级联H桥静止同步补偿器关键技术研究与设计--《西安电子科技大学》2014年硕士论文
级联H桥静止同步补偿器关键技术研究与设计
【摘要】：近年来随着我国科技与经济的发展,如电气化铁路、钢铁冶炼等非线性或者冲击性负荷增加快速,致使配电网发生电压畸变的情况增加,电能质量下降,电能损耗增加,并会对各种敏感设备造成不利影响。光伏、风力等新能源发电的大规模兴建,容易造成接入点配电网系统的大幅度扰动,这都需要大量动态无功以支撑其电压稳定。解决上述问题,务必加强配电网电压的控制能力,增加其动态无功补偿设备,因此动态无功补偿装置就发挥了重要的作用。静止同步补偿器(STATCOM)以其补偿范围宽、快速响应、多样化的补偿功能以及占地面积小的优越性正在取代传统无功补偿装置(SVC)等,应用前景广阔,是当前无功补偿领域的研究热点。本文就当前STATCOM研究近况,对整个系统做了全面的设计,并对其控制策略和直流侧电容电压均压控制技术进行了研究。该篇文章研究设计的内容与取得的进展性成果为:1.对静止同步补偿器的拓扑结构与调制技术作了研究。对比分析了常用多电平变换器的拓扑结构和调制技术,通过对系统应用场合以及功能的要求,选择了星型连接的H桥级联多电平结构和载波相移脉宽调制技术(CPS-SPWM)。2.对静止同步补偿器控制策略和直流侧电容电压均压控制技术进行了研究。首先对系统总体控制策略提出改进,在采用前馈解耦控制基础上,并对其在生成调制信号时,通过Park反变换进行优化。然后通过分层控制思想,采用叠加纯有功电压矢量的方法来均衡各个电容上的电压平衡。最后对控制策略和均压控制技术通过Matlab/Simulink进行了仿真验证,仿真结果表明,控制效果良好有效,与不加均衡控制对比分析,平衡控制达到了明显的控制效果。3.对系统的硬件电路和软件电路进行了设计。硬件部分主要有:信号采样调理电路、DSP与FPGA控制电路。对STATCOM系统的软件做了编写并介绍了软件工作流程的实现。4.最后对STATCOM系统主电路器件型号与参数作了研究,并搭建了小电压实验模型,实验验证了硬件与软件设计的可行性和正确性。
【关键词】：
【学位授予单位】：西安电子科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TM761【目录】：
摘要5-6ABSTRACT6-11符号对照表11-12缩略语对照表12-16第一章 绪论16-22 1.1 课题研究的背景与意义16 1.2 静止无功补偿装置的发展概况16-18 1.3 级联STATCOM的原理分析以及发展现状和技术难点18-20
1.3.1 级联STATCOM的工作原理18-20
1.3.2 级联STATCOM的研究现状和技术难点20 1.4 本文研究的主要内容20-22第二章 STATCOM电路拓扑结构与调制技术22-32 2.1 多电平变换器的发展22 2.2 STATCOM装置电路的拓扑结构22-28
2.2.1 变压器多重化结构STATCOM22-23
2.2.2 二极管钳位式三电平结构STATCOM23-24
2.2.3 H桥级联结构STATCOM24-28 2.3 H桥级联多电平STATCOM调制技术28-31
2.3.1 阶梯波脉宽调制技术28-29
2.3.2 空间矢量调制技术（SVPWM）29
2.3.3 载波相移正弦波脉宽调制技术（CPS-SPWM）29-31 2.4 小结31-32第三章 级联STATCOM控制策略与均压控制技术32-48 3.1 级联STATCOM补偿电流的检测技术32-36
3.1.1 瞬时无功理论32
3.1.2 p -q运算方式32-35
3.1.3 i_p -i_q运算方式35-36 3.2 级联STATCOM补偿电流的控制技术36-44
3.2.1 STATCOM数学模型37-40
3.2.2 级联STATCOM总体控制40-41
3.2.3 级联STATCOM上层解耦控制41-42
3.2.4 直流侧电容电压下层均衡控制42-44 3.4 仿真验证与结果分析44-47
3.4.1 STATCOM装置无功补偿仿真分析44-46
