（电力系统及其自动化专业论文）动态电压跌落修正器的研究.pdf

a b s t r a c t p o w e rq a l i t ye y e , i t s 锄a t t r a c t i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n as t u d ys p o n s o r e db yt h ee l e c t r i cp o w e rr e s e a r c h i n s t i t u t e 但p r di n d i c a t e st h a t9 2p e r c e n to f t h ep o w e rq u a l i t ye v e n t s m = s p o n dt ov o l t a g es a g s t h eu t i l i z a t i o n o fd y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r qb a s e do nc u s t o mp o w e rt op r o t e c ts e n s i t i v el o a d sa g a i n s ts h o r t - t e r m v o l t a g ed i s t l n a o a n c e sh a sp r o v e dt ob eac o s t - e f f e c t i v es o l u t i o nf o rm e d i u ma n dh i 曲p o w e ra p p l i c a t i o n s i - i o w c y e i , f o rl o wp o w e ra p p l i e a t i o m 缸恤e rc o s tr e d u c t i o n sa n di i i o i ec o m p e t i t i v ea n ds u c c e s s f u ls o l u t i o ni s w o r t hi n - d e p t hs t u d y t h em a i nc i r c u i tt o p o l o g y , d e t e c t i o nm e t h o d c o m p e n s a t i o ns t r a t e g ya n dc o n t r o ls t r a t e g yo fd y n a m i c v o l t a g er e g u l a t o rf o rl o wp o w c i a p p l i c a t i o n sa s t u d i e da n dd i s c u s s e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , as i n g l e - p h a s ed y n a m i cv o l t a g es a gc 0 1 t c e t o ri sp r e s e n t e d ，w h i c hi sb a s e do nt h ee l i m i n a t i o no f t h e s e r i e st r a n s f o r m c l t - , i l ob a t t e r i e s ，1 1 0r o t a t i n gf l y w h e e l ，w i l hl o wc o s t , c o m p a c ts i z e , l i g h tw e i g h t ，l o w m a i n t e n a n c e ，h i g he f f i c i e n c y ，e r e a n dt h e n ，o i lt h eb a s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n a l y s i so ft h e e x i s t i n gd y n a m i cv o l t a g ed i s t u r b a n c ed e t e c t i o nm e t h o d s , as i m p l ea n dc o n v e n i e n td e t e c t i o nm e t h o db a s e do n t h ep a r kl r a m f o r mi si n t r o d u e e da n de x t e n d e dt os i n g l e - p l a , mc i r c u i ts y s t e m w i 血t h ea b s e n o ft h eu s eo f l o w - p a s sf i l t e r , t h em e t h o dh a sg o o dr e a l - t i m ep e r f o r m a l l c e m e a n w h i l e , as i n g l e - p h a s es o t tp h a s e - l o e k e dl o o p ( s p l l ) b a s e do ns y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef l p a m ci sp r e s e n t l x l 。