（电力电子与电力传动专业论文）基于交交变换的动态电压恢复器的研究.pdf

、 哈尔滨理- 亡大学，学硕+ 学位论文 i r e s e a r c ho n d v rb a s e do na c a c ：j c o n v e r s i o n a b s t r a c t d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v mi sas e r i a lc o m p e n s a t i o nd e v i c ew h i c hw i l l c o m p e n s a t et h ev o l t a g e s a ga n di m p r o v et h eq u a l i t yo fp o w e rs u p p l yo fs e n s i t i v e l o a d i t sf i n ed y n a m i cf u n c t i o na n dr e l a t i v el o w e rc o s tm a k ei tt h em o s to p e r a t i v e a n dc o s t - e f f e c t i v em e t h o di nn o w a d a y sv o l t a g es a gs o l v e n tm e t h o d s i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h e ri n v e s t i g a t e st h ev a r i o u sd v re l e c t r i cs t r u c t u r e sa n d a n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o d b a s e do na c a c c o n v e r s i o nt h e o r ya n dh i g hs p e e ds w i t c h i n gt e c h n i q u eo fi g b t t h ew r i t e rm a k e s as t u d yo ft h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo fac e r t a i nd v rt h a tc a nw o r kc o n t i n u o u s l y , t h e nc a l c u l a t e sa n dg e t st h ec o n c l u s i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed u t y ( d ) a n dt h es e r i a lt r a n s f o r m e rr a t i o ( a ) ，a n ds i m u l a t e st h ec o n c l u s i o nw i t ht h e s o f t w a r em a t l a ba n do r c a d a f t e rt h ec o m p a r i s o no fv a r i o u sd e t e c t i n g m e t h o d so fd v ra n da n a l y z i n gt h ed e f e c ta n dd i s a d v a n t a g eo ft h e m , an e w v o l t a g es a gd e e t e e t i n gm e t h o dw a sb r o u g h tu p t l l i sn e wm e t h o dr e a c t sq u i c k l y t o w a r d st h ev o l t a g es a g t h ed e c t e e t i n gr e s u l ts h o w st h eo e c u r e n c ea n dt h ee n do f t h ev o l t a g es a gs y n c h r o n o u s l y t h ed e e t e e t i n gs p e e di ss oq u i c kt h a tt h ep r e c i s e r e s u l tc a nb ea c h i e v e dw i t hh a l fc i r c l e ，w h e t h e rh a r m o n i ci si n e l u d e do rn o t b o t h t h ea n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h ev a l u eg o tb yt h i sm e t h o dc a l l b et h ec o m p e n s a t i o ne v i d e n c eo f t h ed v r c o n t i n u o u s l yw o r k e db a s e do