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1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计2012 年 7 月 18 日课 程 电气工程课程设计 题 目 电能质量调节器控制系统设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气 1 班 学生姓名 学生学号 指导教师 高金兰 姚建红 东北石油大学课程设计任务书课程 电气工程课程设计 题目 电能质量调节器控制系统设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 * 学号 主要内容：分析统一电能质量调节器的拓扑结果和工作原理的基础，并对统一电能质量调机器的控制系统进行设计，将空间矢量调制应用到统一电能质量调节器的控制中，并与传统的 PID 滞环控制进行比较。通过 MATLAB 中的 SImulink 进行电路
2、的仿真，实现两种控制系统下对电能质量的补偿，并对补偿结果进行比较。参考资料： 1 胡铭，陈珩.有源滤波器技术及其应用J.电力系统白动化.2000(3):66 一 70 2 李国勇，刘汉奎，徐殿国统一电能质量调节器的研究 J电力电子技 术，2003，37(1)：7478 3 陈伯时电力拖动自动控制系统M北京：机械工业出版社，1992 4 王正林，王胜开等 MATLAB/Simulink 与控制系统仿真 M北京：电 子工业出版社，2005完成期限 2012.7.10 至 2012.7.18 指导教师 专业负责人 2012 年 7 月 9 日电气工程课程设计（报告）目 录1 设计要求.12 电能质量
3、污染问题.1 2.1 电能质量污染问题产生的原因.12.2 电能质量污染问题的危害.12.3 电能质量污染问题的改善方法.23UPQC 拓扑结构和工作原理.23.1UPQC 拓扑结构.23.2 UPQC 的检测原理.33.3 UPQC 的补偿原理.54 统一电能质量调节器的控制系统.54.1 滞环控制系统.54.2 SVPWM 控制技术.65 电仿真结果及分析.85.1 检测部分的仿真.85.2 滞环控制的仿真.95.3 空间矢量调制（SVPWM 控制）的仿真.9结 论.11参考文献.13电气工程课程设计（报告）11 设计要求（1）首先在掌握统一电能质量调节器的电路拓扑结构的基础上，分析其工作
4、原理。利用瞬时无功功率理论，改进电能质量调节器控制与谐波检测算法，分析其可行性和可靠性。（2）在熟悉统一电能质量调节器的基础上建立它的系统设计的数学模型，对其工作原理进行理论分析。（3）学习 MATLAB 软件并熟练运用其系统建模和仿真功能。用 MATLAB进行系统仿真，分析计算仿真结果。调整系统的参数确定最佳参数。（4）给出改进前后电能质量调节器的仿真波形图，验证系统设计的可靠性和实用性。2 电能质量污染问题2.1 电能质量污染问题产生的原因随着电力系统规模的不断扩大以及系统中非线性负荷的不断增加，电力系统受到的“谐波污染”也越来越严重，加上电力系统可能出现的内外故障，这些因素都可能恶化系统
5、的电能质量。电力系统电能质量污染问题的产生主要有以下原因：（1）非线性负载。（2）电力系统设备的非线性特性。（3）电力系统故障电力系统运行的内、外故障也会造成电能质量问题，如短路故障、雷击、误操作、电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动等都将造成各种电能质量问题。2.2 电能质量污染问题的危害电能质量污染问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害，主要表现在以下几个方面：（1）谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量 3 次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。（2）谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械
6、振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏。电气工程课程设计（报告）2（3）引起电网谐振。（4）导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。2.3 电能质量污染的改善方法2.3.1 无源滤波器无源滤波器也称为 LC 滤波器，是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。在交流系统中，无源滤波器不仅可以起到滤波作用，还可以兼顾无功补偿的需求。LC 滤波器虽然有结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，但是无
