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(hù)對(duì)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(lèi)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(zhǎng)期的論題。保持用戶(hù)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(dòng)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(dòng)時(shí)將會(huì)從電網(wǎng)中吸收大量無(wú)功功率，導(dǎo)致電網(wǎng)輸出電壓波動(dòng)，產(chǎn)生諧波[1-6]等問(wèn)題。 電力電子裝置以及沖擊性無(wú)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(wú)功功率，大量無(wú)功電流的流動(dòng)會(huì)使得輸電線路產(chǎn)生較大的壓降。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償措施，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)，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(huì)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(guò)大、機(jī)械振動(dòng)增強(qiáng)、機(jī)體過(guò)熱以及電容器和電纜等元件的絕緣性能降低等問(wèn)題；此外諧波還會(huì)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�？傮w概括，無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(wú)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(dòng)，提高供電質(zhì)量；（3）使三相的有功功率和無(wú)功功率負(fù)載平衡，由于無(wú)功功率補(bǔ)償裝置可以對(duì)負(fù)載電信號(hào)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(wú)功功率負(fù)載的效果[9-11]。 而無(wú)功補(bǔ)償裝置基本原理是通過(guò)把容性設(shè)備和感性負(fù)載并聯(lián)使用，是的無(wú)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(wú)功功率經(jīng)過(guò)電網(wǎng)傳遞的頻率。  圖 1.1 闡釋了容性設(shè)備對(duì)感性負(fù)載進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砗瓦^(guò)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(jiàn)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(wú)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(guò)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其對(duì)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(kāi)關(guān)器件，且每個(gè)功率開(kāi)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(wú)功補(bǔ)償器的逆變器電路中，采用大功率開(kāi)關(guān)器件（IGBT，GTO）當(dāng)做橋臂通斷開(kāi)關(guān)，以此滿(mǎn)足電力系統(tǒng)大功率的要求。但是 IGBT 器件沒(méi)有很高的耐壓等級(jí)，且 IGBT是高速器件難以控制其串聯(lián)使用，同時(shí)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(zhǎng)崗科技大學(xué)在 IAS 年會(huì)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(jí)聯(lián)型逆變電路、中點(diǎn)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(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)也是常見(jiàn)的拓?fù)洹? 
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第 2 章  FFSVM 調(diào)制法在級(jí)聯(lián) STATCOM 中的應(yīng)用 

