三相四线制动态电压调节器研制

作     者：王子赢 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾国宏

授予年度：2020年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：动态电压调节器 三电平DC/DC变换器 TNPC变流器 中点电位控制 不平衡负载控制 

摘      要：在三相四线制低压配电网中,由于电力负荷的急剧增加,特别是冲击性、非线性负载容量不断增长,使得电网中出现越来越多的电能质量问题,在这其中电压暂降是发生频率最高的问题之一。目前主要采用固态切换开关（SSTS）、不间断电源（UPS）、串联型动态电压调节器（DVR）三种方法解决,但存在切换速度慢、维护成本高、补偿容量小等问题。本文提出基于超级电容储能的三相四线制并联型动态电压调节器（DVR）方案,重点解决了其他方法补偿速度慢、维护成本高、电压深度跌落或供电短时中断无法补偿等问题。动态电压调节器利用三电平DC/DC变换器对超级电容进行充放电控制,其中变换器工作在Buck模式时,采用单电流环控制向超级电容充电;变换器工作在Boost模式时,采用中间直流侧电压、电感电流双闭环控制。为了解决超级电容零电压充电时的过流问题和DC/AC变流器的最大功率限制问题,提出分阶段充电控制的方法,主要包括滞环限流充电、恒流充电、恒功率充电、小电流补电四种方法。在超级电容的放电控制中,为了实现负载功率突变时的稳定控制,增加占空比前馈,提高控制的动态响应。针对三电平变换器普遍存在的中点电位不平衡问题,在上述控制的基础上增加基于电容电量安秒平衡和输出电压不变的算法,通过计算上、下半桥脉冲占空比分配因子,达到平衡控制的效果。动态电压调节器通过TNPC三电平变流器构成三相四线制电路为负载供电。并网模式下采用直流侧电压、电感电流双闭环解耦控制,实现单位功率因数控制。离网模式下采用输出交流电压、电感电流双闭环PI解耦控制,为了保证输出电压稳定,增加负载电流前馈控制,以提高系统抗扰动能力。针对不平衡负载导致输出电压含有负序分量的问题,采用基于降阶广义积分器的分离方法,分别在dq旋转坐标系对正负序进行分离控制。针对非线性负载导致输出电压畸变的问题,采用电流环多谐振PR控制方法,通过电流环补偿6k（21）1次谐波电流,保证输出电压的畸变在允许范围内。在以上研究的基础上,对DVR整体控制过程进行仿真分析,验证了电路参数计算的正确性和控制策略的可行性。研制了一台三相四线制DVR样机,详细说明了参数计算和主电路器件选择过程,以及控制系统设计方法。基于双核DSP芯片开发了系统的控制软件,充分利用片上硬件资源设计了多处理器并行计算的软件架构。通过DVR样机实验,对各项指标进行测试,验证了上述控制的有效性。