w h i c hi sc a p a b l eo f f a s ta n da c c u r a t e l yt r a c k i n gt h e p h a o ft h ei n p u tv o l t a g ev e c t o r 1 1 ”q u a d r a t u r es i g n a lo ft h ei n p u tv o l t a g ev e c t o ri sg e n e r a t e db yu s i n g d i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n ti n s t e a do f p h a s ed e l a y , s o l v i n gt h ep r o b l e mo f d a t as i m u l t a n e o u s n e s s t h es i n g l c - p l a a s e s p l lp o m f o l l o w i n gm e r i t s ：s 吣$ 1 n l c t l l l l ，f a s td y m m i cr e s p o n s p e c d g o o di n h i b i t i o no f w a v e f o r m d i s t o r t i o n s e c o n d l y , t h ec o m m o nv o l t a g ee o m p e m a t i o ns t r a t e g i e so f d y m m i ev o l t a g er e g u l a t o ra r ci n t r o d u c e d a n dt h ep h a c o m p e n s a t i o n , a t r a t e g ，, , t h ep r e “o v o l t a g ec o m p e m a t i o ns t r a t e g ya n dt h ee l l l a g yo p t i m i z a t i o n c o m p e n s a t i o ns t r a t e g yma a i y z e db yu s i n gs i m u l a t i o n , p o i n t i n go u tt l l a tar e a s o n a b l ev o l t a g ec o m p e n s a t i o n s t r a t e g ys h o u l d b eb a s 饯lo i lt h el o a d ，t h e 曲叼s t o m g cs i z e e c o n o m ya n dc t l ：锄出eb a s i so ft h e s h o r t c o m i n g sa n a l y s i so f t h ef e e d - f o r w a r dc o n t r o ls t r a t e g ys , a dt h ef e e d b a c kc o n t r o ls l a a t e g y , ac o n t r o ls t r a t e g y o ft h ep o w e rs u p p l yf e e d - f o r w a r da n dt h el o a di n s t a n t a n e o u sv o l t a g ef e e d b a c ki si n e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h es t r a t e g yh a sb e t t e rc o n t r o la c c u r a c ya n ds t a b i l i t y f i n a l l y , f i l em a i nc i r c u i tp a r a m e t e rd e s i g no f t l y r l a m i cv o l t a g es a gc o 们：e c t o fi ss t u d i e da n dt h ed e s i g np r i n c i p l ea n das p e c i f i ce x a m p l ea g i v e k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i 职v o l t a g es a g ；c l y m m i ev o l t a g es a ge o r r e e t o r , d e t e c t i o nm e t h o d ；c o m p e n s a t i o n s t r a t e g y 东南大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 。 ) ， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲避导师躲乙纠绛 e l 期：丝丝! ： 第一章绪论 第一章绪论 由于供电电源的电能质量下降而影响电气设备正常工作的问题，早在电力供应一开始就引起了供用电 双方的关注人们首先把电力系统运行中电压和频率偏离标称值的多少作为检验电能质量的主要指标。之 后，随着工业规模的扩大和科学技术的发展，国民经济各部门的用电量不断增加，电气化程度越来越高， 新工艺、新技术广泛应用于工业生产和人民生活的各个方面，越来越多的用户采用了性能好、效率高但对 电源特性变化敏感的高科技设备，电力用户对电能质量的要求在不断提高。与此同时，许多新型的电气设 备在其运行中会向电力系统注入各种电磁干扰，对电力系统的安全运行和用电设备的正常工作造成的危害 与影响不断增加，电能质量问题日益突出，引起了供电部门和广大电力用户的普遍重视。据国际会议报告 介绍，在美国每年由于电能质量下降所引起的经济损失高达数百亿美元劣质电能引发电网大面积停电， 造成用户生产力下降，其社会影响和经济损失是相当严重的。人们开始认识到，电力部门只要将电能“如 数”地传输给电力用户，并且保证一定的供电连续性即可满足需求的想法是很不完善的，电力系统运行和 工业生产过程对电能质量的要求正在逐步扩大和深化，提高电能质量已经成为保证供用电系统安全稳定运 行的基本要求。 另一方面我们还看到，随着经济的发展和社会的进步，计算机及其网络技术已经渗透到各个领域，现 代工业生产和产品的多样性与个性化发展趋势已经逐渐形成，工业管理体制也正在发生重大的变化。近年 来随着电力行业深化改革，发电与输配电体制分离、电能按质按量论价、电力网逐步实行商业化运营与市 场交易已经是大势所趋。可以说，屉大限度地满足用户对用电量的需求和对不同电能形态变换的需要已成 为工业发达地区电力系统面临的新问题这些变化大大推动了电能质量标准化的进程和对供电质量的监督 与管理。 尽管在现代电能质量的一些定义和解释上还有待深入探讨，在电能质量问题的起因上仍存在分歧但 供电部门和电力用户对电能质量的关心程度却与日俱增。 1 1 电能质量”1 1 1 1 电能质量的概念 从普遍意义讲，电能质量是指优质供电。但是由于人们看问题的角度不同。所以迄今为止，对电能质 量的技术含义仍存在着不同的认识，还不可能给出一个准确统一的定义一种普遍接受和采用的技术名词 与定义方法是：从工程实用角度出发，将电能质量概念进一步具体分解并给出解释。其内容如下： ( 1 ) 电压质量 给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向用户分配的电力是否合格电压质量通常包括 电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降( 暂升) 与中断、电 压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。 ( 2 ) 电流质量 电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦 波形外，还应尽量保持该电流波形与供电电压同相位。电流质量通常包括电流谐波、间谐波或次谐波、电 流相位超前与滞后、噪声等。 ( 3 ) 供电质量 它包括技术含义和非技术含义两部分。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， 它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。 ( 4 ) 用电质量 它包括电流质量和非技术含义等，如用户是否按时、如数缴纳电费等。 上述关于电能质量的定义与解释反映了供用电双方的相互作用和影响以及责任和义务。虽然其含义很 东南大学硕士学位论文 工程化，但对理解和认识电能质量是很有实用价值的。 电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，所以用户的衡量标准应占有优先的位置。 因此，电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容 包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬时过电压、波形畸变、电压暂降与短 时间中断以及供电连续性等。 1 1 2 电能质量的分类 1 电能质量的基本分类 对于电能质量现象可以根据不同基础来分类。i e c 以电磁现象及相互干扰的途径和频率特性为基础， 引出了广义的电磁扰动的基本现象分类，如表l l 所示。 表1 1i e c 关于引起电磁扰动的基本现象分类 现象分类现象分类 谐波，间谐波辐射型低频现象工频电磁场 信号系统( 电力线载波)磁场 电压波动电场 传导型低飘善 辐射型高频现象 电磁场 电压暂降和中断 电压不平衡连续波 工频变化瞬变 感应低频电压 静电放电现象( e s d ) 交流电网中的直流成分核电磁脉冲( n e m p ) 感应连续波电压或电流 传导型高强现象 单方向瞬变 振荡性瞬变 表t - 2 给出了i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类。