3.4.2 STATCOM直流侧均压控制仿真分析46-47 3.5 小结47-48第四章 级联STATCOM硬件设计与实现48-56 4.1 级联STATCOM系统总体结构框图48 4.2 主电路器件型号选择与参数计算48-50
4.2.1 功率器件IGBT的选择48-49
4.2.2 STATCOM直流侧电容与电压的选择49-50
4.2.3 STATCOM连接电感的选择50 4.3 控制电路硬件设计50-54
4.3.1 控制电路总体设计50-51
4.3.2 电网同步电路与倍频电路51-53
4.3.3 信号采样与调理电路53-54 4.4 小结54-56第五章 级联STATCOM软件设计56-66 5.1 系统软件总体设计56-57 5.2 DSP控制算法软件设计57-60
5.2.1 实时电压电流信号采集流程图58-59
5.2.2 数据处理及状态解耦控制流程图59-60 5.3 FPGA均压控制与SPWM波软件设计60-65
5.3.1 软件工作原理60-61
5.3.2 均压控制模块61-62
5.3.3 PWM信号生成模块62-65 5.4 本章小结65-66第六章 系统调试与波形分析66-72 6.1 实际验证参数选择66 6.2 模块调试与波形分析66-68
6.2.1 电网同步电路与倍频电路波形66-67
6.2.2 信号采样与调理电路波形67-68 6.3 DSP输出的控制信号与调制信号PWM波形波形68-69 6.4 驱动脉冲信号波形69-70
6.4.1 FPGA输出SPWM触发脉冲波69
6.4.2 通过驱动板后输出的SPWM驱动波69-70 6.5 主电路实验波形70-71 6.6 小结71-72第七章 结论与展望72-74参考文献74-78致谢78-80作者简介80-81 1.基本情况80 2.教育背景80 3.攻读硕士学位期间的研究成果80-81
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京公网安备75号静止同步补偿器（STATCOM）的仿真与实现--《东南大学》2004年硕士论文
静止同步补偿器（STATCOM）的仿真与实现
【摘要】：随着工业水平的不断提高,用户对电能质量的要求也越来越高。而系统中无功负荷,特别是冲击性无功负荷的存在,不仅增加了各种损耗,而且严重影响了用户端的电能质量。因此,实时快速的无功功率补偿对优化电网潮流分布和提高电能质量具有十分重要的意义。
传统的无功补偿装置响应时间长、调节特性差,而且补偿容量受到装置自身容量的限制。而基于电力电子逆变技术的无功补偿装置STATCOM由于采用了GTO、IGBT等大功率全控型器件,因此能够更快速、更有效的补偿系统中的无功功率。而且补偿容量不受装置容量限制,因此调节特性更优。
文中详细介绍了STATCOM的电路结构、工作原理以及在改善电能质量中的具体应用。讨论了采用电流间接控制和采用电流直接控制的两种STATCOM控制策略。从改善电路结构和优化脉冲触发方式两个方面讨论了STATCOM的自身谐波消除技术。
依据两种不同的控制策略对STATCOM进行了系统级建模及仿真。根据各电量在无冲击性负荷和冲击性负荷情况下的不同输出波形分析了两种控制策略下的STATCOM调节特性和动态特性。
系统设计在主电路上采用三电平技术和四重化技术,控制部分采用双CPU结构,分别为中央控制器和脉冲发生器。其中中央控制器完成数据采集、A/D转换、数据处理及人机接口等功能。脉冲发生器则根据中央控制器的频率值和补偿角值计算出各触发脉冲的相位并输出状态字,同时根据相关电压和电流变量的变化情况为系统提供实时保护。
【关键词】：
【学位授予单位】：东南大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2004【分类号】：TM761.1【目录】：
第一章 绪 论5-10
1.2 无功补偿的意义5-7
1.3 主要无功补偿装置及其工作原理7-10
1.3.1 并联电容器7
1.3.2 同步调相机(Synchronous Condenser-SC)7-8
1.3.3 静止型无功补偿装置(Static Var Compensator－SVC)8-10
第二章 STATCOM补偿原理及其应用10-24
2.1 STATCOM电路基本结构10
