第一章 緒論

目前，現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)備大多均為基于電子設(shè)備，如 PLC、單片機(jī)以及電力電子設(shè)備等。電力電子設(shè)備對于干擾是非常敏感的，并且對于諸如電壓跌落、諧波等電能質(zhì)量問題的承受能力較低。其中，電壓跌落以及閃變被認(rèn)為是工業(yè)設(shè)備中最嚴(yán)重的干擾，因此如何抑制這種干擾也成為重要研究課題。通過在負(fù)荷接入點(diǎn)處注入無功功率的方法能夠?qū)尤氲呢?fù)荷提供電壓支持。配電網(wǎng)中接入補(bǔ)償設(shè)備主要是通過向系統(tǒng)中注入無功電流從而提高系統(tǒng)無功功率，進(jìn)而有效地提高電壓水平，保證系統(tǒng)供電可靠性。這些電能質(zhì)量裝置是通過電力電子轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)或串聯(lián)連接而成的，并且由數(shù)字控制器進(jìn)行控制。

對于解決電力系統(tǒng)電壓跌落等問題的方法，其中一種方式就是選用配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（D-STATCOM）進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)的電壓水平。D-STATCOM 采用的是并聯(lián)升壓技術(shù)，通過固態(tài)開關(guān)補(bǔ)償電壓驟降和驟升。D-STATCOM 應(yīng)用主要用于配電網(wǎng)中敏感并且受系統(tǒng)電壓波動(dòng)影響較大的負(fù)載。

1.1 課題研究的背景及意義
目前，隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展壯大，配電網(wǎng)絡(luò)也變得越來越復(fù)雜，并且人們對于電能質(zhì)量的關(guān)注也越來越多，這就對配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。無論從經(jīng)濟(jì)收益的方面還是從社會效益來看，無功功率對于配電網(wǎng)來說是非常重要的。無功功率對于電力設(shè)備來說是至關(guān)重要的，因?yàn)樵O(shè)備需要無功功率來建立磁場，在一些設(shè)備高速運(yùn)行的過程中，無功功率隨時(shí)間的變化是相當(dāng)快的，因此消耗的無功功率如果不能及時(shí)快速的補(bǔ)償，那么就對配電系統(tǒng)的安全性以及可靠性構(gòu)成威脅，配電系統(tǒng)中就出現(xiàn)如電壓跌落以及變等問題，最終導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰以及瓦解[1-3]。因此從上述分析可以得出結(jié)論，那就是維持無功均衡是目前配電網(wǎng)能否穩(wěn)定、安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在，那么功率不平衡將會對電力系統(tǒng)造成許多不利影響，具體來說可以概括為：
1、當(dāng)電力系統(tǒng)中的無功功率突然增加時(shí)，根據(jù)視在功率與無功功率的關(guān)系可知，視在功率將會升高，并且使得系統(tǒng)的總電流升高，進(jìn)而使得電氣裝置的容量不斷升高，這會導(dǎo)致運(yùn)營成本的提高。
2、上面分析了當(dāng)無功功率增加時(shí)，會使得系統(tǒng)的總電流升高，很顯然這會增加系統(tǒng)的損耗。

3、在第一方面已經(jīng)說明了無功功率的增加導(dǎo)致系統(tǒng)的視在功率增加，根據(jù)功率因數(shù)的表達(dá)式可知，如果無功功率增加，那么系統(tǒng)的功率因數(shù)就會降低。

