基于改进Buck-Boost斩波电路的无功补偿器设计-开题报告-文献综述-参考文献

随着工业化进程的加快。越来越多的设备中带有基于微处理器控制的功率电子器件和控制模块，这些数字化的微处理器极易受到电磁干扰的影响而不能正常工作。用电负荷的正常运行，工业生产效率的提高，人们日常生活的保障都需要高质量的电能，这使电能质量面临着严峻的挑战。

早期的无功功率补偿设备多是一些无源装置，包括并联电容器、并联电抗器、同步调相机等。并联电容器和并联电抗器价格便宜、安装方便、操作简单，在电力系统无功功率补偿当中受到广泛应用，但电容器或电抗器并联到电网当中以后容易篡改系统原来的电气参数，造成的后果是电气距离、输入阻抗都会因此而发生改变；此外电容器和电抗器采用机械开关进行控制，反应速度慢、连续调节能力差，对于电压升高或降落的短时调节往往显得无能为力；电容器在电容值确定以后，补偿容量就无法改变，不能实现对电网无功负荷的连续、精确补偿；电容器和电抗器的补偿容量受系统电压影响比较大，当电网电压因无功功率不足发生跌落时，电容器和电抗器的补偿容量会因此减小。同步调相机是转动装置，在进行无功功率补偿的同时会造成机械损耗,不适合远距离的无功功率补偿。

静止无功补偿器(SVC)克服了电容器和电抗器投切技术的不足，可以发出和吸收无功功率，补偿容量能够根据电网无功功率的需要进行调节，并且SVC反应速度快、控制方便、使用简单、可频繁动作，但由于换流元件的关断无法控制，SVC进行无功补偿的同时会对电网造成谐波污染。

静止同步补偿器(STATCOM)和静止无功补偿器(SVC)相比控制方法更先进、响应速度更快，且静止同步补偿器(STATCOM)的补偿容量受电压影响小，当电网电压因无功功率不足下降时，具有更强的调节能力，同时谐波含量也得到很大程度的改善。但由于其采用直流/交流(DC/AC)逆变结构，直流侧通常需要大容量的储能元件(一般为电解电容)来支撑，因此可靠性降低，同时由于其成本较高，在工程上推广使用还有一定的难度。

早期的无功功率补偿设备多是一些无源装置，包括并联电容器、并联电抗器、同步调相机等[4]。并联电容器和并联电抗器价格便宜、安装方便、操作简单，在电力系统无功功率补偿当中受到广泛应用，但还存在很多无法避免的缺陷：

(1) 无功补偿电容器在电容值确定以后，补偿容量就无法改变，不能对系统无功负荷进行连续、精确补偿。

(2) 电容器和电抗器并联电网中，容易篡改系统的电气参数，造成的后果是电气距离、输入阻抗都会因此而发生改变。

(3) 电容器和电抗器采用机械开关进行控制，响应速度慢、连续性差，对于电压升高或降落的短时纠正往往显得无能为力。

(4) 电容器和电抗器的补偿容量受系统电压影响比较大，当电网电压因无功功率不足跌落时，电容器和电抗器的补偿容量会减小。

同步调相机是转动装置，在进行无功功率补偿的同时会造成机械损耗和噪声污染，另外同步调相机造价贵，体积大，不适合远距离的无功功率补偿。

静止无功功率补偿器(SVC)可以发出和吸收无功功率，和传统的无功功率补偿装置相比，SVC响应速度更快、控制方便、使用简单、可频繁动作，但由于换流元件的关断无法控制，SVC在进行无功功率补偿的同时容易造成对电网的谐波污染。根据SVC不同的结构类型和补偿特性可以进行如下分类。

表1-5 SVC的各种类型与适用范围

装置名称

特点

应用

固定电容器(FC)

谐波含量少；

不会造成涌流；

不可控制；

操作简便；

与TCR配合使用

机械开关投切电容器(MSC)

谐波含量少；

不会造成涌流；

不可频繁操作；

操作简便；

适用固定的无功功率负载。

晶闸管投切电容器(TSC)

不会造成涌流；

可任意频繁操作；

造价昂贵；

谐波含量少；

适用于无功功率频繁变化的高压系统。

晶闸管投切电抗器(TSR)

响应速度快；

谐波污染大；

开关动作频率高；

能分相投切；

造价昂贵；

可靠性高；

适用于无功功率频繁变化的高压系统。

晶闸管控制电抗器(TCR)

响应速度快；

谐波污染大；

开关动作频率高；

完全自动；

能分相调节；

能平衡有功；

造价昂贵；

可靠性高；

可以抑制电压闪变和大范围电压波动，适用于无功功率频繁变化的高压系统。

自饱和电抗器(SR)

控制方法简单；

维护较简单；

响应速度快；

可靠高；

谐波含量少；

造价昂贵、结构复杂，很少使用。

晶闸管控制高阻抗变压器(TCT)

