（电力系统及其自动化专业论文）基于dfacts的电能质量调节装置研制.pdf

基于d f a c s 的电能质量调节装置研究 d e v e l o p m e n t o fp o w e rq u a l i t yr e g u l a t i n gd e v i c eb a s e do nd f a c t s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h eu s eo fr e c t i f i e r ，f r e q u e n c yc o n t r o la n ds p e e dr e g u l a t i n gd e v i c e ， e l e c t r i ca r cf u r n a c ea n de l e c t r i f i e dr a i l w a yi n c r e a s e su n c e a s i n g l y 1 1 1 ep r o p e r t yo ft h e s e l o a d s ，s u c ha sn o n l i n e a r i t y ，i m p a c ta n du n b a l a n c e ，m a k e st h eu t i l i t yc u r r e n ta n dv o l t a g e w a v e f o r md i s t o r t e d ，a tt h es a m et i m ec a u s em a n yp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sl i k ev o l t a g e f l u c t u a t i o n , f l i c k e ra n du n b a l a l i c e a sa ne f f e c t u a lm e t h o dt oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k , t h er e s e a r c ho np o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n i n gd e v i c ew h i c hi sb a s e do n d f a c t ，i si n c r e a s i n g l yt a k e ni n t oa c c o u n t i nt h et h e s i s ，o nt h eb a s eo fr e l e v a n td o c u m e n t sh o m ea n da b r o a d ，t h eb a c k g r o u n do ft h e d f a c t st e c h n o l o g y , t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fd e t e c t i n ga n d c o n t r o l l i n gm e t h o d sa r es u m m a r i z e d n 圮t o p o l o g ys t r u c t u r eo fap a r a l l e lh y b r i dp o w e rq u a l i t yr e g u l a t i n gd e v i c ei sp u t f o r w a r d w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fb o t ha p fa n dt r a d i t i o n a lv a rc o m p e n s a t i n g d e v i c e s t h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g ya r ei n t e n s i v e l ys t u d i e d ，w h i c hf o c u s o nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ( e s p e c i a l l yi p i qd e t e c t i n gm e t h o d ) ，s v p w m t e c h n o l o g y , c a p a c i t o rs y n c h r o n o u ss w i t c h i n gt e c h n o l o g y 1 1 1 et h e s i sd e v e l o p st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ep a r a l l e lh y b r i dp o w e rq u a l i t yr e g u l a t i n g d e v i c eb a s e do nd f a c t s ，i n c l u d eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r em a i n l y i n c l u d i n