（电力系统及其自动化专业论文）动态电压恢复器补偿技术的研究.pdf

s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho f d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r sc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g y s p e c i a l t y ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n n a m e：s h e ny i g e i n s t r u c t o r ：f uz h o u x i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 一血y 单一一 ( s i g n a t u r e ) v o l t a g es a gh a db e c o m ear e m a r k a b l ep r o b l e mi np o w e rq u a l i t y , a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yi nm o d e r nt i m e sa n dt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fv a r i o u s s e n s i t i v i t ye l e c t r o - e q u i p m e n t s d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r ) i sa l li m p o r t a n tm e m b e ro f c u s t o mp o w e rf a m i l y i t sf i n ed y n a m i cf u n c t i o nm a k ei tt h em o s te f f e c t i v ea n de c o n o m i c d e v i c et oc o m p e n s a t et h ev o l t a g es a g d v rp o u r st h es t a n d a r da n dt h e s y s t e mv o l t a g e s d i f f e r e n c ev a l u ei n t ot h es y s t e mt oc o m p e n s a t et h ed i s t o r t i o n , i tc a nb a l a n c es w e l l so rs a g s w h i c hc a u s ed y n a m i cv o l t a g eq u a l i t yq u e s t i o n , a l s oc a l lb a l a n c en o n b a l a n c eo f t h r e e - p h a s eo r h a r m o n i c sw h i c hc a u s eq u i e s c e n tv o l t a g eq u a l i t yq u e s t i o n , i so n eo ft h ep r e s e n tr e s e a r c hh o t s p o t si np o w e rq u a l i t yi n s t a l l m e n t f o rt h eb e t t e re f f e c t i v ec o m p e n s a t i o nt ov o l t a g es a g ，t h ef i r s tr e s e a r c hi st h ed e t e c t i o n m e t h o do fv o l t a g e ；t h eo t h e rw o r kh a st of o c u so nc o n t r o lm e t h o do fd v r t h ed i s s e r t a t i o na i m st oh a v eap r i m a r yp r o b ei n t oq u e s t i o n sm e n t i o n e da b o v e f i r s t l y , i n t r o d u c e dd v r sc o m p o s i t i o n so fe a c hp a r t , a n da l s op r o d u c e dt h ed v r st o p o l o g yw h i c h c o m p o s e db yt h r e es i n g l e p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e r ad e t a i l e da n a l y s i so ft h