对于表中列出的各种现象，我们可 进一步用其属性和特征加以描述。对于稳态现象，可利用一下属性来描述：幅值、频率、频谱、调制、电 源阻抗、下降深度、下降面积：对于非稳态现象，还可能需要一些其他特征来描述：上升率、幅值、相位 移、持续时间、频谱、频率、发生率、能量强度、电源阻抗等表1 2 为我们提供了一个清晰描述电能质 量及电磁干扰现象的实用工具。 表1 - 2i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类 纳秒级5 n s 上升 l m 低频 l m 讪0 0 p u 长时阃电压变动 欠电 压 l m j n0 8 , - 09 p u 过屯压 ) l m j n1 1 12 p u 电压不平街稳态 0 5 吨 直流倡置稳态 0 , , 4 3 1 谐波 ow 1 0 0 血 稳态 m o 坡形畸变 间谐波 0 - - 6 k h z 稳态 陷波稳态 噪声宽带稳态 o 1 电压波动 2 5 k 问歇 n 1 、7 工频变化 1 0 s 2 变化型和事件型分类 电能质量问题还有一种分类方法，即按照电能质量扰动现象的两个重要表现特征变化的连续性和 事件的突发性为基础分成两类。 所谓变化型是指连续出现的电能质量扰动现象，其重要的特征表现为电压或电流的幅值、频率、相位 2 第一章绪论 差等在时间轴上的任一时刻总是在发生着小的变化。例如，系统频率不可能一成不变的等于5 0 p - l z , ，系统 电压也不可能每时每刻恒等于其额定值，与理想值的偏差始终存在。这一现象包括前述的电压幅值变化、 频率变化、电压与电流间相位变化、电压不平衡、电压波动、谐波电压和电流畸变、电压陷波、主网载波 信号干扰等。 所谓事件型是指突然发生的电能质量扰动现象其重要的特征表现为电压或电流短时严重偏离其额定 值或理想波形。这一类现象包括电压暂降和电压短时间中断、欠电压、瞬态过电压、阶梯形电压变化、相 位跳变等。 需要指出的是，迄今为止对电能质量的分类仍存在着由于定义不同引起的类别区分界线不很清晰和由 于分类方法不同产生的技术名词不统一等问题。 1 1 3 电能质量问题的起因 随着电力系统规模的不断扩大以及系统中非线性负荷的不断增加，电力系统受到的“谐波污染”也越 来越严重，加上电力系统可能出现的内外故障，这就大大恶化了系统的电能质量。电力系统电能质量问题 的产生主要有以下原因： ( 1 ) 非线性负荷 在工业和生活用电负荷中，非线性负荷占很大比例，这是电力系统谐波问题的主要来源。电弧炉是主 要的非线性负荷，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的，电弧长度的不稳定性和随机 性，使得其电流谐波频谱非常复杂，而且随时间会有明显的变化 荧光灯的伏安特性是严重非线性的，因此也会引起严重的谐波电流，其中3 次谐波的含量最高。3 次 谐波还有可能引起谐振，使谐波放大，使电压波形也发生严重畸变。 大功率整流或变频装置在现代工业中的应用极为广泛，这种基于电力电子的设备会产生严重的谐波电 流，对电网造成严重污染，同时也使功率因数降低。 ( 2 ) 电力系统设备的非线性特性 在电力电子装置大量使用以前，电力系统中主要的谐波源是发电机和电力变压器。 发电机是公用电网的电源。在实际运行中，由于多种原因，发电机的感应电动势不是理想的正弦波， 因此其输出电压中也就包含一定的谐波。 变压器谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的，产生谐波电流的大小与变压器的铁心结构、铷1 ) 饱 和程度以及变压器的连接方式都有关系 。 ( 3 ) 电力系统故障 电力系统运行的内、外故障也会造成电能质量问题，如短路故障、雷击、误操作、电网故障时发电机 及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动等都将造成各种电能质量问题。 1 1 4 电能质量引起的危害 电能质量问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 使电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率和使用寿命； ( 2 ) 谐波会使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘 老化、寿命缩短，以至损坏； ( 3 ) 引起电网谐振，这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之 串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁； “) 导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失； ( 5 ) 谐波会对l 临近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系 统无法正常工作； ( 6 ) 在电压不平衡较严重时，会引起零点电位漂移，影响计算机的正常工作； ( 7 ) 电压波动和闪变会对数字系统形成干扰，造成误动； ( 8 ) 谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来经济损失； ( 9 ) 短时停电、电压骤升或骤降会影响许多特殊行业的生产过程，降低生产工效和产品质量，直接造成 经济损失。 