（电力系统及其自动化专业论文）基于超级电容器的统一电能质量调节器的研发.pdf

摘要 论文提出了基于超级电容器的统一电能质量调节器 ( u p q r ) a 系统地阐述了装 置工作原理和各个组成部分。 完成了装置的主电路和控制电路的设计工作。 对于电 能质量问题的检测算法， 论文比较了各种算法的优缺点并确定了采用基于瞬时无功 功率理论的d - q 分解法和滑动平均值法。 逆变器采用基于s p w m的调制方式， 为了 达到提高直流电压利用率的目的，针对不同的负荷采用不同的方法。 控制算法中加 入的p i d调节器使装置的输出一直稳定在额定电压。 所有这些控制算法都通过仿真 计算和样机的实验结果得到了验证。 在控制器设计的基础上， 论文利用d s p 汇编语 言进行了系统的软件设计。 论文利用研制的样机进行了静态电压低下、 动态电压暂降、 系统三相不平衡等常见 电能质量问题的补偿实验。 实验证明， 装置可以很好地解决上述电能质量问题， 达到了 预期的目标。 关键词:电能质量调节器，超级电容，用户电力，电力电子技术，逆变器 u p q r b a s e d o n s u p e r c a p a c i t o r w a s p r o p o s e d a n d o p e r a t i o n p r i n c i p le s a n d e a c h c o m p o n e n t o f t h e e q u i p m e n t w e r e e x p la i n e d i n d e t a i l s i n t h e p r e s e n t p a p e r . i t a c h i e v e d t h a t t h e d e s i g n o f m a i n c i r c u i t s a n d c o n t r o l c i r c u i t s o f t h e e q u ip m e n t . a ft e r d i ff e r e n t d e t e c t i o n m e t h o d o f p o w e r q u a l i t y c o n s i d e r e d , i t w a s c o m p a r e d a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f s e v e r a l c o m m o n m e t h o d s , a n d i t w a s c o n f i r m e d t o a d o p t d q a n a l y z i n g m e t h o d b a s e d o n i n s t a n t a n e o u s p q - t h e o r y a n d s l i p a v e r a g e m e a n m e t h o d . t h e m o d u l a t io n m o d e b a s e d o n s p wm w a s a p p l ie d t o t h e c o n v e r t e r . i n o r d e r t o i m p r o v e d e v o l t a g e u t i l i z a t i o n e ffic i e n c y , i t w a s c o n c l u d e d t h a t d i f f e re n t m e t h o d s s h o u l d b e a p p l i e d f o r d i ff e r e n t k i n d s o f l o a d s . p i d a d j u s t m e n t e n a b l e s o u t p u t v o l t a g e c l o s e t o r a t e d v o lt a g e s t a b l y . a l l o f c o n t r o l m o d e s w e r e v a li d a t e d b y s i m u la t i o n a n d e x p e r i m e n t r e s u l t s o f p r o t o t y p e u p q r . o n t h e b a s i s o f t h e d e s i g n o f c o n t r o l l e r , d s p a s s e m b l e l a n g u a g e w a s u t i l i z e d t o f i n i s h s o ft w a r e d e s i g n o f t h e s y s t e m. v o l t a g e d r o p s u n d e r s t e a d y s t a t e , d y n a m i c v o lt a g e s a g s , t h r e e - p h a s e i