na c a c c o n v e r s i o nc a nb ea c h i e v e dw i t h i nh a l fc i r c l e , w h e t h e rh a r m o n i ci n c l u d e do rn o t w i t ht h i sq u i c kd e t e c t i n gm e t h o d ，t h ew r i t e rd e s i g n st h ev o l t a g e s a gd e t e c t i n g d e v i c ec o m p o s e do fa n a l o ge l e m e n t s ，t h e nc o n s t r u c t sa ne x p e r i m e n t a lv o l t a g e - s a g d e t e c t i n gd e v i c eo fs m a l lc a p a c i t y , a n dg e t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t 1 1 1 e s i m u l a t i o n 。a sw e l la st h ee x p e r i m e n tr e s u l tv e r i t i e st h a tt h em e t h o dc a nw e a k e n t h ed i s a d v a n t a g ee f f e c to fv o l t a g e s a gt o w a r d st h es e n s i t i v el o a de f f e c t i v e l y t h u s i ti so n eo f t h ew e l l - w o r k e dm e t h o d si ni m p r o v i n gp o w e rq u a l i t y k e y w o r d sv o l t a g e s a g ；a c - a cc o n v e r s i o n ；d v r 一- 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于交交变换的动态电压恢 复器的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期i 日j 独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：小74 韵戎同期文讲年专月多日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于交交变换的动态电压恢复器的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 ， 不保密切。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 割4 岳r 期：a 泸红；月多r 导师签名： 哈尔滨理t 大学t 学硕t 学位论文 第1 章绪论 近几十年来我国电力事业持续快速发展，城网和农网的建设改造都已取得 了很大的成果，电能质量、供电可靠性、自动化程度和管理水平亦有相应提 高。但随着改革开发的深入和市场经济的发展，高新技术企业的大批兴建以及 社会电气化程度的日益提高，各种基于微处理器控制的新设备不断涌现，如现 代化工商业中变频调速设备、机器人、自动化生产线、精密数控机床、可编程 控制器、计算机信息管理系统等日益广泛应用。这些计算机设备、微电子设备 以及电力电子设备等敏感负荷的不断增加，使得电力市场的形势发生了根本变 化，电力客户对供电企业提供的电能质量提出了更高高求，而且在有的时候甚 至提出了高于国家标准的特殊用电要求。这就要求供电系统不仅要安全、经 济，更要保持优质运行。同时，大量非线性负荷的增加，又将影响系统的电气 运行环境，成为制约电能质量提高的因素。因此，只有对电能质量综合治理， 才能提高抵抗局部干扰和故障的能力，维护电网安全运行。可以看出，电能质 量作为衡量电能产品的主要指标。不论是在发、供电方还是在用户方都引起了 越来越多的重视，提高电能质量，实现提供不同标准的电能质量已经成了电力 行业的一个重要课题。 1 1 电能质量问题 1 1 1 电能质量的定义 早在1 9 6 8 年发表的一篇关于美国海军电子设备电源规范研究的论文中， “p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 这一词语已被使用“1 。随着越来越多的国内外研究 人员开展对电能质量问题的研究，电能质量这一技术名词也渐渐为人们所关心 和认同“。电能质量的概念对供电部门和电力用户来说可能会不同，因此电能 质量还没有一个完全统一的定义。供电部门关心的是电压、频率的合格率，以 及供电可靠性，而电力用户更关心正在运行的用电设备是否可以正常运行。然 而，电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，而且伴随电力市场的 形成和发展，电能作为一种商品，同其他商品一样都要遵循经济规律，最终将 面临买方市场，因此，电能质量优劣，电力用户的衡量标准应成为定义电能质 量及其指标的主要依据。 