bǔ)償裝置為電壓源型逆變器，則需要在并入電網(wǎng)前各相的出線串接電感；獲得多電平可以通過不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其對應(yīng)的調(diào)制方式，使得逆變器輸出量達(dá)到或者近似達(dá)到指令值。 在中高壓大功率的系統(tǒng)中利用 6 組功率開關(guān)器件，且每個功率開關(guān)器件反并聯(lián)二極管后組成的逆變器電路，即為兩電平逆變器，如圖 1.5 所示。現(xiàn)代靜止無功補(bǔ)償器的逆變器電路中，采用大功率開關(guān)器件（IGBT，GTO）當(dāng)做橋臂通斷開關(guān)，以此滿足電力系統(tǒng)大功率的要求。但是 IGBT 器件沒有很高的耐壓等級，且 IGBT是高速器件難以控制其串聯(lián)使用，同時為減少兩電平電路中因較高的 du/dt 而導(dǎo)致波形的畸變，1980 年日本長崗科技大學(xué)在 IAS 年會上提出了三電平逆變器的理念，此后多電平逆變器大量投入到電力系統(tǒng)中。H 橋級聯(lián)型逆變電路、中點鉗位型（NPC）逆變電路和飛跨電容型逆變電路都典型的三電平逆變器結(jié)構(gòu)，此后演變得到的混合級聯(lián)型結(jié)構(gòu)也是常見的拓?fù)洹? 
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第 2 章  FFSVM 調(diào)制法在級聯(lián) STATCOM 中的應(yīng)用 

