（电力系统及其自动化专业论文）动态不间断电源（dups）的机理研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文动态不间断电源及其补偿量检测 方法的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他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。 学位论文作者签名：毕日期：j 班 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名：辟咝 珥掣 名 期 签耆作 日 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 随着我国技术经济的高速发展及科技进步，大容量用电负荷设备日益增多，半 导体、计算机技术等构成的微电子装置和自动化生产流水线迅猛发展，并己广泛渗 透到高新技术领域的生产控制过程。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，使得电力用户对配电系统供电质量的要求越来越高。高 质量的电力供应已经成为现代社会生产、生活正常进行的基本条件。 理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。但由 于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、冲击性负荷的不断增加 ( 如冶金、化工、矿山等部门大量使用晶闸管整流电源和电弧炉；工业生产中大量 使用变频调速装置：电气化铁道中采用单相整流供电的机车；高压直流输电中的换 流站等) ，以及运行操作，外来干扰和各种故障等原因可能导致电源电压波动和闪 变，产生高次谐波，造成三相不平衡等电能质量问题。不良的电能质量问题可能引 起工业生产过程非计划的停产或设备故障，导致用户的生产成本增加，造成巨大的 经济损失”卅。 由上面我们可以看出电能质量问题无论在发、供电方还是在用户方都引起了越 来越多的重视。因此提高电能质量，实现提供不同标准的电能质量成为电力行业的 一个重要课题。 1 1 电能质量 1 1 1 电能质量的概念 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。国际电气电子工程 师协会( i e e e ) 对电能质量的定义是：“合格电能质量的概念指给敏感设备提供的 电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的”。并已正式采用“p o w e r q u a l i t y ”( 电能质量) 这一术语。国际电工委员会( i e c ) 没有采用“p o w e r q u a l i t y ” 这术语，而是提出使用“e m c ”( 电磁兼容) 的概念，它对电磁兼容的定义是；“系 统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰” 指出和强调设备与设备之间、电源与设备之间的相互作用和影响，并确定了谐波电 压的兼容性水平。e m c 采用“排放”反映电流质量问题，表示设备产生的电磁污染； 采用“抗扰”反映电压质量问题，表示设备免除电磁污染的能力 3 5 1 。 国内外对电能质量确切定义至今尚没有形成统一的共识。对电能质量的范畴、 定义、供用电双方的认识，以及电能质量下降的起因等诸多问题仍存在不同的认识 _ 和理解，使用的相关名词和术语未能达成统一。供电方关心的是电压、频率的合格 1 华北电力大学硕士学位论文 率，以及供电可靠性。而用户更关心正在运行的用电设备是否可以正常运行事实 上电能质量阔题终究是由电力用户的生产需求驱动的，电能质重问题的定义无疑应 当从用户的角度出发，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，因此电能质量的优劣，电力 用户的衡量标准将占主导地位。目前大多数专家认为，对现代电能质量的定义应理 解为：“导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备 故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题p l 。 