gd s pc o n t r o lc i r c u i t ，s i g n a la c q u i s i t i o na n da dc o n v e r t i n gc i r c u i t ，口mw i t hi t s s u p p o r tc i r c u i t , s y n c h r o n o u ss a m p l i n gc o n t r o lc i r c u i t 1 1 1 es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a ma n d d e t a i l e de x p o s i t i o no ft h ef u n c t i o n so fe a c hp a r ta r ep r o v i d e d t h ecl a n g u a g ei sa d o p t e di n t h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ef l o wc h a r to fm a i np r o g r a m si sg i v e n , w h i c hm a i n l yi n c l u d es i g n a l a c q u i s i t i o na n da dc o n v e r t i n gp a r t ，d e t e c t i n ga l g o r i t h mb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rt h e o r ya n dc o n t r o la l g o r i t h mo fs v p w m o nt h eb a s eo fa b o v ew o r k ，t h ep r o t o t y p eo ft h i sp o w e rq u a l i t yr e g u l a t i n gd e v i c e s y s t e mi sd e v e l o p e d ，a n dt h ee l e m e n tp a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i ta r ed e t e r m i n e d t h e n , e x p e r i m e n t sa r e d o n eo nt h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n to ft h ep r o p o s e dp o w e rq u a l i t y r e g u l a t i n gd e v i c es y s t e m , a n ds a t i s f a c t o r yr e s u l t sa r ed r a w n , w h i c hp r o v e dt h er a t i o n a l i t y a n dp r a c t i c a lv a l u eo ft h ep r o p o s e dp o w e rq u a l i t yr e g u l a t i n gd e v i c e k e yw o r d s ：d f a c t s ；d y n a m i cr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ： i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ；s v p w m ；d s p 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：蕉童里丛堡鱼望鱼丝缝主璺茔墓壑堑型 作者签名：痊垫)日期：2 丝2 年l 月三芝日 导师签名：3 l 耻日期：尘丑年上月笪日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：差孟里丛堡鱼蚴丝皇盈望鉴纽型 作者签名： 壅盏2日期：皿年鱼- 月二量日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等负荷不断增加。 这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，使网络中的电压电流波形发生畸变， 或引起电压波动、闪变和三相不平衡。此外，系统侧发生的雷击线路、投切电容器组、 短路、断路等，都给供电质量造成严重的干扰【l 】。另一方面，随着现代工业技术的不断 发展和计算机技术的广泛应用，用电设备对电能质量更加敏感。低劣的供电质量将导致 低劣的产品质量，特别是在重要的工业生产过程中，供电的突然中断将会带来巨大的经 济损失。柔性制造系统( f m s ) 和计算机综合制造系统( c i m s ) i t j 对配电系统中的干扰和异 常更敏感，甚至几分之一秒的不正常就可引起制造系统混乱。因此，广大用户对供电质 量提出了比以往更为严格的要求。这就要求供电部门采取措施提高供电质量。