响应速度快；

谐波污染大；

开关动作频率高；

造价昂贵；

结构复杂；

容量在30MVA以上时

仅在小范围内使用。

静止同步补偿器（STATCOM）和静止无功补偿器（SVC）相比控制方法更先进、响应速度更快，且静止同步补偿器（STATCOM）的补偿容量受电压影响小，当电网电压因无功功率不足下降时，具有更强的调节能力，同时谐波含量也得到很大程度的改善，但静止同步补偿器(STATCOM)存在许多无法避免的缺陷：

（1）静止同步补偿器(STATCOM)采用直流/交流(DC/AC)逆变结构，直流侧通常需要大容量的储能元件(一般为电解电容)来支撑。

（2）静止同步补偿器(STATCOM)造价高、补偿容量小，在工程上推广使用还有一定的难度

早期的无功补偿设备，如同步调相机、并联电容器组，由于其动态响应慢而限于一些负载固定的无功补偿场合使用。静止无功补偿器(static var compensator, SVC) 在补偿无功功率的同时还要考虑高次谐波的消除，在系统电压偏低时其无功 补偿的能力会降低。静止同步补偿器(static synchronous compensator, STATCOM)可以达到连续补偿无功功率，抑制闪变的目的，但是由于其采用直流/交流(DC/AC)逆变结构，直流侧通常需要大容量的储能元件(一般为电解电容)来支撑，因此可靠性降低，同时由于其成本较高，在工程上推广使用还有一定的难度。

文献[5]提出了无逆变器型STATCOM的概念，将传统的并联补偿器变为“动态电容器”，只采用一级交-交斩波变换电路，省去了直流储能环节，但文献[5]仅给出了基本原理，对新型无功补偿技术的特性未作深入研究。文献[6]提出了一种基于有源阻抗概念的无功补偿技术，其基本思想与文献[5]相似。文献[6]采用开环控制策略对基波无功电流进行补偿，不能实现系统的无静差补偿。文献[7-9]基于双虚拟正交源调制技术，提出了动态电容器的无功及谐波补偿技术，但由于该控制方案中各谐波分量之间还有一定的耦合，对各谐波分量的控制较难发现。 

针对传统无功补偿设备的固有缺陷，本文提出了一种基于改进Buck-Boost斩波电路的无功补偿器设计方案。

本课题提出了一种基于改进Buck- Boost交流斩波电路的无功功率补偿设计方案，所做的研究工作如下：

1、介绍了交流斩波无功补偿器的基本构成，对其工作方式、主电路形式、无功电流检测方法、控制策略做了详细的分析。

2、研究了基于三相瞬时无功功率理论的p-q检测法和ip-iq检测法，分析了各补偿电流检测法的优缺点，并提出了检测法改进方案。

3、提出了一种级联式Buck-Boost AC-AC斩波电路。该电路由Buck型和Boost型AC-AC斩波电路两级级联而成，根据输入电压与基准输出电压的大小比较，其存在三种工作模式：Buck模式、Boost模式和滤波模式。该电路虽然由两级变换器级联而成，并采用两级占空比调制，但实际上只存在一级功率变换，具有控制简单、变换效率高等优点。通过对仿真结果的分析，证明了级联式Buck-Boost AC-AC斩波电路可以同时实现降压升压功能，相对于传统斩波电路具有更大的电压调节范围。

4、选择电力电子负载、突变不对称负载以及阻抗时变的电弧炉负载对^范文提出的基于改进Buck-Boost斩波电路的无功补偿器进行了全面仿真。根据仿真结果可以得出，对于常见谐波负载、普通冲击性负载、非对称负载，无功补偿系统均可达到理想的效果，补偿后功率因数接近1。在电弧炉时变负载情况下，由于负载特性，经过补偿后的电源侧三相电流波形没有完全达到三相平衡并有轻微谐波，但波动的功率因数可以稳定在1附近，达到了理想的效果。测试了由负载特性造成三相电压不平衡及电压跌落情况下无功补偿系统的性能，达到了满意的效果。

