（电力系统及其自动化专业论文）并联型综合电能质量调节器的研究.pdf

东北屯力大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fe l e c t r i cp o w e rl o a d sa n dc a p a c i t yo fu n b a l a n c e d ， i m p a c t , n o n l i n e a rl o a d s ，e l e c t r i cp o w e rq u a l i t yp r o b l e m si nd i s t r i b u t i o ns y s t e m sh a v e b e e nm o r ea n dm o r ec o n s p i c u o u s i te x h i b i t sb r o a dp r o s p e c ta n dv e r ys i g n i f i c a n c et o i m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o n ek i n do fu n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n d i t i o n e ri sa n a l y z e da n ds t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y p a r a l l e l p r o c e s s i n gt o p o l o g yo fm a i nc i r c u i t i sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o n a ld e m a n d so ft h es t u d i e ds y s t e m i nt h ed e s i g n e ds y s t e m s m e sc o i li s u t i l i z e da se n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t , c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ( c s i ) i su s e dt o a c c o m p l i s hd c - a cc o n v e r s i o n 1 1 l em a i nf u n c t i o n so f t h es y s t e ma r et oe l i m i n a t et h e i n f l u e n c e so fs o u r c ev o l t a g es a ga n df l i c k e ro nl o a dv o l t a g e ，a n dt or e s t r a i nt h e i n f l u e n c e so fn o n - l i n e a rl o a da n du n s y m m e t r i c a l1 0 a do ns u p p l yc u r r e n t t h ef a c t o r s i n f l u e n c i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ow h i c ht h ep a r a m e t e r s o f t h em a i nc i r c u i ta r ed e s i g n e d 1 1 1 eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to f p o w e rq u a l i t ys t a n d a r d ，as y s t e mp o w e rr e g u l a t i n gs t r a t e g yi sp r o p o s e d ，i e t h el o a d v o l t a g ei sm a i n t a i n e db ya d j u s t i n gt h er e a c t i v ep o w e ro ft h ei n v e r t e ri nt h eh a l fm a i n f r e q u e n c yc y c l ea f t e rt h es o u r c ev o l t a g es a go c c u r r e n c e ，t h es y s t e mo p e r a t i n g p e r f o r m a n c ei so p t i m i z e d ，d i r e c tc u r r e n tp w mc o n t r o ls t r a t e g yi sc h o s e nt or e a l i z e t h ed c o a cc o n v e r s i o n o f t h ec u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r , w h i c hm a k e st h