（电气工程专业论文）并联型电能质量控制装置的研制及应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的快速发展，广大用户对电能质量的要求日益提高；但与此同时， 电力系统中大量的非线性、冲击性和不平衡负荷不断增加，使得电能质量变差。由于 d s t a t c o m 可以实现无功补偿和谐波治理以及平衡负荷等功能，研制工业化的 d s t a t c o m 装置可以改善电能质量，达到综合治理的目的，因而成为d f a c t s 技术 发展的重要方向。 我国对d s t a t c o m 的研究已经有十余年的时问，但一直未能实现工业化。实际 上，d s t a t c o m 的大规模的工业化应用还要解决一系列问题：可靠性、经济性、对 系统的适应性( 装置自身的鲁棒性) 、工业化生产的误差控制等。本文致力于 d s t a t c o m 的工业化产品研制和降低装置损耗的优化设计。 本文分析了口一坐标下利用瞬时无功理论检测参考电流并求解装置输出的参考 电流，然后利用空间电压矢量法产生p w m 脉冲( s v p w m ) 的方法。并在此基础上， 建立了针对三相三线制系统的等效系统。然后推导出了a b c 空间的直接脉冲发生算法。 该算法在测量线电压和相电流的情况下实现对系统的控制，计算量比s v p w m 方法大 大减少，有利于数字控制系统的实现。 通过对电抗器的优化设计和改进开关时序，降低了装置的运行损耗。在电磁兼容 设计方面，采用了电磁兼容预测与控铝4 方法。 此外，本文对所研制的三桥臂d s t a t c o m 分别进行了动态模拟实验和现场试运 行。实验结果表明该装置能实现电能质量的综合治理，装置的可靠性和电磁兼容能力 明显提高，基本满足工业化的需要。 最后，分析了现有装置的缺陷和不足，指出了有待继续改进的地方。 关键词：电能质量d - s t a t c o ms v p w m 电磁兼容产业化 华中科技大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m y , h i g hr e q u e s to f p o w e rq u a l i t yi sr i s i n g ；b u ta tt h e s a m et i m e ，t h en u m b e ro fn o n l i n e a r , i m p a c t i v eo ru n b a l a n c e dl o a d sw h i c hc o n n e c tt ot h e p o w e rs y s t e mb e c a m el a r g e ra n dl a r g e r d s t a t c o m ，w h i c hh a v et h ea b i l i t yo f1 0 a d c o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e rl o s sa n dh a r m o u i ca sw e l la sl o a db a l a n c e , i sa ne f f e c t i v e e q u i p m e n tt oi m p r o v ep o w e rq u a l i t y a sar e s u l t , s t u d y o nt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no f d s 1 = f q o mb e c o m e sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no f d f a c t s r e s e a r c ho nd s t a t c o mi l lc h i n ab e g a nt e ny e a r sa g o b u ti td i d n tb e c o m e i n d u s t r i a l i z a t i o n h o w e v e r , t om a s sa p p l yd - s t a t c o mhp o w e rg r i d m a n yp r o b l e m s s u c ha sr e l i a b i l i 劬e c o n o m ya n da d a p t a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n ta l es t i l ln e e dt ob es o l v e d t i l i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fd - s t a t c o ma n db e t t e rd e s i g no fs e l f e q u i p m e n tp o w e rl o s s t h i sa r t i c l ea n a l y z e saw a yf i n do u tt h es o l u t i o no fo u t p u tr e f e r e n c ec t n r c 舡to ft h e e q u i p m e n t 、v i t l lt h em e t h o dt r a n s i e n tr e a c t i v et h e s i st od e t e c tr e f e r e n c ec u r r e n tu n d e ra