尽管可采 用传统方法提高电能质量，如采用装设不间断电源( u p s ) 、备用发电机、机械投切的双 回线路、无源滤波器等措施保护关键负荷，但这些设备投资、损耗都大，而且有时效果 并不明显，常不能满足用户所需的电能质量要求【2 】。因此，采用新技术对配电网进行综 合电能质量补偿已势在必行。 用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 和柔性交流输电技术( 灵活交流输电技术，f a c t s ) ， 是由n g h i n g o r a n i 博士首先提出来的，它们是将电力电子技术、微处理机技术、控制 技术等高新技术分别应用于中低压配用电系统和高压输电系统，以提高可靠性和可控 性、运行性能、电能质量，并可获取大量节电效益的新型综合技术【3 】。由于配用电系统 量大面广，随着电力用户的工艺过程不断进步，对供电可靠性和质量的要求越来越高。 由于电力市场的竞争日益发展和激烈，这使世界各国电力界对这两项具有革命性变革作 用的新技术更加重视。 为了改善我国配电系统的电能质量和供电可靠性，近年来国家投资上千亿元用于城 乡电网改造，以提高城乡电网调度自动化水平。随着利用计算机和通信技术对配电系统 自动进行实时监视和控制的配电综合自动化系统在电力系统的迅速推广应用，采用先进 的控制手段以实现对配电网的高速、可靠和灵活控制就提上了日程。而将灵活交流输电 系统( f a c t s ) 领域中成熟的各种电力电子控制器应用于配电系统中，以加强供电的可靠 性和提高电能质量，即所谓d f a c t s ( 或称用户电力技术1 ，就成为一个必然的选择。可 以预见，基于d f a c t s 技术的电能质量调节技术必将得到更大的发展。 基于d f a c s 的电能质量调节装置研究 1 2电能质量定义和国家标准 1 2 1电能质量的定义 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正弦波形，按规定的电压水平( 标称电 压) 对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相 位互差1 2 0 。对称状态。由于系统各元件( 发电机、变压器、线路等等) 参数并不是理想 线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来 干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，而由此产生了电网运行、 电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量( p o w e r q u a l i t y ) 的概念。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电能质量的技术含义还 存在着不同的认识，这一方面是由于人们看问题的角度不同，如电力企业可能把电能质 量简单地看成是电压( 偏差) 与频率( 偏差) 的合格率，并且用统计数字来说明电力系统电 能9 9 是符合质量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向负荷正常供 电；而设备制造厂家则认为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计 工况的需要，但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相去甚远。另一方面， 对电能质量的认识也受电力系统发展水平的制约，特别是用电负荷的性能和结构【4 】。 i e e e 技术协调委员会已正式采用“p o w e rq u a l i t y 这一术语，并且给出了相应的技 术定义“合格电能质量的概念是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 。这个定义的缺点是不够直接和简明。还有一种电能质量定义义为： “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。这个定义较简明，也 概括了电能质量问题的成因和后梨5 1 。电能质量包括电压质量和电流质量两个方面。电 压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) 指实际用电电压和额定电压之间的偏差( 偏差包含电压幅值， 波形和相位等的偏差) ，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 t q u a l i t y ) 表示对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形的要求，理想情况下应使电流波 形与供电电压波形同相位，以保证系统以高功率因数运行。电能质量问题按产生和持续 时间可分为稳态电能质量问题和动态电能质量问题【6 】。 ( 1 ) 稳态电能质量问题 稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，一般持续时间较长，在一段时间内( 通 常是l m i n 以上) 出现的质量不正常的情况，主要有下列类型： 过电压，指持续时间大于1 m i n ，数值大于标称值的电压。 欠电压，指持续时间大于l m m ，数值小于标称值的电压。 