m b a l a n c e a n d o t h e r p o w e r q u a l it y p r o b l e m s w e r e c o m p e n s a t e d i n e x p e r i m e n t . i t w as p r o v e d t h a t t h e u p q r e q u i p m e n t c a n e f f i c i e n t l y s o l v e a b o v e p r o b l e m s a n d m e e t e x p e c t e d o b j e c t . l i q i r u i ( e l e c t r i c e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . h a n mi n x i a o k e y wo r d s : p o w e r q u a l i t y r e g u l a t o r , s u p e r c a p a c i t o r , c u s t o m e r p o w e r , p o w e r e l e c t r o n i c s , i n v e r t e r 叫 目匕0口 厂尸 月 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工 作所取得的成果。 尽我所知， 除文中己 经注明引 用的内容外， 本学位论文的 研 究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。 特此申明。 签 名:日 期: 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。 必密的 学 位论文在 解密后 遵守 此规定 ) 作者签名:导师签名: 日期:日期: 华北电 力 大学 ( 北 京 ) 硕士学位 论文 第一章 绪论 1 . 1 电能质量问题 理想的供电电压应该是纯正弦波形，具有标称的幅值和频率。然而，由于供电 电压的非理想性、线路的阻抗、供电系统所承受的各种扰动、负荷的时变性与非线 j性等，供电电压常常呈现各种各样的电能质量问题。 对于电力系统特有的诸多电压和电流故障干扰电 气设备正常工作的问题，早在 电力供应开始时就引起电力研究者的注意。 特别是近些年来， 随着科学技术的飞速发 展， 尤其是信息技术的日 新月异，由 计算机和微处理器来管理、 分析、 检测、 控制的 新 型用电 设备和各种电力电子设备大量投入电 力系统。 这些新型设备对电 源特性的 变化非 常的 敏感，电能质量问 题所造成的危害也就自 然而然的张显出来。因此， 电能质量问题 也就引起了世界各国相关专家学者的广泛关注。 电压型电能质量问题通常表现为幅值或波形的异常:电压暂降、三相不平衡、 电压波动与闪变、谐波及频率变动等。本文所作的研究主要针对电压型电能质量问 题。 这些电能质量问题的千扰源有两种，即自 然干扰源和人为的干扰源。自 然干扰 包括雷电引起的冲击电流和涌浪电压、鸟类和树木干扰等;人为的千扰包括电气、 电子设备对系统的电磁干扰，电力线操作千扰，开关操作，短路故障，功率开关通 断以及电网电压变动等。这些电能质量问 题的定义如下: n 今 电压暂降和骤升 暂降是指工频条件下电压或电流有效值减小到 。1 -0 . 9 p u之间，且持续工频 的0 . 5 个周波到1 分钟。起因通常同系统故障相联系，另外重负荷或大型电 机启动 吸取大电流也可能引起电压暂降。 骤升含义是指在工频条件下，电压有效值上升到 1 . 1 一1 . s p u之间，且持续时 间为0 . 5 周波到1 分钟。与暂降的起因一样，骤升也是同系统故障相联系。比如单 相对地发生故障，非故障相的电压可能会短时上升。 令 电压不平衡 电e r 不平衡，通常被定义为与三相电压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。不平衡也可以利用对称分量法来定义，即用负序或零序分量 与正序分量的百分比加以衡量。 不平衡度6 定义为: 华北电 力 大学 ( 北 京 ) 硕士学位 论文 第一章 绪论 1 . 1 电能质量问题 理想的供电电压应该是纯正弦波形，具有标称的幅值和频率。然而，由于供电 电压的非理想性、线路的阻抗、供电系统所承受的各种扰动、负荷的时变性与非线 j性等，供电电压常常呈现各种各样的电能质量问题。 对于电力系统特有的诸多电压和电流故障干扰电 气设备正常工作的问题，早在 电力供应开始时就引起电力研究者的注意。 特别是近些年来， 随着科学技术的飞速发 展， 尤其是信息技术的日 新月异，由 计算机和微处理器来管理、 分析、 检测、 控制的 新 型用电 设备和各种电力电子设备大量投入电 力系统。 这些新型设备对电 源特性的 变化非 常的 敏感，电能质量问 题所造成的危害也就自 然而然的张显出来。因此， 电能质量问题 也就引起了世界各国相关专家学者的广泛关注。 电压型电能质量问题通常表现为幅值或波形的异常:电压暂降、三相不平衡、 电压波动与闪变、谐波及频率变动等。