单相相位和幅值可控电压调节器的研究

论文摘要

电力系统向大型互联电网发展,已经成为世界各国现代电力系统发展的共同趋势,而互联电网的形成使得电网的控制系统日益复杂化,运行日益繁重。为迎合电力系统的发展,出现各种调节电网能量传输的控制装置如抽头变压器、并联无功补偿、电流限制器、分布式串联阻抗、统一潮流控制器、同步静态串联补偿器等。虽然都有控制电网能量传输的作用,但因它们本身固有的缺陷以及适用条件较为严格,因而在应用中受到一定的限制。近年来虚拟正交源（virtual quadrature source,VQS）、相位和幅值可控电压调节器（voltage regulator with controllable phase and amplitude,VRCPA）等概念提出为电网控制系统的设计提供了新的思路和有益参考,VRCPA能够分别独立调节电压的相位和幅值,可被用于控制电网的能量传输,提高电网的电能传输能力,具有潜在的应用价值。本文详细研究了单相相位和幅值可控电压调节器的电路结构和工作原理,并对其进行设计。单相相位和幅值可控电压调节器电路拓扑由前级变换器和后级变换器组合而成。其中前级变换器由Buck型交流变换器和三次谐波陷阱组成;后级变换器为Boost型交流变换器。首先分析了PWM Buck型交流变换器、PWM Boost型交流变换器电路结构。深入研究了级联式PWM Buck-Boost交流变换器电路结构、工作原理,根据其电路工作原理,设计了变结构式控制策略,并对其进行原理仿真与实验验证。仿真与实验验证了级联式PWM Buck-Boost交流变换器具有升降压,动态性能好,电压应力低等优点。级联式PWM Buck-Boost交流变换器不能调节电压的相位。引入VQS技术,在Buck型交流变换器占空比中上叠加一个两倍频的交流分量,在其输出端得到具有相位移的基波电压,但同时产生了三次谐波电压。采用三次谐波陷阱滤除三次谐波电压,最后在前级变换器的输出端得到一个具有相位移的基波电压。后级变换器调节电压幅值。仿真研究了单相相位和幅值可控电压调节器的工作原理。介绍了用DSP软件设计前级变换器控制信号的具体流程,讨论并研究了三次谐波陷阱的设计问题。研制了一台单相相位和幅值可控电压调节器实验原理样机,实验结果和测量数据表明单相相位和幅值可控电压调节器具有独立连续调节相位及电压幅值的功能。最后简单介绍了三相相位和幅值可控电压调节器,由于三相对称关系,三次谐波电压相互抵消,省略了三次谐波陷阱电路,因而相位和幅值可控电压调节器在三相电源中更具有广泛的应用前景和价值。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 交流电网传输能量控制系统的现状与发展
• 1.3 AC-AC 交流变换技术
• 1.4 本文的研究内容与主要意义
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 主要意义
• 第二章 级联式PWM Buck-Boost 型交流变换器
• 2.1 PWM Buck 型交流变换器
• 2.1.1 PWM Buck 型交流变换器的工作原理
• 2.1.2 PWM Buck 型交流变换器的控制策略
• 2.2 PWM Boost 型交流变换器
• 2.2.1 PWM Boost 型交流变换器的工作原理
• 2.2.2 PWM Boost 型交流变换器的控制策略
• 2.3 级联式PWM Buck-Boost 型交流变换器
• 2.3.1 级联式PWM Buck-Boost 型交流变换器的工作原理
• 2.3.2 级联式PWM Buck-Boost 型交流变换器的控制策略
• 2.3.3 级联式PWM Buck-Boost 型交流变换器的仿真与实验波形
• 2.4 本章小结
• 第三章 单相相位和幅值可控电压调节器的原理分析与仿真研究
• 3.1 单相VRCPA 前级变换器
• 3.1.1 单相VRCPA 前级变换器的原理
• 3.1.2 单相VRCPA 前级变换器输出电压u1 相移角φ分析
• 3.1.3 单相VRCPA 前级变换器电压u01 成分分析
• 3.2 三次谐波陷阱
• 3.2.1 三次谐波陷阱电路
• 3.2.2 三次谐波陷阱中基波和谐波电流分量分析
• 3.3 单相相位和幅值可控电压调节器
• 3.3.1 单相相位和幅值可控电压调节器的结构与工作原理
• 3.3.2 单相相位和幅值可控电压调节器仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 单相相位和幅值可控电压调节器的设计
• 4.1 单相VRCPA 前级变换器控制电路的设计
• 4.1.1 TMS320F2812 的简介
• 4.1.2 单相VRCPA 前级变换器控制电路占空比d1 信号的设计
• 4.1.3 单相VRCPA 前级变换器的控制策略
• 4.1.4 单相VRCPA 前级变换器控制信号实验波形
• 4.2 三次谐波陷阱电路的设计
• 4.2.1 三次谐波的危害
• 4.2.2 三次谐波陷阱等效电路
• 4.2.3 三次谐波陷阱电感L3 的设计
• 4.2.4 三次谐波陷阱电路的设计
• 4.3 仿真研究
• 4.4 单相VRCPA 后级变换器的电路设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 实验结果与数据
• 5.1 单相VRCPA 前级变换器的实验波形与数据
• 5.1.1 实验研究
• 5.1.2 实验数据
• 5.2 单相相位和幅值可控电压调节器的主电路结构
• 5.3 单相相位和幅值可控电压调节器的实验波形
• 5.4 本章小结
• 第六章 三相相位和幅值可控电压调节器
• 6.1 三相相位和幅值可控电压调节器的电路结构
• 6.2 三相相位和幅值可控电压调节器的工作原理与控制策略
• 6.2.1 三相Boost 交流变换器工作原理
• 6.2.2 三相Boost 交流变换器控制策略
• 6.3 三相相位和幅值可控电压调节器的仿真研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录A DSP 程序设计
• 附录B 实算输出电压和相位角计算公式
• 致谢