大连理丁大学硕士学位论文 电压不平衡，是指电压的最大偏移与三相电压均值的比值超过规定的标准。 谐波，对周期性电压或电流进行傅立叶分解，频率为基波整数倍分量的含有量。 谐波是衡量电能质量的重要指标之一。 ( 2 ) 动态电能质量问题 动态电能质量问题通常是以暂态持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态两大类， 主要有以下几种： 电压跌落和电压浪涌，持续时间为o 5 3 0 个周期，电压有效值下降至标称电压 的1 0 - 9 0 或电压有效值上升至标称电压的1 1 0 1 8 0 。 电压瞬变，持续时间很短的电压值发生快速变化。 电压闪变，电压波形包络线呈规则的变化或幅值的一系列的随机变化，一般表现 为人眼对电压波变化后引起的照明异常而产生的视觉感受。闪变分为周期性和非周期性 两种。 短时断电，持续时间在o 5 个周期至3 个周期之间的供电中断。 1 2 2 电能质量国家标准 从8 0 年代初开始，国家技术监督局( 原国家标准局) 将制定国家电能质量系列标准列 为重点项目。系列标准共有5 个，至1 9 9 5 年底均已颁布，即：g b l 2 3 2 5 9 0 供电电压 允许偏差；g b l 2 3 2 6 9 0 电压允许波动和闪变；g b t1 4 5 4 9 9 3 公用电网谐波； g b t1 5 5 4 3 9 5 三相电压允许不平衡度；g b t1 5 9 4 5 9 5 电力系统频率允许偏差。 其中g b l 2 3 2 6 9 0 电压允许波动和闪变的修订版为g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 。以下为这5 个国 家标准。 ( 1 ) 供电电压允许偏差g b l 2 3 2 5 9 0 。 允许限值： 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和不超过1 0 ；1 0 k v 及以下三相 供电为士7 1 2 2 0 v 单相供电为+ 7 、1 0 。衡量点为供用电产权分界处或电能计量 点。 ( 2 )电压波动和闪变g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 允许限值：电压变动d 的限值和变动频度瓶1 ) 有关；当r 5 _ 1 0 0 0 时，对于低压( l 和中压( m v ) d = i 2 5 4 1 对于高压( h v ) d = i o 3 1 对于随机不规则的变动d = 2 ( l v 、 m y ) 和d = 1 5 ( h v ) ，闪变限值如表1 1 所示。 此标准为g b l 2 3 2 6 9 0 修订版，衡量点为电网公共连接点( p c c ) ；p 髓每次测量周期 1 0 m i n ，取实测9 5 概率值；p n 每次测量周期2 h ，不得超标；规定限值分三级处理原 则；提供预测计算方法，规定测量仪器并给出典型分析实例。 基y - d f a c s 的电能质量调节装置研究 ( 3 )公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 9 3 各级电网谐波电压限值( ) 见表1 2 。注入公共连接点的谐波电流允许值见表1 3 表1 2 国标中各级电网谐波限值 t a b 1 2h a r m o n i cv o l a t g el i m i t si n t h en a t i o n a ls t a n d a r d 表1 3国标中注入公共连接点谐波电流限值 t a b 1 3h a r m o n i cc u r r e n tl i m i t si nt h en a t i o n a ls t a n d a r d 孳誊 差委 谐波次数及谐波电流允许值 电k v 压容量 234567891 0 1 1 1 21 3 k v a 0 3 81 07 86 2 3 96 22 6 4 41 9 61 0 04 33 42 13 41 42 41 1 1 01 0 02 62 01 32 08 51 56 4 3 52 5 0 1 51 2 7 71 25 18 8 3 8 6 65 0 01 61 38 11 35 49 34 1 1 1 07 5 01 29 66 09 64 06 83 0 衡量点为p c c ，取实测9 5 概率值；对用户允许产生的谐波电流，提供计算方法； 对测量方法和测量仪器作出基本规定；对同次谐波随机性合成提供算法。 ( 4 ) 三相电压允许不平衡度g b t 15 5 4 3 9 5 允许限值正常允许2 ，短时不超过4 ；每个用户一般不得超过1 3 。各级电压 要求一样；衡量点为p c c ，取实测9 5 概率值或日累计超标不超过7 2 m i n ，且每3 0 m i n 一4 一 l 1 7 2 3 7良幺色l 3 l 3 6 7 ol屯z乙互 8 6 3 6 9 32o；曩爱t 6 5 1 1 3 4良曩互 l 1 8 l 3 0 2 1 良t t 文 大连理工大学硕士学位论文 中超标不超过5 m i n ；对测量方法和测量仪器作出基本规定：提供不平衡度算法。 ( 5 )电力系统频率允许偏差g b 厂r 1 5 9 4 5 9 5 允许限值：正常允许士0 2 h z ，根据系统容量可以放宽到士0 5 h z ；用户冲击引起的 频率变动一般不得超过士0 2 h z 。