本文所作的研究主要针对电压型电能质量问 题。 这些电能质量问题的千扰源有两种，即自 然干扰源和人为的干扰源。自 然干扰 包括雷电引起的冲击电流和涌浪电压、鸟类和树木干扰等;人为的千扰包括电气、 电子设备对系统的电磁干扰，电力线操作千扰，开关操作，短路故障，功率开关通 断以及电网电压变动等。这些电能质量问 题的定义如下: n 今 电压暂降和骤升 暂降是指工频条件下电压或电流有效值减小到 。1 -0 . 9 p u之间，且持续工频 的0 . 5 个周波到1 分钟。起因通常同系统故障相联系，另外重负荷或大型电 机启动 吸取大电流也可能引起电压暂降。 骤升含义是指在工频条件下，电压有效值上升到 1 . 1 一1 . s p u之间，且持续时 间为0 . 5 周波到1 分钟。与暂降的起因一样，骤升也是同系统故障相联系。比如单 相对地发生故障，非故障相的电压可能会短时上升。 令 电压不平衡 电e r 不平衡，通常被定义为与三相电压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。不平衡也可以利用对称分量法来定义，即用负序或零序分量 与正序分量的百分比加以衡量。 不平衡度6 定义为: 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 二 = m a x a b s ( u , 一 u n ) , a b s ( u 而国际电工委员会 ( i e c ) 则将其定义为下降到额定值的9 0 l -1 a， 持 续时间为l o m s 一 l m in o 电压短时中断是指供电电压低于。 . i p u 、持续时间不超过l m i n ,而且会恢复到 正常值。在大多数情况下，电压的短时中断的过程都是远远小于 i m i n的。 引 起电 压暂降的原因 很多， 但主要是雷击、 短路故障和大型异步电 动机启动等川 。 雷击引 起的绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压暂降或供电中断的主要原因之 一。 据文献资料介绍，因雷击而引 起的电 压暂降次数约占 总次数的6 0 % ，并且持续时间 一般超过5 个周波， 所以在方圆几千平方公里内的任意处的雷击都将会影响到该区域内 的任一敏感负荷的正常、安全运行。 系统故障是引起电压暂降或供电中断的又一主要原因。 目 前配电 系统中的线路主保 护是电 流保护， 该保护最大的缺陷 是对线路中大部 分区域上的 故障不能无延时地予以 切 除，即 使是无延时保护， 从监测到故障到断路器开断故障，目 前最快也需要 3 - 6 个周 波。 在故障期间，当在故障线路及其邻近线路上接有敏感负荷时，将会因电压暂降而退 出工作。 另外，当 保护动作后伴随着重合闸时，由 此而引起的电压暂降次数将成 倍数增 加。 并且，规定时间间隔的连续跳闸是造成瞬时供电中断的主要因素之一。 大型异步电 动机全电压启动时， 启动电 流一般比额定电 流大五倍以 上， 会引起电压 暂降，这种电压暂降下降幅度不大，影响范围也小。其他如开关操作、电容器组或变 压器投切等也有可能引起电压暂降。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 二 = m a x a b s ( u , 一 u n ) , a b s ( u 而国际电工委员会 ( i e c ) 则将其定义为下降到额定值的9 0 l -1 a， 持 续时间为l o m s 一 l m in o 电压短时中断是指供电电压低于。 . i p u 、持续时间不超过l m i n ,而且会恢复到 正常值。在大多数情况下，电压的短时中断的过程都是远远小于 i m i n的。 引 起电 压暂降的原因 很多， 但主要是雷击、 短路故障和大型异步电 动机启动等川 。 雷击引 起的绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压暂降或供电中断的主要原因之 一。 据文献资料介绍，因雷击而引 起的电 压暂降次数约占 总次数的6 0 % ，并且持续时间 一般超过5 个周波， 所以在方圆几千平方公里内的任意处的雷击都将会影响到该区域内 的任一敏感负荷的正常、安全运行。 系统故障是引起电压暂降或供电中断的又一主要原因。 目 前配电 系统中的线路主保 护是电 流保护， 该保护最大的缺陷 是对线路中大部 分区域上的 故障不能无延时地予以 切 除，即 使是无延时保护， 从监测到故障到断路器开断故障，目 前最快也需要 3 - 6 个周 波。 在故障期间，当在故障线路及其邻近线路上接有敏感负荷时，将会因电压暂降而退 出工作。 另外，当 保护动作后伴随着重合闸时，由 此而引起的电压暂降次数将成 倍数增 加。 并且，规定时间间隔的连续跳闸是造成瞬时供电中断的主要因素之一。 大型异步电 动机全电压启动时， 启动电 流一般比额定电 流大五倍以 上， 会引起电压 暂降，这种电压暂降下降幅度不大，影响范围也小。其他如开关操作、电容器组或变 压器投切等也有可能引起电压暂降。 