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1.2 課題研究的相關(guān)現(xiàn)狀及存在問題
1.2.1 D-STATCOM 無功電流檢測方法的研究
D-STATCOM的內(nèi)部特性主要包括無功電流的檢測（主要檢測被控對象的電流信號）以及對補(bǔ)償信號的控制。其中最重要的環(huán)節(jié)當(dāng)然是檢測模塊，因?yàn)闄z測到的信號如果不準(zhǔn)確，那么裝置發(fā)出的補(bǔ)償信號就一定會出現(xiàn)誤差。在配電網(wǎng)中，D-STATCOM 能否準(zhǔn)確、快速地補(bǔ)償無功功率、提高系統(tǒng)電能質(zhì)量，這完全取決于 D-STATCOM 檢測性能。目前對于檢測環(huán)節(jié)的研究有很多，但是很多設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中還是存在一定的誤差，因此距離廣泛應(yīng)用還存在一定的距離。在檢測環(huán)節(jié)方面，目前有很多檢測方法，每一種方法都有其優(yōu)點(diǎn)以及缺陷[4-11]。
自適應(yīng)檢測方法屬于智能控制中的一種，在 D-STATCOM 中應(yīng)用較為廣泛，它主要是通過自適應(yīng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)的干擾抵消，從而減小檢測誤差。采用這種方法需要采集網(wǎng)側(cè)電流與負(fù)荷側(cè)電流信號，利用自適應(yīng)能夠使網(wǎng)側(cè)電流信號變?yōu)榕c負(fù)荷側(cè)基波有功分量相位相同的目標(biāo)值，同樣的利用上述方法與網(wǎng)側(cè)電流相比較能夠得到系統(tǒng)需要的補(bǔ)償值。
通過上述對 D-STATCOM 關(guān)鍵技術(shù)的分析，可以了解到 D-STATCOM 目前發(fā)展?fàn)顩r，同時(shí)也為今后 D-STATCOM 性能的提高打下良好基礎(chǔ)。上面介紹的幾種方法有其優(yōu)點(diǎn)也有其缺點(diǎn)，例如采用帶通濾波器在檢測過程當(dāng)中會出現(xiàn)延遲，這就會影響到補(bǔ)償?shù)男Ч�，自適應(yīng)控制方式不僅在檢測中會出現(xiàn)延遲，而且對于實(shí)際電路的設(shè)計(jì)也會帶來一些困難。

線性 PID 控制器是目前在各種各樣領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式，在配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器中的應(yīng)用更是廣泛，我國研制的第一臺靜止同步補(bǔ)償器采用的正是這種控制方式，到目前為止已經(jīng)有系列化產(chǎn)品。PID 主要包括三個(gè)待調(diào)參數(shù)，它的最大特點(diǎn)就是可以根據(jù)控制對象的不同自由組合控制器，從而能夠適應(yīng)不同的控制場合。但是在一些非線性、時(shí)變、耦合以及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的場合時(shí)，其控制效果就不是特別理想，在這種情況下這種控制器就不再適應(yīng)。

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第二章 D-STATCOM 的基本原理

2.1 引言
在輸電線路或者用戶側(cè)必須加入補(bǔ)償裝置，用來補(bǔ)償配電系統(tǒng)的設(shè)備以及在傳輸線路中損耗的無功功率，從而提高配電系統(tǒng)電壓水平，改善系統(tǒng)供電可靠性。D-STATCOM通過連接電抗器與配電網(wǎng)相連，利用脈寬調(diào)制技術(shù)（pulse width modulation,PWM）調(diào)節(jié)輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的夾角，從而控制 D-STATCOM 吸收或者發(fā)出無功功率。

本章分別介紹了 D-STATCOM 的原理以及數(shù)學(xué)模型的建立方法；并且針對D-STATCOM 的不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對比與分析。

2.2 D-STATCOM 的工作原理與結(jié)構(gòu)分析
2.2.1 D-STATCOM 的無功補(bǔ)償原理
根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)得出結(jié)論：在實(shí)際運(yùn)行中，電壓型 D-STATCOM 運(yùn)行效率要明顯高于電流型 D-STATCOM，并且它安全可靠性較高，并不需要額外添加保護(hù)電路等裝置，因此基于以上的優(yōu)勢，目前投入實(shí)際生產(chǎn)中的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備為電壓型D-STATCOM，本文在分析與研究中同樣采用電壓型 D-STATCOM。D-STATCOM 一般將逆變電路通過連接電抗器并聯(lián)在配電系統(tǒng)中，當(dāng)配電系統(tǒng)中的電壓水平較低或者較高時(shí)，通過脈寬調(diào)制 PWM 發(fā)出脈沖，調(diào)節(jié) D-STATCOM 交流側(cè)的輸出與網(wǎng)側(cè)電壓之間相角以及幅值，這樣就可以控制 D-STATCOM 吸收以及發(fā)出輸電線或者用戶側(cè)所需要的功率，調(diào)節(jié)母線的電壓水平。由于對于一個(gè)系統(tǒng)來說，總的瞬時(shí)功率在每個(gè)時(shí)刻都等于每一相的功率的和，那么 D-STATCOM 在補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率時(shí)就是將三相系統(tǒng)看作為一個(gè)整體來進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償。D-STATCOM 在正常運(yùn)行時(shí)，無功電流通過連接電抗器與電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行信息交互，并且 D-STATCOM 本身也會進(jìn)行交流側(cè)與直流側(cè)的信息交互[19-23]。