pc o o r d i n a t e , t h e ng e n e r a t ep w mp u l s ew i t hs p a t i a lv o l t a g ev e c t o rm e t h o d ( s v p w m ) a n d m o r e d e r i v ead i r e c tp u l s eg e n e r a t i n gm e t h o di i lt h ea b cc o o r d i l l a ：t eb yb u i l dae q u i v a l e n t s y s t e mt ot h et h r e ew i r et h r e ep h a s es y s t e m t h i sm e t h o dc o n t r o l st h es y s t e mb ym e a s l l r e l i n ev o l t a g ea n dc u r r e n tb yp h a s e t h i sm a k e sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mc o m i n gt r u e ，b e c a u s e i t sg r e a t l yr e d u c e dt h ec a l c u l a t e dc a p a c i t y t h eo p t i m i z a t i o no f r e a g t o ra n ds w i t c hc y c l et i m eh a sr e d u c e de q u i p m e n tp o w e rl o s s e m cd e s i g ni sp r e d i c t e da n dc o n t r o l l e db e f o r ee x p e r i m e n t e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tp o w e rq u a l i f i e si si m p r o v e db e c a u s eo ft h i se q u i p m e n t ， a l s ot h ef u n c t i o n a l ，r e l i a b i l i t ya n de m c d e s i g n sa r ef e a s i b l e ， a tl a s t , 柚a l y z e dt h ei m p e r f e c t i u n so ft h ee q u i p m e n t , a n dt h ep a r tw h i c hc a nb e 脚- o v h g i ss h o w 姆 k e y w o r d s ：p o w e rq u a l 时d s t a t c o ms v p w me m c i n d u s t r i a l i z a t i o n i i y j 0 1 6 7 9 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：安t ? 蜀江 日期0 豳衫年口月罗，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在 本论文属于 不保密函 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：参l 蜀江 日期：护6 年，明歹f 日 年解密后适用本授权书。 指导教师签名：舭 日期：如b 年f o 月引日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 l引言 1 1 1 电力系统的电能质量问题 电能质量包括四个方面的相关术语和概念：电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) 即用实际电 压与额定电压间的偏差( 偏差含电压幅值，波形和相位的偏差) ，反映供电企业向用户 供给的电力是否合格；电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) 即对用户取用电流提出恒定频率、正 弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行，这个 定义有助于电网电能质量的改善，并降低网损；供电质量( q u a l i t yo f s u p p l y ) 包含技术 含义和非技术含义两个方面：技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服 务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 包括供电企业对用户投诉的反应速度和电力价格等：用电质 量( q u a l i t yo f c o n s u m p t i o n ) 包括电流质量和非技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电 费等，它反映供用双方相互作用与影响用电方的责任和义务。1 1 - 2 1 一般地，电能质量的定义：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频 率偏差。这个定义简单明晰，概括了电能质量问题的成因和后果。