2.1 FFSVM 算法介紹 
H 橋級聯(lián)型靜止無功補(bǔ)償器（STATCOM），能夠以耐壓值較低的高頻功率開關(guān)器件滿足大中型電壓網(wǎng)絡(luò)的需求。然而級聯(lián)各單元直流側(cè)電壓不平衡會導(dǎo)致輸出電壓的畸變，產(chǎn)生注入電力網(wǎng)絡(luò)的諧波，因而成為級聯(lián)型 STATCOM 工程中的一個重難點。 早期解決直流電壓不平衡的一種方法是采用外加硬件電路。該方法雖然不增加控制復(fù)雜性，但是其附加電路及其控制電路會導(dǎo)致裝置體積增大和成本增加。從控制角度出發(fā)解決直流電壓不平衡問題的方法有交換觸發(fā)脈沖平衡級聯(lián)模塊導(dǎo)通時間，以及改變 H 橋模塊移相法控制法[31]，但前者不適用于多 H 橋模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后者計算復(fù)雜且調(diào)整效果不明顯。近年來研究較多的直流側(cè)電容電壓三級平衡控制法[32-33]也是一類常見的控制策略，又分為兩種方法：其一是基于正序、負(fù)序電流的分離解耦控制的通用型三級直流母線均壓控制方法，但其運(yùn)算過程較為復(fù)雜，且零序電壓會對直流母線電壓造成影響；第二種方法在三級控制策略的每個階段中分別加上比例諧振環(huán)節(jié)、自抗擾控制器以及移動各個功率單元調(diào)制波的環(huán)節(jié)。功率均衡控制策略[34]和 STATCOM 能量變換分析法[35]也是常被采用的控制策略。文獻(xiàn)[36]提出一種單相單個電壓平衡策略（IVBS）,該方法基于瞬時理論，結(jié)合 d-q 軸變換，計算過程簡單，達(dá)到在只改變 d 軸有功分量的前提下，各單元無功分量穩(wěn)定的目的，但是該方法在每個單元前都加上了直流母線電壓控制器，使得控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這些方法都是將直流電壓均衡的控制目標(biāo)附加到系統(tǒng)控制算法之中，因此會增加系統(tǒng)控制算法復(fù)雜度。 H 橋級聯(lián)型 STATCOM 常常采用簡單易行的基于載波的調(diào)制方法（包括載波移相調(diào)制法（PS-PWM）、載波移幅調(diào)制法（LS-PWM）[37-39]以及多電平空間矢量調(diào)制法（SVM）[40],但是它們都以直流電壓平衡為假設(shè)條件。當(dāng)直流電壓明顯不平衡或者出現(xiàn)波動時，它們的輸出波形質(zhì)量會明顯下降。為此，出現(xiàn)了在這些基本調(diào)制方法中引入直流電壓前饋以改善輸出波形直流的做法。文獻(xiàn)[41]將直流電壓前饋引入 PS-PWM 和 LS-PWM 的調(diào)制中，直接調(diào)節(jié)載波以消除逆變器輸出電壓中的二倍頻分量。文獻(xiàn)[42]在三電平中點鉗位型逆變器中，采用中性點直流電壓前饋調(diào)制法，削弱中性點電壓紋波對輸出電壓的影響，獲得無畸變的輸出電壓波形。
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2.2  與其它算法的比較 
階梯波脈沖寬度調(diào)制策略、特定次諧波消除調(diào)制調(diào)制、傳統(tǒng)多電平空間電壓矢量調(diào)制策略、載波移相脈沖寬度調(diào)制策略等，都是常用于多電平大功率換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的調(diào)制策略。常規(guī)空間矢量調(diào)制策略運(yùn)用在 H 橋級聯(lián)型多電平逆變器結(jié)構(gòu)中時，因為逆變器中單個 H 橋模塊輸出的相電壓為三電平，所以每個 H 橋單元可以提供 4 種不同的開關(guān)狀態(tài)量進(jìn)行組合。由于每相擁有 4 個開關(guān)狀態(tài)量，則 H橋級聯(lián)型三電平逆變器總共有 64（43=64）種開關(guān)狀態(tài)量。若逆變器各相的輸出電壓分別為 Ua、Ub、Uc，根據(jù)公式（2-3）可得到在傳統(tǒng)坐標(biāo)系下的空間矢量分布圖，如圖 2.6 所示，且三電平級聯(lián)型 H 橋逆變器所有的 64 個開關(guān)狀態(tài)量，對應(yīng)與空間矢量分布圖中的 19 個電壓矢量[43-44]。其中把位于內(nèi)部中心六邊形各頂點的矢量定義為小矢量，把位于外部的六邊形各頂點的矢量定義為大矢量，把位于相鄰兩個大矢量中點的矢量定義為中矢量，位于空間矢量分布圖正中心的稱為零矢量。由于自身具有數(shù)量較多的開關(guān)狀態(tài)量所對應(yīng)的電壓矢量，所以在單元直流電壓均衡調(diào)制階段的時序較長、段數(shù)較多，且還要考慮零矢量與小矢量所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)量，以及中矢量和大矢量所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)量對三相逆變器直流電壓的影響，增大了調(diào)制算法過程復(fù)雜程度。 
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第 3 章  FFSVM 在三相兩單元拓?fù)渲械膽?yīng)用 ......... 33 
3.1  調(diào)制算法說明.......... 34 
3.2  仿真過程與模型搭建 ....... 34 
第 4 章  仿真結(jié)果驗證........... 38 
4.1 FFSVM 對直流電壓不平衡的抑制能力 ..... 38 
4.2  輸出波形質(zhì)量比較 ........... 40 
4.2.1  直流電壓不平衡的情況 .......... 40 
4.2.2  直流電壓平衡情況 ......... 41 
4.3  三相兩單元 H 橋級聯(lián)型仿真驗證 .... 42 
4.3.1  逆變器輸出電壓波形及分析 ........... 44 
4.3.2 FFSVM 對直流電壓不平衡的抑制能力 ............ 49 
第 5 章  結(jié)論 ........ 56 

第 4 章  仿真結(jié)果驗證 

為了驗證帶有直流電壓前饋的空間矢量調(diào)制算法（FFSVM）對單元直流電壓不平衡的適用性及其控制直流電壓收斂的有效性，本文按照圖 2.2 所示的單相 220V兩單元級聯(lián)的 STATCOM 并網(wǎng)系統(tǒng)，在 Matlab/Simulink 中建立仿真模型，并與相移脈沖寬度調(diào)制法（PS-PWM）對比。兩種調(diào)制方法的仿真其系統(tǒng)控制方法一致，只是所采用的調(diào)制方法不同。  