华北电 力大 学( 北京 ) 硕士学 位论 文 在所有的这些电能质量问题中，电 压暂降和电压短时中断对用电设备所造成的危害 尤其严重， 短短几个周期的电压暂降都可能影响设备的正常工作， 从而造成巨大的经济 损失，图1 - 1 是用电设备受电压暂降以及短时中断的影响。 高玉 钠灯 一州一一 卫 个入电胸 塑鲜 鹦塑 050 (、)理习田钾 0 . 2 秒 0 . 0 1 0 . 苗0!3 . 2 0 . 5 1 2 劳续时间( s ) 图 1 - 1用电设备受电压暂降及短时中断的影响 有资料表明， 在欧美发达国家， 一次电压暂降所造成的经济损失可以 达到几百万美 元， 而电压短时中断的后果往往更加的严重。目 前在工业化国家， 电压暂降已经上升为 最重要的电能质量问 题。 欧洲电力部门 及用户对电压暂降的关注程度比对其它有关电能 质量问题的关注程度要强得多，其中一个重要的因素是在对电能质量的诸多问 题投诉 中，由电 压暂降引 起的用户投诉占 总投诉量的8 0 % 以 上，而由 谐波、开关操作过电 压等 引起的电能质量问题投诉不到2 0 % . 在国内， 而随着信息社会的到来，随着我国 工业化程度的提高，电 压暂降问 题己 经 越来越突出 地显现出 来，电 压暂降 所造成的 损失也是越来越大。 1 . 3电 压暂降问题的解决方法及研究现状 1 . 3 . 1电 压暂降问题的现状 由于电压暂降和短时中断的成因比较复杂， 而且有很大比 例的成因是不可控的。所 以，想从成因上阻止电压暂降和短时中断的发生难度很大，可以说不可能彻底避免 其发生。 换个角度考虑，电压暂降和短时中断 之所以 危害很大， 就是因为很多用电 设备 对其太过敏感。降低设备对电 压暂降和短时中断的敏感度，提高其抗扰动的能力， 就可以让用户把损失降到最小，甚至可以完全避免由于电压暂降和短时中断所带来 的损失。目 前，解决方法主要有加装u p s 电源、多路供电、加装d v r等。在这几 种措施中， 大功率u p s的造价太高， 多路供电也不能完全避免电压暂降和短时中断 所造成的损失， d v r的研究在国内也处于刚刚起步， 而且我国输配电网和西方发达 国家还有很大的差距，在欧美发达国家，电压暂降的幅度极少超过百分之三十，图 华北电 力大 学( 北京 ) 硕士学 位论 文 在所有的这些电能质量问题中，电 压暂降和电压短时中断对用电设备所造成的危害 尤其严重， 短短几个周期的电压暂降都可能影响设备的正常工作， 从而造成巨大的经济 损失，图1 - 1 是用电设备受电压暂降以及短时中断的影响。 高玉 钠灯 一州一一 卫 个入电胸 塑鲜 鹦塑 050 (、)理习田钾 0 . 2 秒 0 . 0 1 0 . 苗0!3 . 2 0 . 5 1 2 劳续时间( s ) 图 1 - 1用电设备受电压暂降及短时中断的影响 有资料表明， 在欧美发达国家， 一次电压暂降所造成的经济损失可以 达到几百万美 元， 而电压短时中断的后果往往更加的严重。目 前在工业化国家， 电压暂降已经上升为 最重要的电能质量问 题。 欧洲电力部门 及用户对电压暂降的关注程度比对其它有关电能 质量问题的关注程度要强得多，其中一个重要的因素是在对电能质量的诸多问 题投诉 中，由电 压暂降引 起的用户投诉占 总投诉量的8 0 % 以 上，而由 谐波、开关操作过电 压等 引起的电能质量问题投诉不到2 0 % . 在国内， 而随着信息社会的到来，随着我国 工业化程度的提高，电 压暂降问 题己 经 越来越突出 地显现出 来，电 压暂降 所造成的 损失也是越来越大。 1 . 3电 压暂降问题的解决方法及研究现状 1 . 3 . 1电 压暂降问题的现状 由于电压暂降和短时中断的成因比较复杂， 而且有很大比 例的成因是不可控的。所 以，想从成因上阻止电压暂降和短时中断的发生难度很大，可以说不可能彻底避免 其发生。 换个角度考虑，电压暂降和短时中断 之所以 危害很大， 就是因为很多用电 设备 对其太过敏感。降低设备对电 压暂降和短时中断的敏感度，提高其抗扰动的能力， 就可以让用户把损失降到最小，甚至可以完全避免由于电压暂降和短时中断所带来 的损失。目 前，解决方法主要有加装u p s 电源、多路供电、加装d v r等。在这几 种措施中， 大功率u p s的造价太高， 多路供电也不能完全避免电压暂降和短时中断 所造成的损失， d v r的研究在国内也处于刚刚起步， 而且我国输配电网和西方发达 国家还有很大的差距，在欧美发达国家，电压暂降的幅度极少超过百分之三十，图 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 在所肖的这些电能质爨问题中，电压暂降和魄压短时中断对罔电设备所造成的散害 尤其严重，短短几个周期的电联暂簿都可能影响设备的正常工作，从而造成巨大的缀济 损失，图卜1 是瀚电设备受电压暂降戳及短时中断韵影响。 图卜l 用电设餐受电压甏降及短f j 寸中断的影响 有炎瓣袈贸，在欧美发这潮家，次电疆暂洚所造成豹经济攒失可毯达到凡吾万美 元，话电疆缀漪中新鹈后莱往往更翔熬严重。嚣髓羟工堑亿鹫家，窀篷暂簿已经上升为 最重要款瞧8 质量阉熬。