es y s t e mc o n t r o l m o r ec o n v e n i e n t 1 r i 伦s y s t e mm a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e d , b yw h i c ht h es y s t e mc o n t r o l s t r a t e g yw i t hd e c o u p l i n ga n df e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o no fd qc o m p o n e n t su n d e r s y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e mi ss t u d i e d f u r t h e r m o r e , a f t e rb e i n ge x t e n d e d a n dm o d i f i e d ，t h es a i dc o n t r o lm e t h o di sa d a p t e dt oo t h e rf u n c t i o n so f t h es y s t e m n e p r o p o s e ds y s t e ms t r u c t i l r ea n dc o n t r o lm e t h o da r ev e r i f i e db vs i m u l a t i o n k e y w o r d sp o w e rq u a l i t y p a r a l l e lp r o c e s s i n g c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r d i r e c tc u r r e n tp w m u 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报： 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 吼递王年月丝日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表，复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：蒸隧笪日期：进年上月幺日 。己 i 导师签名：也量i 黝j 婪磊日期：型塑年j l 月二五日 第l 审绪论 第1 章绪论 随着现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增加， 如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备的启停等： 另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，如高 性能家用电器、办公设备、精密实验仪器，连续、精密生产过程的自动控制设 备等，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。上述问题的矛盾愈来愈突出， 这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生 产造成的损失也越来越大，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。 在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电 能质量问题的影响己比较突出，而且，由于各种原因，在供电可靠性和电网电 压幅度的稳定水平等指标上，我国的情况尤其落后。如何提高和保证电能质量， 已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。 改善和提高电能质量的主要措施是采用电力电子技术。电力电子器件用于 电力拖动、变频调速、大功率换流等领域已经是比较成熟的技术。由于配用电 系统量大面广，随着电力用户的工艺过程的不断进步，对供电可靠性和质量的 要求越来越高。而电力市场的竞争日益激烈，这使得世界各国电力界对这项新 技术更加重视。 1 1 电能质量的基本概念 “电能质量”这一术语最初为了澄清供电部门和用户问的责任而提出的。 近年来，由于其它一些问题的出现，使电能质量的所包含的内容有所增加，其 中主要的问题是供电电压的异常所造成的用户不能接受的设备非正常运行，以 及设备本身的运行给电力系统带来的不利影响。 对供电质量及可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联 系的。在电力发展的初期，电力负荷主要是照明，人们知道停电后马上点燃油 灯或蜡烛，并无多大怨言。但当主要电力负荷逐渐为工、农业生产和商业所代 东北电力大学硕十学位论文 替后，一旦停电就会造成相当大的损失。因此就出现了双电源、备用电源、重 合闸装置等技术措施来提高供电可靠性【i 】。 近代科技进步又促进生产过程的自动化和智能化，对电能质量提出了更高 更新的要求。一个计算中心失去电源2 s 就可能破坏几十小时的数据处理结果或 上百万元的经济损失。