3 查塑查兰堡主兰竺堡苎 1 1 5 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( 如i e e e 、i e c 、c i g r e 等) 对电压偏 差、谐波、不平衡制定了一系列的标准。制定电能质量标准是为了保证电力系统的电能质量，使系统工频 电压波形保持在合格的范围内，满足各种用电设备的正常工作要求，以保证电力系统用户的安全、经济运 行 国际上较有影响的电能质量标准是由信息技术工业协会( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r yc o u n c i l ， i t i c ) 发布的i t i c 曲线，如图1 1 所示它在工业中广泛地用于衡量各种类型的设备和电力系统的性能特 性。在包络线以下的那些点可能引起负荷退出，而曲线上方的那些点可能引起设备的其它故障，例如绝缘 问题、过电压跳闸或过激励。i t i c 曲线对于在电力网运行的敏感设备提供了一个标准的设计目标。 x v 罄 粤 7 电琢存瓣包 7 | 4 i 搜 1 i “i r上稳去 图1 1r 1 1 c 曲线 m e e 一5 1 9 是i e e e 制定的关于谐波的标准。 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 迄今为止。我国已经制定并颁布的电能质量国家标准有：g b l 2 3 2 5 - - 1 9 9 0 电能质量供电电压允许偏 差、g b t 1 4 5 4 9 - - 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波、g b 厂r 1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡 度、g b ，r 1 5 9 4 5 1 9 9 5 2 s ) 等方法难以满足对重要用户连续供电。 以上方法都能在定程度上解决电能质量问题，但也都存在着自身无法克服的缺陷，因此必须提出新 的解决电能质量问题的方法。 1 2 2c u s t o mp o w e r 技术 随着电能质量问题的日益重视，电能质量问题的治理方法近年来也得到了很快的发展电力电子、计 算机和控制技术的飞速发展对电能质量问题的解决起到了重要的推动作用，使得电能质量的补偿控制从传 统的技术发展到现在一系列基于电力电子装置的“用户电力技术( c u s t o m p o w e r ) ” 用户电力技术是由美国电力科学研究院( e l e c t r i c p o w e r r e s e a r c h i n s t i t u t e ，e p r i ) 的n g i - i i n g o r a a i 博 士于1 9 8 8 年提出的。它将电力电子、计算机和控制技术等高新技术运用于中低压配电系统，形成了一系 列的电能质量补偿控制设备，可完美地解决谐波畸变、电压波动和闪交、电压不对称等问题，从而大大提 高了电网的电能质量。 这些设备主要包括： ( 1 ) 静止调相机( s t a t c o m ) 用以调节电压和系统功率因数，用于动态非线性负载如电弧炉 ( 2 ) 固态电子转换开关( s s t s ) 用于双回线路的切换，克服传统的机械开关反应慢的弊端，保证对重要用户可靠供电 ( 3 ) 动态电压恢复器( d 、，r ) 补偿电源电压波动和闪变等，用于敏感负荷，如半导体生产厂家。 “) 不间断稳压电源( u p s ) 用于重要负荷，如银行，医院、数据中心等。 ( 5 ) 有源滤波器( a p f ) 用于抑制非线性负载产生的电流谐波，消除其对电网造成的谐波污染。 用户电力技术家族中的各种现代电能质量补偿控制设备的特点是可以快速、动态地补偿配电嚼中各种 电能质量问题，对电力系统运行的影响小。它们的协调配置可将配电系统改造成无电压波动、无不对称以 及无谐波的柔性化网络，满足电力负荷对电能质量日益提高的需求 、 1 3 课题背景 电能质量问题除了包括众所周知的电流波形畸变问题、稳态电压质量问题和电能的可靠、可使用性问 题之外，还包括未为人们所熟知、所重视的动态电能质量问题，但其造成的经济损失却非常巨大。尤其是 5 东南大学硕士学位论文 近些年，基于计算机、微处理器的管理、分析、检测、控制的用电设备和各种电力电子设备的大量使用， 它们对系统的干扰比一般机电设备更加敏感，对供电质量的要求更苛刻。即：不论系统是处于正常稳态还 是故障暂态，均需保证幅值偏差很小( 如只允许在额定值的1 0 或更小的范围内波动) 的基波正弦电力 的可使用性，即高动态恒定特性，而哪怕几个周波的供电中断，或电压跌落都将影响这些设备的正常工作 虽然各种电能质量问题对系统造成的危害还在研究之中但电压骤降( 跌落) 和电压瞬时中断已被认 为是影响许多用电设备正常、安全运行的最严重的动态电能质量问题。