随着基于计算机系 统的控制设备与电子装置的广泛应用，电力系统中用电负荷结构发生改变，即变频装 置、电弧炉炼钢、电气化铁道等非线性、冲击性负荷造成对电能质量的污染与破坏， 而电能作为商品，人们会对电能质量提出更高的要求，电能质量已逐渐成为全社会共 同关注的问题，有关电能质量的问题已经成为电工领域的前沿性课题，有必要对其相 关指标与改善措施作讨论和分析，并寻求最佳解决方案。 1 1 2 电能质量指标 电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义，参考 l e e 标准、从电磁现象及相互作用和影响角度考虑给出的引起干扰的基本现象分类如 下1 3 - 4 1 ： ( 1 ) 低频传导现象：谐波、间谐波、电压波动、电压与电流不平衡，电压暂降与短 华中科技大学硕士学位论文 时断电，电网频率变化，低频感应电压，交流网络中的直流； ( 2 ) 低频辐射现象：磁场、电场； ( 3 ) 高频传导现象：感应连续波电压与电流，单向瞬态、振荡瞬态； ( 4 ) 高频辐射现象：磁场、电场、电磁场( 连续波、瞬态) ； ( 5 ) 静电放电现象。 1 1 3 电能质量标准 我国迄今为止已颁布了6 项电能质量指标的国标，概述如下： l 、电压允许偏差 电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 - 1 9 9 0 ) 规定电力系统在正常运行条件下， 低压用户受电端供电电压的允许偏差为；1 0 k v 及以下高压供电和低压三相用户为额 定电压的+ 7 7 。 2 、公用电网谐波 电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 2 9 1 9 9 3 ) 中规定了各电压等级的总谐波畸 变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。该标准还规定了电 网公共连接点的谐波电流( 2 2 5 次) 注入的允许值：而且同一公共连接点的每个用户 向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设 备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。 3 、电压波动和闪变 电能质量电压波动和闪变) ) ( g b l 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) 是在原来标准g b l 2 3 2 6 1 9 9 0 的基础 上，参考了i e c 电磁兼容( e m c ) 标准i e c t l 0 0 3 7 等修订而成的，适用于由波动负荷 引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定 了各级电压下的闪变限制值。 4 、三相电压不平衡 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 适用于交流额定频率为 5 0 h z 电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的p c c 连接点的电压不平衡，该 2 华中科技大学硕士学位论文 标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2 ，短时不得超 过4 ，每个用户不得超过1 3 。 5 、电网频率 电能质量电力系统频率允许偏差( g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 中规定：电力系统频率 偏差允许值为o 2 h z ，当系统容量较大时，偏差值可放宽到+ o 5 h z 0 5 1 - i z ，标准 中并没有说明系统容量大小的界限，而在全国供用电规则中有规定：”供电局供 电频率的允许偏差：电网容量在3 g w 及以下者为0 2 1 - 1 z ：电网容量在3 g w 以上者 为o 5 1 - i z ”。实际运行中，我国各跨省电力系统频率都保持在+ o 1 i - i z 0 i i - i z 的范围 内，这点在电网质量中最有保障。 6 、暂时过电压和瞬态过电压 电能质量暂时过电压和瞬态过电压g b t 1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 标准主要根据 g b 3 1 1 1 ，按过电压的波形特点分为两大类，因为是过电压波形，幅值和持续时间 决定了对设备绝缘和保护装置的影响。”暂时过电压”是指其频率为工频或某谐波频率， 且在其持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压；”瞬态过电压”为振荡的或非振荡的， 通常衰减很快，持续时间只有几毫秒且为缓波前的( 例如一些操作过电压) 或几十个微 秒且为快波前的( 如雷电过电压) 的过电压。 1 1 4 油田低压配电网存在的问题 油田配电网网架结构基本合理，1 0 k v 配电变压器已伸入采油井和辅助负荷。变 压器与油井的平均距离在1 0 0 米左右。油田配电网电能质量主要问题是【5 棚： 1 、电动机效率和功率因数都非常低，“大马拉小车”现象严重； 2 、三相三线电压较高( 4 3 0 v ) ； 3 、节电宝( 斩波器) 、变频器等电力电子设备带来的谐波问题。 油田低压配电网谐波电流来源分析： 华中科技大学硕士学位论文 图i 1 谐波电流来源示意图 所谓谐波电流，是相对于基波( 5 0 h z ) 电流而言的，即频率为基波频率n 倍( n 1 ， 为整数) 的电流，一般记为h n 。