2.1 FFSVM 算法介紹 
H 橋級(jí)聯(lián)型靜止無(wú)功補(bǔ)償器（STATCOM），能夠以耐壓值較低的高頻功率開(kāi)關(guān)器件滿(mǎn)足大中型電壓網(wǎng)絡(luò)的需求。然而級(jí)聯(lián)各單元直流側(cè)電壓不平衡會(huì)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(jí)聯(lián)型 STATCOM 工程中的一個(gè)重難點(diǎn)。 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(huì)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(wèn)題的方法有交換觸發(fā)脈沖平衡級(jí)聯(lián)模塊導(dǎo)通時(shí)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(jì)算復(fù)雜且調(diào)整效果不明顯。近年來(lái)研究較多的直流側(cè)電容電壓三級(jí)平衡控制法[32-33]也是一類(lèi)常見(jiàn)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(jí)直流母線均壓控制方法，但其運(yùn)算過(guò)程較為復(fù)雜，且零序電壓會(huì)對(duì)直流母線電壓造成影響；第二種方法在三級(jí)控制策略的每個(gè)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(dòng)各個(gè)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(gè)電壓平衡策略（IVBS）,該方法基于瞬時(shí)理論，結(jié)合 d-q 軸變換，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，達(dá)到在只改變 d 軸有功分量的前提下，各單元無(wú)功分量穩(wěn)定的目的，但是該方法在每個(gè)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(huì)增加系統(tǒng)控制算法復(fù)雜度。 H 橋級(jí)聯(lián)型 STATCOM 常常采用簡(jiǎn)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(dòng)時(shí)，它們的輸出波形質(zhì)量會(huì)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(diǎn)鉗位型逆變器中，采用中性點(diǎn)直流電壓前饋調(diào)制法，削弱中性點(diǎn)電壓紋波對(duì)輸出電壓的影響，獲得無(wú)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(jí)聯(lián)型多電平逆變器結(jié)構(gòu)中時(shí)，因?yàn)槟孀兤髦袉蝹�(gè) H 橋模塊輸出的相電壓為三電平，所以每個(gè) H 橋單元可以提供 4 種不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)量進(jìn)行組合。由于每相擁有 4 個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)量，則 H橋級(jí)聯(lián)型三電平逆變器總共有 64（43=64）種開(kāi)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(jí)聯(lián)型 H 橋逆變器所有的 64 個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)量，對(duì)應(yīng)與空間矢量分布圖中的 19 個(gè)電壓矢量[43-44]。其中把位于內(nèi)部中心六邊形各頂點(diǎn)的矢量定義為小矢量，把位于外部的六邊形各頂點(diǎn)的矢量定義為大矢量，把位于相鄰兩個(gè)大矢量中點(diǎn)的矢量定義為中矢量，位于空間矢量分布圖正中心的稱(chēng)為零矢量。由于自身具有數(shù)量較多的開(kāi)關(guān)狀態(tài)量所對(duì)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(shí)序較長(zhǎng)、段數(shù)較多，且還要考慮零矢量與小矢量所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)量，以及中矢量和大矢量所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)量對(duì)三相逆變器直流電壓的影響，增大了調(diào)制算法過(guò)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(shuō)明.......... 34 
3.2  仿真過(guò)程與模型搭建 ....... 34 
第 4 章  仿真結(jié)果驗(yàn)證........... 38 
4.1 FFSVM 對(duì)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(jí)聯(lián)型仿真驗(yàn)證 .... 42 
4.3.1  逆變器輸出電壓波形及分析 ........... 44 
4.3.2 FFSVM 對(duì)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(yàn)證 

為了驗(yàn)證帶有直流電壓前饋的空間矢量調(diào)制算法（FFSVM）對(duì)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?qǐng)D 2.2 所示的單相 220V兩單元級(jí)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(duì)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(duì)直流電壓不平衡的抑制能力 

首先，在兩個(gè)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(duì)比。FFSVM 的仿真控制框圖如圖 4.1 所示。 仿真參數(shù)如見(jiàn)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(guò)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(shí)開(kāi)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(wú)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(gè)仿真過(guò)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(gè)單元的直流電壓波形。在前 0.05s，圖 4.2（b）中兩個(gè)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(gè)單元的直流電壓差則增大到了 12V。從 0.05s 開(kāi)始，在 PI 控制使得直流電壓平均值達(dá)到指令值 170V 的過(guò)程中，圖 4.2（b）中兩個(gè)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(kāi)始輸出無(wú)功電流之后仍然保持了一致；而圖 4.3（b）中兩個(gè)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(shì)，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(gè)單元的直流側(cè)阻抗也不同�？梢�(jiàn) 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(duì)級(jí)聯(lián) STATCOM 所存在的直流電壓均衡控制的問(wèn)題，以一個(gè)單相兩單元級(jí)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(shí)時(shí)檢測(cè)的各單元直流電壓和輸出電流的方向?yàn)橐罁?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(shí)利用各單元輸出電流串聯(lián)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)控制單元直流電壓的平衡，可以應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型 STATCOM。 利用級(jí)聯(lián) H 橋型單相兩單元 STATCOM 系統(tǒng)，通過(guò)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(shí)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(duì)于直流電壓不平衡的 H 橋級(jí)聯(lián) STATCOM 系統(tǒng)的適應(yīng)性。 在級(jí)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(duì)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(shì)，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(wú)功電流指令值的增加，諧波畸變率下降程度微�。籔S-PWM 調(diào)制策略運(yùn)用于三相系統(tǒng)中時(shí)具有使得逆變器輸出電壓諧波畸變率低的特點(diǎn)，然而無(wú)法自動(dòng)使得單元直流電壓收斂到一致，必須額外增加針對(duì)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(jí)聯(lián)型STATCOM直流電壓不平衡的情況，在有一定的輸出電流時(shí)，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(hào)：212913