论 文 题 目 基于四象限双H桥变流器级联型大容量DSTATCOM关键技术的研究
开题报告内容（具体要求见《东南大学研究生选题、开题报告的原则和要求》）
1 课题背景介绍
随着我国国民经济及科学技术的迅速发展，一方面，配电网中快速冲击型负荷（如电弧炉、轧机、绞车等）、大容量电力电子非线性负荷的急剧增加，引起电网电压波动与闪变、三相供电不平衡和电压电流波形畸变等，造成电网电能质量的严重恶化；另一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，如高性能家用电器、办公设备、精密试验仪器、自动控制设备等，人们对电能质量的要求也越来越高。上述矛盾越突出，对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也就越大。因此，研究相关电能质量控制技术与装置，改善和提高电能质量，不仅是社会生产和人民生活正常进行的重要保证，也是节能减耗、提高电能使用效率、可持续发展的必要条件，直接关系到国民经济的总体效益，具有巨大的经济与社会效益。
为了改善配电系统中由于冲击性非线性负荷引起的电压闪变、三相不平衡、谐波等电能质量问题，一方面可着眼于负荷本身的优化设计和运行工况的改善，从根本上降低所引起的电能质量问题；另一方面是在干扰源接入点安装合适的补偿装置来消除无功冲击，滤除高次谐波，平衡三相电网。目前综合解决上述电能质量问题的补偿装置主要有两种：一种是广泛应用的晶闸管相控电抗器（TCR）附加谐波滤波器（FC）组成的静止无功补偿装置（SVC）。该装置可动态跟踪负荷的无功变化，能有效改善系统的功率因数、补偿中性点偏移、滤除高次谐波。但由于装置本身固有的特性，一般实用的SVC装置对电压波动与闪变的改善效果并不理想，且由于TCR相控角度的改变产生的畸变电流会造成电网的二次污染；另外一种装置是配电网静止无功补偿器（DSTATCOM），它是结合大功率电力半导体器件和先进控制理论的新型电力电子装置。与传统的SVC相比，DSTATCOM具有以下优点：动态响应速度快，响应时间短，对电压波动、闪变补偿率较高；补偿电流不依赖系统电压，补偿范围宽；体积小，重量轻，消耗材料少，功耗小；具有较好的滤波效果，不受电网频率影响，没有谐波放大作用和谐振问题。因此，随着IGBT等电力半导体器件技术性能的不断提高，价格不断下降，以及控制理论和控制策略的不断完善，DSTATCOM在配电系统中的应用将越来越广泛，将逐步取代SVC而成为今后电力系统补偿装置发展的方向。 从1986年至1999年，三菱公司至少有200台DSTATCOM投入运行，容量从0.1-60MVar不等，应用场合包括钢铁公司、电气化铁路、水电站等。西门子公司1998年在美国德州投运了一套80MVar的装置，采用三单相桥结构，三相电容共用，用于电弧炉闪变和谐波抑制，功率因数校正以及负荷平衡。ABB的DSTATCOM采用基于IGBT的三电平三相桥逆变器，开关频率1kHz以上。近几年来，国内也已对DSTATCOM进行了广泛的研究，但仅限于试验样机的水平，还没有应用于工业现场的产品出现，特别是高压大容量装置，其总体设计及其他关键技术仍掌握在国外大型企业手中。为了打破技术垄断，我国必须通过自主攻关研究，掌握中、高压大容量DATATCOM装置设计、生产制造等关键技术，掌握完全的自主知识产权。
2 课题进展情况
本课题依托“十一五”国家科技支撑计划重点项目（2007BAA12B03）、江苏省电力公司重点科技项目（J2008057）。 本课题研究的高压大容量DSTATCOM主要用来解决配电网中诸如电弧炉、轧钢机、卷扬机、电力机车等非线性冲击性特殊负荷供电点的电能质量问题。通过抑制上述配电网特殊供电点的电压波动与闪变、三相不对称、谐波等电网污染，提高电网安全稳定性和电网供电质量，提高电网的经济运行效益。该装置的成功研发，将对中低压电网（终端变电站）无功电压和电能质量的动态、暂态、线性补偿产生深远的影响，为电能质量已大面积污染的特殊地区提供保护变电站和电网设备安全可靠运行的解决方案。