图1 - 1 示意了谐波电流的来源，由图中可以看出，由 于变频器中的整流桥与直流电容的存在，直流电容作为中间储能元件，它会通过逆变 桥向电机负载提供能量，此时当系统侧电匿为标准三相对称的基波时，a , b c 三相电 源轮流对直流电容充电，由于直流电容上直流电压的波动，所以负载侧三相电流为“间 歇性”电流波形；这种电流波形实际上是由各种谐波线性叠加的结果，所以可以将负 载侧电流分解为h 3 - h 1 1 次谐波。 谐波电流已经成为电力系统低压配电网的一大公害，其对电网造成的污染越来越 受到业界关注。 l 、谐波电流不做功 在此，首先要明白一个概念：谐波电流与基波电压不产生有功，叩；如果系统电 压为标准对称三相基波时，谐波电流在系统中流动并没有向负载传输功率，而是在“正 功率”与“负功率”状态下周期性的变化。 以图1 - 2 中所示的三次谐波电流与基波电压的功率为倒，由图中所示瞬时有功功 率波形中以看出。其为对于时间轴呈上下对称的正弦波形，根据有功功率概念( 一个 基波周期中瞬时有功功率的积分) 可知，其有功功率为零。电力系统的作用在于将电 4 华中科技大学硕士学位论文 能传输并分配到用电负载，而这种在系统中流动但不传输有功能量的电流是不希望它 存在的，所以在这个角度考虑，谐波电流对电力系统没有丝毫正面作用。 图1 2 谐波电流与基波电压功率 2 、输配电设备承受电流冲击，增加功耗，寿命缩短 谐波电流一般为冲击电流，由于谐波电流在系统中存在，输配电设备( 变压器， 断路器，接触嚣，熔断器等) 不得不承受这种电流冲击；谐波电流的存在会使设备， 尤其是诸如变压器等含有铁芯的设备功耗明显增加，温升增高；根据统计，设备温度 每上升1 0 ，其寿命将缩短1 2 ： 3 、设备利用率降低，设备投资增加 5 华中科技大学硕士学位论文 图1 3 基波电流与谐波电流叠加示意图 如图1 3 示，设负载有功基波电流幅值为2 0 0 a 时，输配电设备的容量可以选为 2 0 0 4 2a ( 电流有效值) ，而当负载中含有谐波电流时，其与基波电流叠加后的幅值 会达到3 0 0 a ，由图中波形可以看出其有效值仍然接近2 0 0 2 a ，但由于其最大值为 3 0 0 4 2a ，所以整条线路的输配电设备不得不按3 0 0 4 2a 配置( 如果仍然按 2 0 0 2 a 配置，将存在过负荷的隐患) 。由上面分析可知由于谐波电流的存在，设备 容量不得不选为有效容量的3 0 0 2 0 0 = 1 5 倍，大大提高了设备投资成本。 4 、导致电压闪变 系统侧( 变压器，输电线路) 均存在阻抗，由于在负载中存在谐波电流，则在这 些阻抗上存在谐波电压，从而导致负载侧的电压存在谐波。一旦负载电压存在谐波， 会使变频器类负载电流进一步恶化；同时也会使与变频器( 谐波源) 并联的其它负载 工作条件恶化，如：会使电动机运行转拒出现波动从而出现机械振动，电动机铁损增 加，温升增高等。 5 、影响计量设备精确度 低压配电网中使用的大量计量设备( 如：有功功率表，无功功率表等) 都存在采 样电路，由于谐波电流的存在，导致对电流的采样存在较大误差，从而影响了计量的 6 0 0 a o 0 o 0 0 a 旧吣吣 猢m 雌m 瑚 |詈抛啦枷抛暑 华中科技大学硕士学位论文 精确度，造成不必要的经济损失。 油田低压配电网无功电流来源与危害分析： 系统侧a 上电压负载侧电流 电路 有功电流 无功电流 图1 4 无功电流示意图 油田低压配电网中最多的负载就是电动机，电动机是一种典型的感性负载，由于 负载中感性阻抗的存在，使电负载电流比电压滞后一个角度( 妒) ，实际上可以将负 载电流分解为传输功率的有功电流与不传输功率的无功电流，如图l - 4 示，有功电流 与电压同相位，无功电流比电压滞后9 0 0 。 除谐波电流外，无功电流是低压配电网的又一公害，无功电流给配电网带来诸多 危害，如下所述。 l 、设备功耗增加，寿命缩短 很显然，无功电流的存在，使配电线路中的传输电流值增大，从而设备功耗增加， 温升提高，寿命缩短。 2 、设备利用率降低，设备投资增加 由于配电线路中电流值增大，不得不将输配电设备容量配置得较大，造成投资成 本增加。 3 、电压降低，影响设备正常运行 如前所述，配电网系统中存在阻抗，所以系统电流过大会导致负载端电压降低， 使负载工作环境恶化，工作效率降低，功耗增加。 俐。 ，c【 蕊 华中科技大学硕士学位论文 1 2 电能质量治理的现状 1 2 1 治理的基础性工作 首先要掌握供电网络运行状态，对电能质量开展实时监测，以掌握其动态；第二 是分析诊断其变化，即在详细分析电能质量数据的基础上，利用仿真软件对电网结构 的固有谐振特性进行计算与分析，排除虚假的谐波干扰；第三是开展系统的合理设计 和改造，变电站的设计和投运以及新的电力用户投运之前都要进行谐波源负荷及电能 质量要求等方面的技术咨询，线路网络改造和建设也要结合运行负荷的特点和措施， 以降低线损，降低设备损失事故，最后才是开展滤波装置或无功补偿装置的研制、调 试和现场测试，以了解治理后的效果，并总结经验。下面对部分控制技术r r j 进行了简 要介绍。 1 2 2 s v c 装置 近些年来发展起来的s v c 装置是一种快速调节无功功率的装置，已成功地用于 电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿，它可使所需无功功率作随机调 整，从而保持在非线性、冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定。 q = q d + q q ( 1 1 ) 式( 1 - 1 ) 中q i 、q d 、q l 、q 。分别为：系统公共连接点的无功功率、负荷所需的无 功功率、可调( 可控) 电抗器吸收的无功功率、电容器补偿装置发出的无功功率，单位 均为k v a r 。 