4.1 FFSVM 對直流電壓不平衡的抑制能力 

首先，在兩個單元直流電壓初始值、直流側(cè)等效負(fù)載電阻值均不同的條件下，將 FFSVM 與 PS-PWM 兩種調(diào)制方法對比。FFSVM 的仿真控制框圖如圖 4.1 所示。 仿真參數(shù)如見表 4.1，F(xiàn)FSVM 與 PS-PWM 的仿真結(jié)果分別如圖 4.2、4.3 所示。單元一的直流電壓初值與直流側(cè)電阻值均高于單元二。仿真過程中的前 0.05s只有電網(wǎng)電壓前饋和電感電流反饋投入，總的直流電壓 PI 控制在 0.05s 時開始投入，其作用是控制單元直流電壓平均值為 170V 的指令值。無功電流指令在 0.15s加入到系統(tǒng)電流參考值中。圖 4.2（a）和圖 4.3（a）的輸出電壓、電流波形顯示了這個仿真過程，圖 4.2（b）和圖 4.3（b）分別給出了采用 FFSVM 策略和 PS-PWM的兩個單元的直流電壓波形。在前 0.05s，圖 4.2（b）中兩個單元的直流電壓差由初始的 10V 減小到了 7V，而圖 4.3（b）中兩個單元的直流電壓差則增大到了 12V。從 0.05s 開始，在 PI 控制使得直流電壓平均值達(dá)到指令值 170V 的過程中，圖 4.2（b）中兩個單元的直流電壓差值迅速縮小直至基本一致，并且在 0.15s 開始輸出無功電流之后仍然保持了一致；而圖 4.3（b）中兩個單元的直流電壓差距一直較大，并且呈現(xiàn)逐漸發(fā)散的趨勢，這是由于 PS-PWM 方法本身不具有抑制直流電壓不平衡的能力，并且兩個單元的直流側(cè)阻抗也不同�？梢� FFSVM 具有明確的抑制直流電壓不平衡的作用。  

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結(jié)論 

本文針對級聯(lián) STATCOM 所存在的直流電壓均衡控制的問題，以一個單相兩單元級聯(lián)的 STATCOM 為例，描述了前饋空間矢量調(diào)制（FFSVM）法的算法及其抑制直流電壓不平衡的方法。這種方法以實時檢測的各單元直流電壓和輸出電流的方向為依據(jù)，能夠在直流電壓不平衡的情況下獲得高質(zhì)量的輸出電壓波形，同時利用各單元輸出電流串聯(lián)的結(jié)構(gòu)特點控制單元直流電壓的平衡，可以應(yīng)用于級聯(lián)型 STATCOM。 利用級聯(lián) H 橋型單相兩單元 STATCOM 系統(tǒng)，通過在直流電壓初始值和直流側(cè)等效負(fù)載都不均衡的條件下，進(jìn)行 FFSVM 和 PS-PWM 兩種調(diào)制模式的仿真。結(jié)果表明，與 PS-PWM 調(diào)制策略相比較，F(xiàn)FSVM 策略不僅具有在直流電壓不均衡的環(huán)境中，使得逆變器輸出優(yōu)質(zhì)電壓波形、電壓波形畸變率(THD)小的能力，同時還具有平衡相內(nèi)單元直流電壓的能力，，表現(xiàn)出 FFSVM 調(diào)制策略對于直流電壓不平衡的 H 橋級聯(lián) STATCOM 系統(tǒng)的適應(yīng)性。 在級聯(lián) H 橋型三相兩單元 STATCOM 系統(tǒng)中，同樣采用 FFSVM 和 PS-PWM兩種控制策略進(jìn)行比較，結(jié)果表明對于三相系統(tǒng)，F(xiàn)FSVM 調(diào)制策略依舊可以很好地適應(yīng)單元直流電壓不均衡的環(huán)境，且能夠收斂各單元直流電壓不平衡的趨勢，但是逆變器輸出電壓波形諧波畸變率（THD）較 PS-PWM 略高，且隨著無功電流指令值的增加，諧波畸變率下降程度微��；PS-PWM 調(diào)制策略運(yùn)用于三相系統(tǒng)中時具有使得逆變器輸出電壓諧波畸變率低的特點，然而無法自動使得單元直流電壓收斂到一致，必須額外增加針對直流電壓均衡的控制。這將使得控制系統(tǒng)變得更復(fù)雜。 利用FFSVM控制策略可以很好地適應(yīng)級聯(lián)型STATCOM直流電壓不平衡的情況，在有一定的輸出電流時，可以使得單元直流電壓的差值快速收斂，并能使逆變器輸出較為良好的波形。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號：212913