1 1 2 电能质量问题的分类 为了能系统地了解、熟悉和研究电能质量问题，并能在工作中对电能质量问题或 测量结果进行分析和判断，从而找出引起电能质量问题的根本原因和采取针对性的 解决方法，将电能质量现象进行科学、合理的分类是非常重要的。国际电气电子工 程师协会( i e e e ) 根据电压扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等将其进行了细 分，并对供电系统典型的电磁干扰现象进行了特征分类，初步建立了“电能质量” 概念体系f 6 。 ( 1 ) 瞬变：它表示一种并不希望而事实上又瞬时出现的事件。主要包括冲击 性瞬变和振荡性瞬变。冲击性瞬变是指电压、电流稳态条件下，非工频、单极性( 即 主要为正极性或负极性) 变化的突然现象：振荡性瞬变是指电压、电流稳态条件下， 非工频且又正负极性变化的突然现象。 ( 2 ) 短时问变动：指由于系统故障、大容量负荷启动时的大电流或与电网松 散连接的间歇性负荷运行所导致的短时电压或电流变动。表现形式包括间断、电压 暂降和电压骤升。 电压间断：电压或电流有效值减小到o 1 p u 下且不超过1 分钟的情况。 电压暂降：工频条件下。电压和电流有效值减小到o 1 o 9 p u 间，且持续 时间为0 5 个工频周波到1 分钟。 电压骤升：工频条件下，电压和电流有效值上升到1 1 1 8 p u 。且持续时间 为o 5 个工频周波到1 分钟。 ( 3 ) 长时间变动：是指工频条件下，参量均方根值偏差持续时间超过1 分钟的 情况。包括过电压、欠电压和持续间断。 过电压：工频交流电压有效值升高，超过额定值的1 0 ，并且持续时间大 于1 分钟。 欠电压：工频交流电压有效值降低，小于额定值鳃9 0 ，并且持续时闻大 予1 分钟。 2 华北电力大学硕士学位论文 持续间断：供电电压暂降为0 ，持续时间超过1 分钟的电压变动情况。 ( 4 ) 电压不平衡度：是指三相电压( 或电流) 的平均值的最大偏差。并且用 该偏差与平均值的百分比表示。 ( 5 ) 波形畸变：是指电压或电流波形偏离稳态工频正弦波形的现象，用偏移 频谱表示。包括直流偏置、谐波、闻谐波和陷波。 直流偏置：交流系统中出现直流电压或电流； 谐波：以工频整数倍频率运行的电压或电流； 闻谐波：以工频非整数倍频率运行的电压或电流； 陷波又称电压缺口：持续时间小于0 5 个工频周波的周期性电压扰动，主要 是电力电子装置换相所造成的； 噪声：指带有低于2 0 0 k h z 宽带频谱，混迭在电力系统的根线、中性线或信 号线中的有害干扰信号。 ( 6 ) 电压波动：是一种随机电压变动，幅值不超过o 。9 1 1 p u 。由于电压波 动可使照明负荷形成闪烁，因此亦称为电压闪变。 ( 7 ) t 频变化：是指电力系统基波频率偏离规定正常值的现象。 1 1 3 电能质量影响因素及其危害性 电能质量直接关系到电力系统的供电安全和供电质量，从技术上讲，影响电能 质量的因素主要包括三个方面【5 l ： ( 1 ) 自然现象的因素，如雷击、风暴、雨雪等对电能质量的影响，引起电网 发生事故，造成供电可靠性降低。 ( 2 ) 电力设备及装置的自动保护及正常运行的因素，如大型电力设备的启动 和停运、自动开关的跳闸及重合闸等对电能质量的影响，使额定电压暂时降低、产 生波动与闪变等。 ( 3 ) 电力用户的非线性负荷、冲击性负荷等大量投运的因素，如炼钢电弧炉、 电气化机车运行等对电能质量的影响，使公用电网产生大量的谐波干扰、产生电压 扰动、产生电压波动与闪变等。 电网的电压波动、电压暂降、电压骤升、电压谐波、三相不平衡以及电流谐波 等是比较常见的电能质量问题，其中电压暂降和电压间断是目前影响最大的电能质 量问题。这些电能质量问题对公用电网和用户的影响包括下面几个方面t 7 - 。9 ： ( 1 ) 电压暂降使冷却控制器、芯片测试仪、可编程控制器等停止工作，导致 生产损失。直流电机的电压低于8 0 时，可能造成跳闸事故。变频调速器电压低于 7 0 ，持续时间超过1 2 0 m s 时，可能被退出运行等。 3 华北电力大学硕士学位论文摘要 ( 2 ) 电压的波动与闪变会干扰计算机等电压敏感型电子设备和仪器的正常运 行。使入眼疲劳而降低工作效率，可能对数字系统形成干扰造成误动。 ( 3 ) 电网中的谐波含量增加会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接 地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热等。