欧洲电力部门及用户对魄压藜降瓣关注程疫比对其它蠢关魄能 质量翊题靛关注黎度要强褥多，其中令重要毂因豢是在对魄龛质量的诸多瓣题投诉 中，由电压餐降弓f 起的用户投诉占总投诉量的8 0 以上，两由谐波、开关操作避电艇等 引起的电能质量问题投诉不到2 0 。 在国内，而随着信息瓤会的到来，随着我国工业纯程度的疆高，电压暂降阀题已经 越来越突穗壹电显现出泉，瞧匿暂降掰造成盼损失也怒越来越大。 1 。3 毫压警降阉题的解决方法及研究现状 。3 亳压鹭簿溷熬豹甏靛 宙予电压暂降帮短时中凝的成毽院较复杂，两登有狠大阮铡静成濯楚不可敬酌。鞭 以，想从成缀上阻止电压暂降和短时中断的发生难度很大，可以说不可能彻底避免 其发生。 换个焦波考虑，电压蜚降鄯短时中龌之所以危害很大，就楚因为根多蜊电设铸 对其太过敏感。降低设备对电藤暂降和短时中断的敏感度，提高其抗扰动的能力， 羧吾蔽谴强户把损失降到最小，甚至露数竞金避免盘予魄压謦瓣鞠矮瓣中凝舞带寒 的损失。目前，解决方法主要肖加装u p s 电源、多路供电、加装d v r 等。在这几 种措施中，太功率u p s 的造价太高，多路供奄也不能完全避免电压暂降和短时中断 所造成的损失。d v r 的磺究在圉内也处于刚刚起步，而且我国输配电网和强方发达 国家遥有很大的差距，在欧美缴达国家，电压暂降的幅魔极少超过百分之三十，图 3 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 卜2 为西本荚西奄力公司豹典整统计绉粟。可竣嚣出，大多数瞧压暂阵为跌幅2 0 以内，持续时间1 0 0 m s 以内的故障。 图卜2 日本关西电力公司暂降统计结果 而我国大部分电网还远远达不到这个标准，无论是电压暂降的幅度还是频次都 都高于发达国家的平均水平。表卜1 是瑞萨四通公司测试仪中得到的几组典型数据， 很具有代表性： 表卜1 ：瑞萨四通公司测试仪中得到的几个典型数据 发生日期持续时间( m s )a 相电压( v ，)c 相电压( v ，) ( 年a h ) 2 0 0 2 1o ，2 93 0 0 m s 1 4 8 7 ，5 ( 4 9 - 3 11 4 8 9 ( 3 9 2 、 2 0 0 2 1i 0 18 0 m s 1 4 8 8 8 ( 4 0 5 、1 5 9 ( 4 0 ) 2 0 0 2 1i 0 61 0 0 m s 1 5 5 1 0 ( 3 5 5 11 5 5 1 5 ( 6 5 、 2 0 0 3 4 1 78 0 m s 1 5 1 1 3 5 ( 1 0 1 1 5 1 3 9 ( 7 3 、 2 0 0 3 6 2 78 0 m s 1 5 8 1 1 4 ( 1 1 4 、1 5 8 1 5 ( 0 4 1 2 0 0 3 7 1 51 0 0 m s 1 4 5 1 4 ( 3 4 5 )1 5 1 4 2 ( 5 3 、 2 0 0 3 8 1 51 0 0 m s 1 5 8 1 2 2 ( 2 2 8 、1 5 8 1 4 8 ( 6 4 、 2 0 0 3 8 3l1 6 0 m s 1 4 5 1 3 ( 1 0 3 4 、1 4 5 1 4 3 ( 1 3 8 、 2 0 0 3 9 2 65 5 4 m s 1 4 5 2 2 ( 8 4 8 1 1 4 5 2 2 ( 8 4 8 、 所以，研制一种经济的、适合我国电网的实际情况的电压补偿装置是可以说是迫在 眉睫。近些年来超级电容器的发展使研制开发高效经济的电压补偿装置成为可能。超级 电容器是一种折中了蓄电池和常规电容器各自优点的一种新型的储能元件，具有比常规 电容器更高的电容密度和能量密度，比蓄电池更高的功率密度和更长的寿命。利用超级 电容器作为电压补偿装置的储能元件符合经济高效的原则。另外，从提高负荷抗扰动的 能力考虑，我们可以根据用户的需要来定制不同的装置，这就是所谓的用户电力技术。 用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 是上世纪九十年代开发的新技术，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。这其中的主要产品有固态断路器+ 静态补偿器 s t a t c o m 、动态电压恢复器d v r ( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 等。可以解决电压 暂降、凸起、瞬时间断等配电系统扰动所引起的各种问题。 4 一 竺j ! 皇垄盔堂g ! 巫2 堡主堂垡丝苎 再鸯就是，现代嗽力电子技术黔发展，带寒了可供选撵的多静电路据羚结构以 及走逮瀚调裁技拳。电力遣予嚣张的发震辩采了更高可靠瞧、更离开关频率、更低 损耗的功率器件，这熊中包括已缎得到大规模使用的i g b t 和i g c t 器件以及智能 功率模块i p m 。这些可以工作在较离开关频率( 2 0 k h z 以上) 的功率器件怒研制u p q r 装嚣懿瀵雍。理代整裁理论静发鼹捷我锭糖蠢了更多致鼙浚选择，这蛰羟割理谂静 使用增强了系统的经济性、稳定做、可靠性，使装置趋于职能化。微处理器的发袋 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詹。