在大型机器制造厂，o 。l s 的电压突降就可能造成异常的生 产状况和质量破坏。当今自动化设备控制的连续精加工生产线，它们对配电系 统中的干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱， 其损失是难以估量的。这些用户对不合格电力的容许度可严格到只有l 一2 周波。 现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。无人值守变电站中计算机系统突然 出现的死机现象，大多属于电能质量问题。 在我国，电能质量问题中因非线性负荷而引起的问题以及谐波、不对称、 长期低( 过) 电压等稳态电能质量问题己较为人们所熟知，在这一方面已有广 泛的研究，并已取得较大的进展。但是伴随着系统异常情况的瞬时供电中断、 电压跌落等动态电能质量问题，还不为人们所熟知，甚至还未为人们所意识。 由于这些动态电压质量问题比完全供电中断发生的概率大的多，并且哪怕几个 周波的瞬时供电中断或电压跌落都将造成巨大的经济损失，因此动态电压质量 问题日益受到广泛的关注，是近些年伴随着信息技术的普及推广而暴露出来的 新的电能质量问题1 2 】。 过去针对各种扰动引起的电能质量问题的提法不一，i e e e 第2 2 标准 协调委员会( 电能质量) 和其它国际委员会推荐如下几种术语来描述主要 的电能质量干扰1 1 , 3 - 5 j 。 1 电压骤降( v o l t a g es a g s ) ：电压有效值降至额定值的1 0 9 0 ，持续时 间为0 5 个周期至1 分钟。电压跌落会使敏感负荷中断运行，造成生产上的损失。 2 短时供电中断( s h o r ti n t e r r u p t i o n ) ：在一相或多相线路中完全失去电压 ( 低于额定值的1 0 ) 一段时间；持续时间o 5 个周期至3 s 为瞬时中断；持续 时间3 s 至6 s 为暂时中断，持续时间大于6 0 s 为持续中断。 3 电压骤升( v o l t a g es w e l l s ) ：电压有效值升至额定值的1 1 0 以上，典型 值为额定值的1 1 0 1 8 0 ，持续时间为o 5 个周期至1 分钟。电压骤升是由大型 负载的切除、电容器组的投入和接地故障所弓l 起的。电压骤升的特征是其幅值 第1 章绪论 和持续时间。电压骤升会增加负载的发热，导致部件的过热或损坏，还会使电 动机和控制继电器等装置错误动作。 4 电压瞬变( v o l t a g et r a n s i e n t s ) ：指在一定时间间隔内两个稳态量之间的 变化。电压瞬变可以是任意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰 减振荡波。 5 过电压( o v e r v o l t a g e s ) ：电压为额定值的1 1 0 1 2 0 ，持续时间大于1 分钟。 6 欠电压( u n d e r v o l t a g e s ) ：电压为额定值的8 0 9 0 ，持续时间大于1 分钟。 7 谐波( h a r m o n i c s ) ：谐波是指频率为基波频率整数倍的正弦波电压或电 流，可以将畸变的波形表示为频率为基波频率整数倍的若干个正弦波的和。非 线性负载是供电电压或负载电流的谐波畸变的主要原因。谐波会使系统部件过 热并可能导致保护装置的错误动作。 8 问谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ：电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。 间谐波主要由静止变频器、周波变频器、感应电机和电弧设备产生，电力载波 信号也认为是一种间谐波。 9 电压缺e l ( v o l t a g ei n d e n t a t i o n ) ：持续时间小于0 5 个周期的周期性的电 压扰动。电压缺口主要是电力电子装置由一相换至另一相时参与换相的电路瞬 时短路造成的，与电压缺口有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量可能是 很困难的。 1 0 电压波动( 闪变) ( v o l t a g ef l i c k e r ) ：电压波动是指电压幅值在一定范围 内有规律地或随机地变化，电压幅值的变化通常为额定值的9 0 1 1 0 。这种 电压波动通常称为电压闪变。闪变一词是从电压波动引起电灯的闪动得来的。 导致闪变的最常见的原因是电弧炉。由于闪变会对人眼产生危害，因此应当对 此加以抑制。 1 1 电压不对称( v o l t a g eu n b a l a n c e ) ：电压不对称或不平衡是三相系统的单 相电压( 或线电压) 的幅值之间存在差别。电压的不对称对感应电动机的运行 影响很大，会导致电动机的效率下降，也可能导致电动机的故障。电压不对称 还会对电力电子装置的运行产生不利的影响。例如对于整流装置，会使其输入 东北电力大学硕十学位论文 电流中不仅存在整流器的特征谐波，而且还会出现3 次和9 次谐波。电压的不 对称会导致一相或两相的过电流，可能会造成可调速驱动装置过负荷保护动作。 同时，增大的电流还会导致开关器件的过热，缩短设备的使用寿命。 虽然各动态电压质量问题对系统造成的危害还在研究中，但是电压跌落和 瞬时供电中断已被认知是影响许多用电设备正常、安全运行最严重的电压质量 问题。