ep r e s e n t d e t e c t i o nm e t h o dt ov o l t a g es a gi sp r e s e n t e d ，f i n a l l yu s e dt h ei m p r o v e ds i n g l e p h a s ev o l t a g e d qd e t e c t i o nm e t h o d e x p a t i a t e do nt h ep r i n c i p l eo fs p w mt y p e dd v rc o m p e n s a t i n gv o l t a g e s a ga m p l yt h e n c h o o s et h eu s ef e e d f o r w a r dc o n t r o la n da d dt h er e a c t i o nc o n t r o lt ot h e m i x t u r ec o n t r o li nt h ec o n t r o ls t r a t e g y , t os o l v et h ed a m pw e a ka n ds t a b l ev a l u ec o u l dn o t a c h i e v et h er e q u e s ta n dc a n n o ta d a p tt h ev a r i a t i o no fl o a dt r a n s f o r m a t i o ni nf e e d f o r w a r d c o n t r 0 1 t h e nt h e d e s i g n e dp r o j e c ti ss i m u l a t e di ns i m u l i n ke n v i r o n m e n to fm a t l a b s o f t w a r e ，b u i l tt h es i m u l a t i o nm o d e lf o re x a m i n a t i o na l g o r i t h ma n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y t h e i m p r o v e ds i n g l e p h a s ev o l t a g ed qd e t e c t i o nm e t h o di st e s t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h i sm e t h o di s a c c u r a c ya n d m i n i m a ld e l a y t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o nh a sp r o v e dt h a tt h ed e s i g n e dd v r i sa c c u r a t ea n da p p l i c a b i l i t y k e yw o r d s ：v o l t a g es a g ；d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ；d e t e c t i o nm e t h o d ；s p w m ；c o n t r o l m e t h o d t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：呻一歌 日期：弘r o s 吒f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 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。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：冲散 艚教师躲斫哪 口8 年6 月f 弓e t 1 绪论 1 1 引言 l 绪论 电能是一种特殊商品，既具有商品形式向用户出售的性质，又具有为千百万用户服 务的公共事业性质。电能质量的优劣对电网和电气设备的安全、经济运行，保证产品质 量和科学实验以及人民生活和生产的正常进行均具有十分重要的意义，直接关系到国民 经济的总体利益。我国对电能质量已经先后颁布了一系列标准，今后还将陆续制定出其 他有关电能质量的标准。国际上，1 9 8 9 年欧洲共同体制定了电能的全面标准。1 9 9 2 年 欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) i e 式颁布公用配电系统供电特性文件，作为欧洲 对电能的统一标准，并被国际电工委员会( i e c ) 采用。 随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机和微处理器的管理、分析、 检测、控制的用电设备和各种电力电子设备在电力系统负荷中占的比例大幅增加，他们 对系统干扰比一般用电设备更加敏感，对供电质量的要求更加苛刻。