还会引起变电站局部的并联 或串联谐振，造成电压互感器等设备损坏；造成交电站系统中的设备和元件产生附 加的谐波损耗，引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并 加速绝缘材料的老化；造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的开断容量； 造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作：影响电子仪表和通信系统的正常工 作，降低通信质量；增大附加磁场的干扰等。 ( 4 ) 三相电压不对称会影响变换器及其控制系统的正常工作并改变其设计性 能，从而产生某些附加的非特征谐波分量：会造成旋转电机的转子受到反方向的负 序旋转磁场的作用，该磁场切裁转子产生双倍频率附加电流，弓l 起电机发热甚至烧 毁一 1 1 4 电能质量的标准 随着电能质量问题受到人们的曰益关注，对电能质量标准也提出了更高要求。 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。世界各国及国际组织( 如i e e e 、i e c 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。 i e 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。 我国在参考了国际电工委员会i e c 6 1 0 0 0 系列标准和国际电气与电子工程师协 会( i e e e ) 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 已经有六项电能质量方面的标准【1 肛1 5 】： ( 1 ) 电能质量供电电压允许偏差( g b f r1 2 3 2 5 - - 2 0 0 3 ) ( 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 - - 1 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 1 9 9 5 ) ( 5 ) 电能质量电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) ( 6 ) 电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 - - 2 0 0 1 ) 电压偏差的标准g b t1 2 3 2 5 - - 2 0 0 3 电能质量供电电压允许偏差如下表所 4 华北电力大学硕士学位论文 刁： 表1 1 电能质量供电电压允许偏差 电压等级电压允许偏差范围( ) 3 5 k v 及以上正、负偏差绝对值之和不超过1 0 1 0 k v 及以下7 2 2 0 v 单相供电电压+ 7 一1 0 表1 2 电压波动允许值 额定电压( k v ) 电压波动允许值v c a ) 1 0 k v 及以下( l v ) 2 5 3 5 11 0 k v ( m v )2 2 2 0 v 及以上( h v ) 1 6 表1 3 我国各电压等级谐波畸变率的标准 电网标称电压电压总谐波畸变率 各次谐波电压畸变率( ) ( k v )( ) 奇次偶次 o 3 85 o 4 o2 o 61 0 4 03 21 6 3 56 6 3 o2 41 2 o2 o l 6o 8 国标( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 电能质量三相电压允许不平衡度规定：电力系 统公共连接点正常电压不平衡度允许为2 ，短时不得超过4 。 暂时过电压和瞬态过电压的国家标准( g b t1 8 4 8 1 - - 2 0 0 1 ) 电能质量暂时过 电压和瞬态过电压。该标准主要按过电压的波形特点分为两大类，因为是过电压 5 华北电力大学硕士学位论文 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，持续时间只有几个毫秒且为缓波 前的( 例如一些操作过电压) 或几十个微秒且为快波前的( 饲如一些雷电过电压) 的过电压。各类过电压典型波形如表1 4 所示。 表1 4 各类过电压的典型波形 瞬态过电压 分类 暂时过电压 缓波前快波前陡波前 电压 一八 l n 一 3 = ；7 鼢 ， | 一 t 4 。 