电压跌落已成为影响许多设备、尤其是电子类设备正常工作的严重干扰， 而且不同类型、甚至同类型但不同品牌的用电设备对电压跌落的敏感度差异很 大，这表明电压跌落所造成的危害还与设备自身的特性以及用户的要求密切相 关，因此如何消除或抑制电压跌落的影响，需要供电方、设备制造方以及用户 的协力合作，共同解决。在信息社会里，电能质量问题、尤其是动态电压质量 问题显得越来越不可忽视。研究结果表明电子类用电设备、自动化程度高的设 备以及工序复杂的生产过程对电压跌落比较敏感，并且版本越新的电子产品对 供电质量越敏感。 1 2 电能质量问题及其发展 1 2 1 国内外研究现状 - 随着基于大功率电力电子开关设备的普及应用，相关的各种电能质量问题 已引起各国电力工作者的高度重视，提高电能质量的新技术己成为近年来电力 系统研究领域中新的研究热点。提高电能质量，应该是用户、电力部门、电气 设备制造商三方面共同的责任1 2 j 。解决电能质量问题有两种方案，一种是在供电 侧的解决方案，就是对供电侧的系统进行改造，安装必要的设备来抑制和消除 电力扰动；。一种是在用户侧的解决方案，用户侧解决方案就是用户根据自身的 需要，单独在用户进线处或内部线路处安装电能质量调节装置，以改善受电的 电能质量，这种方案不涉及电价的调整，完全由用户自行投资，比较适合我国 现阶段的供电情况1 6 1 。 国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮，在理论方面积极开展电能质量 指标的评价体系研究，同时在改善电能质量的装置方面也进行了大量的研究， 已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置，包括：有源电力滤波器和无 第t 章绪 论 源滤波器、电池贮能系统、配电用静态同步补偿器、配电用串联电容器、动态 电压恢复器、功率因数校正器、超导磁能贮存系统、静态电子分接开关、固态 转移开关、固态断路器、静止无功补偿器、晶闸管开关电容器、不间断电源等。 这些装置都是和电力电子技术相关的，一些装置已相当成熟，有些已经产品化。 另外，积极开展了用户电力技术的研究，用户电力技术是将电力电子技术、微 处理机技术、自动控制技术等高新技术运用于中、低压配电系统和用电系统中 的新型综合技术，以减小谐波畸变，消除电压波动和闪变、各相电压的不对称 和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量1 7 ，g j 。 我国在考虑本国情况的前提下，已经补充颁布了符合我国国情的电能质量 系列国家标准。现在已经由电能质量五项标准变为新的六项标准，新六项标准 主要有： 1 电能质量供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 9 0 ) 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 9 3 ) 4 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 9 5 ) 5 电能质量电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 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 ) 以上电能质量标准分别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求，这 些标准的发布无疑为提高我国的电能质量水平起到了促进作用1 4 ，5 1 。 目前，国内在电能质量控制方面也提出和开发了一些改善和提高电能质量 的补偿装置，包括各种有源电力滤波器、动态无功补偿装置、电能质量综合补 偿装置，以及动态电压恢复器等，但与国外的差距还是非常明显的。 1 2 2 改善电能质量问题的措施 目前已成功研制的用于改善用户电能质量的电力电子装置主要包括静态开 关设备和静态补偿器两大类。静态开关设备主要有固态断路器和固态转换开关。 静态补偿器根据其结构和功能不同，可分为静态并联补偿器和静态串联补偿器。 以下着重对两种静态补偿器作一简述f 。 1 静态并联补偿器 静态并联补偿器的结构如图1 1 所示，通过一配 东北电力大学硕 l 学位论文 电变压器以并联方式接入系统。其代表产品为配电用静止同步补偿器 ( d i s t r i b u t i o ns t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ：d s t a t c o m ) 。 o 岩 l i逆变器 l l i逆变器 l 隹掣 图i - 1静态并联补偿器结构图图l - 2 静态串联补偿器结构图 静态并联补偿器主要用于电流补偿，适用于电网电压波动相对较小，而负 载电流波动较大的场合。并联型补偿器的加入主要是为负载提供其所需的畸变 电流，从而消除负载畸变对电网的影响。 根据所采用的控制算法，并联补偿器可具有以下一种或几种功能； ( 1 ) 动态无功补偿：其工作原理是输出一个与系统电压同相位的电压，通 过控制其电流连续调节输出的无功功率。利用这一功能可进行负载功率因数的 控制。此外，还可用于电弧炉的无功补偿，抑制其产生的电压波动和闪变。 ( 2 ) 有源滤波：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 量两部分，通过注入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。 ( 3 ) 消除三相不平衡：通过补偿三相不对称负载所引起的负序电流，抑制 不对称负载对供电电流的影响。 此外，如与固态断路器和储能系统相结合，静态并联型补偿器还可在系统 侧发生故障时起电压支撑作用，以满足关键负载对电压的要求。 第l 章鲜 论 2 静态串联补偿器静态串联补偿器的结构如图1 2 所示，它采用与静态 并联补偿器相似的固态电路技术。两者的区别在于静态串联补偿器的输出是通 过一串联在馈线上的变压器以电压叠加的方式注入配电系统。 静态串联补偿器可具有以下功能： ( 1 ) 消除系统电压波动：静态串联补偿器通过向配电系统注入一个可连续 改变的电压分量，来抵消电源电压的波动成分，从而消除配电系统中经常发生 的电压上升或电压下跌等现象。 ( 2 ) 限制故障电流：当馈线发生短路故障时，静态串联补偿器可通过注入 滞后于故障电流相位9 0 。的电压分量以提高馈线的实际阻抗，达到限制故障电 流的目的。 ( 3 ) 减少电压谐波：静态串联补偿器可通过向网络注入与电压谐波各次分 量大小相等、方向相反的补偿电压，以消除配电系统中的电压谐波。 此外，当短时间内发生供电中断时，静态串联补偿器可从逆变器直流侧的 储能系统中获得能量，并向负荷提供部分电力。与静态并联型补偿器不同，这 时的静态串联补偿器并不要利用固态断路器切断其与系统的联系。由于静态串 联补偿器只要补偿系统电压的缺额成分，它在效率上要高于静态并联补偿器。 3 新型用户电力控制器统一电能质量补偿器综合上述两种补偿器 结构，可构成一种新型用户电力控制器统一电能质量补偿器u p q c ( u n i f i e d p o w e rq u a l i t yc o m p e n s a t i o n ) ，如图1 3 所示。 图l - 3 统一电能质量补偿器结构图 东北电力大学硕士学位论文 u p q c 的主电路由一串联逆变器和一并联逆变器组成，两者通过一电容耦 合。并联逆变器采用p w m 电流控制技术，进行非线性负载的谐波电流及无功补 偿，并起调节电容直流电压的作用。串联逆变器采用p w m 电压控制技术，通过 控制其输出电压达到抑制电压谐波、减小电源电压波动对敏感负载的影响【9 1 l j 。 由于u p q c 兼有串、并联补偿器的结构特征，可同时改善网络电流和电压 波形，解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题，是值得推广的一种装置i l z 】。 1 2 3 电能质量的分析与控制方法 对电能质量的要求在不断提高的过程中，电能质量分析方法也在不断的发 展，近年来，基于数字技术的各种分析方法己在以下的电能质量领域中得到广 泛应用： 1 分析谐波在网络中的传播； 2 分析各种扰动源引起的波形畸变； 3 开发各种电能质量控制装置，分析它们在解决电能质量问题方面的作 用。 按所采用的不同分析方法，这种技术主要可分为时域、频域和变换域3 种。 在3 种方法中，时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其最主 要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研 究。目前较通用的时域仿真程序主要有e m t p 、e m t d c 、n e t o m a c 等系统暂态仿真 程序和s p i c e 、p s p i c e 、s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。由于电力系统主要 由r 、l 、c 等元件组成，这些程序在求解用微分方程插述的电力元件方程时， 通常采用简单易行的变阶、变步长、隐式梯形积分法。利用隐式可保证求解过 程中的数值稳定，采用变阶、变步长技术可缩短迭代计算的时间。因此，利用 上列暂态仿真程序可在如下电能质量领域开展研究： 1 计算系统中出现的过电压，分析其对各种保护设备的影响； 2 分析电容器投切造成的暂态现象： 3 分析可控换流器换流造成的电压波形下陷； 4 分析电弧炉造成的电压闪变； 5 开发改善电能质量的新型电力电子控制器。 第1 章绪论 频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率扫描、常规 谐波潮流计算和能反映非线性负载动态特性的混合谐波潮流计算法等。 基于变换的方法主要指f o u r i e r 变换方法、短时f o u r i e r 变换方法以及近年来 出现的小波变换方法。作为经典的信号分析方法f o u r i e r 变换具有正交、完备等 许多优点，两且有象f f t 这样的快速算法，因此，已在电能质量分析领域中得 到广泛应用。但在运用f f t 时，当采样频率或信号不能满足采样定理和稳态周 期波形的要求时，会产生“旁瓣”和“频谱泄漏”现象，给分析带来误差。此 外，由于f f t 变换是对整个时间段的积分，时间信息得不到充分利用；信号的 任何突变，其频谱将散布于整个频带。