1 9 9 3 年至1 9 9 5 年，由美国电科院 发起，全美2 4 所电网支持参与进行了一次电能质量监测分析( d i s t r i b u t i o n p o w e r q u a l i t y ，d p q ) 的研究， 监测记录了近6 0 0 0 万次电能质量事故，这一研究结果显示用户遭受所有电能质量事故的9 2 是由电压跌 落和电压瞬时中断( 持续时间小于2 秒) 引起的，而电压长时间中断( 持续时间2 秒到l o 分钟以上) 是 很少见的，约占4 ，如下图卜2 所示”。 图卜2 电压暂降变化幅值、持续时间、发生频次之间的关系 在现代工业中，任何一个设备的作业中断都将可能导致整个流水线、甚至全厂作业的中断，造成的损 失非常巨大。因此工业用户对供电质量的要求比其中单个敏感用电设备更高表1 6 是s i e m 公司就电 压骤降对几家大型敏感工业用户造成危害的调查结果 表l - 6 电压骤降对大型敏感工业用户造成的危害 事钶名主要的敏感工序骤降幅值持发生颠次原因 造成的危害 续时间 0 f j 柚r l i 目拉丝常i 纱，自动纺织 4 0 3 0 个周 约每月2 次 系统千电孤低于9 0 时，工厂的馈线披跳闸 蛳y , u s a期左右抗造成作业中断 b o n l a c 制奶柠工序 5 0 ，2 0 个周母年2 0 2 7系统故电压低于9 0 时，催干电机被跳闸 f e o d 期左右次 障每次启动需很长时问，导致未来得及 处理的鲜牛奶变质 c a l e d o n i a n 由2 3 台调速电机共同 6 0 ，约 每年约3 0 扶 雷击电压低于9 0 电机被跳闸，每次作 p a p e r , u k 完成的造纸工序 2 0 0 n 堪 业中断，仅生产损失就超过1 4 万英镑 由表1 6 可知，当电压低于9 0 时，上述用户作业都将中断。另外，电压跌落对信息业的影响也很大， 据估计8 0 服务器出现瘫痪以及用户端4 5 左右数据丢失和出错均与此有关在竞争日益激烈的市场经 济中，因意外的作业中断而不能按期交货导致商家的信誉度下降无疑也是巨大的隐形损失，因此电压跌落 所造成的实际经济损失远大于所能计算出的直接损失。 由于电能质量问题与供电系统、用户及其用电设备特性都有关，尤其是动态电能质量问题，无论是供 电部门，还是用户、敏感设备制造商，都无法独自解决，所以由此而造成的损失也不可能由其中的任何一 方来承担。因此，为了更好地改善电能质量，系统化综合补偿技术是解决电能质量问题的最终途径。c u s t o m p o w e r 技术就是系统化解决电能质量和供电可靠性的技术。 目前可用的解决方案之一是不问断电源( u n i n t e r r u p t i b l e p o w e r s u p p l y ，u p s ) ，只要电池或电池组有储 能，不间断电源能够在电压跌落、电压瞬时中断等情况下为设备提供长达数分钟的保护，通常是3 到2 0 分钟；但是，通常很难准确预测电池状态和充电情况，而且电池的维护和更换费用昂贵；有些不间断电源 输出为方波，使得它不适用于工厂自动化设备；不间断电源通常体积和重量都较大。不间断电源高昂的采 购和运行维护成本阻碍了它在工业中的广泛应用。 6 第一章绪论 相比不间断电源，恒压变压器( c o n s t a n tv o l t a g et r a n s f o r m e r ，c v t ) 成本有所降低。不需要运行维护 和电池更换。恒压变压器技术成熟应用简单，能够提供一定范围内的电压跌落保护，但对深度电压跌落和 电压瞬时中断无能为力，限制了它的效率，而且恒压变压器工作时产生大量热量。 动态电压恢复器( 1 ) y n a m i cv o l t a g er e s t o r e ，d v r ) 是一种近几年发展起来的新型解决电能质量问题的 装置，它能够在电网电压出现跌落、闪变、间断等电压质量问题时保证用户侧电压的稳定，以使敏感用户 设备正常运行。但它主要应用在中高压领域，成本较高，而且保护有一定的限度，通常是针对3 0 * * 5 0 的电压跌落。 随着铜铁等耗材价格的上涨，在低压领域，如何进一步降低电能质量补偿装置的成本倍受人们关注。 本文介绍的动态电压跌落修正器( d y n a m i cs a g c o r r e c t o r ，d y s c ) 能够在电压跌落至5 0 的情况下为 用户设备提供长达2 秒保护，在瞬时失电情况下为用户设备提供3 到1 2 个周波的保护，标准状态下效率 高达9 9 。 与同类技术产品相比，动态电压跌落修正器无需串联变压器、没有电池、没有旋转飞轮，同时独特的 主电路设计及优化的储能单元使得它具有成本低廉、尺寸紧凑、重量轻、低维护、高效率等优势，使得它 不但适用于一般敏感负荷用户还可以应用于航海、航空、航天等特殊场合。 目前，国外虽有一些相关技术的研究报道，但仍需要进一步研究，美国s o f l s w i t c h i n g 公司已有相应的 系列产品，并在自动化、塑料、钢铁、玻璃、造纸等行业得到应用，效果显著，国内还没有相关技术的研 究报道。 因此，在低压领域对动态电压跌落修正器进行研究是十分有必要的。 1 4 本文的主要工作 本文针对低压领域电能质量问题。特别是电压暂降问题，对低压领域动态电压跌落修正器的主电路拓 扑结构、检测方法、补偿策略以及控制策略等方面进行了深入的研究和探讨 1 确立了一种低压领域的单相动态电压跌落修正器的主电路结构，分析了其工作原理，它无需串联 变压器、没有电池、没有旋转飞轮，具有成本低廉、尺寸紧凑、低维护、高效率等优势。