从用户方考虑，专家采用的电能质量定义主要有以下几种： 、 哈尔滨理工大学t 掌硕十学位论文 1 i e c ( 1 0 0 0 2 - 2 4 ) 标准将“电能质量定义为供电装置正常工作情况下不中 断和干扰用户使用电力的物理特性”： 2 i e e es t d 1 1 0 0 1 9 9 9 将“电能质量定义为满足电子装置的运行条件，并 能够以一种与主布线系统及其他相关装置相协调的方式驱动、保护电子装 置”； 3 电联供电分会电能质量课题组编写的电能质量治理的指导意见中对 电能质量的定义为“是衡量电力系统对用电客户供应的电力是否符合标准，主 要以频率质量指标和电压质量指标来衡量。频率质量指标为频率允许偏差；电 压质量指标包括幅值质量和波形质量。其中幅值质量包括供电电压允许偏差、 电压波动和闪变、三相电压允许不平衡度、暂态过电压和瞬态过电压；波形质 量为公用电网谐波”。 虽然，电能质量这一技术名词已广泛被专家学者们认可，但涉及生产实际 问题时仍然存在很多分歧和争论。因此需要科研工作者和经营管理者继续深入 分析和研究电能质量问题，逐步形成全面的电能质量理论体系，从而更好的服 务于生产，生活。 1 1 2 电能质量的标准 由于电能质量引起了人们的日益关注，世界各国以及国际组织对电压偏 差、谐波、不平衡制定了一系列的标准，i e e e 5 1 9 是i e e e 制定的有关谐波的 标准，i e c 6 1 0 0 0 3 是国际电工委员会制定的电压波动与闪变的标准。随着科学 技术的发展，以及以电力电子设备为代表的非线性负荷的大量使用，使电能质 量出现了更复杂的情况，对电能质量标准提出了更高要求。过去仅采用电压合 格率、频率合格率、波形畸变率来衡量电能质量标准已经不适合现状，需要对 原有的电能质量标准进行修订或补充。主要内容应包括以下几项内容： 1 频率，包括额定频率及允许频率偏差； 2 电压，包括电力系统标称电压、电气设备额定电压和电气设备最高运行 电压及电压运行偏差； 3 波形，包括电力系统交流电的波形和波形允许偏差； 4 对于三相系统来说，规定三相电压不对称情况和电压不平衡度。 因此我国在参考以上i e e e 以及i e c 的标准后，已经补充颁布了符合我国 国情的电能质量系列国家标准。现在已经由电能质量五项标准变为新的六项标 准。新的六项标准主要有： 哈尔滨理工大学 学硕十学位论文 1 电能质量供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 9 0 ) ： 2 电能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ； 3 电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) ； 4 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 9 5 ) ： 5 电能质量电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 9 5 ) ； 6 电能质量暂时过电压和瞬态过电压( o b r r1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 ) 。 前五项标准在一般的文献3 “”上都有介绍，第六项标准”1 是最新制定 的。全国电压电流等级和频率标准化技术委员会制定的标准及其主要指标如表 1 1 所示： 表1 1 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会制定的标准及其主要指标 t a b l e i - l1 1 c h i e fg u i d e l i n ea n ds t a n d a r de s t a b l i s h e db yn a t i o n a lv o l t a g ec u r r e n tr a t ea n d f r e q u e n c ys t a n d a r d i z a t i o nt e c h n o l o g yc o m m i t t e e ( i ) g b1 2 3 2 5 - 1 9 9 0 3 5k v 及以上 正、负偏差的绝对值之和小丁二 供电电压允许偏差 1 0 1 0 k v 及以下小于士7 2 2 0 v小于+ 乃“i o ( 2 ) g b t1 5 9 4 5 - 1 9 9 5允许偏差 士0 2l - l z 电力系统频率允许偏差 系统较小 士0 5h z ( 3 ) g b t1 5 5 4 3 - 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度为2 、短时不超过4 三相电压允许不平衡度 用户引起不平衡度为1 3 ( 4 ) g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电压允许波动： 5 0 发生的概率 4 4 3 4 1 01 0 2 o 表l - 4 是在某工厂供电端测得的1 年内所发生的电压骤降统计结果”。可 知大部分的电压骤降幅值都低于3 0 的额定值。 