0 5 f n 5t 波形 u 必 l f队 叫 八 b池v t 2t ：z 1 0 f i z ， 5 0 0 1 - 1 z2 0 9 s 力5 0 岫0 a p s n 2 0 岍0 3 麓乐1 2 锪缸 范围 0 0 3 s t o 3 6 0 0 s t 2 2 0 m s n 3 0 0 i | i 3 0 k h z ，2 c 3 0 0 i d - l z 霜s 3 m s 注：陡波前的标准试验波形及耐受试验在考虐中，本标准中暂不涉及。 过电压标准规定了暂时过电压和瞬态过电压要求。由于暂时过电压和瞬态过电 压主要和电气设备绝缘有关，也和所采用的保护方法有关，因此将标准中的范围限 定在“规定了交流电力系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压要求，电 气设备的绝缘水平，以及过电压保护方法”。标准中仅选取了引用标准中少量的条 文，实际执行中必须参照相关的专业标准，这在标准条文中作了明确说明。同时将 属于其他原因( 静电、触及高压系统以及稳态谐波等) 造成的过电压排除在外。 1 1 5 电能质量的补偿方法 电能质量控制与治理的措施主要包括两个方面：一是提高电能质量和可靠性； 二是提高用电设备的抗干扰能力 1 6 , t 7 】。 ( 1 ) 提高发电、供电、配电系统的电能质量和可靠性。通过电力设备及装置 的正常使用和自动保护，控制大型电力设备的启停、自动开关的跳闸及重合闸等。 ( 2 ) 提高电力用户终端设备容许干扰的能力。通过控制用户终端的非线性负 荷及冲击性负荷的大量使用，并采取相应的对策和治理措施。 传统的技术手段和措施包括【5 】： 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 利用有载调压变压器调整电压。可保证电压质量，但不能改变系统无功 需求平衡，可能影响变压器运行的可靠性。 ( 2 ) 利用并联电容器补偿系统无功功率。可提高系统电压，但不能解决轻载 时系统电压偏高的问题。 ( 3 ) 利用无源滤波器抑制谐波电流。这是通过l c 或l c r 无源滤波器组来吸 收电网中的谐波电流，但这种装置只能抑制固定频率的谐波，还会有可能引起系统 谐振。 ( 4 1 利用备用发电机组和机械式双电源切换装置( 大于2 s ) 。对重要用户实现 连续供电。 随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，近年来在提高配 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法，即基于现代电力电子 技术的“用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) ”t ”】。 “c u s t o mp o w e r ”是由美国电力研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的 n o h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年提出的，是现代电力电子技术及相关的检测和控制技 术在配电领域的应用，其运行的可靠性、不断降低的成本和均衡其应用带来的效益 是实现用户电力的基础。它的目的是通过系统的方法，将配电系统改造成无电压波 动、无不对称以及无谐波的实时控制的柔性化配电网，以满足电力负荷对供电质量 和供电可靠性曰益提高的需求i 幅一9 1 。随着这一技术研究的不断深入，已推出了一系 列基于现代电力电子技术的、旨在补偿配电网电能质量和提高供电可靠性的新型电 能补偿器。这些器件包括有源电力滤波器( a p f ) 、蓄电池储能系统( b e s s ) 、配电 型静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 、动态不间断电源( d u p s ) 、动态电压恢复器 ( d v r ) 、功率因数控制器( p f c ) 、超导储能系统( s m e s ) 、静态电子分接开关 ( s e t c ) 、固态转换开关( s s t s ) 、固态断路器( s s c b ) 、不间断电源( u p s ) 等【5 , 7 , 1 6 , 1 7 】。 不问断电源( u p s ) 是现在使用最广泛的一种补偿设备，它配合固态电子开关 的方案来实施。当常用的电源电压发生波动时，通过电子开关完成高速切换，向负 荷提供优质电源。 