5、设计了无功补偿器硬件系统的DSP主控板、IGBT驱动电路、信号检测电路、AD采样以及系统保护电路。

二、^范文提纲

文献综述

第一章 绪论

1.1功率因数调整电费与考核方法 

1.2无功功率补偿装置的发展 

1.3 本课题主要研究的内容

第二章 交流斩波无功补偿器概述 

2.1交流斩波无功补偿器系统构成与工作原理

2.2无功电流检测方法 

2.3无功电流跟踪控制策略

2.4本章小结

第三章 无功电流检测方法研究 

3.1基于三相瞬时无功功率理论的检测方法

3.1.1 p-q检测法

3.1.2 ip-iq检测法

3.1.3无锁相环ip-iq检测法

3.1.4改进无功补偿电流检测法

3.2检测方法的模型仿真

3.2.1 ip-iq电流检测模块建模

3.2.2改进型补偿指令电流检测方法建模

3.3 仿真结果分析

3.4本章小结

第四章 BUCK-BOOST斩波电路的改进方法研究

4.1双向开关拓扑结构

4.2第一类双向开关的斩波电路拓扑

4.2.1单相交-交斩波电路拓扑结构

4.2.2三相交-交斩波电路拓扑结构

4.3第二类双向开关的斩波电路拓扑

4.3.1单相交-交斩波电路拓扑结构

4.3.2三相交-交斩波电路拓扑结构

4.4 AC-AC斩波电路的模型分析

4.4.1 Buck电路数学模型分析

4.4.2 Boost电路数学模型分析

4.4.3 Buck-Boost电路数学模型分析

4.5级联式BUCK-BOOST AC-AC斩波电路

4.6级联电路的控制策略

4.7仿真结果分析

4.8本章小结

第五章 总结与展望 

5.1总结

5.2展望

参考文献

参考文献

[1]粟时平,刘桂英.静止无功功率补偿技术[M].中国电力出版社,2006:23-33.

[2]王兆安,杨 君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，1998:67-72.

[3]曾光,康兰,杨波,等.基于瞬时无功理论的无功电流检测方法研究[J].电力电子技术,2009,43(6):9-11.

[4]翁海霞.基于瞬时无功理论的STATCOM电流检测方法与控制技术研究[D].重庆:重庆大学,2011.

[5]DEEPAK D, JYOTI S. Inverter-less STATCOMs[C]// Proceeding of IEEE Power Electronics Specialists Specialists Conference, June 15-19, 2008, Rhodes, Greece: 1372-1377.

[6]LADOUX P, LOWINSKY A, MARINO P. Reactive power compensation in railways using active impedance concept[C]//Proceedings of 2010 International Symposium on Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion, June 14-16, 2010,Pisa, Italy: 1362-1367.

[7]ANISH P, JYOTI S, DEEPAK D. Dynamic var/haimonic compensation with inverter-less active filters[C]//Proceedings of IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, October 5-9, 2008, Edmonton, Canada: 6p.

[8]ANISH P, DEEPAK D. Control of dynamic capacitor[J].IEEE Trans on Industry Applications, 2011,47(1): 161-168.

[9 ]武伟,谢少军,汤鱼,等.基于Buck交-交斩波器的无功补偿器拓扑与控制方法设计[J].电力系统自动化,2013,37(5):124-129.

[10]谢小荣,姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2006:47-56.

[11]肖雁鸿,毛筱,罗瑞琼,等.神经网络理论在谐波检测中的应用[J].电工技术学报, 2002, 17(2): 101-104.

[12]Akagi H.Kanazawa Y, Nabae A. Instantaneous reactive Power compensators comprising switching devices without energy storage components[J]. IEEE Transactions on Industrial applications, 1984, 20(3):625-630.

[13]赤木泰文,埃德森,毛利赛,徐政译.瞬时功率理论及其在电力调节中的应用[M].机械工业出版社,2009:43-47.

[14]Er-xia LI, Wan-xing SHENG, Jun-ping SUN. The Study on Current Detecting Algorithm Based on Generalized Instantaneous Reactive Power Theory [J]. IEEE Conference Publications, 2010, Vol.7(No.8):1-4.

[15]翁海霞.基于瞬时无功理论的STATCOM电流检测方法与控制技术研究[D].济南:山东大学,2011.

[16]唐杰,罗安,涂春鸣,等.配电静止同步补偿器的补偿电流检测方法[J].中国电机工程学报, 2008, 28(28): 108-112.

[17]唐杰.配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)的理论与技术研究[D].长沙:湖南大学,2007.

[18]唐杰,罗安,周柯. 静止同步补偿器电压控制器的设计与实现[J].电工技术学报,2006,8(21): 55-59.

[19]周福林,李群湛,解绍峰等.无锁相环单相无功谐波电流实时检测方法[J].电工技术学报, 2010 (1): 178-182. 

[20]赵伟,罗安,唐杰,等.静止无功发生器与晶闸管投切电容协同运行混合无功补偿系统[J].中国电机工程学报,2009,29(19):92-98.

[21]高聪哲,姜新建,李永东.基于级联有源滤波器与静止无功补偿器的综合补偿控制方案[J].电力系统自动化,2012,36(7):92-98.

[23]赵玲,孙玉坤,郭修原.无锁相环的三相电网谐波和无功检测新方法[J].电测与仪表, 2010, 47(8): 1-3.

[24]丁明昌,张友军,任永保,等.级联式Buck-Boost AC/AC交流变换器的研究[J].电力自动化设备,2010,30(9):46-50.

[25]杨君东,李磊.Buck-Boost式三电平单级AC/AC变换[J].电工技术学报,2010, 25(2):107-113.