因此，要想较好的解决电压骤降问题，必须从系统和负荷两方面考虑“1 ： 一方面要防忠于未然，抑制不利因素对系统的影响，尽可能的降低系统电压骤 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ e _ _ _ _ 目_ ! | | e j e 自_ | | 目j - 目_ _ _ _ _ 一 降发生的可能性，提高电网的供电质量。目前供电部门采取的预防措施有：降 低线路发生故障的可能性( 如沿着输电线路的树木维护、加装线路避雷器、清 洗绝缘子、装设动物护栏与线路重合闸装置) 、加快故障清除时间、采用动作 迅速的继电保护装置、架设双回输电线路等。另一方面是当供电电压骤降现象 发生后，积极采取补救措旖，把电压骤降的持续时间限制在几个周期之内，避 免或减少其对敏感电力用户的干扰。用户也可采用其他的技术措施防止电压骤 降带来的影响，如装配不问断电源l i p s ，但u p s 的容量有限，一般不超过 m w 级，对单相小容量负荷来说是一个较好的选择，但对于提高大型敏感型工 业用户的供电质量效果不明显。此外，u p s 具有单位容量造价高、损耗大的缺 点，对于较大的电力用户，如涉及自动化生产的工厂，常采用的措施是装配动 态电压恢复器( d v r ) 。d v r 是用来补偿电压骤降、提高下游敏感负荷供电质量 的串联补偿装置，其良好的动态性能和成本上的相对优势使它成为目前治理供 电电压骤降问题最经济有效的手段。 1 4 动态电压恢复器及其发展现状 d v r 通常安装在电源与需要负荷的馈电线路之间，相当于一个串联在配 电系统中动态受控的电压源，采用适当的控制方法可以使该电压源输出抵消电 力系统中所发生的电压骤降对负荷电压造成的不良影响。当d v r 的检测系统 检测到供电端电压发生跌落时将d v r 投入到系统中运行，根据所检测到的电 压骤降的特征量以及负荷侧电压的要求，计算出所应补偿的电压，通过控制逆 变器的电力电子开关的通断，逆变器输出的补偿电压经滤波器滤除掉其中的高 次谐波之后，再经变压器耦合到系统侧，即相当于在系统侧串入了一个补偿电 压。这个补偿电压加上供电端的电压等于负荷电压，这样负荷电压就可以在供 电电压发生电压凹陷时能够恢复到正常电压。 目前在各种d v r 结构上的不同主要体现在直流侧储能装置的不同。通常 有两种结构：一种是直接采用蓄电池、电容、飞轮等储能元件，当装置需要向 系统注入有功时，由储能元件来提供能量；第二种是采用可控整流滤波的方法 来提供能量，这样可以从系统中得到能量，进行长期补偿。1 9 9 6 年8 月，西屋 公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o r p o r a t i o n ) 在d u k e 电力公司位于南加州安德森的 1 2 4 7 k v 变电站安装了第一台d v r ，用于解决一家自动化纺织厂的供电电压 问题另外在o r i a nr u g s ( u s a ) 、b o n l a co o d s ( a u s t r a l i a ) 、c a l e d o n i a n p a p e r ( u k ) 等公司的网络中均串入了d v r 。如澳大利亚的b o n l a e 食品公司在对 d v r 试运行后进行的数据统计表明，该公司每年减少了2 ，4 5 3 ，4 0 0 澳元的 哈尔滨理t 大学_ 学硬十学位论文 损失。随后a b b 公司研制的2 2 k v 4 m v a 的d v r 也成功地应用于半导体生产 厂的故障电压恢复。据美国输配电杂志报道，由a b b 公司制造的两台容量各 为2 2 5 m v a ( 这是目前世界上这类装置中最大的容量) 的d v r 于2 0 0 0 年在以色 列一家著名的微处理器制造厂投入运行，用以防止因电压下降引起全厂跳闸而 可能造成数以百万元计的产品成为废品，它的响应时间小于1 m s 可弥补 5 0 0 r a s 的三相电压下跌的3 5 和单相电压下跌的5 0 。a b b 还推出了基于 i g c t 的d v r 。s i e m e n s 公司也在动态电压恢复器的研制上处于先进水平 不仅开发了用于中等电压等级的d v r ，还开发了用于大功率负荷的多模块动 态电压恢复器以及架空d v rp m ( p l a t f o r r a - m o u n t e dd v r ) 系统1 。除了上述的 动态电压恢复器实例，世界上还有很多厂家和研究机构正在研制各自的 d v r ，如c u t l e r - h a m m e r ，美国威斯康星大学等。国内目豁对d v r 的研究工 作正处在开始阶段，清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所已经独立研制 了一台1 0 k v a 3 8 0 v 的兰相d v r 样机，目前正在此基础上研制2 5 0 k 3 8 0 v 的d v w 世晃范围内的动态电压恢复器研制热潮，说明了具有优异动态特 性的d v r 技术在提高电能质量可以起到重要的作用。满足现在和未来工业的 需要。 1 5 本文的研究内容 本论文在以往研究工作的基础上，主要进行以下几个方面的工作： 1 分析目静各种动态电压恢复器的电路结构后。