固态转换开关( s s t s ) 是一种组合式的电能质量装置，作为多路电源间的联络 开关，当其中一路电源电压发生波动时，可在最短的时间内将负荷切换到其他几路 健康的电源上，保证设备正常工作。 配电型静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 是采用脉宽调制( p w m ) 技术且与电 力系统并联的电压源变换器。d s t a t c o m 能替代常规的电压和无功控制元件、有 载分接开关、电压调整器和自动投切电容器。d s t a t c o m 是一个交流同期电压源 在系统正常供电时，d s t a t c o m 可作为无功电源或处于低耗备用状态。在发生电 7 华北电力大学硕士学位论文 压波动时，d s t a t c o m 立即响应，向电力系统注入具有适当幅值和相角的电流使 系统电压立即恢复到正常水平 静态无功补偿器( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r , s v c ) 。现在使用的s v c 主要有两种： 晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t o r , t c r ) ：晶闸管投切电容器( t h y r i s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o r , t s c ) 。t c r 适合于平衡化补偿，对负序分量补偿效果良好；t s c 投切时不会引入新的谐波。 动态电压恢复器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r , d v r ) 。d v r 是一种用来消除电压 扰动的串联型电压补偿设备。它串联在线路与负载中间，补偿系统中的电压扰动， 使负荷侧电压维持一个正弦的、平衡的、幅值稳定的电压波形。d v r 具有直流储能 单元，其能量可由另外的整流桥提供。其容量可以从几十k v a 到几百m v a 之问。 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r , a p f ) 。a p f 是基于p w m 逆变器，它分 为串联型和并联型两种。串联型有源滤波器串联在线路中，相当予一个受控电压源， 补偿电压暂降、谐波、不平衡、瞬变等电压扰动；并联型有源滤波器和负载并联， 相当于一个受控电流源，用以消除电流谐波、，提供无功补偿。目前并联型有源滤波 器应用较多。 统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r , u p q c ) 。将并联型有 源滤波器和串联型有源滤波器结合起来，能够同时补偿电流扰动、电压扰动和无功。 国外一些发达国家在电能质量控制方面的研究和应用已取得了显著的成效，从 实用的功率理论的扩展，到电能质量评价指标体系的建立：从广泛的电能质量普查， 到对用户电能质量的监测等，已建立和形成了常务性机制。对各种电能质量问题的 分析方法及电能质量控制技术和装置已深入进行了研究、开发和应用。并联型补偿 技术比较成熟，在日本、美国等发达国家得到广泛应用，仅在日本已有五百多台a p f 应用于工业领域，容量从5 0 k v a 到6 0 m v a 。用来改善电源电压质量的串联型补偿 装置的研究也已进入了实用阶段，如w e s t i n g h o u s e 、a b b 、g e 、s i m e n s 和 s o f t w i t c h i n g 等均已形成了a p f 、d s t a t c o m 、d v r 或类似的产品。西门子公司生 产出改善电能质量的电能质量调节器装置( s p i c o n ) ，其换流器采用基于绝缘栅双 极晶体管( i g b t ) 的脉宽调制( p w m ) ，它利用并联型有源滤波器和串联型有源滤 波器进行组合，与系统连接有三种方式：并联运行时，主要防止非正常负荷产生的 谐波、无功、负荷不平衡及闪变对系统的影响；串联运行时，主要用于系统电压突 变、电压畸变或不平衡对负荷的影响；串并联运行时，具有双向补偿的功能。此为 目前同类装置中较有代表性的产品。 在我国，提出和研究开发了一些改善和提高电能质量的补偿装置：如各种有源 滤波器( a p f ) 、静止无功补偿装置( s v c ) 、电能质量调节器( u p q c ) 、动态电压 恢复器( d v r ) 等，技术上的先进性与国外发达国家相比尚存在一定的差距。