电压跌落是电能指 标中的一项重要组成部分，全国电力企业对电压跌落的关注比其他电能质量问题的关注 程度要高得多。据统计，因电压跌落而引起的事故次数大约是因完全供电中断而引起的 事故次数的1 0 倍【l 】。文献【1 】还收集了国外一些电压跌落对待定设备的影响事例，其中 包括对可编程控制器、精密机械工具、调速电机、计算机和接触器等。据介绍，由于一 次电压跌落而使某生产线重新启动需花费5 0 0 0 0 美元；某玻璃制品厂工频5 周波的电压 中断，造成损失约2 0 0 0 0 0 美元；某计算中心2 秒的供电中断引起约6 0 0 0 0 0 美元损失。 电压瞬间跌落已经上升为影响用电设备安全稳定运行的重要电能质量问题。 1 2 电压跌落 1 2 1 电压跌落的定义 图1 1 是典型的电压跌落的电压波形图。根据国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 的 定义，电压跌落是指电力系统中工频电压有效值迅速下降到额定值的1 0 , - - 9 0 ，持续 时间为1 0 毫秒到几秒的现象 2 1 。 西安科技大学硕士学位论文 图1 1 典型的电压跌落波形 1 2 2 电压跌落特征量 电压跌落一般可以用三个量来描述：跌落幅值、持续时间和相角跃变。 ( 1 ) 跌落幅值 跌落幅值可以反映电压下降的程度，是描述电压跌落的一个非常重要的参数，经常 用发生电压幅值跌落深度( m f = 。r ) 来表示，其中指跌落前的电压有效值， u 。，指电压跌落时的有效值，发生不对称电压跌落时，指电压基波正序分量的有效值。 由于电压的测量只能是对不同时刻的电压进行采样，因此必须计算这些采样值才能得出 电压幅值的大小。如果一个周波采1 0 0 点，在某一时刻的计算值应该是和这一时刻前面 的9 9 点采样值共同进行计算。由此可以看出电压的有效值并不是立刻显示出电压的下 降，而是由于前面若干个采样值的支撑，所以在检测中电压的真实降落需要滞后一段时 间才能显示出来。同理，电压的回升也是这样。 ( 2 ) 持续时间 电压跌落持续时间是指从电压有效值下降到一定的门阀值( 一般取9 0 ) 开始到电压 恢复到此门阀上所经历的时间。如果电压跌落是由于系统发生短路故障引起的，那么这 段时间通常受重合闸时间的影响，比故障的恢复时间要长一些。一般说来，由输电线路 发生故障引起的电压跌落持续时间要短得多，原因就是输电线路上距离保护和差动保护 用得比较多，保护动作时间和断路器的动作时间都短。而配电线路的保护大部分都是过 流保护，分段式过流保护更增加了故障切除时间，导致电压跌落的持续时间增加。 ( 3 ) 相角跃变 电压跌落不仅造成电压的降落，同时可能造成相角的跃变。可以利用锁相环技术获 取这个跃变角。并不是所有的用电设备都会受到电压相角跃变的影响，只有那些利用电 压的相位来工作的设备容易受到干扰，例如利用电压的特定相位来发出触发脉冲的电力 2 1 绪论 电子装置等。 1 2 3 电压跌落产生的原因 电压跌落的产生主要有以下几种原因【3 ，4 1 ： ( 1 ) 系统发生短路故障 这是电压跌落发生的主要原因。目前从监测出故障到隔离故障最快也需要3 6 个周 波。变电站某条出线若发生短路故障，保护装置运作将其隔离，与此变电站相连的其他 线路将经受一次电压跌落。这种电压跌落占到总数的7 0 以上。排除故障的快速重合闸 装置动作也会使相邻线路遭受电压跌落。另外，重合闸动作不成功时，电压跌落将增加 一次。 ( 2 ) 雷击引起的线路对地放电或绝缘子闪络 这是造成系统电压跌落的另一主要原因。这在落雷较多的地区尤为明显。 ( 3 ) 大功率用电器( 例如电动机) 启动或者重负荷出力迅速增加 这时也会导致附近区域电压的短时间降低。这种电压跌落一般下降幅度不大，但是 持续时间比较长。和停电不同，电压跌落是不可预测的随机事件，通常引起工业用户生 产中断或者生产报废品，造成巨大的经济损失。电压跌落对电力系统和电力用户造成很 大的危害。电压跌落能够对计算机、复杂电子设备、精密仪器、可编程控制器、变频调 速电机等许多用电设备造成不利影响。 1 2 4 减少电压瞬间跌落的措施 减少电压跌落主要有以下几种措施【3 ，5 】： ( 1 ) 减少系统短路故障 系统短路故障是造成电压跌落的主要原因，因此减少系统短路故障是降低电压瞬间 跌落的发生频率的有效的措施。实际上，电力公司早已在经济可行的基础上想尽一切办 法来减少系统短路故障。 ( 2 ) 缩短故障清除时间 缩短故障清除时间可以避免某些设备受到影响，从而减少电压跌落造成的损失。使 用限流熔断器或者使用静态断路器等可减少故障清除时间。此外，缩短继电保护的动作 时间也可缩短电压瞬间跌落的持续时间。 ( 3 ) 优化电力系统 优化电力系统包括将敏感用户和电源点之间的电气距离拉近，敏感用户改为由较高 电压等级线路供电，或对重要敏感负荷单独供电，以减少其他线路的影响；对故障多发 区进行电气隔离，增加和其他负荷间的电气距离，以减少对临近敏感区域的影响；限制 短路电流，以减小电压跌落的幅度等。 3 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 使用特定的补偿装置 减少电压跌落最直接的方法就是在特定的地点加装串联型补偿装置。