当负荷产生冲击无功a q d 时，将引起 q i = a q o + , q l - x q( 1 2 ) 其中q c = = o ，欲保持q c 不变，即a q i = 0 ，则a q d = - a q l ，即s v c 装置中感 性无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整，此时电压水平能保持恒定不变。 s v c 由可控支路和固定( 或可变) 电容器支路并联而成，主要有四种型式： l 、可控硅阀控制空芯电抗器型( 称t c r 型) s v c ，它用可控硅阀控制线性电抗器 实现快速连续的无功功率调节，它具有反应时间快( 5 2 0 t m ) 、运行可靠，无级补偿、 分相调节，能平衡有功，适用范围广，价格便宜等优点。t c r 装置还能实现分相控制， 8 华中科技大学硕士学位论文 有较好的抑制不对称负荷的能力，因而在电弧炉系统中采用最广泛，但这种装置采用 了先进的电子和光导纤维技术，对维护人员要专门培训提高维护水平。 2 、可控硅阀控制高阻抗变压器型( t c t 型) ，优点与t c r 型差不多，但高阻抗变 压器制造复杂，谐波分量也略大一些。由于有油，要求一级防火，只宣布置在一层平 面或户外，容量在3 0 m v a r 以上时价格较贵，不能得到广泛采用。 3 、可控硅开关控制电容器型( t s c ) ：分相调节、直接补偿、装置本身不产生谐波， 损耗小，但是它是有级调节，综合价格比较高。 4 、自饱和电抗器型( s s r 型) ：维护较简单，运行可靠，过载能力强，响应速度快， 降低闪变效果好，但其噪音大，原材料消耗大，补偿不对称电炉负荷自身产生较大谐 波电流，无平衡有功负荷的能力。 1 2 3 无源滤波装置 该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或 其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用：由于s v c 的调节范围 要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无 功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。 国际上广泛使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽 颇带与三阶宽频带高通滤波器等。 l 、单调谐滤波器：一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单；缺点是 电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加， 而电炉正好是低次谐波，主要是2 7 次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器 当品质因数在5 0 以下时，基波损耗可减少2 0 5 0 ，属节能型，滤波效果等效。三 阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波嚣，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统 中，2 次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。 2 、高通( 宽频带) 滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线 性负荷系统中采用时，对5 次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回 路对5 次及以上次谐波的低阻抗通路。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 2 4 有源滤波器 虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广 泛用于配电网中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波， 而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展， 人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器( a c t i v e p o w e r f i l t e r ，缩写为a p f t s l ) 。 a p f 即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反 的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的1 3 5 - 3 6 1 。它与无源滤 波器相比，有以下特点： l 、不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性 价比上较为合理； 2 、滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险； 3 、具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速 响应性等特点。 1 2 5 系统化综合补偿技术 近段时间提出的系统化综合补偿技术是解决电能质量问题的“治本”途径【2 3 】。