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统一电能质量控制器UPQC及其H_∞控制方法的研究

作　者: 李鹏
导　师: 杨以涵；陈志业
学　校: 华北电力大学（河北）
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 统一电能质量控制器(UPQC) 用户电力技术(Custom Power) 电能质量电压下跌 H_∞最优控制跟踪补偿
分类号: TM571.6
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

统一电能质量控制器 UPQC 是用户电力技术(Custom Power)发展的最新趋势之一,它集电压补偿装置、电流补偿装置和储能装置于一体,统一实现多重电能质量调节功能。UPQC 是对配电系统电能质量问题进行全面综合治理及提高供电可靠性更加有效的途径,已成为该领域的研究热点。本文结合国家教育部博士学科点专项科研基金(1999007904)课题“柔性配电系统基础理论研究”深入系统地开展了“统一电能质量控制器 UPQC 及其 H∞控制方法的研究”的论文工作,主要研究成果如下: 1.对本文所给出的一种典型配置方式的 UPQC 主回路的工作机理进行了深入研究,进而系统地明确了 UPQC 的多重电能质量调节功能。根据电力电子技术发展水平和用户应用现状提出了一种经济实用型 UPQC 的拓扑结构,这可大大提高电能质量综合补偿装置的性能价格比。采用有源功率因数校正 APFC 技术实现了 UPQC直流环节的电压控制,同时可确保 UPQC 储能单元以高功率因数方式进行充电并避免其对配电网产生谐波污染。 2.从经典电路理论中瞬时功率的物理本质出发,提出了 UPQC 的电压、电流补偿信号快速直接检测方法,给出了一种正弦电压幅值快速计算实用公式,实现了多重补偿信号的快速、准确检测,并对此直接检测方法进行了有效验证。 3.首次提出了一种基于 H∞模型匹配技术的 UPQC 电压、电流波形跟踪补偿最优控制新方法,为 UPQC 电压、电流波形跟踪补偿控制精度的进一步提高奠定了扎实的理论基础,也为相关领域的波形跟踪控制技术的研究发展提供了一条新途径。另外还给出了 UPQC 并联单元、串联单元合理的简化数学模型。利用该 H∞方法设计出了一套具体的 UPQC 电压、电流波形跟踪补偿 H∞最优控制器,并成功实现了降阶处理。通过大量有力的仿真实验充分证实了本文所提出的基于 H∞模型匹配技术的 UPQC 最优控制器设计方法的正确性和先进性。该 H∞设计方法成功地消除了由 UPQC 的滤波环节和串并联变压器所引起的输出补偿量的附加相移和幅值衰减,并能确保所设计出的闭环控制系统为内部稳定的。 4.剖析了 UPQC 串联、并联单元之间耦合影响的根本原因,提出了 UPQC 串联、并联单元的协调控制策略。从机理出发,通过分别在 UPQC 串联、并联单元中直接引入相应的电压矫正环节并选择合适的 PWM 控制方式,从根本上消除了其串、并联单元的耦合影响,大大简化了 UPQC 整体控制系统的复杂程度,圆满实现了UPQC 串联、并联单元的协调控制,通过大量有力的仿真实验充分证实了采用上述控制策略的 UPQC 可同时实现电压跟踪补偿和电流跟踪补偿的良好性能,最终实现了 UPQC 的多重电能质量统一控制功能。 5.对经济实用型 UPQC 中的 ATSC 型快速动态无功补偿装置中的关键技术进 -ⅰ- i<WP=5>华北电力大学博士学位论文行了深入研究,取得了若干项创新性的科研成果。其主要创新点为:该装置不设限流电抗器,不需对电容器预充电,不需专门的放电电阻,采用了一种独特的无功功率检测算法,可实现快速而无冲击地投切电容器,动态响应时间小于 16ms。所研制的 ATSC 型快速动态无功补偿装置得到了用户的成功应用,充分表明了其所具有的多种电能质量调节功能。ATSC 技术从根本上解决了投切电容器产生冲击而引发的电能质量问题。该 ATSC 型补偿装置通过了国家电力公司科技环保部组织的科技成果鉴定,鉴定结论:国内领先。本文的研究成果为后续的国家电力公司重点科技项目(SP11-2002-01-09)“配电电能质量分析与控制模拟试验系统的研究”奠定了理论基础、创造了技术条件。