正常运行时， 系统通过逆变器给直流储能单元充电。在发生电压跌落时，储能单元和逆变器对负荷迅 速补偿一部分容量，维持负荷电压基本不变，从而可以消除电压跌落的影响。国外知名 公司如瑞典a b b 公司，德国s i e m e n s 公司等已经推出能够对电压进行动态补偿的商业 化产品，可以补偿电压瞬间跌落，响应时间仅仅为几毫秒，在大部分场合可以很有效地 减少电压瞬间跌落造成的损失，保证敏感用户获得优质的电能。 ( 5 ) 提高用电设备承受电压跌落的能力 提高用户用电设备对电压跌落的承受能力也是一个可行方案。在供电质量相同的条 件下，用户设备对电压跌落的承受能力越强，所受到的干扰次数越少。国际电工委员会 i e c 使用设备敏感度曲线来描述设备对电压的上升或跌落的承受能力。电压可接受区域 越大，设备对电压的上升或跌落的承受能力越强。用户购买设备时可以根据本地供电条 件、供电质量向制造商明确提出这方面的要求。 1 2 5 解决电压跌落问题的定制电力技术 传统的补偿方法有利用变压器分接头、加装并联固定电容器、同步调相机等调压方 法。调节变压器分接开关进行调压，操作频繁，容易损坏，且对电力企业而言，既增加 了初期投入和维护的成本，又增加了运行中的风险；投切固定电容器进行调压，这些静 止型的调压手段调节不连续，分级调节经常导致欠补偿和过补偿，反应速度较慢( 一般 为l o o m s 数量级) 。 这些方法对稳态电压质量问题如过电压和欠电压有一定作用，对电网发生故障造成 的电压突升、跌落、不对称、波动等动态电能质量问题却不能实时、动态地进行有效补 偿。 随着电力电子技术、计算机和自动控制技术的迅速发展，在提高电网电能质量和供 电可靠性方面已出现一种崭新的补偿方式，即基于现代电力电子技术的“用户电力技 ( c u s t o mp o w e r ) 技术。用户电力技术是指把大功率电力电子技术和配电自动化技 术综合起来，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电力。 其中主要产品有： ( 1 ) 不间断电源u p s ( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ) 在电压跌落、断电期间，系统能平稳移动到u p s 供电，效率可达9 2 0 旷9 7 。缺点 是容量小，且费用很高。 ( 2 ) 静止开关切换s t s ( s t a t i ct r a n s f e rs w i t c h ) 负荷由双电源供电( 一个备用) ，当一个电源侧有电压跌落故障时，s t s 使用电力电 子开关在一个半周期内将负荷接至备用电源。由于故障发生地点难以预测，铺设双回路 4 1 绪论 线路代价太高，且s t s 并不能根除电压闪变等电能质量问题。 ( 3 ) 静止无功补偿器( s t a t c o m ) 静止无功补偿器属并联型补偿装置，不仅可以改善系统电能质量，还可向系统提供 无功补偿，调节功率因数。缺点是响应速度慢，对电压瞬时跌落、闪变等无能为力。 ( 4 ) 超导故障限流器( s f c l ) 超导限流器是利用超导体的超导正常( s i n ) 态的转变来限流，从而维持短路节点电 压。s f c l 同时集检测、转换和限流于一身，能在较高电压下运行。但是超导技术现在 并不成熟，而且装置制造、维护费用高。 ( 5 ) 动态电压恢复器d v r ( d y l l a ：【1 1 i cv o l t a g er e s t o r e r ) d v r 正常运行时并不消耗能量，装置响应速度快，效率极高。可以解决电压暂降、 凸起、瞬时间断等配电系统各种扰动所引起的电能质量问题，而且其费用低于u p s ， s f c l 等装置，是目前解决电能质量问题的首选设备之一。 1 3 动态电压恢复器( d v r ) 世界上第一台d v r 装置是由美国西屋公司( 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 ) 和美 国电科院( e p ) 合作研制的。1 9 9 6 年8 月，西屋公司在d u k e 电力公司位于南加州安德 森的1 2 4 7 k v 变电站安装了这台d v r ，用于解决一家自动化纺织厂的供电电压问题【6 】。 另外在o r i a nr u g s ( u s a ) 、b o r f l a co o d s ( a u s t r a l i a ) 、c a l e d o n i a np a p e r ( u k ) 等公司的网络中 均串入了d v r 。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系统中【7 】。另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 ( 这是目前世界上此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【8 】。在日本，柱上式d v r 也已经投入运行【9 】。此外，世界上还有很多厂家和研究机构都在研制各自的d v r 。 