对 于稳态时的电压质量问题有许多成熟的措施加以解决；但对于动态电能质量问题，依 靠传统的无功补偿和常规的滤波装置则不能有效地解决，因为诸如电压跌落( s a g s ) 、 浪涌( s u r g e ) 、电压脉冲( i m p u l s e ) 与瞬时供电中断o u t a g e ) 这类电能质量问题持续的时间 很短、变化很快，并且有的电能质量问题还伴随着部分甚至全部的有功损失等情形。 作为f a c t s 9 1 哪( 基于电力电子技术的灵活交流输电系统1 1 1 】) 技术与配电系统应用 的延伸d f a c t s 技术1 刁( 又称c u s t o mp o w e r 技术t 1 3 1 ) 已成为改善电能质量的有力工具， 该技术的核心器件i g - c t ，它比g t o 具有更快的开关频率，并且关断容量已达到一定 规模，因此d f a c t s 装置具有更快的响应特性。目前d f a c t s 装置主要有：动态电 压恢复u ( d v r ) ，配电系统用静止无功补偿器( d - s t a t c o m ) 、固态切换开关( s s t s ) 等。 s 1 a 1 r c o m 在s v c 装置基础上，克服了由于呈恒阻抗特性，使得在电压低时，无 i o 华中科技大学硕士学位论文 法提供所需的无功支持，应付突发事件的能力较弱；而且占地面积大，过多的s v c 易引发系统振荡的弊端，s t a t c o m 的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定， 在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可从感性到容性全范围内连续调节，使得 其无功输出相当于同容量s v c 的1 4 2 倍；因s t a t c o m 的灵活调压，还可以大 大减少变压器分接头的切换次数，从而减少分接头故障次数，另外，s t a t c o m 还可 以抑制电压闪变，提高系统暂态稳定水平，结合我国的国情和已有的技术，发展 s t a t c o m 应是解决我国电压稳定问题的有效手段，并且也是d f a c t s 技术发展的主 要方向。 d v r 则是目前保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装置，因为它通过 自身的储能单元，能在i l l s 级内将电压跌落补偿至正常值，因此是抑制动态电压干扰 的有效补偿装置，它主要由储能单元、d c a c 逆交器模块、连接变压器等部分组成， 储能容量可根据用户电压跌落统计数据确定，逆变器的模块一般采用由i g b t 构成三 相全桥结构，采用p w m 调制方式，这种结构控制灵活，便于分相补偿。因而d v r 与消除电压跌落，提高大型综合性敏感工业负荷的供电质量方面有显著的效果 s s t s 一般与d s t a t c o m 配合使用，用于保障由多回独立馈线对重要负荷的供 电质量，当馈线发生故障或电压跌落时，利用s s t s 的快速切换特性( 切换速度不到半 个周期) 将重要负荷切换到由另一条馈线供电，切换期间d s t a t c o m 可向重要负荷 提供l 2 个周期的电能支撑。 1 3d - s t a t c o m 的研究的现状 配电系统用静止同步补偿器- s t a t c o m ) 是基于现代电力电子技术，控制技 术、通信技术、制造技术和工艺技术研制和生产的新型配电网电能质量控制和节能节 电设备，可连续无级调节无功功率的输出或吸收、提高线路功率因数、消除电流谐波、 平衡三相受载、拘翻电压闪变等，与配电网电容器补偿相比可以显著改善电能质量和 提高城市配电系统的稳定性。结合我国的国情和已有的技术，发展d s t a t c o m 应是 解决我国电压稳定问题的有效手段，并且也是d f a c t s 技术发展的主要方向。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 1d s 1 瑚陀o m 的基本结构与分类 d s t a t c o m 装置按照联结方式可以分为串联型和并联型。按照直流源又可分为 电压型( 图l 一5 ) 和电流型( 图1 - 6 ) 。按结构又可分为三桥臂、四桥臂和单相全桥。 本文研究的并联型电能质量控制装置采用了并联电压型三桥臂结构。它属于静态并联 补偿器。它的目标是减小系统中的谐波电流、无功电流和不平衡电流。研制 d s t a t c o m 装置和工业化的技术问题主要有以下几个方面【1 6 】；d s t a t c o m 主电路 设计、控制电路设计、补偿算法设计、脉冲发生器设计以及工业化过程中的可靠性设 计、易维护性设计等。 图1 - 5 电压型d s n 玎c o m l - 3 2p w m 技术发展概况及存在的问题 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 1 2 华中科技大学硕士学位论文 环节上时，其效果基本相同。p w m 控制技术 1 7 - 2 1 1 就是以该结论为理论基础，对半导 体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉 冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进 行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。p w m 技术是 d s t a t c o m 的重要组成模块。 