電氣工程課程設(shè)計(jì)-電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 電氣工程課程設(shè)計(jì) 題 目 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 電氣信息工程學(xué)院電氣工程系 專業(yè)班級 電氣 1班 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 高金蘭 姚建紅 2012年 7月 18 日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 電氣工程課程設(shè)計(jì) 題目 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè) 電氣工程及其自動化 姓名 * 學(xué)號 123123123 主要內(nèi)容：分析統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)果和工作原理的基礎(chǔ)，并對統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)機(jī)器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將空間矢量調(diào)制應(yīng)用到統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制中，并與傳統(tǒng)的PID滯環(huán)控制進(jìn)行比較。通過MATLAB中的SImulink進(jìn)行電

2、路的仿真，實(shí)現(xiàn)兩種控制系統(tǒng)下對電能質(zhì)量的補(bǔ)償，并對補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行比較。參考資料：1 胡銘，陳珩.有源濾波器技術(shù)及其應(yīng)用J.電力系統(tǒng)白動化.2000(3):66一70 2 李國勇，劉漢奎，徐殿國統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究 J電力電子技術(shù)，2003，37(1)：74783 陳伯時(shí)電力拖動自動控制系統(tǒng)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19924 王正林，王勝開等MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真 M北京：電子工業(yè)出版社，2005完成期限 2012.7.10至2012.7.18 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2012年 7 月 9 日目 錄 TOC o 1-2 h z u 1設(shè)計(jì)要求.12電能質(zhì)量污染問題.1 2

3、.1電能質(zhì)量污染問題產(chǎn)生的原因.12.2電能質(zhì)量污染問題的危害.12.3電能質(zhì)量污染問題的改善方法.23UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理.23.1UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).23.2 UPQC的檢測原理.33.3 UPQC的補(bǔ)償原理.54統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng).54.1滯環(huán)控制系統(tǒng).54.2 SVPWM控制技術(shù).65電仿真結(jié)果及分析.85.1檢測部分的仿真.85.2滯環(huán)控制的仿真.95.3空間矢量調(diào)制（SVPWM控制）的仿真.9結(jié) 論.11參考文獻(xiàn).131 設(shè)計(jì)要求（1）首先在掌握統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析其工作原理。利用瞬時(shí)無功功率理論，改進(jìn)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制與諧波檢測算法，分析其

4、可行性和可靠性。（2）在熟悉統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上建立它的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，對其工作原理進(jìn)行理論分析。（3）學(xué)習(xí)MATLAB軟件并熟練運(yùn)用其系統(tǒng)建模和仿真功能。用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真，分析計(jì)算仿真結(jié)果。調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)確定最佳參數(shù)。（4）給出改進(jìn)前后電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的仿真波形圖，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)用性。2 電能質(zhì)量污染問題2.1 電能質(zhì)量污染問題產(chǎn)生的原因隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的不斷增加，電力系統(tǒng)受到的“諧波污染”也越來越嚴(yán)重，加上電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的內(nèi)外故障，這些因素都可能惡化系統(tǒng)的電能質(zhì)量。電力系統(tǒng)電能質(zhì)量污染問題的產(chǎn)生主要有以下原因：（1）非線性負(fù)載。（

5、2）電力系統(tǒng)設(shè)備的非線性特性。（3）電力系統(tǒng)故障電力系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)、外故障也會造成電能質(zhì)量問題，如短路故障、雷擊、誤操作、電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)的改變、故障保護(hù)裝置中的電力電子設(shè)備的啟動等都將造成各種電能質(zhì)量問題。2.2 電能質(zhì)量污染問題的危害電能質(zhì)量污染問題對電力系統(tǒng)、供電部門和電力用戶帶來嚴(yán)重的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量3次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災(zāi)。（2）諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動和噪聲等，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，甚

6、至損壞。（3）引起電網(wǎng)諧振。（4）導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。（5）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重則導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。2.3 電能質(zhì)量污染的改善方法2.3.1無源濾波器無源濾波器也稱為LC濾波器，是由電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成的濾波裝置。在交流系統(tǒng)中，無源濾波器不僅可以起到濾波作用，還可以兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枨蟆C濾波器雖然有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資少、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，但是無源濾波器不能補(bǔ)償頻率變動，其濾波效果依賴于系統(tǒng)阻抗和非線性負(fù)載的特性，并且容易受溫度漂移、電網(wǎng)污染程度、濾波電容老化