本课题研究的主要内容包括： ①高压大容量DATATCOM的主电路拓扑的选择设计、主电路参数的研究设计；②控制理论、控制策略与算法的研究；③检测技术的分析研究；④装置故障机理与容错控制方法的分析研究。⑤装置结构的设计及控制系统的软、硬件的规划设计；⑥1.14kV/100kVA 级联型DSTATCOM样机的开发研制。
本课题研究的高压大容量DSTATCOM主电路结构形式，如图1所示。各功率单元模块由对称的两个单相H桥变流器构成AC-DC-AC的结构模式。其中直流电容右侧H桥为主逆变器，完成装置的主要功能目标；右侧H桥为辅助电路，运行在四象限单位功率因数(UPF)整流器的工作模式下，主要功能是通过多绕组变压器与直流电容并联工作充当H桥逆变器直流侧独立电源，并通过能量双向流动稳定直流侧电容电压，各单元整流器独立运行。
本课题研究的难点与要点：
①主电路拓扑选择设计、参数的研究设计
目前应用在高压大容量DSTATCOM装置的主电路结构有多种形式，如西门子公司的三单相桥结构和ABB公司的基于IGBT的三电平三相桥逆变器结构，以及基于链式逆变器[1]（H桥级联多电平逆变器）的结构。国内也有学者提出诸如二极管箝位多电平逆变器与H桥级联多电平逆变器组成的主从式结构等混合型结构[2]的思路。比较上述各主电路结构，本课题选用级联H桥多电平逆变器的主电路结构，主要在于其结构简单、易于模块化设计，变流器单元工作对称、开关负荷平衡，输出电压谐波小等优点[3]。
关于级联H桥高压大容量变流装置级联方式目前研究较多的主要有两种，一种为ROBICON公司提出的各级联单元采用独立直流电源、交流侧直接相连的结构模式，独立电源由三相不控制整流器加直流电容通过多重化移相变压器连接到交流电网；另一种为直流侧共用直流电源，而交流侧通过移向变压器的方式连接的结构模式。两种方式各有优缺点，第一种方式涉及到直流侧泵升电压无法通过整流器回馈问题，第二种方式直流侧需采用较大容量的直流电容器，且都要使用多重化变压器。 本文提出了一种基于四象限双H桥变流器的级联型多电平DSTATCOM主电路结构，如图1所示。直流电容左侧H桥为单位功率因数（UPF）四象限整流器，作为稳定直流电容电压的辅助电路，各单元整流器通过多绕组变压器隔离连接交流电网；右侧为级联H桥逆变器单元。该结构采用基于IGBT的对称化设计、结构简单，各级联单元直流电压均压稳压相互独立、简单可靠。
主电路参数设计主要涉及功率开关器件的选型，直流侧电容容量以及连接电抗的确定。其中开关器件参数选择主要根据装置的容量、补偿谐波的次数以及系统电压等级等来确定；对于连接电抗的设计，总结各文献资料[4]，主要有3个设计依据：满足稳态条件下滤波器的功率指标，满足电流快速跟踪的指标，满足电感高频谐波抑制指标。
关于直流侧电容容量的确定，从目前相关文献所报道的来看，都没有给出明确的具有指导意义的计算方法，也没有统一的数学公式，但总体上来说主要从直流侧稳压性能以及电压控制响应速度两个方面来考虑。 基于四象限双H桥变流器级联型DSTATCOM主电路结构模式，本课题详细分析了对应于不同补偿电流分量（无功、负序及谐波）条件下DSTATCOM直流侧电流变化规律，推导出直流侧电压数学模型，并据此给出了一种电容容量的精确设计方法。