当前菇遽、高集成发的微处理器使上述两者 运虱了一定程度静统一。面囱控涮领域的楚残器箕往往豹硬 牟设诗使软件的设诗 壬 务大大简化，这不仅减轻了开发错的负担，更熏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。 上述这些技术静发袋菠u p q r 装置静实瑗袋妥焉戆，鼷u p q r 装鬟遴一步蠢大 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 2 溆压誊| 、偿方案的研究现状 当前针对电压补偿的研究主鬓鼹d v r 和u p q c ( 统电能质量控制器) 的研究。 世界上的第一台d v r 装置由美国两屋公司研制成功，并于1 9 9 7 年8 月在荧国d u k e 电力公司投入运行【4 】【朝。嚣门子公词在1 9 9 9 年熬i e e e 会议上奔绥了德们的d v r 懿 运行情况哆这台装鼹是为了保诞4 7 m v a ，年电压暂降约3 7 次的周户的电能质量 的。a b b 公司在2 0 0 0 年i e e e 会议上介绍了农装在瑞士的d v r 的运行情况【7j 。在 爨本，槛上式d v r 也已经投入运行f s j 。这些装鼹的运行目的是为了取褥足够的运行 经验，竣及在实际孛检验装置翡缝爱麸嚣趣滋进一步致善。各国黪专家学者翻已经 达成了这样的共识：动态电压恢复器是改善电压型电能质惫问题的最缀济、有效的 手段 9 】 o 】 1 1 】。在国内，很多高等院校和研究机构也已经在几年前开始开展这方面的 磅究工佟。挝渡华大学、疆安交邋大学、华魏逛力大学、东南大学、中强电力科学 研究院等等。这些研究单位对手d v r 的运行原理、电路结构都进行了大量的深入 研究并研制了相应的样机。但是与国外相比，我们并没有相应的运行经验，所研制 的样机还有待于工业环境的检验。另外，在容爨和电压等级方面，我们的研制成果 与国辨逐有缀大豹茇眍。 圈卜3 是西门予公司安装在莱电网上的d v r 装置的效果图。可以番到，从1 9 9 5 年5 月楚1 9 9 7 年5 月( 未安装d v r ) ，发生多次电能质量问题。1 9 9 7 年5 月至1 9 9 8 年4 月，安装d v r 聪，避免了多次奄箍质量瓣题蕊产生。在d v r 装鬟褒线鲍1 9 9 8 年5 月，又发生了多次电能质登闯题。这充分说明了d v r 装置对改罄电弼电能艨 量的萤舞作用。 5 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 再有就是，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( 2 0 k h z 以 上) 的功率器件是研制u p q 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u p q r装置的实现成为可能，而u p q 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 . 3 . 2 电压补偿方案的研究现状 当前针对电压补偿的研究主要是d v r和u p q c( 统一电能质量控制器)的 研究。 世界上的第一台d v r装置由美国西屋公司研制成功， 并于1 9 9 7 年8 月在美国d u k e 电 力公司投入运行4 ) 6 1 。 西门 子公司在1 9 9 9 年的i e e e 会议上介绍了他们的d v r的 运行情况 6 1 ， 这台 装置是为了 保证4 7 m v a ， 年电 压暂降约3 7 次的 用户的电能质量 的。 a b b公司在2 0 0 0 年i e e e 会议上介绍了安装在瑞士的d v r的运行情况 7 l 。在 日 本， 柱上式d v r也己 经投入运行 8 1 。 这些装置的运行目 的是为了取得足够的 运行 经验，以及在实际中检验装置的性能从而加以进一步改善。各国的专家学者们已经 达成了这样的共识:动态电压恢复器是改善电压型电能质量问题的最经济、 有效的 手 段 9 0 6 1 i l l 。 在国内 ， 很多 高 等院 校 和 研究 机 构也已 经 在 儿 年前开 始 开 展这 方 面的 研究工作。如清华大学、西安交通大学、华北电力大学、东南大学、中国电力科学 研究院等等。这些研究单位对于 d v r的运行原理、电路结构都进行了大量的深入 研究并研制了相应的样机。但是与国外相比，我们并没有相应的运行经验，所研制 的样机还有待于工业环境的检验。另外，在容量和电压等级方面，我们的研制成果 与国外还有很大的差距。 图 1 - 3 是西门子公司安装在某电网上的d v r装置的效果图。 可以看到， 从1 9 9 5 年5 月至1 9 9 7 年5 月( 未安装d v r ) ， 发生多次电能质量问题0 1 9 9 7 年5 月至1 9 9 8 年4 月， 安装d v r后， 避免了多次电能质量问题的产生。 在d v r装置离线的1 9 9 8 年 5月，又发生了多次电能质量问题。这充分说明了 d v r装置对改善电网电能质 量的重要作用。 