得出它们各自的优缺点， 根据交变换原理和i g b t 高速开关技术，分析了一种可连续运行的动态电压恢 复器的工作原理及主电路结构，计算了占空比d 与串联变压器原副边比a 的关 系，并用m a t l a b 和o r c a d 进行了仿真； 2 对现有各种电压骤降检测算法进行了深入研究，分析它们在工程实际应 用中的缺陷和不足，提出一种新的电压骤降检测方法，本方法对于电压骤降的 反应速度快，检测结果可以同步反应电压骤降的发生和结束，而且电压骤降幅 度的测定速度快，可以在半个基波周期内检测出电压骤降的准确值；无论待检 测电压是否岔有谐波分量，本方法均能进行正确测量。理论分析和仿真验证表 明此方法得到的电压骤降幅值可以作为基于交一交变换的可连续运行的动态电 压恢复器的补偿依据； 3 自行设计完成了由模拟器件组成的电压骤降检测电路装置，以及搭建了 小容量的动态电压恢复器实验装景，并得出实验结果证明了该方案的可行性。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 第2 章d v r 主电路的研究 本文研究的动态电压恢复器是解决电压骤降问题的有效装置。它的工作原 理比较简单，当检测系统检测到供电端电压发生跌落时，动态电压恢复器启动 并投入到系统中运行，根据负荷侧电压的要求，计算出应该补偿的电压，控制 逆变器的电力电子开关的开通与关断，逆变器输出电压经l c 滤波器滤出高频 分量后，再经变压器耦合到系统侧，相当于在系统侧串入了一个补偿电压，供 电端电压加上该补偿电压就等于负载电压这样一来，负载电压在供电电压跌 落时仍能恢复到正常电压水平。图2 1 为一般动态电压恢复器的结构框图： 图2 - 1 一般动态电压恢复器的结构框图 f i g 2 - 1s t r u c t u r ef i g u r eo f n o r m a ld y n a m i cv o l t a g er e s t o l r 2 1 各种类型d v r 的电路结构比较 2 1 1 能量获得方式比较 动态电压恢复器比较常用的能量获得方式通常有以下几种： 1 采用不可控整流器从系统取得能量的方式。其主要缺点是能量只能从系 统向电容器单向流动，从而在电压凸起时容易产生直流电压骤升的现象； 2 利用可控整流器从系统取得能量。这样的做法克服了不可控整流时能量 只能单向流动的特点，解决了电压凸起时的直流电压骤升问题。缺点是增加了 控制要求和系统的成本： 3 利用大电容储能。当系统未发生电压骤降时，系统通过逆变器给电容器 充电，当充电到一定数值时，d v r 装置从系统中切除；当系统发生电压骤降 时，逆变器向系统输出功率，在电容电压跌落到一定数值前，可以基本维持用 户电压不变。储能电容器的容量决定了d v r 在故障期间可以提供的能量。其 啥尔滨理工大学t 学硕 学位论文 设计参数与系统容量以及补偿要求有关。随着超级电容的出现，这种储能方式 的应用前景十分广阔； 4 利用蓄电池储能。采用这种方式可以在储能单元之前向系统并联接入 a c d c 变换器，从而起到充电器的作用，又可以采用电流控制方式补偿系统 的电流谐波和无功电流，起到a p f 的作用。这种储能方式目前也有相应的应 用实例； 5 其余的储能方式。包括超导储能( s m e s ) ，飞轮储能等等，飞轮储能的 主要组成部分是飞轮、轴承等。关键部分是轴承，摩擦小的轴承才能使飞轮储 能效率高。现有的电磁轴承摩擦小、寿命长，但是用来稳定和定位飞轮的控制 系统较复杂。与其他储能形式相比，飞轮储能效率高、寿命长、没有污染、可 以地下安装。超导储能是一种新型的储能方式。具有能量密度大、转换效率 高、可以在四象限运行、冲放电决等优点。s m e s 应用的突出问题是成本较 高，随着对超导储能的不断深入的研究，其成本将会大幅度下降，其应用前景 是十分广阔的。 2 1 2 逆变器比较 逆变器有半桥式、全桥式和推挽式等结构形式，推广到三相系统中，就有 三相全桥逆变器、三单相全桥逆变器和三相半桥逆变器等，不同结构的逆变器 有不同的功能。目前d v r 装置中使用较多的是前两种方式。三单相全桥逆变 器各相输出完全独立，可以补偿零序电压、控制简单，但是与全桥逆变器相比 器件成本较高。桥式逆变器都存在桥臂直通的问题，所以采用上述这两种桥式 逆变器结构都需要可靠的桥臂保护手段来防止桥臂直通问题。推挽逆变器的最 大优点是在任何时刻都只有最多一个开关器件工作，不存在桥臂直通问题，在 输出功率相同时开关损耗也较小，但是其功率器件的开关集电极电压为电容电 压的两倍，适用于低压的大功率变换器。 2 1 3 耦合方式比较 在不同的应用场合，d v r 与系统的耦合方式主要分为两种：采用串联变 压器耦合和采用电容器耦合。 2 1 3 1 采用串联变压器结构 这是常用的方式，这种方式的好处是可以采用升压变压器，从而降低逆变 器直流侧电压等级，在电压较高的应用中，这可以提高装置的可靠性，同时可 哈尔滨理丁大学t 学硕+ 学位论文 以更加灵活地选择开关器件。此种耦合方式另一个重要的优点是将逆变器和电 网隔离了，从而使得直流电容上的能量可以由系统整流得到。 这种耦合方式的缺点来自于串联变压器的非线性特性和其短路阻抗。主要 有以下缺点； 1 逆变器输出的高次谐波给变压器的设计带来了困难，必须采用较高容量 的变压器。