， 2 分析了现有动态电压扰动检溯方法的优缺点，介绍了一种基于p a r k 变换的简单便捷的检测方法， 并把它扩展到单相电路系统，该方法没有使用低通滤波器具有很好的实时性。 3 提出了一种基于同步坐标系的单相软件锁相环，它能够快速准确的捕获输入电压向量的相位，它 利用求导来产生正交电压，解决了延迟环节带来的数据不具有同时性问题，该软件锁相环结构简 单、动态响应速度快、对畸变电压有较好的抑制作用。 4 分析动态电压调节器常用的电压补偿策略，并对同相位补偿策略、暂降前电压补偿策略、能量优 化补偿策略等进行了仿真，指出了应根据负荷情况、储能大小、经济性等多方面综合考虑，从而 决定合理的电压补偿策略。 5 针对动态电压调节器常用的前馈控制策略，反馈控制策略的缺点，结合动态电压跌落修正器的主 电路结构，提出了一种电源电压前馈负载电压瞬时值反馈的控制策略，仿真表明该控制方法具有 较好的稳态控制精度和较好的稳定性。 6 对动态电压跌落修正器主电路参数设计进行了研究，给出了主电路参数设计原则及具体参数设计 实例。 7 东南大学硕士学位论文 第二章动态电压跌落修正器主电路拓扑的研究 基于c e s t o mp o w e r 技术的动态电压调节器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r r e g e l a t o r , d v r ) 能够有效补偿 电压的暂降、不对称、闪变、谐波等动态电压质量问题，被认为是治理动态电压问题晟经济、有效的手段 之一，在中高压领域得到普遍认可。然而，在低压领域，如何进一步简化动态电压调节器电路结构、减少 使用电力电子器件数量以降低成本而倍受人们关注。 本章在回顾现有动态电压调节器主电路及工作原理的基础上，确立了一种新型动态电压跌落修正器主 电路结构，分析了其工作原理，它无需串联变压器、没有电池、没有旋转飞轮，同时独特的主电路设计及 优化的储能单元使得它具有成本低廉、尺寸紧凑、重量轻、低维护、高效率等优势。仿真结果验证了该主 电路结构的可行性和正确性。 2 1 基于c u s t o mp o w e r 技术的动态电压跌落抑制方法n 榭1 2 1 1 串联式d v r 图2 一l 所示为典型的串联式动态电压调节器的基本拓扑结构。 厂 r 1 l 滤波器l l 嬲l h h l 储能装置l 图2 一l 串联型动态电压调节器主电路单相示意图 它由储能装置、变流嚣、滤波器及串联变压器等单元组成。储能装置具有在电压暂降期间给负载提供 有功功率的作用，因而必须具有一定的能量存储与功率交换能力，典型的储能设备包括：电池、超级电容、 超导储能及飞轮储能等。变流器通常为采用全控型电力电子器件的电压源型变流器。滤波单元通常由电容、 电感实现。 应用d v r 时，将其串联到系统和用户设备之间，当供电系统电压由于故障偏离正常值时，通过逆变器 将直流储能单元的直流电压转换为交流补偿电压，经过滤波器和串联变压器注入系统馈线，以补偿故障电 压与正常电压之差，使用户侧负载电压在故障情况下仍保持正常值，从而确保对电压敏感的电器设备正常 运行 d v r 工作时。可等效为一个受控电压源，其等效电路如图2 2 所示。根据等效电路图，如果忽略线 路阻抗和d v r 的阻抗，可以得到： 6 d h = 6 枷一以 ( 2 一1 ) 式中，6 。为故障发生前负载上的电压；玩为故障发生后的电源电压；6 0 m 为补偿电压。 8 第二章动态电压跌落修正器主电路的研究 图2 2 d v r 等效电路图 2 1 2 静态无功发生器 图2 - - 3 所示为并联式静态无功发生器示意图 图2 3 并联式动态电压调节器示意图 并联式动态电压调节器与串联式d v r 的结构非常接近，但它通常不采用能量存储单元，只为系统提 供无功，通过并联方式接入系统这类控制器并不是直接补偿负荷电压，而是通过对无功电流的控制来实 现电压调整，通常被称为静态无功发生器( s t a t i cv a tg e n e r a t o r , s v g ) ) 或静态补偿器( s t a t c o m ) 。这类 补偿器可以通过发出或吸收无功电流来补偿有限的电压跌落。 2 1 3 串并联式d v r 图2 - - 4 所示为串并联式动态电压调节器示意图。这是将串联补偿电路与并联补偿电路结合起来的一 种拓扑结构。就目前储能技术的发展水平而言，经济实用、方便可靠的大容量储能技术还未实用化，高昂 的造价限制了图2 一l 所示串联式补偿器的应用。事实上，设立d v r 的目的在于补偿供电系统电压的跌落， 而当系统电压跌落发生时，通常还有一定的残压存在，可以利用这部分电压为逆变回路提供能量，这样就 不必采用储能单元可降低系统的造价，从供电系统获得能量的部分通过并联变压器或直接并联接入系统 燕流器通常采用不控整流器以降低设备造价，也可采用与电压源逆变器同样的拓扑结构，使能量可以双向 流动，这对于供电系统电压暂升的抑制非常有用。 9 鲺厂三w： 蛩 苦1 东南大学硕士学位论文 图2 4 串并联式动态电压调节器示意图 2 1 4 级联型d v r 图2 5 所示为级联型动态电压调节器示意图。 图2 - - 5 级联型动态电压调节器示意图 目前，高压大容量d v r 中补偿电压是利用串联变压器接入电网的。