为解决上述问题，提出了短时f o u r i e r 变 换方法，即将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合，将f o u r i e r 变换用 于不平稳信号的分析。由于实际多尺度过程的分析要求时频窗口具有自适应性， 即高频时频窗大、时窗小，低频对频窗小、时窗大，而s t f t 的时频窗口则固 定不变。因此，它只适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度 过程和突变过程。小波变换由于具有时频局部化的特点，克服了以上f f t 和 s t f t 的缺点，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。小波变换作为一种新 的数字技术被引入工程界后，已在图象处理、数据压缩和信号分析等领域得到 广泛应用。 控制策略是装置的灵魂，合适的控制策略不仅影响到装置目标的实现，而 且对装置的暂态和稳态性能具有决定性的影响。一般来讲，装置的控制基本上 分如下几个环节：首先，利用测量互感器( p t ，c t ) 、霍尔传感器、隔离放大器 等，进行基本的电压和电流信号检测；然后，根据装置的结构和所选的控制策 略来获取电流或电压的补偿信号；最后，根据该信号利用适当的变流器开关控 制技术来产生变流器开关的驱动信号。上述控制可以利用先进的微电子设备， 如单片机或d s p 等来实现【1 3 】。 东北电力大学硕十学位论文 1 3 本论文的主要工作 如前所述，电能质量己是一个不可回避的问题，而且随着现代科学技术的 发展，许多敏感负荷对用户电能质量的要求越来越高。国外的许多研究机构对 此已进行了大量的研究和实验工作，并已推出了多种形式的改善用户电能质量 的装置。目前，随着我国电力工业和国民经济的发展，对电能质量问题的认识 也在不断提高，但对于改善电能质量的装置的研制工作尚未系统地开展。而且， 现有的装置大都是局限于改善电能质量的某些指标，对于能够较全面地改善用 户电能质量的装置，仍存在较大的研究空间。 本文所研究的综合电能质量调节系统采用的是并联处理的结构形式，电流 型的变流器来进行a c - - d c 转换，这样既可减少装置的成本，又可使系统的结 构及其控制得以简化。 本文主要工作包括如下几个方面： 1 确立系统的主电路结构，分析系统工作原理和主要参数的设计方案，并 针对系统的运行特征选取适当的变流器的p w m 控制策略； 2 确定系统的功率补偿方案，建立系统的数学模型，针对电源电压跌落等 电能质量问题，研究有效的系统控制策略； 3 编写计算机仿真程序，对所提出的系统运彳亍目标和控制策略进行仿真验 证。， 第2 章并联型综台屯能质量调节器的设计 第2 章并联型综合电能质量调节器的设计 电能质量是供电部门和用户必须面对和解决的问题，目前，虽然已经有许 多改善电能质量的装置，但是大多数装置都是侧重于改善电能质量标准中的某 些指标，很难仅靠一套装置来全面改善调节电能质量问题。本文研究了一种综 合电能质量调节装置，利用一套装置来改善前述的多种电能质量指标。本章将 首先根据系统的功能与要求，确定主电路的结构形式和运行原理；然后，分析 影响系统运行性能的因素，依此进行系统参数设计和性能评估；其次，还讨论 了系统的变流器功率调节策略；最后，交流器的a c - d c 变换也是系统运行中的 一个关键环节，所以本章还将讨论p w m 策略的选择及其谐波情况。 2 1 主电路结构 常见的电能质量问题包括电源电压骤降、电源电压不对称、电压闪变等， 根据系统对电能质量指标的要求，本系统在功能设计上应该为用户提供良好的 供电质量，消除或最大限度地削弱这些问题对用户的影响。目前常见的电能质 量调节装置的功能比较单一，如动态电压恢复器、有源滤波和无功补偿装置等， 能够较全面地实现用户电能质量调节的装置是综合电能质量调节器( u p q c ) ， 其结构如图2 1 所示，由于这种装置采用的是串联型和并联型变流器的综合结 构，因而成本较高，控制上也较为复杂，其应用受到了很大的限制1 1 2 , 1 4 。而本装 置仅采用单一的并联型结构，来实现与u p q c 相类似的电能质量的综合调节功 能，其拓扑结构简图如图2 - 2 所示。 图2 - 1u p q c 结构示意图 图2 - 2本文所研究的系统结构示意图 东北电力大学硕十学位论文 本系统的主电路结构如图2 3 所示。 a 电 两 图2 - 3 系统的主电路结构图 由于本系统基于并联型结构，所以完全可以实现u p q c 中并联变流器对应的 功能，如无功补偿、有源滤波和为直流储能元件充电。而本系统与u p q c 有显著 区别，在u p q c 中，电源和负载之间是通过与串联变流器所连接的变压器绕组相 连的，这样可以通过控制该绕组上的电压来直接控制负载电压。而在本装置中， 电源和负载之间是通过三相连接电感相连的，在电源电压确定以后，负载电压 则是由电源供电电流在该电感上的压降来决定，因此可以通过控制并联型变流 器的注入电流来改变电源的供电电流，进而改变连接电感上的压降来实现负载 电压的调节，这相当于连接电感间接地起到了u p q c 中串联变流器的作用。而由 于本装置仅采用一套变流器，所以在结构上要比u p q c 简单，但由于负载电压调 节的实现方式不同，因此在控制策略上存在很大程度的差别。同时将对该主电 路的主要参数选择进行详细的分析。 第2 章并联型综合电能质量调节器的设计 2 2 主电路参数的选取 按照上述的主电路设计，本系统中有两个重要的参数，分别是连接电抗器 的电感厶和滤波电容器的电容c 2 2 。