p w m 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约， 在上世纪8 0 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪8 0 年代，随着全控型电力电子 器件的出现和迅速发展，p w m 控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电 子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统 控制思想的应用，p w m 控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种p w m 控制技术，根据p w m 控制技术的特点，到目前为止主要有以下8 类方法。l 、相电 压控制p w m , 2 、线电压控制p w m ；3 、电流控制p w m ；4 、空间电压矢量控制p w m ； 5 、矢量控制p w m ；6 、直接转矩控制p w m ；7 、非线性控制p w m ；8 、谐振软 开关p w m 。 预测电流控制法：预测电流控制是在每个调节周期开始时，根据实际电流误差， 负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此，下一个调节周期由p w m 产生的电压矢量必将减小所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差外更多 的信息，则可获得比较快速、准确的响应。目前，这类调节器的局限性是响应速度及 过程模型系数参数的准确性 2 维s v p w m 空间电压矢量控制p w m ( s v p w m ) 也叫磁通正弦p w m 法。它以三 相波形接体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆 变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆 变器的开关，形成p w m 波形。此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个 整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场( 正弦磁 通1 。 华中科技大学硕士学位论文 o n e - c y c l ec o n t r o l l 2 2 1 是另一种新兴的p w m 控制技术，核心的控制思想比较简单， 即通过比较器、触发器等元件进行控制，不需要做空间变换，控制速度很快，在一个 控制周期可以消除误差。缺点是无法实现较复杂的控制算法。 以上各种p w m 发生方法各有特色，但在实际的工业应用中均存在局限性。因此， 需要发展一种新的p w m 发生办法，要既能实现比较复杂的控制，又不需要很大的计 算代价 1 3 3d s t a t c o m 发展概况及工业化过程中的问题 d s t a t c o m 在一些发达国家技术比较成熟。从1 9 8 6 年到1 9 9 9 年，日本三菱公 司至少投运了2 0 0 台d - s t a t c o m 装置，容量从o 1 m v a r - q s o m v a r 不等，广泛应用于 钢铁公司、电气化铁路、水电站和风电站等不平衡负荷的场合。我国对s t a t c o m 进 行了大量研究工作。在2 0 0 0 年清华大学与河南省电力公司研制的2 0 m v as t a t c o m 在河南朝阳变投入运行。2 0 0 5 年由许继研制的_ 5 0 m v a rs t a t c o m 在上海西郊变电 所投入运行。近几年d s t a t c o m 逐渐成为研究的热点，对谐波检测附5 1 、控制器建 模1 2 6 - 2 7 1 、鲁棒控制【搏3 0 1 等算法方面的研究取得不少成果，但大多还停留在实验样机阶 段，工业化的研究还处在起步阶段。 工业化d s t a t c o m 应该具有可靠性、经济性、易调试维护等特性。目前在控制 器的总体设计规划、电磁兼容性设计、结构工艺方面的设计还需要不断完善。 1 4 本论文所述电能质量控制装置简介 1 4 1 硬件拓扑 图1 7 给出了并联型电能质量控制装置结构及系统连接简图。装置与系统并联且 靠近负载侧装置主要由量测电路、d s p 控制计算电路、6 个i g b t 和平波直流电容 组成的开关电路以及连接电抗器组成。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 图1 7 电能质量控制装置结构及系统连接简图 1 4 2 控制系统 本文所研制的电能质量控制装置( d s 喇r c o m ) 的控制系统采用双闭环控制结 构，结构简图如图1 8 所示。功率闭环控制，即直流电压闭环控制，其目标为使装置 的内部状态- 直流电压保持在参考值附近，控制输入为直流母线电压及其他相关状态 量，控制输出为系统参考电流幅值；电流闭环控制，目标为使系统电流波形、幅值和 相位与期望值的差别最小化，控制输入为系统电流的误差量。即系统实测电流与系统 参考电流的差值，控制输出为装置的输出电流参考。 图1 - 8 控制系统双闭环结构 华中科技大学硕士学位论文 1 4 3 论文的组织结构 第1 章为引言，主要介绍课题背景及重要性。简单介绍本文研究的三桥臂并联型 电能质量装置的概况。 第二章介绍控制算法。 第三章三桥臂并联型电能质量装置的参数设计。 第四章控制算法和参数设计的仿真分析。 第五章针对研制装置的功能实验和电磁兼容实验分析和验证。 第六章研制的装置在油田低压配电网的应用效果。 