在有 8 华北电力大学硕士学位论文 源电力滤波器的研究和产品开发方面还处于起步阶段，主要以并联型、混合型为主， 同时也有研究串联型滤波设备的。由清华大学研制的我国第一台高压、大容量电能 质量控制器( a s c g ) 已经正式投入运行，并取得了一定的成效。西安交通大学已 成功研制出1 2 0 k v a 并联型有源滤波器试验样机。清华大学电机系柔性交流配电系 统研究所已独立研制了一台1 0 k v a 3 8 0 v 的三相d v r 样机。虽然在理论上和实验室 内均取得很大的进展，但在现场实际应用和可靠运行上尚需进一步努力。由华北电 力大学和国家电力公司合作进行的“配电电能质量分析与控制模拟试验系统的研 究”项目的研究也通过了验收，取得了较好的试验效果。 1 2 动态不问断电源( d u p s ) 简介 本文所研究的串联型电能质量补偿器称为动态不间断电源( d y n a m i c u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y - - d u p s ) ，它是目前保证对敏感负荷供电质量非常有效 的串联型补偿装置，是c u s t o mp o w e r 家族中重要的成员之一。该装置能在毫秒级时 间内将电压暂降补偿至正常值，是抑制动态电压干扰的有效补偿装置。 目前可用的补偿设备中，超导储能系统( s m e s ) 价格太昂贵，因此距实用阶 段还有很大的距离；u p s 主要用于提高信息处理系统的供电可靠性，其容量一般在 l k w 到1 m w 之间，很难解决综合性敏感负荷的供电质量问题，并且售价昂贵；固 态转换开关( s s t s ) 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 故障或电压暂降时，用s s t s 的快速切换特性( 切换速度不到半个工频周期) ，将重 要负荷切换到由另一条馈线供电。而当所有馈线都发生故障或电压暂降或只有一条 馈线供电时，利用该方法就无法保证对重要负荷的供电质量了；d u p s 是目前最适 合保证对电能质量敏感负荷供电的串联型补偿装置之一。 d u p s 主要由储能单元，d c a c 逆变器，连接变压器等部分组成( 如图1 一l 所示) 。储能容量可根据用户电压暂降的统计数据确定。逆变器模块一般采用绝缘 栅双极晶体管( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r , i g b t ) 构成三相全桥结构，采用 p w m 调制方式，它的动态响应速度非常快。目前d u p s 的最大容量已达到1 m v a 。 图l 一1 说明了d u p s 在配电系统电压暂降时如何将电压迅速恢复到正常值。 d u p s 可等效为一个受控电压源，其基本功能是对非正常电压进行动态电压补偿， 以满足敏感负荷对电压质量的较高要求。例如在图1 一l 中的邻近线路发生短路故 障时，公共母线就会发生电压暂降。d u p s 通过检测电路检测出电压补偿量，控制 逆变器电力电子开关的通断，向电网中注入补偿电压，以使敏感负荷侧电压保持在 正常电压水平。 d u p s 在消除电压暂降、提高大型综合性敏感负荷的供电质量方面有显著的效 果。利用动态不间断电源可随时检测电源的健康情况，可实现动态地进行调整和补 9 华北电力大学硕士学位论文 图1 1d u p s 装置的结构及补偿电压暂降原理圈 偿，抑制电压突变、瞬时脉冲及电压波动。在配电网络适当的位置安装动态不间断 电源，就能在电压暂降时立即产生一个补偿电压进行电压调整，使电力用户免除因 电压降低或波动带来的负担，使电源电压可以始终维持在一个满足负荷工作条件允 许的合格水平上。 d u p s 装置是多科、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 的绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 和集成门极换流晶闸管( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e d t h y r i s t o r , i g c t ) 器件以及智能功率模块i p m 。这些可以工作在更高开关频率( 1 0 k h z 以上) 的功率器件是研制d u p s 装置的基础。现代控制理论的发展使用增强了系统 的经济性、稳定性、可靠性使装置趋于智能化。