D-STATCOM 在正常工作時(shí)，直流側(cè)電容內(nèi)儲存的電壓經(jīng)過逆變器結(jié)構(gòu)逆變?yōu)榻涣麟�，輸出與電網(wǎng)側(cè)頻率相等的電壓，并且通過連接電抗器與節(jié)流側(cè)電網(wǎng)相連接，那么在這種情況下，D-STATCOM 可以看做為一個(gè)電壓型逆變器，并且在僅考慮基波頻率的情況下，D-STATCOM 可以看做一個(gè)交流電壓源與電網(wǎng)側(cè)相連，則為了分析方便，本節(jié)利用 D-STATCOM 的單相等效電路來說明其補(bǔ)償無功功率的基本原理，D-STATCOM 的單相等效電路如圖 2-1 所示：

配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器是一種發(fā)展較為迅速的無功功率補(bǔ)償裝置，它主要由直流側(cè)充能元件、逆變器組、平波電抗器組成[28-31]。其中，直流側(cè)的儲能元件為 D-STATCOM的逆變器組提供直流側(cè)電壓支撐；平波電抗器用來濾除諧波，提高其輸出電壓的質(zhì)量；逆變器組將直流側(cè)的直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷�，通過平波電抗器濾除波紋，最后通過變壓器將 D-STATCOM 輸出的電壓等級變?yōu)榕c配電網(wǎng)電壓等級相同的水平，從而使得D-STATCOM 能夠與配電網(wǎng)相連，D-STATCOM 與配電網(wǎng)相連的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-4 所示。

D-STATCOM 的種類根據(jù) D-STATCOM 直流側(cè)儲能元件的不同分為電壓型D-STATCOM 與電流型 D-STATCOM；除此之外，兩種類型的補(bǔ)償裝置的逆變器組也不同，根據(jù)電力電子器件的不同分別采用電壓型逆變器組和電流型逆變器組；最后，兩種類型的補(bǔ)償裝置交流側(cè)分別連接電感與并聯(lián)電容，并聯(lián)電容主要是為了吸收系統(tǒng)由于換向而產(chǎn)生的過電壓，保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。在工程應(yīng)用當(dāng)中，由于電流型 D-STATCOM的逆變器組轉(zhuǎn)化效率較低，并且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電流型 D-STATCOOM 會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行[32]。因此在工程當(dāng)中，普遍使用逆變器組轉(zhuǎn)化效率較高的電壓型D-STATCOM 作為無功功率補(bǔ)償裝置。

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第三章 基于 D-STATCOM 無功電流檢測方法改進(jìn)的理論與技術(shù).......... 16
3.1 引言....................................................16
3.2 基于瞬時(shí)無功功率理論的傳統(tǒng)檢測方法.......................16
四章 基于線性自抗擾（LADRC）的 D-STATCOM 解耦控制..............32
4.1 引言.......................................................32
4.2 自抗擾控制技術(shù)概述........................................32

第五章 結(jié)論與展望.............................................. 47

第四章 基于線性自抗擾（LADRC）的 D-STATCOM 解耦控制

4.1 引言

靜止同步補(bǔ)償裝置作為動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償設(shè)備能夠提高系統(tǒng)功率因數(shù)、降低線路損耗，是目前電能質(zhì)量調(diào)節(jié)領(lǐng)域當(dāng)中主要組成部分，也是柔性交流輸電系統(tǒng)（FlexibleAlternative Current Transmission Systems，，F(xiàn)ACTS）中的重要裝置。在配電網(wǎng)中，D-STATCOM 能否準(zhǔn)確、快速地補(bǔ)償無功功率、提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，這取決于D-STATCOM 中無功電流檢測環(huán)節(jié)是否能夠?qū)崟r(shí)地檢測出配電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流，而無功電流檢測環(huán)節(jié)又是依靠其補(bǔ)償電流的跟蹤控制。因此，補(bǔ)償電流的跟蹤控制是 STATCOM 的關(guān)鍵技術(shù)，對于 STATCOM 直流側(cè)電壓控制與交流側(cè)電流的控制策略成為目前的研究熱點(diǎn)。