当然，这一点可以通过加装输出侧滤波器解决，不过这样又增加了 系统的投资，特别在高电压、大容量场合，滤波器的设计也是相当困难的； 2 串联变压器的短路阻抗降低了开环控制的电压精度，并带来了相移，影 响装置的性能，同时还产生功耗。这一点可以通过电压闭环控制得到解决，不 过这样就增加了控制的复杂性； 3 使用串联变压器成本较高，占地面积较大 由于以上所述的优缺点，是否采用串联变压器需要综合考虑各种因素，结 合应用系统的特点进行选择。在高压配电网中，考虑到逆变器结构、开关器件 容量、直流母线电压、装置成本等各种因素，采用串联变压器是较好的选择。 串联变压器的设计与d v r 的主电路结构以及系统参数等有很大的关系。 从系统侧看，变压器原边( 即串入系统的一边) 的电压等级主要决定于系统电压 等级、电压骤降的幅度以及滤波器装设的位置。原边的电流容量和短路电抗则 都取决于负荷的额定电流和滤波器装设的位置。副边( 逆变器一侧) 电压等级是 由逆变器的输出决定的。当逆变器的结构可变时，其输出电压可变，变压器变 比也是可以变化的。应该根据逆变器的结构、装置成本、装置的性能等方面考 虑选择一个最优的变比。从逆变器侧看，串联变可以设计成升压变压器也可以 设计成降压变压器。如果采用降压变压器，逆变器电流容量可以减小。但是， 如果直流侧电压是通过不控整流的方式提供的，采用降压变压器对减小电流容 量的作用是非常有限的。如果设计成升压变压器，可以用较低的直流侧电压获 得较高的线路侧输出电压，不过逆变器的电流容量将相应增加。 在实际的应用中，可以采用多抽头的升压变压器，这样可以适应多种逆变 器电路结构和控制算法。同时，一般加装输出侧滤波器，这样降低了串联变压 器的设计难度。 2 i 3 2 不采用串联变压器结构 由于串联变压器所带来的上述种种设计的不便之处，在电压等级较低的应 用中可以考虑省去串联变压器的使用，而采用电容器将d v r 补偿电压耦合到 系统中去。在没有串联变压器的情况下，逆变器的直流侧必须与电网隔离， 可以使用电源变压器达到这个目的。 哈尔滨理t 大学工学硕+ 学位论文 2 2 基于交一交变换的动态电压恢复器 本文采用的动态电压恢复器的电路拓扑结构与上述介绍的一般动态电压恢 复器的拓扑结构不同，它是直接从电网中获取能量，通过交交变换直接获得 所需补偿的电压，由于无需考虑补偿电压与骤降后电压的相位差问题，在检测 骤降电压时，只需检测骤降后电压的幅值即可，所以这种基于交交变换的动 态电压恢复器有着上述动态电压恢复器所没有的优点。 2 2 1 主电路结构 基于交交变换的可连续运行的动态电压恢复器是由一个降压变换电路和 一个升压串联变压器组成，并应用了高速i g b t 开关技术，通过脉宽调制 ( p w m ) 技术控制i g b t 的开通与关断，得到所需要的电压。由于降压变换电路 的输入电压是由电源电压提供的，因此当电源电压跌落时间比较长时，该电压 恢复器也可以连续不断的对负载侧电压进行补偿。图2 2 为单相动态电压恢复 器的主电路模型，厶c l 、厶g 分别为电流滤波器和电压滤波器。 图2 - 2 主电路结构 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f m a i nc i r c u i t 2 2 2 占空比和原副边比的关系 如图2 - 2 所示，设电源端标准电压为，电源端供电电压为l ，当电压 骤降发生时，e 小于，馈线末端的负载电压为，动态电压恢复器注入 的电压为，交交变换产生的电压为p 0 ，串联变压器的原副边之比为a ： 1 ，电力电子开关的占空比为d ，p 喵为电压骤降的百分比 当电压发生骤降时，则有： 匕+ 2 ( 2 - 1 ) 由( 2 - 1 ) 式可知，若想要。，则需根据圪的大小来改变它的大 小，而则是由和串联变压器原副边比a 决定的，有： 2 a ( 2 2 ) 而又是由虼和占空比d 共同决定的： = d k ( 2 3 ) 在图2 2 中，占空比d 为开关z l 和z 4 开通的时间与开关周期的比值，在 开关周期的剩余时间里，z 2 和z 3 开通。 又因为： 由于串联变压器原副边比a 是由动态电压恢复器所能补偿的最大骤降百分 比和最大占空比所决定的。设动态电压恢复器所能补偿的最大电压骤降百分比 为p 懈，而装置的最大占空比为巩，根据式( 2 1 ) ( 2 4 ) ，有： 扣见 警 ， 当a 确定后，补偿时装置的占空比由下式得出： d ：口f 堡兰1 rl p 屹、j ( 2 呦 ：口f 生1 一 1 0 0 一p 坶j 表2 - 1 和表2 - 2 分别为能够补偿电压最大骤降百分比为2 5 9 5 所需的 串联变压器原副边比a 和当a = i 4 时( 即能够补偿电压最大骤降百分比为8 0 矿。 目 ，讲l r q l 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 时) ，补偿电压骤降百分比为o 8 0 时的所需i g b t 的不同占空比d 。 