② 检测技术的研究 快速准确地检测出负荷电流中谐波、无功、不对称分量，是装置实现有效补偿的先决条件。因此，选择合适的检测方法是决定装置性能的关键技术之一。关于快速检测电流中谐波等分量，人们已经发展了很多方法，较早成功应用的主要是基于瞬时无功功率理论的各种快速谐波检测方法及其衍生方法，此类方法实现简单，但效果受低通滤波器性能的影响较大。随着数字处理技术的发展，一些数字化的快速检测方法得到了成功应用，如基于傅立叶变换（FFT）[5]的数字分析法、基于神经网络、小波分析、自适应等检测方法[5-7]以及它们的混合方法的应用研究也层出不穷。此外，基于FBD的检测方法、基于鉴相原理和补偿电流最小原理的谐波与无功电流检测方法也见报道，此类方法理论性较强，但目前实际工程应用难度较大。但从DSTATCOM装置开发和工程应用的角度出发，检测方法主要的研究方向应具备快速、准确、适应性强、易于实现的特点。
③ 控制策略与算法的研究 本课题研究的DSTATCOM所涉及到的控制算法主要有电流快速跟踪控制算法和装置在电网电压不对称状态下的运行控制策略。 电流跟踪控制技术，即根据检测到的负载谐波、无功以及负序电流，实时产生相应的补偿电流，使得系统只向负载提供基波正序有功功率。该项技术也是影响DSTATCOM装置性能的关键技术之一。比较常见的电流跟踪控制方法主要有瞬时值比较方法（滞环电流控制）和三角载波比较控制方法。其中滞环电流控制方式属于实时控制方式，响应速度快，跟踪精度高，易于实现；而三角载波比较方式的特点是器件的开关频率固定，但电流响应比瞬时值慢，实现过程中可结合PI、模糊逻辑、自适应、神经网络等控制策略。另外，一些新的电流跟踪控制方法也不断涌现，如空间矢量法、无差拍控制法、预测电流控制、广义积分法等[8-11]。而应用在级联型DSTATCOM中较为简单适用的电流控制技术主要是基于载波移相SPWM（CPS-SPWM）技术以及错时采样空间矢量（STS-SVM）技术[12]。 由于系统故障或大容量负载不平衡的影响，系统难免会出现三相不对称的状态。当DSTATCOM运行在不对称情况下时，会在装置的直流侧出现二倍频的电压波动，而在交流输入电流中出现负序和三次谐波等非特征谐波，这些非特征谐波降低装置的性能和效率，增加损耗，功率因数恶化，引起装置的过流、过电压保护动作等[13]。因此，研究装置在系统不对称条件下的运行机理及相关控制策略的设计是装置可靠运行、提高装置性能的重要保证，也是DSTATCOM装置研究开发过程中解决的技术难点之一。
④ 模块失效机理与冗余控制技术的研究 当IGBT器件或H桥模块出现故障，应快速启动与模块并联的旁路电路让该故障模块处于旁路状态，而其余健全模块在当前冗余水平条件下，结合理想的控制策略而进入相应工作状态，或全额运行，或降额运行。故障期间的检测、报警和控制以及故障机理的分析研究是整个装置在故障条件下可靠运行的保证，是技术难点之一。
合理的旁路电路以及相应旁路后的控制策略是整个模块失效冗余技术的关键。关于旁路电路实现技术，无论国内外都有相关文献的研究和应用，较为常见的为晶闸管复合开关快速旁路电路。而冗余控制方法，国外同类产品中有采用中性点移相技术[14-15]。国内同类产品只实现了故障单元以及与故障单元同级的其他单元一起旁路的容错技术，电压利用率大大降低，中性点移相技术尚未实现。中性点偏移的实现方式通常有以下两种方法，一种为重新调整三相调制波的相位关系，使得故障单元被旁路后，三相线电压仍然对称；另一种为按故障单元旁路数，调整三相调制波的幅值比，减去共模分量，达到削减峰值的作用。 本课题研究的级联型DSTATCOM，由于其功率单元是基于UPF四象限整流器双H桥级联的电路结构，因此，当故障电路被旁路后，可以考虑在直流侧电容容量允许的范围内，控制整流器让直流电容充电提高直流电压，使得健全模块总的输出电压与故障前相当。这样，一方面直流电压利用率不会降低，另一方面，由于各功率单元整流电路相互独立而不影响其他各相的正常运行。