7、及非線性負(fù)載變化的影響。此外，由于無源濾波器僅對特定次諧波進(jìn)行有效衰減，而出于經(jīng)濟(jì)和占地面積方面的考慮，濾波器的個(gè)數(shù)是有限的，所以對于諧波含量豐富的場合，無源濾波器的濾波效果往往不夠理想。濾波電容還會產(chǎn)生諧振，造成損壞。2.3.2有源電力濾波器有源電力濾波器(APF)根據(jù)與補(bǔ)償對象的連接方式不同，分為串聯(lián)型與并聯(lián)型兩種。按照目前的工業(yè)應(yīng)用和實(shí)踐，串聯(lián)型APF主要用于補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的各種畸變分量，使用戶端得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓;并聯(lián)型APF主要用于抑制非線性負(fù)載的電流諧波，避免諧波污染電網(wǎng)電流。2.3.3統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器日本學(xué)者Akagi在1996年分析有源濾波器新趨勢一文中，首次提出了統(tǒng)一電能質(zhì)

8、量調(diào)節(jié)器（UPQCunified power quality conditioner）的概念。它是由串聯(lián)型APF和并聯(lián)型APF通過公用的直流母線電壓耦合而成（故又有文獻(xiàn)稱其為串并聯(lián)復(fù)合型有源濾波器），集串聯(lián)型APF和并聯(lián)型APF的功能于一體，不僅可以補(bǔ)償由非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波、無功、負(fù)序電流，還可以調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓為幅值一定的三相對稱電壓，具有綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，是一種較為理想的提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量的補(bǔ)償裝置。3 UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理3.1 UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）將串聯(lián)APF和并聯(lián)APF通過公共的直流母線電壓整合起來，從而結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，具有多種電能質(zhì)量補(bǔ)償功

9、能，不僅可以補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的無功和諧波以及負(fù)序電流，還可以調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓為幅值一定的三相對稱電壓和補(bǔ)償電源電壓負(fù)序分量。在電源電壓和三相電網(wǎng)均發(fā)生諧波畸變的電力系統(tǒng)中，UPQC無疑是一種極有前途的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，目前已有不少研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者就此展開研究。典型的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1 UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3.2 UPQC的檢測原理三相電壓用正序、負(fù)序和零序來表示，其變換公式為 （3-1）其中 將a代入A相正序量為 （3-2）從而可得 （3-3）lp為基波正序電壓初相角使用基于瞬時(shí)廣義無功功率的dp坐標(biāo)變換，經(jīng)過低通濾波后可得到dp軸直流分量，即可得到基波電壓幅值： （3-

10、4）在dp坐標(biāo)下，通過一個(gè)低通濾波器就可以得到dp軸直流分量udp和udp，由下式即得到基波電壓幅值： (3-5)可得到電壓單位基波正序分量： (3-6)這樣從電網(wǎng)電壓中減去電網(wǎng)電壓基波正序分量，便得到需要補(bǔ)償?shù)陌C波、無功和負(fù)序的電源電壓畸變量，即補(bǔ)償量為： （3-7）3.3 UPQC的補(bǔ)償原理3.3.1并聯(lián)有源濾波器的補(bǔ)償3.3.2 UPQC的補(bǔ)償原理 UPQC的補(bǔ)償?shù)刃г韴D如圖3.2所示。其中Us為系統(tǒng)電網(wǎng)電壓，通常情況下存在著諧波干擾和三相不對稱的情況，Ui和Uc分別是負(fù)載電壓和串聯(lián)APF提供的補(bǔ)償電壓，iL和iS分別對應(yīng)負(fù)載電流和電源電流，iC是并聯(lián)APF提供的補(bǔ)償電流，Z為系統(tǒng)

11、非線性負(fù)載。圖3.2 UPQC的補(bǔ)償?shù)刃г韴D若電網(wǎng)電壓是非正弦畸變信號，通過傅立葉分析，可被分解為基波正序、基波負(fù)序和諧波分量。當(dāng)UPQC的串聯(lián)APF提供電網(wǎng)中的基波負(fù)序和諧波分量時(shí)，則負(fù)載側(cè)電壓即可成為三相對稱正弦電壓。由于線路損耗等原因，電網(wǎng)電壓的基波正序分量在到達(dá)負(fù)載端時(shí)，幅值可能會有所下降，為了保證負(fù)載端能夠得到幅值一定的三相對稱電壓，故在設(shè)計(jì)中讓串聯(lián)APF也承擔(dān)了一定基波正序電壓補(bǔ)償?shù)墓δ?。同樣，并?lián)APF提供的補(bǔ)償電流滿足負(fù)載電流中除基波正序有功電流外的其他分量，那么希望補(bǔ)償?shù)呢?fù)序、無功和諧波電流將不再流進(jìn)電源，而直接進(jìn)入并聯(lián)APF，從而電源電流將只提供負(fù)載中的基波正序電流有功分