标准还对测量仪器提出了基本要求。 1 3 基于d f a c t s 的并联型电能质量调节器研究现状及发展趋势 柔性交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，简称f a c t s ) 也称为灵活 交流输电系统【w 】。根据国际电气与电子工程协会( i e e e ) 及国际大电网会议( c i g r e ) 于1 9 9 5 年的共同认定，f a c t s 的定义是：一类以电力电子技术为基础并具有其他静止 控制器的交流传输设备，它们能够增强电网的可控能力并增大输电容量。柔性交流输电 系统的主要内容是应用电力电子技术的最新成就以及现代控制技术实现对交流输电系 统参数( 电压、线路阻抗及功率角) 以至网络结构的快速灵活控制，以期实现输送功率 的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统的稳定性和可靠性。 作为f a c t s 技术在配电系统应用的延伸- d f a c t s 技术( 又称c u s t o mp o w e r 技术) 已成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件i g b t 比g t o 具有更快的开关频 率，并且关断容量已达m v a 级，因此d f a c t s 装置具有更快的响应特性【9 1 。目前已开 发出的d f a c t s 电能质量调节装置有许多种，主要包括补偿器、有源滤波器装置和固 态开关设备，以及低压直流配电系统和各种具有储能单元的电能变换设备。 我国在f a c t s 和d f a c t s 领域已有深人的研究，尤其是清华大学和河南省电力局 共同研制出的2 0 m v a r s t a t c o m 工业应用装置，它标志着我国是继美、日、德之后， 第四个掌握制造大容量f a c t s 装置核心技术的国家。该装置具有补偿动态电压、抑制 系统不平衡和振荡、提高系统稳定极限等功能，也是迄今为止我国唯一具有自主知识产 权的f a c t s 工业装置。 由于d f a c t s 设备潜在需求巨大，市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对 较低，而且在实际应用中控制效果明显，经济效益可观，随着电力电子器件价格的不断 降低，可以预期d f a c t s 设备产品将进入快速发展期。d f a c t s 设备的种类和功能如 表1 4 所示。 由于d f a c t s 电能质量调节装置的核心器件是以i g b t 、i g c t 等功率开关管为核 心的三相电压源逆变器，受功率开关管的电压等级、电流和价格的限制，如果要应用在 补偿容量很大的配电网中，势必增加电路的复杂程度和成本。所以本文提出了一种基于 d f a c t s 的并联混合型电能质量调节装置，旨在提高配电网电能质量的同时，降低有源 部分的容量，降低了装置的成本。 基丁| d f a c s 的电能质量调节装置研究 表1 4d f a c t s 设备的种类及功能 t a b 1 4 t y p e sa n df u n c t i o n so fd f a c t sd e v i c e s 以下主要讨论基于d f a c t s 的并联型电能质量调节装置的结构和电流检测、跟踪 控制技术的发展。 1 3 1 基于d f a c t s 的并联型电麓质量调节器结构 目前基于d f a c t s 的并联型电能质量调节器主要有配电静止无功补偿器( d s v c ) 、 配电静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 、并联有源滤波器( s h u n ta p f ) 、固态转换开关 ( s s t s ) 及蓄能器等。这里主要论述前三种电能质量调节器的结构。 1 。3 1 1 配电静止无功补偿器( d s v c ) d s v c 有晶闸管控制电抗- 器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 两种，在实际应用 中，可以单独使用其中一种，也可以将两种结合起来使用。如图1 1 为混合式d s v c 。 一6 一 大连理丁大学硕士学位论文 咒t 鼹t t 图1 1混合式d s v c f i g 1 1p r i n c i p l ed i a g r a mo fd s v c d s v c 的工作原理比较简单，t c r 通过控制晶闸管的开通时刻来改变流过电抗器的 电流，从而改变其吸收无功功率的大小。t s c 则通过晶闸管的开通和关断控制电容器的 投切，从而改变向系统发出的无功功率的大小。 由于d s v c 的响应速度快( 典型响应时间是5 0 m s ) ，在配电系统中被广泛用于对用户 冲击性负荷，如轧钢机、电弧炉、电焊机、频繁启动的电动机等，进行快速无功补偿， 以减少它们所引起的电网电压闪变。此外，它还被广泛用于对诸如电气化铁路等不对称 负载的不对称保持，以抑制负序电流对系统的影响，补偿负载在动态过程中所需的无功， 以减少电压波动和网损，提高输配电的效率等等【l 们。 