2.2 STATCOM基本工作原理10-12
2.3 STATCOM在改善电能质量中的应用12-13
2.3.1 提高系统功率因数12-13
2.3.2 调节系统电压13
2.4 STATCOM控制策略13-16
2.4.1 电流的间接控制14-16
2.4.2 电流的直接控制16
2.5 STATCOM谐波消除技术16-24
2.5.1 改善电路结构17-19
2.5.2 优化脉冲触发方式19-24
第三章 STATCOM系统级仿真24-40
3.1 电流间接控制时的仿真24-32
3.1.1 48脉冲变流器组结构组成25
3.1.2 触发脉冲发生器的结构组成25-27
3.1.3 仿真波形分析27-32
3.2 电流直接控制时的仿真32-40
3.2.1 电量转换模块33-34
3.2.2 电容电压调节模块34
3.2.3 电流调节模块34-35
3.2.4 指令电压生成模块35-36
3.2.5 仿真波形分析36-40
第四章 STATCOM的硬件及软件实现40-54
4.1 STATCOM的硬件实现40-45
4.1.1 检测电路设计40-41
4.1.2 STATCOM控制系统设计41-45
4.2 STATCOM的软件实现45-54
4.2.1 中央控制器的软件设计46-49
4.2.2 脉冲发生器的软件设计49-54
第五章 结束语54-56
5.1 论文及工作总结54-55
5.2 不足之处及可继续研究工作的展望55-56
参考文献57-59
个人发表论文清单59
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京公网安备75号规则采样对载波移相SPWM输出基波相位滞后的影响
1引言载波移相PWM通过调制波与载波的比较得到PWM波形,具有高度的实时性,非常适合链式多电平尤其是STATCOM、DSTATCOM等场合,若使调制波的波形及时反映电网接入点电压的变化情况,可以快速控制逆变器输出电压与电网电压的变化情况相适应,避免出现过电流等故障,满足快速控制的需要[1-6]。对于K个单相桥串联的链式逆变器输出总电压而言,载波移相相当于将原来两电平单相桥的载波108电工技术学报2010年11月输出电压。然而,这些分析和结论都是基于自然采样SPWM之上的。自然采样的特点是由三角载波与正弦调制波的交点来自然地确定脉冲开关点。它的优点在于基波幅值与调制度成正比,有利于调压。但是它有一个很大的缺点,需要用迭代的方法求解超越方程以确定开关点,给实时控制带来很大困难。通常的做法是事先离线计算好,然后将数据存在内存中,查表输出PWM波,这将占用大量内存,不适合微机的在线实时控制。因此自然采样SPWM通常用于由模拟积分器与比较...&
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3.全球能源互联网研究院,北京102209)This work is supported by National Natural Science Foundation of China(No.)and Natural ScienceFoundation of Jilin province(No.JC).近年来,级联型H桥多电平逆变器因其具有开关损耗小、逆变效率高、输出波形质量高、EMI低等显著优点而被广泛应用于高压大功率场合,如压膜机、UPS系统、静止无功补偿装置等[1-2]。多电平逆变器通过各个单元输出的小电压阶梯的叠加来产生期望的交流电压并具有良好的电能质量,与传统的两电平逆变器相比,多电平逆变器具有更低的电压应力和开关频率[3-4]。为控制多电平逆变器的输出基波电压并消除不期望的谐波,人们提出了大量的调制技术[5-9]。文献[5-8]使用了SPWM技术和SVPWM技术,虽然这两种PWM...&