12、量對于并聯(lián)APF部分，它除了補(bǔ)償電流畸變量以外還負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)直流母線電壓Uc，使其為恒定值。由電壓型APF的特性可知，在工作過程中大電容的電壓值看作是一個(gè)恒定的量。但是電力變換器在實(shí)際工作中存在著有功損耗，因此如果電網(wǎng)不向UPQC輸入一定的有功功率，則電容Cd的初始電壓Uc將不斷減少，造成UPQC不能正常工作。所以電網(wǎng)每個(gè)電周期必須要給電力變換器補(bǔ)充能量，向并聯(lián)APF輸入一定的有功電流。4統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)4.1 滯環(huán)控制系統(tǒng)圖4.1為一單相采用PID滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式控制電路原理圖。在該系統(tǒng)中，把補(bǔ)償電流的指令信號iC*與逆變器實(shí)際發(fā)出的補(bǔ)償電流信號iC。進(jìn)行比較兩者的偏差作為

13、滯環(huán)比較器的輸入，為使跟蹤效果更好，在輸入滯環(huán)之前加入PID環(huán)節(jié)，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)器件通斷的PWM信號，該P(yáng)WM信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后控制主電路功率器件的斷，從而控制補(bǔ)償電流iC*的變化。圖4.1滯環(huán)比較控制原理圖由于滯環(huán)控制具有反應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)和不需要了解負(fù)載性質(zhì)(感性負(fù)載或容性負(fù)載)等優(yōu)點(diǎn)，在有源電力濾波器中采用該控制系統(tǒng)是有利的。然而這種滯環(huán)控制存在開關(guān)頻率變化范圍大。因此，在采用滯環(huán)比較的控制系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)置恰當(dāng)?shù)臏h(huán)寬度，必要時(shí)采取變滯環(huán)寬度的方法，才能達(dá)到較好的跟蹤效果。4.2 SVPWM控制技術(shù)4.2.1基本的電壓空間矢量圖4.2是一個(gè)典型的電壓型PWM逆變器

14、。利用這種逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合，以及開關(guān)時(shí)間的調(diào)整，以保證電壓空間矢量圓形運(yùn)行軌跡為目就可以產(chǎn)生諧波較少的，且直流電源電壓利用率較高的輸出。圖4.2 三相電壓型逆變器4.2.2空間矢量的控制SVPWM控制算法時(shí)，一般都采用矢量合成式的方法。矢量合成式SVPWM在使用數(shù)字處理器實(shí)現(xiàn)SVPWM是通過基本電壓空間矢量與其作用時(shí)間的組合來等效參考電壓矢量與其作用時(shí)間的積分效果。而它的具體實(shí)現(xiàn)則需要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：（1）判斷參考電壓矢量所處的扇區(qū)；（2）計(jì)算出相應(yīng)電壓空間矢量的作用時(shí)間（3）根據(jù)所計(jì)算出的作用時(shí)間，選擇開關(guān)模式生成PWM信號下面就以一個(gè)實(shí)例來對各個(gè)步驟依次分析：（1）判

15、斷參考電壓矢量所處的扇區(qū)扇區(qū)S則由公式S=a+2b+4c來確定。（2）根據(jù)所屬扇區(qū)分配矢量及其作用時(shí)間在確定了參考電壓矢量所屬的扇區(qū)之后，可以確定的是應(yīng)該由零矢量和六個(gè)非零基本電壓空間矢量中的哪兩個(gè)來作為合成矢量。為達(dá)到其等效積分效果，還需要進(jìn)一步根據(jù)矢量合成的平行四邊形原則和PWM的等面積原則，來確定每個(gè)基本電壓空間矢量的作用時(shí)間。這里定義由兩個(gè)電壓矢量以逆時(shí)針方向組成的每一個(gè)扇區(qū)中，相位超前的矢量為,稱為主矢量，相位滯后的矢量為稱為輔矢量，其作用時(shí)間分別為和。下面就以參考電壓矢量落在扇區(qū)時(shí)為例：當(dāng)參考電壓矢量落在扇區(qū)時(shí)，將與扇區(qū)相鄰的有效空間矢量，以及零矢量來合成，的作用時(shí)間,應(yīng)滿足 （4