t c r 型和t s c 型补偿器都能有效地补偿系统中的无功电流，但各有自己的缺点， t c r 型补偿器容易产生谐波，需要加装滤波器装置予以克服，而t s c 型补偿器对于冲 击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制。二者可以互补，所以t c r + t s c 混合型 补偿器运用比较广泛。由t c r 提供可调的感性无功功率，f c 提供容性无功功率，同时作 为谐波滤波器，当f c 提供的容性无功不足时，t s c 投入运行。 混合型d s v c 缺点： ( 1 ) 所有形式的d s v c 都属于并联无功补偿装置，补偿原理都是通过控制晶闸管 的触发角，改变接入电网中的等效电纳，从而达到调节输出无功的目的。但这些d s v c 设备之所以能产生感性无功功率，依靠的是其中的电容器，这就导致s v c 与电容器补 偿装置有着同样不可弥补的障碍，即当电压水平过于低下，急需无功补偿时，补偿器的 输出反而会减少。 ( 2 ) d s v c 工作时产生谐波。t c r 型补偿器容易产生谐波，需要加装滤波器装置 予以克服，通常的无源滤波器只能滤掉特定次谐波，不能滤掉所有的谐波，而且在系统 发生故障的时候，容易发生谐振。 基于d f a c s 的电能质量调节装置研究 1 3 1 2 配电静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 配电静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 主要由基于g t o ( i g b t 或i g c t ) 等自关断器 件的v s c 和耦合变压器组成，其中v s c 通过变压器和母线并联，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。正常时，它可作为无功电源处于低耗备用状态。在发生扰动时，其中 v s c 通过调节输出电压的幅值来控制其输出无功，具有输出感性和容性无功的双向调节 能力。通过采用多重化方法，降低了输出电压的谐波成分，不需附加滤波器，因而具有 结构紧凑、占地面积小的优点【l 。另外采用新型无功控制理论和多脉冲的控制方式使装 置的响应速度较之d s v c 有明显的改善，特别适用于对冲击性负荷的无功补偿。若将储 能装置换为电池( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m ，b e s s ) ，它还可控制输入系统的有功功 率。d s t a t c o m 的原理图如图1 2 所示。 图1 2d s t a t c o m 原理图 f i g 1 2 p r i n c i p l ed i a g r a mo fd s t a t c o m 但是由于d s t a t c o m 控制较为复杂，所用全控型开关器件的造价较高在一定程度 上限制了其推广应用。 1 3 1 3 并联型有源滤波器 有源滤波器( a p f ) 就是利用电力电子控制器来抑制谐波的d f a c t s 设备。a p f 的原 理比较简单，即通过检测电路将非线性负载电流分解为基波分量和谐波分量2 个部分， 而后通过注人与负载谐波分量大小相等、方向相反的补偿电流，消除非线性负载对电网 的影响。a p f 同样分为串联和并联2 种，分别面向系统和负荷进行补偿。串联a p f 则 是通过向系统注人补偿电压，使负荷两端的电压为正弦。并联式a p f 的工作原理为补 偿非线性负荷产生的谐波电流，从而使流入电力系统的电流为正弦。此处重点讨论并联 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 式a p f ，原理图如图1 3 所示。 图1 3 并联型有源滤波器原理图 f i g 1 3p r i n c i p l ed i a g r a mo fs h u n ta p f 与无源滤波器相比，a p f 在技术上有着巨大的优势，但是由于其成本较高，目前还 不能完全取代无源滤波器。常用的方法是将其与低次谐波的无源滤波器混合使用，利用 无源滤波器消除谐波能量大的低次谐波，以达到良好的性能价格比。 1 3 2 基于d f a c t s 的并联型电能质量调节器信号检测技术发展 对于d f a c t s 电能质量调节装置而言，实时准确地检测出所需的电信号是非常关 键的，检测的快速性、准确性直接决定调节装置的补偿性能。为了能快速检测出电能质 量调节装置所需的电流信号，目前已有许多方法，下面对目前常用的几种方法进行论述。 ( 1 ) 快速傅里叶变换检测法 采用傅里叶变换法检测谐波和无功电流是目前应用比较广泛，技术也比较成熟的一 种方法，主要有离散傅里叶变换( d f t ) 和快速傅里叶变换( f f t ) 。这种方法需要采 集一个周期的电流值进行计算，得出所需的谐波和无功电流，并可以得到各次谐波的幅 值和相位，但由于傅里叶变换需要进行两次变换，计算量大，且积分一个周期才能检测 出结果，所以检测时间长，实时性较差【1 2 1 。 ( 2 ) 瞬时无功理论检测法 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由日本学者赤木泰文提出，该理论突破 了传统的以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬 时功率。此后该理论经不断研究逐渐完善，在许多方面得到了成功的应用。