d s p 成本的降低与功能的增强为我 们实现各种较复杂的算法提供了物质基础。 上述技术的发展使d u p s 装置的实现成为可能，而d u p s 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 3 本文研究的主要工作 本文在分析了电能质量问题的基础上，对动态不问断电源补偿策略选取、电压 补偿量的检测、装置主回路的设计和参数的选取、控制方法的选取等进行了研究， 设计了硬件控制电路，完成了d s p 软件的编程。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 动态不问断电源补偿策略的研究 分析了动态不问断电源采取不同的补偿策略对补偿电压范围的限制、d u p s 本 身容量的限制、直流侧电容电压等级以及d u p s 储能的限制等。选取了最优补偿策 略。 ( 2 ) 动态不问断电源补偿量检测方法的研究 考虑到带通滤波器的时滞特性，提出了一种基于模糊参数自校正p i d 控制的动 态不问断电源补偿量的直接检测方法，该算法可依据对动态响应速度和补偿精度的 不同要求，计算出电压补偿量的大小并进行了仿真验证。 重点分析了考虑动态响应速度的不同要求时动态不问断电源补偿量的检测方 法，引入了模糊参数自校正p i d 控制，结合瞬时序分量分解和直接检测算法对电压 补偿量进行检测并进行了仿真验证。 ( 3 ) 动态不问断电源主回路设计及参数的选取 针对动态不问断电源的主回路进行了分析，包括逆变器，串联变压器，带通滤 波器以及储能单元。对主回路各种参数的选取也进行了理论分析和仿真验证。 ( 4 ) 控制方法的选取 通过对现有控制方法研究现状的分析与比较，提出了一种无差拍控制方法。并 结合d u p s 逆变器的结构进行了分析，对无差拍控制算法进行了详细的分析与论述， 最后归纳出无差拍控制算法的流程并进行了仿真验证。 ( 5 ) 控制电路的硬件和软件设计 以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心设计了动态不问断电源的检测控制电 路。结合设计的硬件系统、电压补偿量的检测算法和控制算法，完成了动态不问断 电源控制系统的软件设计。 华北电力大学硕士学位论文 第二章d u p s 补偿策略的研究 理想的d u p s 工作原理是当供电侧电压发生电压暂降后，d u p s 以暂降前的用 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暂降前的电压保 持一致。d u p s 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 u p s 必须有能量储备，能量储备单元是d u p s 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 u p s 与系统的有功交换，减少d u p s 储能单元的 容量，保证d u p s 能有效抑制电压暂降，需要对d u p s 的补偿电压进行优化控制， 使d u p s 在一定补偿能力的前提下获得最大的补偿范围。 从负载侧来看，控制策略的选择依赖于负载的类型，有些负载对电压的相移比 较敏感，而有些负载对电压的幅值变化比较敏感。 从装置本身来看，电压补偿方式要考虑两个问题：一是电压补偿能力，即在相 同的直流侧电压玑条件下，如何补偿更大幅度的电压暂降问题：二是能量补偿能力， 即在相同的直流侧电压叱和储能电容c 的条件下，在电压暂降的情况下如何获得 更长的补偿时间问题。 因此，d u p s 补偿策略的选取就显的非常重要。对于电压暂降的补偿有三种基 本的补偿策略：暂降前电压补偿控制法、同相电压补偿控制法和最小能量补偿控制 法。下面我们具体分析这三种补偿策略与电压暂降的程度、持续的时间、负载的类 型、功率因数以及d u p s 本身容量等因素的关系。 2 1 暂降前电压补偿 暂降前电压补偿即完全补偿，是将电压暂降补偿到暂降前的幅值和相位，使得 负载侧的电压和发生电压暂降前一致，它能够保证暂降前后用户电压的连续性，补 偿的效果是最理想的。 如图2 1 ( a ) 所示。当系统电压即u 。发生暂降时，伴随着相角也发生了突变 ( 为口) ，采用暂降前电压补偿时，要求暂降前后电压的幅值和相角都不发生变化， 得出动态不间断电源应补偿的电压量为l 弘l 。补偿后受载但8 电压的幅值和相位都 没有发生变化。 