采用这种主电路接线方式不仅 能使逆变部分与电网电气隔离，还能利用变压器的变比，降低逆变部分承担的电压，由此降低了对逆变器 输出电压能力的要求，可以选择较低的直流电压。但这种方式也会带来许多不利的影响，如；逆变器产生 的高次谐波将增加变压器的设计难度，为此往往需要增大变压器的容量；串联变压器的短路电抗会影响电 压开环控制精度。产生较大的功率损耗；串联变压器将引入附加的相移和压降，降低控制器的性能。 因此，人们考虑采用无串联变压器的电路结构来克服上述缺点，采用多电平逆变器技术，将多个功率 器件按一定的拓扑结构组成。能提供多个电平，使用适当的控制逻辑就能实现所需电压的输出。多电平逆 变器不仅降低了开关器件的耐压要求，也改善了逆变器的输出波形品质。降低了输出电压的谐波畸变率， 适用于高电压，大功率的场合。 2 2 动态电压跌落修正器的设计要求 由上述介绍可以看出，应用于中高压领域的d v r 要么通过串联变压器接入电网，要么采用级联型接 入，前者由于大容量变压器的存在会带来许多不利的影响，后者大大增加了开关器件个数，成本较高。 随着铜铁等耗材价格的上涨，在低压领域，如何进一步降低电能质量补偿装置的成本倍受人们关注 与现有电能质量补偿装置不同，动态电压跌落修正器是按照以下原则设计的： 在保障功能的前提下尽可能降低成本 动态电压跌落修正器应该能够为用户所遭受9 2 的电能质量事故提供保护，应该能够在电压跌落至 5 0 时为设备提供长达2 s 的保护； 体积和重量应该尽可能小 第二章动态电压跌落修正器主电路的研究 标准的动态电压跌落修正器应不包含串联变压器，储能模块的体积也很小； 运行效率应该尽可能高 动态电压跌落修正器应包含一个旁路开关，正常情况下开关闭合，当出现电压跌落时开关打开，使得 动态电压跌落修正器运行效率高达9 9 2 3 无变压器耦合的动态电压跌落修正器的主电路及工作原理 图2 6 所示是单相动态电压跌落修正器原理示意图。 k 敏感负荷 图2 - - 6 单相动态电压跌落修正器原理示意图 图中，d l 、d 2 为整流二极管，c d l 、c d 2 为滤波储能电容，s l 、s 2 为i g b t ，l 1 为滤波电感，c l 为 滤波电容，k 为反并联可控硅。 动态电压跌落修正器由一个固态旁路开关和一个并联在输入输出端的校正储能模块组成。正常运行情 况下，固态旁路开关闭合，电源电压通过旁路开关给负荷供电；一旦检测到电压跌落或瞬时中断，旁路开 关打开，校正储能模块工作，校正储能模块包含一个能量转换电路，在输入电压上叠加适当的补偿电压为 负荷提供近似正常的工作电压。 当输入电压出现骤降时，固态旁路开关打开，逆变器开始运行，计算输入侧的跌落电压，并作为逆变 稳压的参考值，逆变器仅生成跌落电压并把该跌落电压叠加到输入电压上，从而为敏感负荷用户提供必要 的补偿 单相逆变器可工作在电压提升模式和旁路模式，能够为输入交流电压提供1 0 0 的电压提升，使它能 够对电压跌落至5 0 的情况进行修正补偿；另外，逆变直流母线具有处理电压骤降到0 的能力，这种情况 下能够为用户提供多长时间( 一般为3 到1 2 个周波) 的保护取决于储能元件的储能。 由于无需串联变压器，这就使得装置尺寸紧凑，同时，精简的开关器件个数均使得成本大大降低。 2 4 动态电压跌落修正器主电路的其他拓扑结构 2 4 1 半波二极管整流的单相动态电压跌落修正器 图2 7 所示为采用半波二极管整流的单相动态电压跌落修正器原理示意图。 东南大学硕士学位论文 敏寤负荷 图2 7 半波二极管整流的单相动态电压跌落修正器原理图 从上图可以看到，输出滤波电容直接和被保护负荷串联，从而消除了串联变压器。和传统电能质量补 偿器的串联变压器相比，图中并联隔离变压器的电压等级和成本都大大减少，而且，在这种情况下，饱和 度不再是个问题。另一个重要方面，应顾及隔离变压器的规格是与其短线操作，允许使用电力变压器额定 容量小的补偿。隔离变压器的变比可适当选择，以保证获得恰当的直流电压使深度电压跌落可以得到补偿。 对低功率( 低电压) 应用而言，半波二极管整流能够提供足够的直流电压。由于每个电容器在电网电 压的半个周期独立充电，所以不存在直流均压问题。 2 4 2 全波二极管整流的单相动态电压跌落修正器 图2 - - 8 所示为采用全波二极管整流的单相动态电压跌落修正器原理示意图。 图2 - - 8 全波二极管整流的单相动态电压跌落修正器原理图 可以看出，图2 8 是在图2 7 的基础上稍许改动得到的，它们的工作原理也类似，主要区别在于， 全波整流输出直流电压纹波较小，降低了对电容的要求。 2 4 3 半桥p w m 整流的单相动态电压跌落修正器 图2 9 所示为采用半桥p w 蝴自流的单相动态电压跌落修正器原理示意图 1 2 最岳负荷 第二章动态电压跌落修正器主电路的研究 图2 9 半桥p 嘲整流的单相动态电压跌落修正器原理图 把二极管整流桥用可控半桥代替，就得到上图所示的半桥p 删整流的单相动态电压跌落修正器。这种 电路，整流器功率因数可控。输出直流电压可调，提高了整体补偿能力。在稳态运行条件下，这种灵活的 电路拓扑可被用作有源滤波嚣、功率因数补偿器或电压调节器。 虽然采用p 聊整流致使控制系统更加复杂，但是它具有其他电路结构所没有的优势，例如：直流电 容要求低；补偿能力强；功率因数可控；操作更加灵活。 2 4 4 三相动态电压跌落修正器 图2 一l o 所示为三相动态电压跌落修正器原理示意图。 图2 - -