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模块化多电平换流器(MMC)结构由德国学者于2002年提出,最早运用于直流输电工程。它是通过控制桥臂内的各个子模块投入与切除来实现多电平输出,相比较于传统的拓扑结构,模块化多电平变流器具有易实现多电平输出、便于生产与扩容等优势。但MMC采用PWM调制方式会使输出电压不对称,因而同样存在共模电压。共模电压通过对地电容与大地、传输线构成回路形成共模干扰。共模干扰不仅影响设备自身运行,对负载电机造成损害,还会通过地耦合至其他设备,对其他设备造成干扰。目前关于MMC的研究绝大部分集中在MMC控制方法、电容电压波动和环流问题上。文献[1-4]侧重于对控制方法研究,并指出:在电平数少时宜采用多载波调制,电平数多时宜采用最近电平调制;载波移相和载波层叠两种调制方式比较时,载波移相调制方式的各载波控制单元的开关相对均匀,在MMC子模块中的各个电容充放电时间相对平均,有利于电容电压平衡;文献[5-8]侧重对电容电压波动和环流的研究,给出了电容电压...&
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1多电平逆变器技术的基本概念多电平功率转换技术最初是从减少逆变器输出电压谐波成分的需要上发展而来的,在该技术发展的同时,随着功率输出的增加,从而满足了高压直流母线下实现逆变器驱动的需要。我们首先来了解下三电平逆变器:三电平逆变器是指逆变器的交流侧的每相输出电压相对于直流侧的电压有三种电平取值数,分别为:正电压+1/2Ud、负电压-1/2Ud和中点零电压,其原理是由三个电平台阶合成为阶梯波而逼近正弦输出电压,而多电平逆变器指的是逆变器输出的电压电平数大于或等于3的逆变器,将三电平电路推广到任意N电平(其中N≥3)就能得到多电平变换器。多电平逆变器相比于传统的逆变器,具有明显的优势。主要优点如下:(1)能够以低耐压器件来完成高压大功率输出,这是因为逆变器电路中每个功率器件承受的电压得到了降低,为母线电压的l/(N-l),其中,N为电平数;(2)随着逆变器电路电平数的增加,每个开关器件所承受的开关应力du/dt也大大减小,能够改善电磁...&
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0引言多电平逆变器是非常变频领域中非常常见的器件,其具有谐波小、共模电压和波动幅度小、抗干扰能力强、开关频率低、综合效率高等特点。近年来得到了广泛的应用,针对多电平逆变器的相关研究也层出不穷,目前主要集中在对多电平逆变器的拓扑结构[1-2]和控制策略方面[3-4]的研究。在对多电平逆变器的拓扑研究时,又重点是对其功率损耗进行研究,比如对三阶和四阶二极管钳位多电平逆变器功率损耗分析,二极管钳位多电平逆变器、飞跨电容和串联多电平逆变器的功率损耗分析等[5-6]。但总体而言,目前对的研究大多没有对多电平逆变器的功率损耗和散热量进行综合分析[7]。文中将在相同输出电压条件下,对最常用的3种逆变器,即对称串联多电平逆变器、混合非对称串联多电平逆变器和中点钳位逆变器进行分析[8-9],重点研究其功率损耗和散热量。1多电平逆变器的工作原理多电平逆变器主要用于驱动感应电动机,包括中点钳位(NPC)逆变器、多级逆变对称逆变器、多级逆变混合非对称逆...&
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级联多电平逆变器是中压大功率传动系统中应用最为广泛的逆变器拓扑结构之一[1-3],有相电压冗余、谐波含量低、易于模块化设计制造等优点。级联多电平逆变器每个功率单元都需要独立的直流电源,适合于太阳能电池和燃料电池等供电的系统[4]。级联多电平逆变器的整体输出来自各个功率单元输出的叠加,当输出有功功率时,往往存在功率均衡问题[5-6],引起各个电池单元充放电不平衡,利用率不一致,输出电压的总谐波含量增大,直接影响逆变器的运行性能。因此,保证级联多电平逆变器各个单元输出功率均衡具有特别重要的意义。文献[7]提出一种每个单元可以输出五电平却仅需5个开关器件的逆变器拓扑结构。针对级联五开关H桥多电平逆变器拓扑结构,本文提出一种同相层叠锯齿载波交错移相调制方法,兼有同相层叠锯齿载波调制良好的消谐特性和载波移相调制各个单元功率分配均衡的优点。以3个功率单元为例,进行了仿真实验验证。1级联五开关H桥多电平逆变器拓扑结构分析图1为单相m单元级联五...&
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