7、源滤波器不能补偿频率变动，其滤波效果依赖于系统阻抗和非线性负载的特性，并且容易受温度漂移、电网污染程度、滤波电容老化及非线性负载变化的影响。此外，由于无源滤波器仅对特定次谐波进行有效衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器的个数是有限的，所以对于谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波效果往往不够理想。滤波电容还会产生谐振，造成损坏。2.3.2 有源电力滤波器有源电力滤波器(APF)根据与补偿对象的连接方式不同，分为串联型与并联型两种。按照目前的工业应用和实践，串联型 APF 主要用于补偿电网电压的各种畸变分量，使用户端得到标准的正弦波电压;并联型 APF 主要用于抑制非线性负载的电流谐波，避
8、免谐波污染电网电流。2.3.3 统一电能质量调节器日本学者 Akagi 在 1996 年分析有源滤波器新趋势一文中，首次提出了统一电能质量调节器（UPQCunified power quality conditioner）的概念。它是由串联型 APF 和并联型 APF 通过公用的直流母线电压耦合而成（故又有文献称其为串并联复合型有源滤波器） ，集串联型 APF 和并联型 APF 的功能于一体，不仅可以补偿由非线性负载产生的谐波、无功、负序电流，还可以调节负载端电压为幅值一定的三相对称电压，具有综合的电能质量调节功能，是一种较为理想的提高配电网电能质量的补偿装置。3 UPQC 的拓扑结构和工作原
9、理电气工程课程设计（报告）33.1 UPQC 拓扑结构统一电能质量调节器（UPQC）将串联APF和并联APF通过公共的直流母线电压整合起来，从而结合了两者的优势，具有多种电能质量补偿功能，不仅可以补偿非线性负载产生的无功和谐波以及负序电流，还可以调节负载端电压为幅值一定的三相对称电压和补偿电源电压负序分量。在电源电压和三相电网均发生谐波畸变的电力系统中，UPQC无疑是一种极有前途的电能质量补偿装置，目前已有不少研究机构和学者就此展开研究。典型的UPQC拓扑结构图如图3.1所示。图3.1 UPQC的拓扑结构图3.2 UPQC 的检测原理三相电压用正序、负序和零序来表示，其变换公式为（3- cba
10、uuuaaaa uu2211311）其中 电气工程课程设计（报告）423 21ja将a代入A相正序量为（3- cbcbauujuuuu63 63 61 61 312）从而可得（3- lnln22sin(sin(1131 wtuwtuuuuaaaa uulplpsclsblsal3）lp为基波正序电压初相角使用基于瞬时广义无功功率的dp坐标变换，经过低通滤波后可得到dp轴直流分量，即可得到基波电压幅值：（3-4） scsbsaqduuuwtwtwtwtwtwtuu32sin()32sin(sin)32cos()32cos(cos32 在dp坐标下，通过一个低通滤波器就可以得到dp轴直流分量udp
11、和udp，由下式即得到基波电压幅值：(3-5)22 dqdplpuuu可得到电压单位基波正序分量：(3-6) 32sin(32sin(sin(lplplpcbawtwtwtuuu这样从电网电压中减去电网电压基波正序分量，便得到需要补偿的包含谐波、无功和负序的电源电压畸变量，即补偿量为：（3-7） sccsbbsaacccbcauuuuuuuuu220220220电气工程课程设计（报告）53.3 UPQC 的补偿原理3.3.1 并联有源滤波器的补偿3.3.2 UPQC 的补偿原理 UPQC 的补偿等效原理图如图 3.2 所示。其中 Us 为系统电网电压，通常情况下存在着谐波干扰和三相不对称的情况
12、，Ui和 Uc分别是负载电压和串联 APF 提供的补偿电压，iL和 iS分别对应负载电流和电源电流，iC是并联 APF 提供的补偿电流，Z 为系统非线性负载。图3.2 UPQC的补偿等效原理图若电网电压是非正弦畸变信号，通过傅立叶分析，可被分解为基波正序、基波负序和谐波分量。当 UPQC 的串联 APF 提供电网中的基波负序和谐波分量时，则负载侧电压即可成为三相对称正弦电压。由于线路损耗等原因，电网电压的基波正序分量在到达负载端时，幅值可能会有所下降，为了保证负载端能够得到幅值一定的三相对称电压，故在设计中让串联 APF 也承担了一定基波正序电压补偿的功能。同样，并联 APF 提供的补偿电流满
13、足负载电流中除基波正序有功电流外的其他分量，那么希望补偿的负序、无功和谐波电流将不再流进电源，而直接进入并联 APF，从而电源电流将只提供负载中的基波正序电流有功分量对于并联APF 部分，它除了补偿电流畸变量以外还负责调节直流母线电压 Uc，使其为恒定值。由电压型 APF 的特性可知，在工作过程中大电容的电压值看作是一个恒定的量。但是电力变换器在实际工作中存在着有功损耗，因此如果电网不向 UPQC 输入一定的有功功率，则电容 Cd的初始电压 Uc将不断减少，造成 UPQC 不能正常工作。所以电网每个电周期必须要给电力变换器补充能量，向并联 APF 输入一定的有功电流。4 统一电能质量调节器的控制系统4.1 滞环控制系统图 4.1 为一单相采用 PID 滞环比较器的瞬时值比较方式控制电路原理图。在该系统中，把补偿电流的指令信号 iC*与逆变器实际发出的补偿电流信号 iC。进行电气工程课程设计（报告）6比较两者的偏差作