表2 - 1 最大占空比为i 时不同名下的a 值 t a b l e2 - 1v a l u eaw i t hd i f f e m n t w h e nd = 1 只一( ) 2 55 07 58 09 5 a31 1 3i 41 1 9 表2 - 2a f f i l 4 时，不同最下的d t a b l e2 - 2v a l u ed w i t hd i f f e r e n t w h e na = l 4 己一惭) o2 04 0 6 0 8 0 ao1 1 6 1 ，63 ，8l 2 2 3 仿真结果 用o r c a d 9 1 中的p s p i c e 对图2 2 电路进行仿真，设电源侧标准电压有效 值为2 2 0 v ，电压骤降发生后电源电压有效值为1 5 7 1 v ，串联变压器原副边之 比为1 ：4 ，i g b t 驱动信号的频率为1 0 k h z 。 由式( 2 1 ) ( 2 6 ) 可以算出p w m 信号的占空比为0 1 ，图2 3 为没有经过滤波 的补偿电压，含有大量的高频分量，图2 - 4 为经过厶q 滤波器滤掉谐波后的补 偿波形，有效值为6 2 9 v 。图2 5 为骤降后的电压和补偿后的电压波形。 图2 - 3 没有经过滤波的补偿电压波形 f i g 2 - 3c o m p e n s a t e dv o l t a g ew a v eb e f o r ef i l t r a t e d 由于i g b t 开关的高速动作，同样会对电网中的电流波形产生影响，图2 6 即为未经过滤波的电网电流波形，图2 - 7 为经过厶c 2 滤波器滤掉高频谐波后 的电网电流波形。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 图2 4 滤波后的补偿电压波形 f i g 2 - 4c o m p e n s a t e dv o l t a g ew a v ea , f 呛rf i l t r a t e d 图2 - 5 骤降后的电压波形和补偿后的电压波形 f i g 2 - 5v o l t a g ew a v ec o m p e n s a t e da n ds a g 图2 - 6 未经过滤波的电网电流波形 f i g 2 - 6c u r r e n tw a v eb e f o r ef i l t r a t e d - 2 0 - 哈尔滨理t 大学 学硕十学位论文 2 3 本章小结 t m s 图2 7 滤波后的电网电流波形 r i g 2 7c u r r e n tw a y a f t e rf i l t m t e d 本文介绍了基于交一交变换的可连续运行的动态电压恢复器的工作原理及 主电路结构，详细分析了占空比d 与串联变压器原副边比a 的关系，并进行了 计算机仿真。仿真结果验证了该方案能有效抑制电网中电压骤降对敏感负载产 生的不利影响，是解决电能质量问题的有效手段之一。 哈尔滨理 大学t 学硕士学位论文 第3 章电压骤降的检测方法 大部分电压骤降是由于输电线路短路故障引起的，按类型可以分为三相短 路、单相接地故障、相问短路三种情况。对三相短路而言，电压骤降是对称 的，因此可用传统的电压骤降深度和持续时间来描述。但对于不对称故障( 单 相接地故障、相间短路) ，各相电压幅值、相角跳变将各不相同，因此，电压 骤降还伴随着相角跳变和不对称现象。 由电压骤降的特征可知，检测算法应该能迅速、准确地检测出电压骤降的 起止时刻。电压幅值骤降的深度( 当发生不对称电压骤降时，特指基波正序分 量的有效值) 以及电压骤降时的相角跳变( 指电压骤降前后相位角的变化，当发 生不对称电压骤降时，特指基波正序分量的相位角的变化) 。这些量的确定要 具有实时性，这样才能在电压骤降发生的瞬间迅速将动态电压恢复器投入运 行，而当供电电压恢复到正常水平时则退出运行。 目前用于检测电压骤降的方法，主要有以下几种： 3 1 目前的检测方法简介 3 】1 基于f f t 分解的频域分析法 被测的模拟量经采样保持电路，在同步脉冲的作用下，将模拟信号进行离 散化，然后经过模数转换器便成为数字量，再经过两次f f t 变换推导出谐波分 量的幅值和相位。 该方法采用信号的数字化处理，稳定性好。但需进行两次f f t 变换，如用 软件来实现，则响应时间相对较长，实时性较差。并且由于电网频率是波动 的，被测信号中除了含有基波和整数次谐波外还可能含有非整数次谐波，因而 即使采用了跟踪锁相技术，也难以实现严格的同步采样，使检测出的分量产生 误差。 3 1 2 基于筇坐标系的瞬时无功功率理论的检测法 随着配电系统中各类非线性负荷的不断增加和电力电子装置的广泛应用， 它所引起的电网电压的畸变问题日益严重。在这种背景下，基于平均值定义的 传统无功功率理论因其只适用电压、电流均为正弦波的特性而不能满足要求 。为此，日本学者h i r o f u m in k a g i 于1 9 8 4 年首先提出对信号进行相关计算的 “瞬时无功功率理论”，该理论定义了基于同步坐标系得瞬时有功和瞬时无功 的概念，并由此导出瞬时补偿电流。该理论不仅适用于正弦波，也适用于任何 非正弦波和任何过渡过程情况，它是传统无功功率理论的推广和延伸，因此， “瞬时无功功率理论”在谐波电流检测的工程实际中已经被广泛地应用m “m 。 根据瞬时无功功率理论，可以把三相交流电压甜。、u 。和三相交流电 流、分别变换到两口、坐标系中，从而得到两相瞬时电压。、甜。