1 3 1 动态电压恢复器的特点 d v r 串联型动态电压恢复器具有以下特点： ( 1 ) 经济性 具有很高的运行效率，损耗小：结构紧凑、体积小，占地面积小；日常维护工作量 很小。装置整体具有更高的经济性。 ( 2 ) 多功能性 是以多功能，多治理为目标的电压质量问题综合治理装置。包括补偿稳态电压降落， 抑制瞬态电压凹陷，电压浪涌，电压闪变，抑制电力系统电压谐波，抑制三相电压不平 衡等功能。 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 快速性 电压跌落的持续时间很短，一般在几个毫秒到几秒，因此动态电压恢复器的响应时 间在5 m s 内。 ( 4 ) 可靠性 d v r 是串联补偿技术，因此需要尽可能提高设备运行的可靠性、适应性，包括负 载适应性，系统电压畸变适应性以及提供充足的可靠性设计( 如冗余设计方案、接触器 不间断切换方案1 等，一方面提高d v r 装置本身的可靠性与适应性，另一方面，从系统 设计方案的角度，无论在系统电压畸变、波动等情况或者d v r 装置本身发生故障，都 能确保负载的连续安全正常工作。 1 3 2 动态电压恢复器的发展 d v r 装置是多学科、多领域交叉发展的产物。现代电力电子技术的发展，带来了 可供选择的多种电路拓扑结构以及先进的调制技术。电力电子器件的发展带来了更高可 靠性、更高开关频率、更低损耗的功率器件，这其中包括已经得到大规模使用的i g b t 和i g c t 器件以及智能功率模块i p m 。这些可以工作在较高开关频率( 1 0 k h z 以上) 的功率 器件是研制d v r 装置的基础。现代控制理论的发展使我们拥有了更多的算法选择，这 些控制理论的使用增强了系统的经济性、稳定性、可靠性，使装置趋于职能化。微处理 器的发展为我们实现各种较复杂的算法提供了物质基础。在以往，实现较高的开关频率 和实现较复杂的控制算法一直是一对矛盾。当前高速、高集成度的微处理器使上述两者 达到了一定程度的统一。面向控制领域的处理器其优化的硬件设计使软件的设计任务大 大简化，这不仅减轻了开发者的负担，更重要的是减小了系统软件的规模，从而为实现 更复杂的算法打下了基础。 上述这些技术的发展使d v r 装置的实现成为可能，而d v r 装置进一步向大功率、 智能化方向发展仍然依赖于这些技术的进一步发展。 1 4 本文研究的主要工作 本文首先介绍了电压跌落的定义、产生的原因及减少电压跌落的措施，然后分析了 d v r 的结构和工作原理，针对电压跌落的检测算法和d v r 的控制策略进行了研究。主 要工作如下： ( 1 ) 通过查阅现有资料，对d v r 装置的各个组成部分进行了详细的介绍，综合考虑 装置的成本和性能，确定了本文的d v r 装置的主电路拓扑结构。 ( 2 ) 快速准确的检测出电压偏差信号是d v r 装置运行的前提条件，本文对目前常见 的几种检测方法等进行了归纳总结，最后根据电压跌落的特点选用改进的单相由算法 作为此d v r 系统的电压偏差信号的检测方法。最后仿真验证了检测方法计算简单，兼 6 1 绪论 顾了检测的实时性和精度。 ( 3 ) 介绍了逆变器的控制方法，推导了采用s p w m 法的单相d v r 补偿电压跌落原 理。建立了d v r 的等效电路，在此基础上分析和研究了前馈控制系统，得到系统输出 和系统输入与扰动的关系式，根据对传递函数的分析，可以看出前馈控制环节阻尼弱、 稳定裕度达不到要求且不能适应负载变化；在此基础上，本文采用了前馈控制加反馈控 制的混合控制策略，构造整个控制系统的结构框图，得到了系统的传递函数，并通过仿 真分析，得出了混合控制能够提高系统的稳定裕度和控制系统的动态响应速度的结论。 ( 4 ) 基于本文提出的检测和控制算法，在m a t l a b 仿真软件包的s i m u l i n k 环境 下，搭建了d v r 系统的仿真模型，通过仿真优化d v r 的参数，模拟了d v r 的运行规 律。利用该模型对不同短路状态下产生的电压跌落和含有谐波的电压跌落进行了仿真实 验。仿真结果验证了检测算法具有较好的响应时间和检测精度，控制策略能有效的补偿 电压跌落，提高了d v r 控制系统的稳定裕度和响应速度，证实了本文设计的d v r 的 正确性和电压补偿的实时性。 7 西安科技大学硕士学位论文 2d v r 主电路的研究 d v r 是一种串联在电网与负载之间提供补偿电压的电力电子装置，相当于一个可 以快速调节的电压源，它通过快速补偿特性为负载提供稳定正弦电压。一般来说，d v r 装置大致由四部分组成：直流侧储能单元、逆变单元、滤波单元和输出单元。如图2 1 所示。下文将对d v r 各组成部分的功能展开详细介绍。因为不同的主电路结构会有不 同的补偿效果，不同的性能价格比。 图2 1 典型d v r 拓扑结构 输出单元 2 1 逆变器 d v r 的核心单元是一个基于全控器件的电压源型逆变器【l 仉1 1 】，用于补偿故障电压 的串联注入交流电压就是通过逆变器对直流电压的逆变产生的。 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、三相半桥逆变器和三单相全桥逆变器等。