第七章为论文的总结及展望，分析现有装置在产业化过程中还需要改进的地方。 1 5 本论文的主要工作 本文作者组织设计了三桥臂并联型电能质量控制装置。并对主电路进行了设计。 组织并参与了装置的研制和现场试运行。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 控制算法简介 可用于三桥臂d s t a t c o m 的算法有4 种：1 利用口一坐标变换求装置输出 的参考电流，然后进行求解( 解微分方程) 、控制。2 求负荷无功功率然后直接给出 装置输出的正弦参考电流，然后进行求解( 解微分方程) 、控制。3 求负荷无功功率， 通过稳态方程直接求出装置输出的参考电压( 不用求解微分方程) ，然后进行控制。 4 利用一个等效系统，先求系统有功功率，给出系统侧正弦参考电流，通过和负荷电 流做差而得到装置输出的参考电流，然后进行求解( 解微分方程) 、控制。这种方法 可以直接测量线电压而不用测量相电压。第4 种算法基本不受系统不对称的影响，对 无功功率和电流不对称都有很好的补偿效果。 在三相三线制系统中，并联电压型d s t a t c o m 系统结构如图1 - 7 所示。 将负荷电流分解，令： i l = j i p 。+ i 呛| + m ( 2 i ) 其中表示装置电流，f 胁代表负荷电流的基波有功分量( 即与电压同相位) ， 如。基波无功分量，“代表谐波分量。这时从图中可以看到，若能通过控制使得装置 输出电流 i c 2z 脚+ i s h ( 2 2 ) 那么系统电流t 就完全是基波有功分量： is=ilp妇(2-3) 这样装置就实现了无功补偿和谐波消除的作用。 电压源型装置的直接控制输出量是电压，因此在检出无功和谐波电流t 以后，还 需要进一步求出装置输出的参考电压，才能进行控制，实现让装置输出期望的无功谐 1 7 华中科技大学硕士学位论文 波电流的目的。 设电阻等效电阻r 代表装置的整体损耗，连接电抗器的电感量为l ，v s 为系统 相电压，则有式2 - 4 成立 匕= 匕+ 嚏+ 鲁 c 2 4 ， 如果能够控制装置输出相电压k ，也就是输出了期望的电流之，实现了补偿目的。 2 2 等效系统 目前一个很常用的方法就是在口一坐标下利用瞬时无功理论 3 1 】检测参考电流并 求解装置输出的参考电流，然后利用空间电压矢量法产生p w m 脉冲( s v p w m ) 。然 而这种基于口一坐标系的控制方法在三相三线制系统中应用时还存在着一定的缺 点：其一算法中利用的是相电压，但对三相三线制系统来说，精确测量相电压有时候 是很困难甚至不可实现的。这也是我们放弃这种方法而寻求新方法的根本原因。其二 这种基于口一坐标系的控制方法对电压、电流都需要进行坐标变换，最终求p w m 脉宽时要计算三角函数，而且要先计算出矢量作用的时间再转换为触发脉冲时间，计 算量很大，不利于数字实现。 正是针对这些缺点，我们提出一种新的基于一个等效系统的方法来进行补偿。 对式( 2 - - 4 ) 中k 和之用线电压代替相电压，线电流代替相电流，即y m 代替，。， 乞一如= 代替乙；则可得到式2 - 5 。b 、c 相依此类推。 = + ，( 乙一乙) + 三塑型 ( 2 5 ) “l 可以证明式2 - 4 和式2 - 5 是等效的。不管原系统的相电压是否对称，在等效系统 中各处的电压、电流都满足：三相电流之和为零，三相电压之和为零 在等效系统中，按照处理实际三相系统的方法来进行参考电流的检出和控制。从 而直接利用线电压进行求解、控制，解决了基于口一坐标的算法需要利用相电压但 相电压又不易精确测量的难题。 1 8 华中科技大学硕士学位论文 2 3 基于等效系统的控制方法 为了简化计算，在等效系统下，不再使用基于口一坐标变换的参考电流检测方 法，而是直接求出与三相电压同相位的三相系统参考电流。 在等效系统中，先求出等效系统的负荷有功功率毋，然后只进行低通滤波，得其 直流分量p ，进而可以求出等效系统电流基波有功分量的幅值为l 一，。通过锁相环 得到等效系统“相电压一( 即实际系统的线电压) 的相位气、屯，即可求得等 效系统中负荷电流的基波有功分量瞬时值，并作为补偿的系统侧参考电流。 f 匕一= 一，s i i l ) k 一= 一，s i l l 瓯) ( 2 6 ) 【乙一呵= l 眦，咖瓯) 从而装置输出参考电流为： i c a b 一一2l l a b l s a b 一阿 v a k 呵。 i k 一 m 呵 【。一一2 。c a 一7 一一r e ( 2 7 ) 根据这种方法检出参考电流进行控制，可以保证补偿后三相电流的有效值是相等 的，理论上来说是不含谐波的，而且三相电流跟电压是同相位的( 即最大限度的补偿 了无功功率) 。 检出参考电流以后，根据式( 2 5 ) ，不用做坐标变换，可以直接在a - b - c 坐标下 求解装置输出的线电压( 即等效系统中的相电压) 参考值、v 咖、。 由于这里得到的是线电压，不能直接套用空间矢量法来求开关元件的导通时间。 不过不管对哪种p w m 方法，其理论基础都是，在一个较短的时间内，脉冲所产生的 冲量相等基于这一理论基础，我们就可以不必拘泥予已有的产生p w m 波的方法， 从而根据在一个控制周期内电压脉冲的冲量相等的原则，直接在a 机坐标下求解开 关元件应该导通的时间，得到需要的p w m 波。 例如，如果求得某一时刻a 、b 相间线电压参考值为m ( o ) ，那么根据冲量相 1 9 华中科技大学硕士学位论文 等的原理，在一个控制周期t 内a 相上桥臂和b 相下桥臂同时导通的时间应该为： k 2 管c 协。， 而在余下的z k 时间内，对a 、b 相来说应该为“零矢量一，即a 、b 相同时 上桥臂导通或者同时