1 连接电感参数 在系统的工作原理中，连接电感是区别于其他调节装置的一个重要特征， 起着非常关键的作用，该电感值的选取基于以下考虑： 1 。该电感值不能过大： 根据系统的基本工作原理，当电源电压正常时，负载所需的有功功率全部 由电源来提供，系统稳定运行时电源提供的有功功率可由式( 2 1 ) 计算： 只：3 掣s i n 万( 2 - 1 ) 式中，以和u t 分别为供电电源和负载的相电压的有效值，五= 国丘为连接电感的 工频电抗，6 为电源电压和负载电压之间的相位差。 此时，电源的功率因数是由6 来决定的，e o s o , = e o s ( d 2 ) ，系统的三相对 称正弦稳态可用图2 - 4 所示的单相等值电路表示，其中变流器用一个电流源来表 示，图2 5 为所对应的相量图所示。 图2 4 系统的单相等值电路 图2 - 5 连接电感的相量图 显然，在一定的负载下，弱越大，6 越大，功率因数越低，因此连接电抗不 宜选择过大。 东北电力大学硕 学位论文 2 连接电感值不能过小： 负载电压的调节是通过连接电感上的压降来实现的，如果连接电感的取值 选择过小，则电压调节能力就会随之下降。在负载一定的条件下，若使连接电 感上的压降产生一定的变化，需要在较大程度上改变电源电流的值。此时，公 共连接点处的节点电流关系为：j 。+ = l + 五，由于系统的运行要求维持负载 电压的值不变，因而滤波电容电流和负载电流的值都是确定的，电源电流的增 加会导致所需的变流器输出电流的增加，而变流器所能提供的最大电流是由 s m e s 线圈中的直流电流值决定的，这样，如果连接电感值过小，就要相应增大 s m e s 线圈的直流电流设定值；在s m e s 线圈中的直流电流一定的情况下，选择 较小的厶，会降低装置对负载电压的调节能力。同时，变流器输出电流的增加 还会使负载电压的谐波含量有所增大。 根据式( 2 - i ) ，连接电感的选择还取决于系统的容量，在电压一定的前提下， 所选择的电感应该随额定功率的增大而减小。本系统拟设计为额定线电压为 3 8 0 v ，额定容量为1 1 0 k v a ，额定功率因数为0 9 5 ，综合上述考虑，利用式( 2 1 ) ， 可计算得到连接电感为厶a 2 8 m h 。 2 2 2 变流器滤波电容参数 在该系统的主电路中，变流器的交流输出端可仅采用电容器进行滤波，该 电容器具有两重作用。一是在系统运行中对变流器的p w m 输出电流进行滤波， 二是在系统控制中确定负载电压的大小。因此，该电容的大小会影响到负载电 压的谐波畸变率和系统的控制参数的选取1 1 5 - 1 5 1 。 从滤波的角度上讲，希望该滤波支路的高次谐波阻抗尽可能小，因此在理 论上选择较大的电容可以得到较好的滤波效果。而且由于在运行中连接电感吸 收一定的感性无功，而负载通常也是呈感性的，这样为维持负载端的电压，通 常需要注入适当的容性无功，因此滤波电容值较大可减小对变流器的无功功率 需求。但如果在设计上电容值选择过大，可能会存在实现上的困难，同时要考 虑整体结构的合理性，因此，在满足负载电压的总谐波畸变率( t h d ) 的前提 下，该电容值不宜选择过大。 经过仿真研究，将滤波电容器的电容值确定为：g - = 5 0 0 r t f 。 第2 章并联型综合电能质量调节器的设计 2 3 功率调节策略 本系统最基本的也是最重要的调节目标是当电源电压跌落时，维持负载电 压的稳定，本文基于这一目标来设计系统的功率调节策略。根据统计资料【1 4 。18 】， 电源电压发生深度跌落的几率是相对较小的，经常发生的是幅度较小的电压降 落。 首先，假定电源电压为对称的三相基频正弦电压，负载为三相对称的线性 负载。当电源电压正常时，由电源提供负载所需的全部有功功率和一部分的无 功功率，而变流器仅需提供无功功率，来维持系统的功率平衡。这样，如果不 考虑变流器的开关损耗和连接线路的损耗，可以保持s m e $ 线圈中储存的能量 不变【1 9 】。这一状态可以用图2 - 6 所示的相量图来表示( 图中各物理量与图2 4 中 所示的电路图相对应) 。 移1 。 一 吒 图2 - 6 电源电压正常时的系统相量图 当电源电压发生跌落时，认为电源仍具有提供负载所需的有功功率的能力， 可以设法改变电源电流使电源仍提供负载所需的全部有功功率口0 】。但此时电源 输出的无功功率也会随之发生变化，同时连接电感所对应的无功功率也会随电 源电流变化，而由于要维持负载电压的大小不变，负载所需的无功功率和滤波 电容上的无功功率是不变的，因此需通过调节变流器的注入电流，进而调节其 输入的无功功率，来达到新的功率平衡。新的平衡状态可以利用图2 7 所示的相 量图来说明，图中用“”来标注调节后的物理量。由于调节前后的稳定状态中， 负载电压的值不变，因此根据式( 2 1 ) ，有： 东北电力大学硕十学位论文 u l s i n 8 = ujs i n 8 、 参、歹 诋。疋 k 么 见置 以s i 心1p j l u i 7 j 国2 7 功率调节策略的相量图 ( 2 - 2 ) 从上面的分析可以看出，在电源电压发生幅度不大的跌落时，采用该功率 调节策略进行补偿，可以通过调节变流器的无功功率即可在电源电压发生跌落 时将负载电压维持为额定值，不会造成负载电压相位的显著变化，所需的交流 器输出电流也不是很大，重要的是不会改变s m e s 线圈的储能，可以补偿长时 间的或频繁出现的电压跌落。 