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-11
第一章绪论  11-24
  1.1 选题的背景与意义  11-12
  1.2 电能质量问题  12-18
    1.2.1 电能质量的定义及其相关标准  12-13
    1.2.2 有关电能质量的一般分类  13-17
      1.2.2.1 电能质量的扰动种类  13-16
      1.2.2.2 电力负荷的分类  16-17
    1.2.3 电能质量问题的危害  17-18
  1.3 电能质量问题的解决手段  18-21
    1.3.1 用户电力技术(Custom Power)及其应用  18-21
    1.3.2 FRIENDS 技术  21
  1.4 统一电能质量控制器 UPQC的提出及其研究现状  21-23
  1.5 本文的主要工作  23-24
第二章 UPQC 主回路工作原理的研究  24-36
  2.1 引言  24
  2.2 UPQC 的主回路拓扑结构、工作原理及其多重电能质量调节功能  24-27
  2.3 经济实用型 UPQC 的拓扑结构  27-28
  2.4 三相四线制 UPQC 拓扑结构的确定  28-29
    2.4.1 两种典型的三相四线制 UPQC 的拓扑结构  28-29
    2.4.2 本文所采用的三相四线制 UPQC 主回路的技术方案  29
  2.5 UPQC 串联、并联单元配置的一般原则  29-30
  2.6 UPQC 串联、并联单元的有功需求问题  30-31
  2.7 采用有源功率因数校正技术的 UPQC 储能单元的工作机理及验证  31-35
  2.8 小结  35-36
第三章 UPQC 的电压、电流补偿信号快速直接检测方法研究  36-47
  3.1 引言  36
  3.2 几种典型电压、电流补偿信号检测方法的性能分析比较  36-37
  3.3 UPQC 的电压、电流补偿信号快速直接检测方法  37-44
    3.3.1 UPQC 串联单元的瞬时电压补偿量直接检测方法  38-41
    3.3.2 UPQC 并联单元的瞬时电流补偿量直接检测方法  41-44
  3.4 UPQC 的电压、电流补偿信号快速直接检测方法的验证  44-46
  3.5 小结  46-47
第四章基于 H∞优化控制理论的 UPQC 并联补偿单元控制方法的研究  47-77
  4.1 引言  47
  4.2 基于 H∞优化控制的模型匹配技术原理  47-54
    4.2.1 H∞ 控制理论概述  47-49
      4.2.1.1 H∞控制理论的产生、发展及应用  47-49
      4.2.1.2 H∞ 控制理论的实质  49
    4.2.2 H∞ 标准控制问题  49-51
    4.2.3 模型匹配问题化为 H∞标准控制问题  51-53
    4.2.4 基于 Riccati 方程的输出反馈解  53-54
  4.3 基于 H∞模型匹配技术的电流波形跟踪补偿控制新方法  54-58
    4.3.1 UPQC 并联补偿单元的数学模型  55-56
    4.3.2 理想模型 M 的状态空间表达式  56-57
    4.3.3 基于 H∞模型匹配技术的电流波形跟踪补偿控制新方法的实现  57-58
  4.4 电流波形跟踪补偿 H∞控制新方法在 UPQC 并联单元中的具体应用  58-67
    4.4.1 三次谐波的窄带滤波器的设计  58-60
    4.4.2 针对三次电流谐波的 H∞最优控制器的设计  60-62
    4.4.3 基于 H∞模型匹配技术的谐波电流跟踪补偿控制方法的验证  62-65
    4.4.4 基于 H∞模型匹配技术的无功电流跟踪补偿控制方法的验证  65-67
  4.5 基于 H∞模型匹配技术的电流跟踪控制方法与 PID 控制方法的比较  67-69
  4.6 控制器降阶的实现  69-73
    4.6.1 主导极点降阶法  70-71
    4.6.2 主导极点降阶法的具体应用  71-73
  4.7 UPQC 并联补偿单元闭环控制系统的稳定性  73-76
  4.8 小结  76-77
第五章基于 H∞优化控制理论的 UPQC 串联补偿单元控制方法的研究  77-93
  5.1 引言  77
  5.2 基于 H∞模型匹配技术的电压波形跟踪补偿控制新方法  77-80
    5.2.1 UPQC 串联补偿单元的数学模型  77-79
    5.2.2 基于 H∞模型匹配技术的电压波形跟踪补偿控制新方法的实现  79-80
  5.3 电压波形跟踪补偿 H∞控制新方法在 UPQC 串联单元中的具体应用  80-90
    5.3.1 针对五次电压谐波的 H∞最优控制器的设计  80-83
    5.3.2 UPQC 串联补偿单元的 H∞ 控制器的降阶处理  83-85
    5.3.3 电压谐波跟踪补偿 H∞控制方法的验证  85-87
    5.3.4 电压下跌、电压上升跟踪补偿 H∞控制方法的验证  87-90
  5.4 UPQC 串联补偿单元闭环控制系统的稳定性  90-92
  5.5 小结  92-93
第六章统一电能质量控制器 UPQC 的协调控制及其综合补偿效果  93-106
  6.1 引言  93
  6.2 UPQC 串联单元与并联单元之间的协调控制策略  93-103
    6.2.1 解决由外部配电线路造成串、并联单元耦合影响的技术方案  94-101
      6.2.1.1 解决 UPQC 的串联单元对并联单元影响的方法  94-97
      6.2.1.2 解决 UPQC 的并联单元对串联单元影响的方法  97-101
    6.2.2 消除由内部直流电容造成串、并联单元耦合影响的技术方案  101-103
  6.3 UPQC 的电压、电流补偿信号取样接线方式  103-104
  6.4 UPQC 综合的电压、电流跟踪补偿效果  104-105
  6.5 小结  105-106
第七章 ATSC 型快速动态无功补偿装置的研制与应用  106-114
  7.1 引言  106
  7.2 ATSC 型快速动态无功补偿装置的技术特点  106-108
    7.2.1 常规无功补偿装置存在的问题  106-107
    7.2.2 ATSC 型快速动态无功补偿装置的技术创新  107-108
  7.3 ATSC 型补偿装置主回路的原理与设计  108-109
  7.4 ATSC 型补偿装置控制电路的原理与设计  109-110
  7.5 ATSC 型快速动态无功补偿装置的试验结果及用户实际应用效果  110-113
    7.5.1 型式试验及用户现场实测结果  111-112
    7.5.2 ATSC 型快速动态无功补偿装置在用户中的应用效果  112-113
  7.6 小结  113-114
第八章结论  114-116
参考文献  116-124
致谢  124-125
附录  125-133
攻读博士学位期间发表的学术论文  133-135
攻读博士学位期间参加的科研项目  135

统一电能质量控制器UPQC及其H_∞控制方法的研究

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