该理论的检 测方法原理简单，实时性强，能够快速、准确的检测出谐波和无功电流信号。以下主要 介绍p - q 检测法和i p - i q 检测法【1 3 】。这两种方法的原理图如图1 4 和1 5 所示： 一9 一 基于d f a c s 的电能质量调节装置研究 瓷 1 乏 暑 l f 图1 4p q 检测法原理图 f i g 1 4p f i n c i p l e & a g r a mo f p - qd e t e c t i n gm e t h o d o i 赫 k 图1 5 i p i q 检测法原理图 f i g 1 5p r i n c i p l ed i a g r a mo fi p i qd e t e c t m gm e t l l o d l 拍 。 按照图1 4 所示的过程，p q 检测法检测出的信号是谐波电流信号，当要检测谐波 和无功电流之和时，只需断开图1 4 中的q 通道即可，当只检测无功电流时，只需直接 将q 反变换即可得出无功电流。同理，如图1 5 所示过程，i p i q 检测法检测出的信号也 是谐波电流信号，当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图1 5 中的i q 通道即可， 当只检测无功电流时，只需直接将i q 反变换即可得出无功电流。 以上共论述了三种检测方法，下面分别比较其优缺点： ( 1 ) 快速傅里叶变换检测法需要采集一个周期的电流值进行计算，得出所需的谐 波和无功电流，并可以得到各次谐波的幅值和相位。缺点是由于傅里叶变换需要进行两 次变换，计算量大，且积分一个周期才能检测出结果，所以检测时间长，实时性较差。 ( 2 ) 基于瞬时无功理论的p q 检测法。检测方法原理简单，实时性强，能够快速 的检测出谐波和无功电流信号。缺点是三相电压参与到计算当中，当检测过程中电网电 压不对称或发生畸变时，将会影响谐波和无功电流的检测结果，造成检测误差。检测过 程中的低通滤波器产生一定的延时。 ( 3 ) 基于瞬时无功理论的i p i q 检测法。原理简单，实时性强，能够快速、准确 大连理： 人学硕士学位论文 的检测出谐波和无功电流信号。由于检测法中没有用到三相电压，只需用到与e a 相电 压同相位的正弦信号s i n 6 0t 和对应的余弦信号c o s6 0t ，它们由锁相环( p l l ) 和一个正、 余弦信号发生电路得到。当三相电压不对称或发生畸变时，i p i q 法能够准确地检测出谐 波和无功电流。缺点是检测过程中的低通滤波器产生一定的延时。 由以上的比较可以看出，瞬时无功理论的i p i q 检测法的实时性和准确性兼容的比 较好，而且低通滤波器部分的延时可以通过预测技术来消除，所以本文采用这种检测方 法。 1 3 3基于d f a c t s 的并联型电能质量调节器电流跟踪控制技术 基于三相p w m 逆变器( v s c ) 的d f a c t s 电能质量调节装置电流控制技术可以 分为间接电流控制和直接电流控制两类。 间接电流控制又称为幅值相位控制。它通过控制三相p w mv s c 桥臂终端电压的幅 值和相位来达到控制交流电流的目的，其控制依据是三相p w mv s c 的空间矢量图或相 量图。间接控制的静态特性很好，控制结构简单。但是，由于间接控制是电流开环控制， 其控制规律是由稳态关系得到的，系统过渡过程按其自然特性完成，而三相p w mv s c 的自然特性很差，所以在间接电流控制的暂态过程中，有将近1 0 0 的电流超调，电流 振荡剧烈，系统的稳定性差，响应慢。因此，到目前为止间接控制在实际中很少应用。 直接电流控制具有电流控制环，直接对电流进行调节，能够使电流快速地跟踪给定 值，因此具有很好的动态性能，而且对电流给定值限幅就能很好地限制输出电流。根据 所采用的控制器的特点，直接电流控制主要有以下几种形式： ( 1 ) 滞环电流控制。是最早出现、最简单的一种。它具有非常快的响应速度，对 参数变化的适应性很强，而且很容易实现。把补偿电流的参考指令信号i e * 与实际的补 偿电流信号i c 进行比较，两者的偏差i c 作为滞环比较器的输入。原理如图1 6 所示。 滞环电流控制的主要缺点是开关频率不固定，受电路参数、负载情况、滞环宽度的 影响，在参考电流值较大时固定的带宽可能使器件的开关频率过高甚至超过器件的最高 动作频率导致器件损坏；谐波电流频谱随即分布，难以设计交流侧滤波器。 信号 图1 6 滞环比较方式原理图 f i g 1 6p r i n c i p l ed i a g r a mo f h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l 基于d f a c s 的电能质量调节装置研究 ( 2 ) 预测电流控制。采用实时优化算法，在每一个采样周期根据给定电流矢量变 化率和负载情况计算出一个使电流误差趋于零的电压矢量去控制变换器中开关的通断。 电流预测控制具有固定的开关频率、良好的动态性能、优化的开关方式、便于计算机实 现等特点。但是由于电流预测控制没有积分环节，系统参数的波动和模型的不确定性会 严重影响系统的控制精度。神经网络控制和模糊逻辑控制能够很好的解决上述问题，它 们不须要系统的精确模型，对系统参数和负载的变化不敏感，具有很好的动态性能和很 强的鲁棒性。 电流的控制既可以在静止坐标系下实现，也可以在两相同步坐标系下实现。