⑤ 装置控制系统的软、硬件设计 控制系统是整个DSTATCOM装置核心部分，控制着装置的正常运行，而控制系统的硬件与软件是控制策略与算法得以实现的载体。一方面，控制环节算法较多且流程复杂；另一方面，级联型DSTATCOM要求控制系统具有较高控制精度，且由于装置较小的时间常数要求，采样频率较高，很小的误差就会造成装置补偿性能的下降，如采样电路的相位移、脉冲宽度的偏差、脉冲传输导致的相移偏差等。因此，控制系统硬件电路的规划设计、软件程序的规划设计是DSTSTCOM开发应用中关键部分之一。
本课题研究的DSTATCOM装置控制系统采用纯数字化嵌入式控制平台，其中处理核心控制算法的主处理器采用运算速度快、精度高、控制功能强大的DSP芯片TMS320F2812，而采用规模大、集成度高、可靠性强、编程灵活的FPGA芯片EP2C20来完成触发脉冲生成、分配、传输、驱动、逻辑综合与控制等功能，具体控制框图如图2所示。其中，主控制系统与底层各功率单元的控制系统通过光纤编码通讯。
本课题研究主要步骤：
① 理论研究与仿真分析 理论研究工作是本课题的重要组成部分。本课题所涉及的理论研究主要包括装置主电路拓扑的研究、主电路参数设计的研究、控制策略与算法的研究，检测理论与技术的研究以及装置故障机理与容错控制方法的分析研究等。首先对国内外现有的课题相关理论资料进行收集整理、消化吸收，在此基础上，结合本课题的研究方向与特点，通过仿真软件工具（如MATLAB、PSCAD等）的仿真分析，研究并确定本课题DSTATCOM装置的结构选型、参数设计方法以及各种理论算法与控制策略等。最后，对试验样机的运行数据进行分析研究，分析综合装置在各种试验条件下、模拟故障状态下的运行状况和效果，以便对所用各种理论策略进行验证以及发现和解决新的问题。
②试验样机的研制 本课题所研究的DSTATCOM的相关理论算法、控制策略等关键技术，最后必须经过实际装置的运 行试验来验证。 该阶段主要工作包括：装置整体结构布局的规划设计、基于IGBT功率单元模块的设计、控制系统硬件电路、软件程序的规划设计、装置的保护、自诊断监测方法设计、元器件的选型采购、各功能模块的调试、样机试运行。
参考文献：
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研究生签名：
年 月 日
二、学位论文工作实施计划
（一）论文的理论分析与硬件要求及其预期达到的水平与结果
理论分析：
装置主电路拓扑、主电路参数的设计研究，谐波无功负序电流检测理论技术的研究，电流快速跟踪控制策略与算法的研究，电网电压不对称状态下装置运行分析与控制的研究，故障机理与容错控制方法的分析研究等。
硬件要求：
采用基于IGBT的双H桥的功率单元模块级联型DSTATCOM结构，各功率单元由多绕组变压器单独供电，主控制与底层控制采用光纤方式连接。控制平台采用基于DSP+FPGA的全数字化嵌入式硬件结构形式。
预期达到的水平与结果：
样机装置整体水平达到国内同类产品先进水平，发表3～5篇核心期刊。
（二）论文工作进度与安排
2008.1~2008.3 ①国内外研究状况的调研； ②课题研究的方向、主要内容、要点与难点的确定；
2008.4~2008.7 ①检测技术、控制策略与算法等理论研究与仿真分析； ②主电路结构及相关参数的研究与设计； ③装置整体电路模型的仿真分析；
2008.8~2008.10 ①样机主电路结构设计与制作； ②控制系统硬件电路的规划、设计与制作； ③控制系统软件的规划、设计及程序编写；
2008.11~2009.1 ①样机各功能模块的调试； ②样机的整体联调； ③样机的试运行； 2009.2 ①样机运行数据的采集、综合、分析研究；
2009.3~2009.5 ①论文的书写与答辩准备；