不同结构的逆变器有不同的性能。单 相半桥逆变器使用两只开关器件，其器件成本较全桥逆变器节省，但在直流侧需要电容 分压，从而存在直流侧两个电容均压的问题。如果直流侧电容不能很好地均压，逆变器 输出电压品质将受到很大的影响。同时由于直流侧经过了分压，直流侧电压的利用率降 低为1 2 ，逆变器的输出必须通过升压变压器接入系统，因而降低了装置在不同电压和 功率等级上设计的灵活性。全桥逆变器比半桥逆变器多用两只开关器件，装置的成本提 高。桥式逆变器普遍存在桥臂自通的问题，都需要可靠的桥臂保护手段来防止桥臂自通。 推挽式逆变器不存在桥臂自通的问题，但功率器件的开关集电极电压应为电容电压的两 倍。它的最大优点是在低输入电压时，任何时候最多只有一个开关器件工作，因而在输 出功率相同时开关损耗较小，适用于低压输入的大功率变换器。 本文选择三相桥式逆变器，由于考虑到我国大部分中低压电网都采用三相四线制结 构，三相电压不平衡情况比较常见，所以采用三单相桥结构更合适。其优点是各相输出 的补偿电压之间完全独立，控制比较简单。缺点是与三相全桥逆变器相比其器件成本相 对较高【1 2 1 。 8 2d v r 主电路的研究 2 2 直流储能单元 系统故障时，d v r 需要提供有功功率( 那些只有无功交换的d v r 补偿范围很有限) 。 d v r 提供的能量是由储能单元提供的。d v r 储能单元通常有以下两种结构。t 2 2 1 直接采用储能单元的储能元件 直接采用储能单元的储能元件可以有电容储能，蓄电池储能等。 ( 1 ) 利用大电容储能是当系统未发生电压跌落时，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 从系统中切除；当系统发生电压跌落时，逆变器向系统输 出功率，在电容电压跌落到一定的数值前，可以基本保持用户电压不变。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，其设计参数与系统容量以及补偿要求有 关。其成本较低，随着超级电容器的出现，这种储能方式的应用前景十分广阔。 ( 2 ) 采用蓄电池作为直流储能单元，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。能量的流动完全时是可控的。此时的d v r 的 结构类似于后备式u p s 。 2 2 2 利用整流方法连续提供能量 直接采用储能单元时，只能在一段时间内对电能质量进行补偿。如果电源电压干扰 的时间比较长，就不能进行补偿。如果d v r 上的直流电压通过整流器提供，则可以一 直不问断的对电源电压进行补偿。不论电源电压干扰时间多长，它都可以连续进行补偿。 它可以采用三相不可控整流桥或三相p w m 整流器。 ( 1 ) 利用不控整流桥提供直流电容电压 这种方法可使长期补偿成为可能，并且增加一个不可控整流桥也不会增加很高的成 本，反而可以选取更小的储能电容，降低电容器成本。但这种方式的缺点是：低压时无 法提供足够高的直流测电压。当系统发生电压波动时，直流母线电压也随着波动，并且 它是以串联补偿变压器中，没有输入有功功率为条件的。因为当串联变压器中存在有功 功率时，必然要对电容充电，而整流桥不可能使能量进行双向流动，这会导致电容电压 不断增加。为了避免这种情况的发生，可以在电容上并联一个电阻，当电容电压高到一 定数值时，使电阻开通，以释放能量来保持电压稳定。但这将导致系统效率降低。文献 【1 3 】指出：使用不控整流桥电路，当电网电压抬升时，电容电压不稳定；当电网电压跌 落时，会降低补偿器的补偿范围。此外直流母线电容器上的低频纹波也会导致逆变器的 输出补偿电压精度下降。 ( 2 ) 以p w m 整流器提供直流电容电压 以p w m 整流器来控制直流母线电容电压，可以使d v r 装置的有功功率返回电源， 9 西安科技大学硕士学位论文 因此在发生电压抬升或跌落等电压质量问题时，直流母线电容上的电压都可以保持大致 不变，实现了d v r 装置四象限运行的要求。文献 1 3 】进一步指出：p w m 整流电路的位 置可有两种选择，即可以将其放置在电网侧，也可以将其放置在负载侧。p w m 整流电 路位置上的不同会造成串联变压器容量选择上的不同，这是因为将p w m 整流电路放置 在电网侧时，流过串联变压器的电流为负载电流；而将p w m 整流电路放置在负载侧时， 流过串联变压器的电流为负载电流加上输入与负载电流同相的p w m 整流电路电流。因 此在相同情况下，p w m 整流电路在电网侧时的d v r 装置的串联变压器、电压源逆变装 置、p w m 整流电路所对应的基波容量要比p w m 整流电路在负载侧时要小，但此时并 联变压器的容量会相应的增大。此外，d v r 装置的容量除与p w m 整流电路的接入位置 有关外，还与p w m 整流电路所起的作用、电网电压变化特性和负载特性有关。因此， 当p w m 整流电路起保持直流母线电压恒定和滤波作用时，若电网电压基波分量脉动较 大，谐波分量较小且为恒阻抗负载时可将p w m 整流电路放置在电网侧，这样p w m 整 流电路只需起保持直流母线电压恒定的任务，从而减小了装置容量。