和 两相瞬时电流、分别为： 同理有： = 驯：j 焉 22倒= 圈 ， 酬朝 在口一卢平面上，可以把、和合成为“，屯、略合成为f ，即： ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 瞬时有功功率为： p = i u c o s o = i a u 。+ i p u p ( 3 - 4 ) 瞬时无功功率大小为： q = i u s i n o = 一 ( 3 5 ) 式中j 和”分别是向量i 和u 的模；口为i 和u 之间的夹角。 根据瞬时无功功率理论，当三相电压、电流正弦对称时，p 和q 正好分别 等于传统功率理论中的三相电路的有功功率和无功功率；当三相电压为正弦对 称而电流不对称或畸变时，p 和吁中的直流分量分别与三相电流的基波有功分 量和无功分量对应，而交流分量则与电流中的谐波或不对称分量对应。 从三相电路瞬时无功功率理论的推导过程中可以看出：在新坐标系下定义 的瞬时有功功率、瞬时无功功率的交直流分量与口6 挫标系下的基波、谐波、正 序、负序、零序的电压和电流之间相互作用的各个分量有明确的对应关系，故 通过此对应关系可以方便地实时检测到电网的谐波、无功电流及电压、电流的 各种畸变分量。但是该方法适用于三相平衡系统，而且仅适用于电压无畸变情 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 况。但是，当电压波形有畸变时，谐波电流的检测精度并不能够保证。 3 1 3 基于广义瞬时无功功率理论的由0 变换方法 3 1 3 1 砌0 变换方法原理 常用的三相电源系统是以a b c 坐标系表示的，这种坐标系在空间是静止不 动的。除此之外，三相系统还可以用其它坐标系表示。砌0 坐标系是由在空间 与发电机同步旋转的两相坐标和零序坐标构成，从a b c 坐标系到砌0 坐标系的 变换称为p a r k 变换，它使分析和计算大大简化。 以由o 坐标系表示的三相电压“由。与以曲c 坐标系表示的三相电压“。之间 的变换关系如下： 即： 2 ( 3 - 6 ) u a b c - - c 4 ”女。 式中，“岬= k r ，“幽= k 。虬f ，c 是p a r k 变换矩阵， c 叫詈芎磊刮s i n ( c a t + 2 石3 ) ， n 七：虽莲 ( 3 - 7 ) 由p a r k 变换运算可得到如下规律：a b c 坐标系下的第n 次正序分量将变换 成砌o 坐标系下的第n - - 1 次分量；第n 次负序分量将变换成第n + 1 次分量； 零序分量变换后表现在0 轴上。只有a b c 系统中的基波正序分量通过p a r k 变 换，才转换成由0 系统中的直流分量 对于理想的三相系统，假设三相电压为： 的正 磊 九。 和“ 偿量 等在 相位为： 也即可得到基波电压为： 萌一旧 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 哈尔滨理丁大学_ 学硕七学位论文 = 2 us i n ( 】i r + 氟)( 3 1 7 ) 对于电压凹陷的补偿量的确定，可以有两种方法来实现。一种是利用“缺 损电压法”，对电压凹陷事件发生前的电压进行外推法得到所期望的负荷侧瞬 时电压“。，将其与基波电压相减，即可得到电压凹陷的补偿量甜。 另一种方法是令负荷侧期望电压的有效值为矿，初相位为0 ，则在p a r k 变换后的d 、口轴直流分量为： 石= 如c o s o 一一j = 一、如+ s i n o 将、与、遵雾坦鎏得到“翌，。吐 ( 3 l s ) ( 3 - 1 9 ) “c 日d = 甜d一“d “铆= “g一“口 ( 3 - 2 0 ) 甜倒、”叫与0 轴的经p a r k 变换后即可得到电压凹陷的补偿量。 3 1 3 2 砌0 变换测量方法的实现 对应上述用两种不同获得电压凹陷补偿量的方法。图3 1 和3 2 分别给出 了检测方法的实现框图。 图3 - l 具体检测过程如下：三相被检测电压首先经p a r k 变换转换到砌0 坐 标系下；然后，用低通滤波器l p f 分离出d 轴和睁轴的直流分量；分别将直流 分量与d 轴和q 轴上的g t d 、, 。相减，得到u d 和甜。；与0 轴的一起进行 p a r k 反变换即可得到电压畸变分量的补偿量“。；利用“缺损电压法”得到期 望的负荷侧瞬时电压u p j ，将其与基波电压玑相减，得到电压凹陷的补偿量 甜。甜。和甜。二者之和即为被检测电压的补偿量“。，该补偿量包括对电压凹 陷的补偿和对基波负序、零序分量、谐波分量及高频振荡分量等畸变量的消 除。 图3 2 具体检测过程和上一检测过程区别之处在于电压凹陷的补偿量的得 到过程。把负荷侧期望电压在p a r k 变换后的d 、口轴直流分量、。与 、。进行相减，再把运算所得到的 倒、甜。与。轴的经p a r k 变换后即 可得到电压凹陷的补偿量。 下面两图中c ( c 。1 ) 变换器和低通滤波器l p f 是两个关键环节。 c 变换器的实现原理如图3 - 3 所示，其关键在于保证c 阵中的元素与系统 基波电压之间的严格同步。c 阵中的各元素可利用信号发生电路和软件查表计 算来获得，这样测量的准确度不受系统电压不对称或畸变的影响。为保证c 阵 元素与系统基波电压同步需加同步环节。 图3 1 和3 2 中的低通滤波器l p f 的频率特性对检测性能有一定的影响， 但只要设