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4.2 自抗擾控制技術(shù)概述
由于 PID 控制存在的一些問題導(dǎo)致不能準(zhǔn)確提取誤差，因此它的應(yīng)用范圍比較局限：
（1）上面說到了在 PID 控制中誤差提取不合理，因?yàn)?PID 控制技術(shù)在初始階段容易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，然而控制器又需要保證其控制對象快速性，因此導(dǎo)致被控對象的不能同時(shí)滿足快速性與超調(diào)；
（2）通過很多控制工程實(shí)踐表明，經(jīng)典 PID 控制中的誤差積分反饋的應(yīng)用，對抑制常值擾動(dòng)的作用是顯著的，然而常常使閉環(huán)系統(tǒng)的反應(yīng)遲鈍、容易產(chǎn)生振蕩和控制量飽和等的負(fù)作用[52]。

為了解決上述提到的“矛盾”問題，一般利用預(yù)先安排過度過程的方式改善輸入信號的突變，從而使系統(tǒng)中不再出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象[53-56]。而 TD 可以方便的實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，同時(shí)可以提取系統(tǒng)響應(yīng)的微分信號，改善系統(tǒng)參數(shù)整定的范圍。通過在系統(tǒng)中加入 TD 環(huán)節(jié)、合理的安排過度過程，能夠準(zhǔn)確的提取到系統(tǒng)的誤差信號，從而減小了系統(tǒng)的超調(diào)問題，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速無超調(diào)響應(yīng)，其 TD 結(jié)構(gòu)示意圖表示為（4-2）：

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第五章 結(jié)論與展望

主要對無功電流的檢測環(huán)節(jié)以及補(bǔ)償電流的控制環(huán)節(jié)，并且將改進(jìn)后的裝置應(yīng)用在配電網(wǎng)中，得到以下結(jié)論:
（1）介紹了 D-STATCOM 的無功補(bǔ)償原理及其兩種主要結(jié)構(gòu)（電壓型補(bǔ)償裝置與電流型補(bǔ)償裝置），分析了兩種補(bǔ)償裝置在理論研究與實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)劣，通過對兩種類型補(bǔ)償裝置進(jìn)行分析，最終確定了本文的重點(diǎn)研究對象其次，本文對大容量D-STATCOM 的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了多重化逆變器結(jié)構(gòu)與多電平逆變器結(jié)構(gòu)，闡述了這兩結(jié)構(gòu)的功能以及運(yùn)行狀況，通過比較與研究得到其結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)。
（2）從配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償裝置的檢測環(huán)節(jié)進(jìn)行深入分析與性能的提高，列出了幾種傳統(tǒng)方法，并且主要對傳統(tǒng) ip-iq 的缺陷進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，找出問題所在，并在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)型 ip-iq 檢測算法。文章設(shè)置了電壓波動(dòng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文提出的改進(jìn)方法在三相不平衡狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)跟蹤性能。
D-STATCOM 是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的裝置，本文主要從其中的無功電流檢測環(huán)節(jié)以及控制環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，在該領(lǐng)域還有許多研究方向值得深入研究
（1）在上文中已經(jīng)提到了 LADRC 控制器在系統(tǒng)中具有良好的魯棒性以及抗擾特性，但是 LADRC 中的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器是不是能夠預(yù)測出任何一種擾動(dòng)也是未來需要進(jìn)行研究的，希望在未來利用我們實(shí)驗(yàn)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作，驗(yàn)證其解耦特性；
（2）本文的研究主要集中在建模、D-STATCOM 檢測環(huán)節(jié)與控制器的分析等方面。但是研究表明，當(dāng)系統(tǒng)中不僅有 D-STATCOM，同時(shí)還有其他 FACTS 裝置時(shí)（例如有源電力濾波器 APF），它們之間可能存在交互影響，從而破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，控制器與其他 FACTS 控制器間的交互影響分析及其協(xié)調(diào)控制均有待研究。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：106499