相反，若电网电压 基波分量脉动较小，谐波分量较大且为非线性阻抗负载时可将p w m 整流电路放置在负 载侧，这样p w m 整流电路不但可以保持直流母线电压的恒定，而且还可以滤波和提高 ， 电网的功率因数，同时还能减小串联部分的容量。因此，在为d v r 选择整流装置时要 从实际情况出发做出合理选择，以适应实际需要。 本文经过比较，选择了p w m 整流器放置在电网侧向直流电容提供电压。 2 3 输出滤波器 对电压型逆变器来说，逆变器输出端需要一个滤波器，消除谐波电压，现在的串联 电能质量补偿装置一般用无源l c 滤波器，基本的要求是l c 滤波器的固有谐振频率必 须远大于逆变器输出电压的基波频率，同时要远小于拟滤除的最低次重要谐波的频率。 优点是工作简单可靠，设计也相对容易，成本低廉。 2 3 1 滤波器结构设计 逆变器输出电压中含有少量的低次谐波，如果这些更低次的谐波频率接近或等于 l c 滤波器的固有谐振频率，可能会引发谐波放大，致使输出电压中谐波含量增加，甚 至产生过电压，危及装置的安全。为避免滤波器发生谐波谐振，通常在l c 滤波器中设 置阻尼电阻。根据有无阻尼电阻以及阻尼电阻设置的位置不同，一般来说，d v r 逆变 器的低通滤波器有如图2 2 所示的a ，b ，c ，d 四种基本的电路结构。 1 0 2 d v r 主电路的研究 l a l b r ll gd 图2 2l c 滤波器四种结构类型 根据图4 3 四种滤波器的电路结构可以得出四种滤波器的传递函数如下： a 型滤波器的传递函数：g ( s ) 5 五而1 ( 2 1 ) b 型滤波器的传递函数：g ( s ) 5 万五i iz 而 ( 2 2 ) c 型滤波器的传递函数：g ( s ) = 五五r c c j s 丽+ l ( 2 3 ) 。型滤波器的传递函数：g ( j ) = 瓦五可r c i c 了s + i lf 甭 ( 2 4 ) 在d 型传递函数中，如果设r = 也+ 恐，心= k r ，也= ( 1 一k ) r ，其中o k 1 ，那么 d 型滤波器传递函数可重新记为【1 4 】： g ( s ) = 五i k r c i s + 石l 百 ( 2 5 ) 当式( 2 5 ) 中r ：0 ，即为a 型滤波器传递函数5 当式( 2 5 ) 中k ：o ，即为b 型滤波器传递函数。 当式( 2 5 ) 中k = - i ，即为c 型滤波器传递函数。 c ，d 型滤波器含有零点，零点会使系统响应迅速且超调量增加。单纯从数学模型上 来看，前三种滤波器形式都是第四种形式的特例，分析时可以把d 型滤波器的模型作为 统一模型。 新的d 型滤波器的传递函数转化为有零点二阶系统的标准形式如下： 西安科技大学硕士学位论文 胀l g = 玉壬= 卷舞 亿6 ， 三三c 式中为无阻尼自振角频率，= 7 岳；善为阻尼比，孝= 芸、辟。 v l 乙 二 山 二阶系统的阻尼比f = 0 时，系统处于无阻尼振荡状态；孝= 1 为临界阻尼；善 0 为 振荡发散状态，只有0 l 和0 f 1 时的阶跃响应( r = 7 0 ) ( a ) k = 0 ( b ) k - - 0 5 ( c ) k = l 图2 40 孝 1 时的阶跃响应( r = 3 6 ) 1 3 西安科技大学硕士学位论文 从图2 3 和图2 4 可看出，不论哪种类型的滤波器阻尼比增大，上升时间和峰值时 间增大，意味着响应速度降低。另外，滤波器系统阻尼电阻增大，因其产生的基波压降 和损耗必然增大，从这个角度看一般要尽量减小阻尼电阻，在滤波器设计时一般不考虑 阻尼比大于1 的情况。这样设计滤波器就只能选择阻尼比满足0 f 1 的情况。图2 4 出示的阶跃响应的三种滤波器响应时间c 型衅1 ) 较小但相差不大。 下面再比较一下三种类型的滤波器的滤波特性，b ，c ，d 型滤波器的幅频特性曲线 如下： ( a ) k - - 0 ( b ) k - - 0 5 广 ? 一弋、_ _ _ ( c ) k = l 图2 5b 、c 、d 型滤波器的幅频和相频特性曲线 滤披器为抑制高次谐波，其自然频率前的低频区段的幅值增益要尽量接近1 ，相位 增益要尽量接近0 ；而自然频率之后的高频区段幅值增益要尽量快的衰减。自然频率仅 取决于滤波电感和滤波电容，而各频段的幅值增益和相位增益还与阻尼电阻的放置位 置、即滤波器的类型以及阻尼电阻的大小有关系。从图2 5 可以看出，三种类型的逆变 1 4 2 d v r 主电路的研究 器的自然频率相同。b 型滤波器的幅频特性要优于c 型和d 型，b 型滤波器幅频特性曲 线最接近理想曲线，在转折频率前的低频区幅值一直最接近l ，转折频率后的高频区又 能很快衰减，滤波能力好。 综合以上的分析，选取b 型滤波器作为逆变器输出电压的滤波装置。 2 3 2 滤波器的位置选择 不同的滤波器位置对d v r 装置的性能和串联变压器的设计都有较大的影响，在设 计时必须根据对d v r 装置的不同应用要求仔细加以选择。目前，滤波器位置的选择大 致有三种方式，如图2 6 所示： bc 厂。1 卜 i 线路l lu j j - 一 a 储逆 j 、1 ” 能 j 变 j - 滤波器 单 t 单 t 一一 7 1 3兀 图2 6 滤波器的安装位置 若将滤波器设置在a 处，那么输出电压中的高次谐波( 主要是开关频率及其整数倍 的谐波) 将被滤除。