主動(dòng)配電網(wǎng)PWM變流器動(dòng)態(tài)高品質(zhì)控制方法研究.pdf

1、隨著能源壓力加大和環(huán)保意識(shí)的提升,風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電比重不斷增加,高滲透率下新能源發(fā)電的不間斷隨機(jī)接入給配電網(wǎng)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。主動(dòng)配電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智能配用電等可再生能源接入與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)的有效解決方案。然而,主動(dòng)配電網(wǎng)還處在發(fā)展階段,尚有許多亟待解決的理論問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題。如何研制相關(guān)智能電力設(shè)備并進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)、無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理和可再生能源轉(zhuǎn)換和接入成為電力電子設(shè)備層面的突出問(wèn)題。本文針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)背景下電能質(zhì)量和電能轉(zhuǎn)換的共

2、性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究,以脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)變流器為研究對(duì)象,以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和高品質(zhì)控制效果為研究目的,進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和功率分析、信號(hào)檢測(cè)、控制方法研究、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制和數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。完成從理論分析、仿真研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到具體程序的代碼實(shí)現(xiàn),以便為主動(dòng)配電網(wǎng)相關(guān)智能電力設(shè)備研制提供相應(yīng)的理論保證和技術(shù)支撐。全文主要工作如下

3、:
　　1)建立數(shù)學(xué)模型和進(jìn)行功率分析計(jì)算。采用開(kāi)關(guān)函數(shù)描述法建立三相電壓型 PWM變流器在 abc靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由瞬時(shí)功率理論得到abc靜止坐標(biāo)系下功率計(jì)算公式;利用坐標(biāo)變換方法,分析得到等量變換和等功率變換ab靜止坐標(biāo)系和dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的功率計(jì)算。
　　2)針對(duì)單相系統(tǒng)電壓暫降和電壓定向信號(hào)的檢測(cè),提出一種新型檢測(cè)方法。根據(jù)單相交流電壓信號(hào)離散數(shù)據(jù),利用相線電壓相量關(guān)系,通過(guò)移相角度30°虛構(gòu)出三相電壓信

4、號(hào)。本文提出的檢測(cè)方法幅值變化延時(shí)僅為電網(wǎng)工頻周期的1/12,理論延時(shí)為1.67ms,與目前延時(shí)3.33ms的瞬時(shí)電壓dq分解法和延時(shí)5.0ms的ab檢測(cè)法相比,實(shí)時(shí)性進(jìn)一步提高。三相系統(tǒng)采用此方法,可減少交流電壓檢測(cè)的傳感器數(shù)量,降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。給出了具體實(shí)現(xiàn)方法和仿真結(jié)果。
　　3)提出一種新型準(zhǔn)直接功率控制方法。從PWM控制的基本原理出發(fā),對(duì)傳統(tǒng)直接功率控制開(kāi)關(guān)表調(diào)制機(jī)理進(jìn)行深入分析,對(duì)其開(kāi)關(guān)表調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率能力作

5、出解釋,分析選擇不同零矢量的原因,并指出基于開(kāi)關(guān)表結(jié)構(gòu)的功率滯環(huán)控制的不足。針對(duì)PWM變流器主要實(shí)現(xiàn)整流和逆變功能,從電力系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率控制的角度,提出一種新型準(zhǔn)直接功率控制策略。采用內(nèi)環(huán)定頻,外環(huán)功率的結(jié)構(gòu),滿足功率流向控制的同時(shí)兼顧電流內(nèi)環(huán)保護(hù)。同時(shí)給出控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法和控制仿真結(jié)果,仿真結(jié)果表明實(shí)現(xiàn)PWM變流器的動(dòng)態(tài)高品質(zhì)控制目標(biāo)。
　　4)提出基于abc坐標(biāo)下的PWM變流器自然坐標(biāo)控制方法,包括直接電流控制方

6、法,無(wú)交流電壓傳感器控制方法和直接功率控制方法。由電壓傳感器采集交流側(cè)三相電源經(jīng)計(jì)算得到有功單位分量和無(wú)功單位分量實(shí)現(xiàn)矢量控制效果。對(duì)PWM變流器交流側(cè)的相電壓直接進(jìn)行工程積分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微分方法,獲得每相磁鏈的近似值,通過(guò)相電壓估算和磁鏈估算模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)交流電壓傳感器控制。按照新型準(zhǔn)直接功率控制策略的思想,采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的方法,完成基于自然坐標(biāo)下的直接功率控制。本文提出的基于自然坐標(biāo)的控制方法,不需要進(jìn)行坐標(biāo)變換和三角函數(shù)計(jì)算,物理

7、概念清晰。給出PWM變流器基于自然坐標(biāo)控制方法的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果,仿真結(jié)果表明實(shí)現(xiàn)PWM變流器的動(dòng)態(tài)高品質(zhì)控制目標(biāo)。
　　5)為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,按照V模式開(kāi)發(fā)流程基于dSPACE核心平臺(tái)研制了PWM變流器實(shí)時(shí)控制綜合平臺(tái)。設(shè)計(jì)了主電路、測(cè)量電路、驅(qū)動(dòng)電路、故障檢測(cè)和保護(hù)電路、電源電路等具體電路。進(jìn)行了配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器(distribution static synchronous compensator,DSTATCOM)、統(tǒng)

8、一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner,UPQC)等配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)和PWM變流器整流、逆變電能轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。給出相應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,與仿真結(jié)果相符,算法比較實(shí)驗(yàn)表明本文提出的控制算法進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)現(xiàn)PWM變流器的動(dòng)態(tài)高品質(zhì)控制目標(biāo)。
　　6)研制了基于DSP控制的PWM變流器控制系統(tǒng)。采用32位高性能處理器TMS320F2812,研制了50kva