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 图 1 - 3 西门子公司安装在某电网上的d v r的效果图 近年来u p q c在国外也己 经成为 研究热点。 所谓的u p q c实际上就是动态电 压恢 复器 d v r ) 和有源滤波器 ( a p f )的有机结合，从图1 - 4 可以 看出a p f并联于线路 而d v r串联于线路，这样做的目的是a p f专注于电流型电能质量间题的治理，而 d v r则专注于电压型电能质量问题。 两装置共用储能单元和能量接f 1 . 都可以单独 运行实现其自身的功能。a p f和 d v r装置同时运行可以使系统的电流和电压波形 都保持在一定的标准水平以内，从而实现了统一电能质量控制器所期望达到的目 标。 有 i g 滤 波 器 图 1 - 4 u p q c 原理图 许多发达国家都在研究这种能综合解决多重电能质量问 题的装置， 例如: 德国西门 子公司正在开展综合型电能质量调节器 ( s i p c o n - u )的开发，但至今世界上还没有己 经投入实际运行的例子。而本课题研制的基于超级电容器的统一电能质量调节器 ( u p q r )尚无研究先例。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 1 . 3 . 3 u p o r 实现的功能 u p q r是一种以 超级电容器为储能单元的装置，串联在电网和负荷之间或者与作为 电 网 的 短时 备 用， 对电网 侧发生的电 压故障 进行 屏蔽。 与u p s 类似， u p q r 从其运行方 式上分， 也可以分为在线式和后备式两种。后备式在没有故障发生的时候处于备用状态， 装置的控制部分一直在工作，监测负荷的电压，当发生电压暂降或短时中断的时候迅速 ( 几个毫秒以内)的把重要负荷从电网切换过来，如图1 - 5 : 邻 近 馈 线 发 生 故 障 一- - -一洲 - - 电 压 恢 复 正 常 了朋游肠日-的简 泪阴洲划一一-护负 绷洲u一，一一一保感 杯盯四月-一被敏 电 压 短 时 中 断 图1 - 5 u p q r 在后备式运行方式下的原理图 由于备用状态下没有功率通过， 后备式的功耗非常低，开关器件的寿命也相应增长。 但后备式u p q r存在和后备式u p s 一样的 缺点，就是响 应特性不如在线式。而且只能消 除电压暂降和短时中断对负荷的影响，对其他的电能质量问题仍然无能为力。而在线式 满足了响应时间的要求，可以无延时的对电压暂降和短时中断进行补偿，由于负荷是通 过u p q r连接到电网， 所以电网 侧的所有的电 能质量问 题都不能对负 荷造成影响，缺点 就是由于其是全功率通过，功耗较大。 如图1 - 6 一 次 愤 线邻 近 馈 线 发 生 故 障 配 电 站 一1红 线 路 电 压 暂 降 电 压 恢 复 正 常 撇哪一-丽溯 件撇泄-二一肺附一 输 电 系 统 切 换 或 清 除 故 障 电 压 短 时 中 断upar 图1 - 6 u p q r 在在线式运行方式下的原理图 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 1 . 3 . 4 u p q r 装置的组成 u p q r 装 置 利用 整流 与 逆 变 环 节 将 重要 负 荷 与电 网 隔 离 开 来， 电 能 通 过 装置 从电 网 流向负荷， 在检测到电压暂降或短时中断时， 超级电容器放电， 保证直流母线电压符合 标准， 进而保证负荷侧电压质量达到要求。 装置的主要组成部分有主回路、控制电路、 保护电 路。 主功率回路系统由 不可控整流桥( 对中压系统， 通常设并联降压变压器) 、 由 超级电 容器及其充放电电路构成的储能单元、直流母线、全控型逆变器、滤波器组成。 控制电路中采用t ms 3 2 0 f 2 4 o d s p 作为主控芯片， 完成信息的采集、处理、 运算及驱动 脉冲的产生。 保护回路则实 现系统短路或过负 荷情况下对u p q r主回路的保护以 及主回 路与电网之间的切换。 1 .4 论文所作的工作 鉴于u p q r 装置对于改善电 力系统电 能质量的重要作用， 华北电 力大学电能质 量研究所提出了研制基于超级电容器的统一电能质量调节器的课题。本论文的工作 包括样机研制的整个过程，主要有以下几点: 1 .论文前期进行了系统的用户调研，了解了电力系统用户所面临的实际电能质量 问题。从而使样机的研制紧跟实际的需求。 2 ，在 u p q r装置的主电路设计工作中， 论文对于装置的每一个组成部分， 都将可 以 采用的方案进行了深入的研究， 选用最合理的方案。u p q r作为电力电子技术的 典型应用， 在设计过程中， 作者充分借鉴了诸如变频器、 u p s . d v r等的设计经验， 力求实现较优化的主电路设计。 3 ，作为论文工作的重点，设计了u p q r装置的 控制器。控制器实现了装置各种电 气量的采集、运算以 及输出，使主电路得到了良 好的控制。控制器的资源可以保证 实现复杂的算法和控制速度。 4 .论文对于电能质量扰动的检测进行了深入的理论探讨，选用了适合装置使用的 方法。 