这将有利于降低串联变压器的设计容量。但是，这种方法最大的问 题是滤波器容易带来补偿电压的相移以及幅度的衰减。因此，必须根据装置的容量设计 出相移小，衰减少的滤波器。同时还要对控制器的参数进行优化设计，加入一定的补偿 措施。若将滤波器设置在b 处，则可以利用串联变压器的漏感作为滤波电感，从而减少 一个滤波电感的使用。但是，此时串联变压器要承受高次谐波，因此要加大串联变压器 的设计容量，而且此种方式滤波效果欠佳。若将滤波器设置在c 处，则可以将变压器漏 感分布参数引入到滤波器电感量的设计中，消除它对装置的影响。但是，此时逆变器产 生的高频电流分量只能由串联变压器绕组的电感来削弱，因此有大量高频电流流入电 网，形成对电网的污染。 与其他系统中的逆变器输出滤波器相比较，d v r 的滤波器具有它的独特性，主要 表现在以下几个方面【1 5 j ： ( 1 ) 逆变器的输出电压的基频分量的范围从o 0 到1 0 个标么值，确切的值依赖于 d v r 的运行方式。 ( 2 ) 在正常运行条件下，对于系统电源来说d v r 只是被看作一个串联负荷，它对电 源的影响应该小到可以忽略不计。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 恢复电压是补偿电压和跌落电压之和。滤波器的引入不应该引起补偿电压和逆 变器输出电压之间的电压降和相移。否则，d v r 的控制将难于设计。 ( 4 ) 在研究滤波器对逆变器等级的影响时，系统和逆变器的作用都应该被考虑到。 d v r 滤波器的主要作用就是消除逆变器输出电压中的谐波，本文将滤波器的位置 选择在逆变器侧，以便更好地改善谐波问题。虽然这样会给控制器的设计带来影响，但 后面的控制策略将考虑到滤波器对输出电压的影响，因此，不会对d v r 的补偿效果产 生影响。 2 4 串联变压器 串联变压器对装置补偿性能有很大的影响，从电路拓扑图上看，d v r 可以不用串 联变压器而将逆变器输出的补偿电压经滤波后联入系统。 如果采用串联变压器有两方面的优点： ( 1 ) 串联变压器采用的是升压变压器( 即逆变器侧电压低于注入电压) 结构，该升压 变压器的引入可以降低逆变器直流侧电压等级或者减小直流侧电流的大小，在高压等级 场合可以提高装置的可靠性和选择开关器件的灵活性； ( 2 ) 隔离电网和逆变器，使逆变器的直流母线电压可以直接从电网整流获取。 但是串联变压器的引入，也会带来如下缺点： ( 1 ) 由于变压器的非线性，会导致电流畸变，污染电网电流，同时由于谐波电流在 电网内阻抗上的压降，使得电网电压的采样受干扰，导致补偿量检测失真； ( 2 ) 变压器的漏抗会增加滤波环节的相移； ( 3 ) 变压器的短路阻抗降低了开环控制的精度； ( 4 ) 变压器的引入，增加了系统的成本，占地面积大。 另外，变压器还存在饱和及电压跌落瞬间涌流的问题。因此，在有些装置的设计中， 考虑到变压器本身的非线性特点和成本因素，不采用串联变压器，而是直接将逆变器的 滤波单元接入电网。 本文经过综合考虑，选择了采用串联变压器将d v r 接入电网。 2 5d v r 主电路结构 经过以上的分析，本文采用三相独立式拓扑结构，即由三个单相全桥逆变器控制的 动态电压恢复器补偿电压。目的是为了更灵活地对三相电压进行控制，可以分相控制， 互不影响，如果一相出现问题其他两相可以继续运行，尽管所用的功率器件较多，但容 易协调n 引。主拓扑图如图2 7 所示。 1 6 2 d v r 主电路的研究 p w m 整流器 逆变器1逆变器2 逆变器3 图2 7 d v r 的主拓扑图 图2 7 中，逆变器经过串联变压器接入到电网与负载之间；p w m 整流器为直流母 线电容提供充电电源，并保证直流母线电压恒定；串联变压器串联在电网与负载之间， 为逆变器提供与电网电压的隔离；输出滤波器位于串联变压器与逆变器之间，滤除逆变 器的高频输出成分；l 为整流侧输入交流电抗器，它的主要功能为降低电源高次谐波， 抑制电源侧浪涌。 2 6 本章小结 动态电压恢复器的主回路由直流储能单元，逆变单元，低通滤波器和串联变压器所 组成。经过分析，可以看出，d v r 装置电路的设计受电网电压波动、电网频率波动、 串联变压器变比、滤波器的设计、负载阻抗的大小的影响。因此本文选择了适合的滤波 器结构和串联变压器接线方式，确定了采用三相独立式拓扑结构，即由三个单相全桥逆 变器控制的动态电压恢复器补偿电压。 1 7 西安科技大学硕士学位论文 3 电压跌落检测算法的研究 动态电压恢复器可看成由两大部分组成，即控制信号的检测电路和补偿电压的发生 电路。要使d v r 具有良好的补偿功能，能够快速无偏差的检测出需要补偿的电压信号 是关键环节之一。 3 1 补偿策略的选取 理想的d v r 工作原理是当供电侧电压发生电压跌落后，d v r 以跌落前的用户侧电 压作为参考电压，输出一个补偿电压，使得用户侧的电压和跌落前的电压保持一致。d v r 在输出补偿电压的同时与系统有一定的有功交换，这就要求d v r 必须有能量储备，能 量储备单元是d v r 装置的一个重要组成部分，同时也是比较昂贵和需要维护的。为了 能降低d v r 与系统的有功交换，减少d v r