發(fā)布時間：2018-11-12 12:33

【摘要】：靜止同步補償器(Static Compensator-STATCOM)，可以有效解決配電網無功缺失、電壓波動與閃變、電網諧波污染等電能質量問題，是一類兼顧無功補償與諧波治理的重要電力電子變流裝置，鏈式STATCOM相對于變壓器多重化STATCOM，具有占用空間小、運行效率高、可實現冗余運行等優(yōu)點，近年來得到了廣泛關注和應用，對其主電路關鍵參數設計、裝置控制策略以及樣機研制實現的研究具有重要的理論與工程實踐價值。本文針對LCL濾波器的鏈式STATCOM，對上述關鍵技術進行研究。 針對LCL濾波器的鏈式STATCOM的主電路結構、數學模型進行分析，建立三相靜止坐標系和兩相同步旋轉坐標系下裝置的數學模型，，由數學模型可以看出LCL濾波器的鏈式STATCOM是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，并對裝置主電路中關鍵器件：IGBT功率器件、H橋直流側電容及其指令電壓值、鏈節(jié)H橋單元數量、IGBT關斷電壓緩沖電容及電路類型作了詳細的設計與器件選型。 LCL濾波器用較小的電感值即可達到與L濾波器同樣的濾波性能，不但節(jié)省了濾波器成本與體積，而且提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，但由于其三階特性，濾波器的四個關鍵參數變化對濾波性能、諧振頻率、紋波限制、基波電壓損失都會造成影響，參數設計比較復雜。目前LCL濾波器應用研究多集中于低壓場合，未見中高壓，尤其是中高壓鏈式STATCOM應用研究，本文在深入研究LCL濾波器的基本原理與特性的基礎上，提出了一種適用于中高壓鏈式STATCOM的LCL濾波器工程設計方法，按照高頻開關紋波抑制與電壓降、變流器側電感與網側電感比值、濾波電容與網側電感的分流效果、鏈式STATCOM的補償帶寬與LCL濾波器的諧振頻率這四個步驟依次設計與校驗，該方法簡單易用、物理意義清晰，具有一定的工程應用價值。 采用人工魚群智能算法對LCL濾波器的參數進行優(yōu)化設計。傳統(tǒng)的工程設計方法通常在滿足性能指標的海量數據組合中選擇成本最低的方案，無法保證LCL濾波器在開關頻率處的最佳濾波效果。本文用MATLAB語言設計人工魚群智能算法對LCL濾波器參數進行尋優(yōu)的程序，將LCL濾波器的變流器側電感、網側電感以及濾波電容作為每個人工魚的三維搜索空間，以開關頻率處的諧波電流衰減函數作為尋優(yōu)函數，結合裝置補償帶寬等性能指標限制條件，能快速有效地求取LCL濾波器全局最優(yōu)參數，具有一定的理論研究價值。 提出一種基于LCL濾波器網側電流反饋的以PI控制器、二階低通濾波器作為電流控制內環(huán)，結合重復控制器以及對應校正環(huán)節(jié)作為電流外環(huán)的鏈式STATCOM電流跟蹤控制策略，通過電流控制內環(huán)中二階低通濾波器相位延遲特性以及PI控制器的設計解決LCL濾波器的阻尼穩(wěn)定控制與基波無功電流的無靜差跟蹤控制，結合重復控制電流外環(huán)完成鏈式STATCOM對諧波電流的跟蹤控制，兼顧了裝置對補償帶寬內電流跟蹤控制的穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)性能。針對特定場合選擇性諧波補償的性能需求，提出一種基于二階帶通數字濾波器與二階低通數字濾波器配合使用的補償電流指令檢測方法，并對相關數字濾波器的裝置參數進行了詳細的設計，相對傳統(tǒng)的多同步旋轉參考坐標系法，可以節(jié)省大量FPGA內存資源。 建立電網電壓不平衡時鏈式STATCOM有功功率交換的數學模型，分析得出電網負序電壓以及流過三相換流鏈的負序電流對裝置直流側電容電壓均衡控制均造成影響，針對這種情況提出一種適用于不平衡電網環(huán)境下的鏈式STATCOM直流側電容電壓均衡控制策略，從總體、相內、相間三個層面實現直流側電容電壓的平衡控制。電容電壓總體均衡控制借助PI電壓外環(huán)控制達到裝置總體有功功率的平衡；電容電壓相內均衡控制利用裝置輸出電流反饋來疊加誤差信號，在每一相內各個H橋單元的調制波上疊加一個與輸出電流同相位的電壓分量來達到電容電壓的相內均衡控制；相間均衡控制采用一種改進的基于負序電壓前饋環(huán)的直流側電容電壓相間均衡控制策略，在補償裝置并網點的負序電壓的同時，通過將每一相電容電壓的平均值與指令電壓的差值經過PI控制器輸出變換為與電網電壓同相位的交流量，經過同步旋轉變換疊加至電流外環(huán)給定值。該方法不但提高了裝置在并網點電壓不平衡條件下生存能力，而且有效解決了鏈式STATCOM直流側電容電壓的平衡控制難題。 根據本文對LCL濾波器的鏈式STATCOM相關理論與關鍵技術的研究基礎上，成功開發(fā)出6KV配電網±2.8Mvar容量LCL濾波器的鏈式STATCOM的工業(yè)樣機裝置，給出了詳細的樣機研制過程。針對裝置樣機基波無功補償、基波與諧波綜合補償效果進行了并網實驗。實驗結果表明，本文研制的LCL濾波器的鏈式STATCOM的控制策略與關鍵裝置參數設計方法正確有效。最后將工業(yè)樣機用于山東能源棗莊礦業(yè)集團某煤礦地面6KV變電所無功補償與諧波治理，裝置并網運行前后的測量數據證明，基于本文裝置關鍵設備參數設計方法與相關控制策略的LCL濾波器的鏈式STATCOM實現了較為理想的動態(tài)無功補償與諧波治理效果，達到了預期設計目標。
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【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM761.12

【參考文獻】

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本文編號：2327115