比较而 言，同步坐标系下可以实现电流的无静差跟踪，电流响应也快一些。早期的控制电路主 要用模拟电路，要实现坐标变换非常复杂，所以控制器一般在静止坐标系下实现。为弥 补静止系控制器的不足，在静止坐标系的电流控制器中引入电网反电势信号作前馈补偿 可以使静止坐标系的电流控制效果和旋转坐标系很接近。但这还不能和旋转系的电流控 制等同，静差虽然减小但依然存在。将同步坐标系下的p i 控制器表达式变换到静止系， 可以得到和同步坐标系控制效果完全等效的静止坐标系下的控制器。不过这仅能实现三 相系统的电流无静差调节。如果利用内模控制原理，在控制器中引入交流电流给定指令 的信号模型，将可以获得对单相交流电流的无静差跟踪特性【1 4 1 。 早期的控制电路主要用模拟电路，要实现坐标变换非常复杂，所以控制器一般在静 止坐标系下实现。随着微处理器技术的发展，数字化系统正逐步取代模拟电路。在数字 化系统中进行坐标变换非常方便，所以静止坐标系下的控制器将越来越少用。 在上述多种控制技术中，又可采用不同的调制方式来产生p w m 信号。常见的p w m 调制方式可分为两类： ( 1 ) 三角波比较控制方式。三角载波线性控制是通过将检测环节得到补偿电流实 际值i c 与补偿电流参考值i c * 之间的偏差，经过放大器a 以后得到调制波u m ，与高频三 角载波相比较，产生p w m 控制信号【l5 1 。其原理如图1 7 所示。 图1 7 三角波载波比较控制原理图 f i g 1 7p r i n c i p l ed i a g r a mo ft r i a n g l ew a v ec o m p a r i s o nc u r r e n tc o n t r o l 大连理工大学硕十学位论文 该方法的优点是电流控制物理意义清晰，由于开关频率固定，因而网侧滤波电感设 计较容易，并且有利于限制功率开关损耗。缺点是直流电压利用率低，输出波形中含有 与三角载波相同频率的高频畸变分量，在开关频率不高的条件下，电流动态响应相对较 慢，且电流动态偏差随电流变化率变化而波动。 ( 2 ) 电压空间矢量p w m 方式。该类方式解决了前二类存在的问题，而且易于用 微处理器实现。空间矢量脉宽调试技术( s p a c e - v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 简称s v p w m ，它把三相变流器作为一个整体来控制，很好地协调了p w m 主电路各相间的相互 作用。其原理为：令实际电流跟随指令电流的目标被转化为跟随一个指令电压矢量，根 据指令电压矢量所处区间判断选择哪几个基本矢量，然后计算两相邻基本矢量的占空比 以合成指令电压矢量，当补偿装置产生该电压空间矢量时，实际电流与指令电流的误差 将被最大限度的减小【1 6 】。 这种方法的优点为：p w m 脉冲的频率与空间矢量计算的采样频率一致，器件的开 关频率是恒定的，其直流电压利用率高、开关损耗少、电流波形畸变小且易实现数字化。 综合以上各种电流跟踪控制方式，本文采用电压空间矢量p w m 方式来实现电流跟 踪控制。 1 4 本文主要研究内容和工作 本文主要研究一种补偿谐波和无功的d f a c t s 并联混合型电能质量调节装置，论 述了其原理、关键技术、硬件电路结构、软件编程以及装置样机实验和结果分析等。主 要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 综述d f a c t s 电能质量调节装置产生的背景以及目前的发展现状，重点探 讨了检测和控制技术的发展。 ( 2 ) 深入研究d f a c t s 电能质量调节装置的工作原理和关键技术，构造适应于大 功率环境下的先进的、经济的动态调节结构，确定信号采集与驱动控制策略。 ( 3 ) 研制本装置各部分的硬件电路，并完成装置的软件编程。 ( 4 ) 研制基于d f a c t s 的并联混合型电能质量调节装置的实验样机，确定主电路 元件参数，并对装置进行整体工作实验，用实验结果来证明本文提出的d f a c t s 的并 联混合型电能质量调节装置的合理性与实用价值。 基于d f a c s 的电能质量调节装置研究 2 基于d f a c t s 的并联型电能质量调节装置的工作原理及关键技术 2 1 工作原理与总体结构 本文提出了一种基于d f a c t s 的并联混合型电能质量调节装置，结合了有源滤波 器( a p f ) 和传统无功功率补偿装置的优点，在抑制电网谐波和补偿无功功率方面有很 高的实用性和发展前景。本文采用瞬时无功理论的i p i q 检测法计算谐波和无功指令电 流，利用空间矢量脉宽调制技术s v p w m 来产生补偿电流，实现动态和小容量的谐波和 无功功率补偿；利用同步投切电容器组，实现系统中稳态和大容量的无功功率补偿。整 个装置在提高配电网电能质量的同时，大大降低了有源部分的容量，降低了装置的成本。 装置的总体结构图如图2 1 所示。 兰相谴压善 图2 1并联混合型电能质量调节装置结构图 f i g 2 1 t o p o l o g ys t r u c t u r eo f p a r a l l e lh y b r i dp o w e rq u a l i t ) ，r e g u l a t i n gd e f i c e 大连理工大学硕士学位论文 2 2 瞬时无功理论的jp iq 检