16、-1）為PWM開關(guān)周期，并且其中 （4-2）而 （4-3）且可以看出，經(jīng)過計(jì)算可以得到 （4-4） 因此，將基本電壓空間矢量的模長代入計(jì)算可以得到在扇區(qū)內(nèi)主、輔空間矢量的作用時(shí)間為： （4-5） （4-6） （4-7）（3）確定矢量切換點(diǎn)Tcm1 ，Tcm2 ，Tcm3 ，如下表4-1表4-1個(gè)扇區(qū)矢量切換點(diǎn)表扇區(qū)號Tcm1 Tcm2Tcm3 5仿真結(jié)果及分析Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。5.1檢測部分的仿真UPQC

17、的檢測部分仿真的電路圖，如圖5.1所示。圖5.1 UPQC的檢測仿真模型圖5.2滯環(huán)控制的仿真在電源電壓在0.02秒到0.06秒之間設(shè)置一個(gè)電壓的跌落，來驗(yàn)證UPQC對電壓跌落的補(bǔ)償效果。雖然跌落的電壓得到了補(bǔ)償，但是補(bǔ)償后的電壓波形存在一定的局部震動，沒有成為嚴(yán)格意義上的正弦波形補(bǔ)償效果不是太好。經(jīng)UPQC補(bǔ)償后，電流的波形已經(jīng)明顯趨向正弦波，但是使用PID滯環(huán)的控制下的電流波形很不理想，電流存在嚴(yán)重的波動。這種電流補(bǔ)償波形雖然有所好轉(zhuǎn)，但不能滿足要求。5.3空間矢量調(diào)制（SVPWM控制）的仿真空間矢量調(diào)制控制的仿真圖如圖5.2所示圖5.2 SVPWM控制方法的仿真模型圖如圖5.3所示，在0

18、.02秒和0.06秒之間有一個(gè)電壓跌落。圖5.3補(bǔ)償之前的三相電壓波形圖經(jīng)SVPWM控制后，電壓補(bǔ)償后的波形圖如圖5.4所示：圖5.4補(bǔ)償后的三相電壓波形圖圖中可以看出，用SVPWM控制補(bǔ)償后，電網(wǎng)電壓的跌落得到了很好的補(bǔ)償，得到的波形基本為正弦波形。電流波形如圖5.5所示：圖5.5補(bǔ)償前的三相電流波形圖圖5.6補(bǔ)償后的三相電流波形圖經(jīng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器補(bǔ)償后得到的電流波形如圖5.6所示，從圖中可以看出，經(jīng)SVPWM控制后，電流的波形有了很大的改善，電流的波形基本是標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦電流，原來的畸變電流得到了完全補(bǔ)償。說明此控制系統(tǒng)是可行的，而且得到了很好的效果。結(jié) 論統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是今年來一

19、個(gè)熱點(diǎn)，理論分析和仿真結(jié)果表明，UPQC技術(shù)能補(bǔ)償電網(wǎng)側(cè)欠電壓和畸變，使得負(fù)載得到較好的正弦電壓，使用戶免受電源畸變的影響，又能抑制非線性負(fù)載電流的畸變量，避免電網(wǎng)受到負(fù)載諧波的污染。因此，UPQC可有效的補(bǔ)償電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的諸多電能質(zhì)量問題。本設(shè)計(jì)在深入分析統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)果和工作原理的基礎(chǔ)上，主要對統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)機(jī)器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的探討，將空間矢量調(diào)制應(yīng)用到統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制中。結(jié)果表明，空間矢量調(diào)制系統(tǒng)是可行的，而且有較好的補(bǔ)償效果。參考文獻(xiàn)1 李國勇，劉漢奎，徐殿國統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究 J電力電子技術(shù)2003，37(1)：74782 胡銘，陳珩.有源濾波器技術(shù)及其應(yīng)用J.電力系統(tǒng)白動化2000(3):66一703 宋文南，劉寶仁.電力系統(tǒng)諧波分析水利M.電力出版社19934 翁利民，陳允平，舒立平.大型煉鋼電弧爐對電網(wǎng)及自身的影響和抑制方案J電網(wǎng)技術(shù).2004,3(8):52-585 姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器:結(jié)構(gòu)、原理、控制M 科學(xué)出版社20096 宋琦并聯(lián)型有源濾波及無功補(bǔ)償?shù)难芯緿華中科技大學(xué)碩士畢業(yè)論文20057 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍諧波抑制和無功功率補(bǔ)償M北京:機(jī)械業(yè)出版社20058 杜永基于全數(shù)