在逆变器控制上，论文比较了各种常用的算法，提出了实时性好、简单易行 的控制手段。同时对于装置的能量流动情况进行深入的分析。 5 .对应于算法的实现，论文在控制器平台上设计了相应的软件。通过与控制器以 及主电路的联合调试，进一步优化软件，力求使装置达到高性能和稳定性的统一。 6 .论文完成了1 2 k v a实验室样机的研制， 并进行了各种负载情况下装置对于电压 暂降等问题的补偿实验。 华北电 力大学 ( 北 京) 硕士学 位论文 第二章 超级电容器 2 . 1 引言 超 级电 容器 ( s u p e r c a p a c it o r ) 也被称作双 层电 容器 ( d o u b l e - l a y e r c a p a c i t o r 或 u l t r a c a p a c it o r ) 和电 化学电 容 器 ( e le c t r o c h e m i c a l c a p a c it o r s ) ， 是一 种基于 新材 料 和新 工艺，具有很大电容密度的电 容器。 超级电 容器是一种比较理想的储能器件。 它具有 比传统的电容器更高的电容密度和能量密度;比蓄电池更高的功率密度、更长的寿命 和更快的充放电时间;比超导储能装置更少的投资和比飞轮储能装置少得多的占 地。 2 . 2 超级电容器的原理及特性 超级电容器是近年来出现的一种新型储能器件， 兼有常规电容器功率密度大和充电 电池能量密度高的优点， 可快速充放电， 且寿命长， 很有希望发展成为一种新型、高效、 实用的能量储存装置。 目 前超级电容器的分类方法并未完全统一。 一般认为超级电容器包括双电层电容器 ( e le c t r i c d o u b l e l a y e r c a p a c it o r 简 称e d l c ) 和电 化 学电 容 器( e le c t r o c h e m ic a lc a p a c it o r ) 两 大类， 其中双电 层电容器按电 解质的不同可分为液体双电 层电容器和固体双电层电 容器， 液体双电 层电容器又可分为水系电解质和非水系电解质两类; 电化学电容器根据电极材 料的不同可分为金属氧化物和导电性高分子聚合物两类电化学电容器。 超级电容器的工 作原理、结构与普通电容器有很大不同。从结构上看， 超级电容器主要由极化电极、集 电极、电解质、隔离膜、端板、引线和封装材料几部分组成。各部分的组成、结构均对 其性能有重要的影响。电极的制造技术、电解质的组成和隔离膜质量对超级电容器的性 能有决定性的影响， 电解质的分解电压决定超级电容器的工作电压， 所以以 水溶液为电 解液的电容器工作电压只有1 v左右， 而有机电解液的可达3 v左右。 不同类别的超级电容的工作原理可以说是大相径庭， 但从基本原理上讲，都不能脱 离双电层电容器和电化学电容器的范畴。 1 .双电层电容器的工作原理 所谓的双电层电容理论是1 9 世纪末由h e l m h o t z 等提出。 关于双电层的代表理论和 模型 有h e l m h o t z 模型、 g o y - c h a p m a n 模型 和s t e m模型。 其中以h e l m h o t z 模型最为 简 单且能充分说明双电层电容器的工作原理，如图2 - 1 : 华北电 力大学 ( 北 京) 硕士学 位论文 第二章 超级电容器 2 . 1 引言 超 级电 容器 ( s u p e r c a p a c it o r ) 也被称作双 层电 容器 ( d o u b l e - l a y e r c a p a c i t o r 或 u l t r a c a p a c it o r ) 和电 化学电 容 器 ( e le c t r o c h e m i c a l c a p a c it o r s ) ， 是一 种基于 新材 料 和新 工艺，具有很大电容密度的电 容器。 超级电 容器是一种比较理想的储能器件。 它具有 比传统的电容器更高的电容密度和能量密度;比蓄电池更高的功率密度、更长的寿命 和更快的充放电时间;比超导储能装置更少的投资和比飞轮储能装置少得多的占 地。 2 . 2 超级电容器的原理及特性 超级电容器是近年来出现的一种新型储能器件， 兼有常规电容器功率密度大和充电 电池能量密度高的优点， 可快速充放电， 且寿命长， 很有希望发展成为一种新型、高效、 实用的能量储存装置。 目 前超级电容器的分类方法并未完全统一。 一般认为超级电容器包括双电层电容器 ( e le c t r i c d o u b l e l a y e r c a p a c it o r 简 称e d l c ) 和电 化 学电 容 器( e le c t r o c h e m ic a lc a p a c it o r ) 两 大类， 其中双电 层电容器按电 解质的不同可分为液体双电 层电容器和固体双电层电 容器， 液体双电 层电容器又可分为水系电解质和非水系电解质两类; 电化学电容器根据电极材 料的不同可分为金属氧化物和导电性高分子聚合物两类电化学电容器。 超级电容器的工 作原理、结构与普通电容器有很大不同。从结构上看， 超级电容器主要