对于那些对电压幅值和波形连续性要求很高的负载，负载对电压相移非常敏 感，最佳的补偿策略是暂降前电压补偿法。但这种补偿策略由于输出的电压和功率 都不受控制，所以对装置的补偿范围和储能元件的容量要求很高，对整个装置的实 时性也有很高的要求。 华北电力大学硕士学位论文 而 ( a ) 暂降前电压补偿 b ) 同相电压补偿 ( ，毛分别为负载电压电流相量，妒为功鼍因数拿，为系统电压相量；q 为d u p s 输出电压相量，口为电压暂降时相位突变角，厶。分别是补偿后负载的电压电流相量) 2 2 同相电压补偿 图2 1 动态不间断电源的两种补偿策略 同相电压补偿是将补偿电压和暂降电压保持同相位，经过补偿后负载侧的电压 和系统电压同相。如果电压不发生相移，那么它的补偿效果与暂降前电压补偿效果 是致的；如果电压暂降的同时发生了相移，则补偿后电压与发生暂降前的电压有 一个相位差。 如图2 一l ( b ) 所示，采用同相电压补偿策略，补偿后的负载侧电压u ：与系统 电压以有相同的相位角。d u p s 输出的电压u 幅值最小。补偿后的电压与发生暂降 前的电压有一个相位差口。 这种补偿策略输出电压幅值最小，控制方法比较简单。这种补偿策略适用于负 载对电压幅值敏感而对相位不敏感的场合。同相电压补偿策略可以最大化地利用装 置的补偿范围。由于注入有功功率的存在，需要储能元件提供能量，在电压暂降较 深，持续时间较长的时候，有可能储能装置就不能满足补偿要求。 2 3 最小能量补偿 最小能量补偿是要求在相同的储能条件下延长补偿时间，或在相同的补偿范围 下所需装置的储能最小。这就要使注入的有功功率最小。 p = ( 吮一【，；) 屯c o s = u l c o s 妒 ( 2 - - 1 ) 其中眈为负载电压相量的模；为系统电压相量的模；以为d u p s 输出电压相量 的模：屯为负载电流相量的模：为补偿电压与负载电流间的夹角。 华北电力大学硕士学位论文 由上式可知，当补偿电压与负载电流间的夹角为町时，即补偿电压和负载电流 相互垂直对，注入有功功率最小为零这是最理想的情况，由于受蓟补偿范围限制 和电压暂降程度的影响，补偿电压有时不能正好与负载电流垂直，但总有一个能量 最小点。 选择最小能量补偿羡略的d u p s 装置中有一种情况是：如果d u p s 装置的直流 侧采用普通电容器来提供直流电压，只能提供有限的能量。此时若要求d u p s 对电 压进行补偿，则必须要求补偿电压与负载电流相互垂直。这样的话d u p s 装置不提 供有功，只需要进行无功交换。这种d u p s 都是采用最小能量补偿【2 0 1 。 以= 班+ ( 配一屯置) 2 2 吮( 弘一x l x , ) s i n p ( 2 - - 2 ) 如果负载电压的模吮及五、置、s i n g 保持不变，那么可以认为以为q 的函数，要求q 的最小值为0 ，邵令。乡幺2 0 ，可以求出e 的最小值为 u m = 以c o s y 或 u m = 龌+ 姒一毛置) 2 2 巩( 一屯五) 一s i n v ( ( 一t 置) 一 魄s i n 口口) ( 2 - - 3 ) 这说明以。是d u p s 所能补偿回正常电压的系统电压暂降极限。如果系统电压 暂降过多致使u 以。，则无法通过d u p s 将用户侧电压补偿到正常的电压水平。 图2 - - 2 根据妒确定范围图2 - - 3 当u 一。一定时矿的范围 我们也可以根据相量图，更加直观地看出功率因数角与补偿电压极限的关系。 如图2 - - 2 所示，当负载的额定电压和功率因数确定时，坑和的大小和位置就确 1 4 华北电力大学硕士学位论文 定了，由于q 与负载电流五垂直，所以u 只能在直线a b 间变化，可以看出以的 最小值阮。= u l c o s 矿。如果瓯 玑。，则不存在q 能够满足上图的相量关系，因 此d u p s 可以补偿u 的极限值为c o s 9 。从物理意义上说，d u p s 提供了负荷所需 要的无功电压，只有当负荷的功率因数足够小时，才可能通过补偿无功来达到显著 地提高负荷侧电压的目的。 如果还考虑到d u p s 输出的电压幅值有限。如图2 3 所示，则可以看出u 只 能在圆0 1 内变化，如果考虑到对一定的以进行补偿，则的相角只能在弧c d 间 变化，相应的功率因数角妒也只能在一定的范国内变化。 如果我们以能否补偿电压暂降3 0 作为衡量d u p s 装置的容量是否满足要求的 标准。则当u 暂降3 0 时，要使方程有解，则必须满足u = 7 0 u l u l m ，即 c o s 尹= 等姐7 (