2 4 变流器p w m 控制策略 目前，在电力电子装置中，存在着多种d c a c 技术，如p w m 、b a n g b a n g 控制、滞环控制等，每种控制策略都有其各自的特点和适用对象1 2 1 2 5 1 。其中， 最常用的是脉宽调制技术( p w m ) ，p w m 技术本身又有多种更详细的分类。本 系统的一个重要环节是变流器的d c a c 转换，采用的是目前广泛应用的、简单 易行的两电平的p w m 控制策略。两电平p w m 也具有许多种实现方式，最普遍 的实现方式是利用三角形载波和调制波的比较来生成输出的脉冲系列，这种方 式的控制精度较差，响应速度较慢 2 a - 2 9 。本系统采用了电流矢量控制策略，简 介如下： 电流矢量控制也称为直接电流p w m 。其工作原理是保证在一个控制周期内 第2 章并联型综含电能质量调节器的设计 变流装置输出脉冲的面积同参考波形对应的面积相等，也称等面积法。图2 8 显 示了在正弦参考波形下，控制周期为o 0 0 2 秒的直接p w m 脉冲波形，图中用虚 线画出了1 0 个控制周期，在每个控制周期内，正弦波的面积与p w m 脉冲的面 积相等。 对于非正弦的参考波形，同样可以用等面积法计算每个控制周期下p w m 脉 冲的宽度，而且控制周期越短，p w m 脉冲经过滤波以后就越接近参考波形，但 同时器件的开关频率也就越高。所以，参考波形的频带要受器件开关频率的限 制。 伽 ；： ； f l l 町 ； ： ： ：! ： ； ； ii ； i ： 图2 - 8 等面积法的原理示意图 电流型变流器的模型如图2 - 9 所示。 图2 - 9电流型变流器模型 东北电力大学硕士学位论文 定义开关矢量( v l ，v 2 ，v 3 ) ，如表2 - 1 所示。 表2 - 1开关矢厦的定义 s ls 2s 3s 4s js 6( v l v 2 ，v ，) ccoooo ( 1 ，0 ，- 1 ) occ o oo( 0 。t 。- 1 ) ooc c oo( - 1 ，1 ，0 ) ooocco( - i ，0 。1 ) oooocc ( 0 ，一1 ，1 ) cooooc ( 1 。- 1 ，0 ) coocoo( 0 ，0 ，0 ) ocooco ( 0 ，0 ，0 ) oocooc( 0 ，o ，o ) 表中，”c4 表示闭合，。o ”表示打开。s 1 s 6 代表三相桥臂上的开关， 如图2 9 所示。 运用直接电流p w m 策略的实现d c a c 转换的过程如下： 1 根据控制目标确定三相电流的参考值+ 、t 。 2 选择三个参考值中绝对值最大的一个，并加以一定的限幅措施保证它不 大于直流电流i d ，然后根据表2 - 2 选择两个固定的非零矢量和一个零矢量 3 计算三个开关矢量作用的时间。以表2 2 的第一行为例，设控制周期为 t ，矢量( 1 ，一1 ，o ) 的作用时间为t b ，矢量( 1 ，0 ，一1 ) 的作用时间为t c ，零 矢量的作用时间为t o 。 每个控制周期中，三个开关矢量的作用时间的按式( 2 3 ) 计算 瓦= m ，l t 疋= 厶t r o = t 一瓦一 ( 2 3 ) 表2 - 2 开关矢量选择表 绝对值最大的参考值符号对应的两个固定的非零矢量零矢量 + ( 1 ，1 。0 ) ，( 1 ，0 ，1 )a 相上下 0 ( 1 ，1 ，0 ) ，( 1 ，0 ，1 )桥臂短接 + ( 1 ，l ，0 ) ，( 0 ，1 ，1 )b 相上下 b ( 1 ，1 ，0 ) ，( 0 ，1 ，1 )桥臂短接 + ( 1 ，0 ，1 ) ，( o ，一1 ，1 )c 相上下 l f ( 1 ，0 ，1 ) ，( 0 ， l ， 1 )桥臂短接 电流矢量控制策略以瞬时电流为控制目标，控制间隔t 越小，变流器的输 出电流越接近设定的电流波形，但由于受器件开关损耗的限制，控制间隔t 不 能无限小，需要根据实际的设定电流的频带和预期的效果而定。由于该方法不 要求电流三相对称，有利于直接补偿负载电流中的谐波和不对称分量。 采用上述的电流矢量p w m 控制策略时，变流器输出电流中最大的一相电流 的幅值的极限为直流侧电流的瞬时值。与优化p w m 等其它形式的调制策略不 同，电流矢量控制策略中没有显式的瞬时电流表达式，因此很难利用数学工具 对其进行谐波分析。可以采用仿真的手段，通过列举的方法来观察输出电流中 的谐波情况。 2 5 本章小结 本章研究了一种综合电能调节系统的主电路结构，该系统的特点是仅采用 一套双向的变流器，即可实现多种电能质量指标的调节。分析了主电路参数的 设计依据，并依此提出了主电路参数的设计方案，选取了合适的参数。 根据主电路结构特征，确立了实现系统补偿功能的功率调节策略，分析了 系统工作时电源和变流器的功率分配方案，通过调节变流器输出的无功功率来 实现负载电压的稳定控制。在这种方式下，系统具有长时间补偿的能力，提高 了系统的性能。 根据本系统的运行目的和控制要求，选用直接电流p w m 来实施变流器的 a c d c 转换，介绍了直接p w m 的工作原理和实现方式，以及变流器交流输出 侧的电流谐波情况。 第3 章负载电压的补偿拧制 第3 章负载电压的补偿控制 按照上章设计的系统结构以及系统的功率调节策略，本系统的目的是利用 较少的系统部件实现尽可能多的电能质量调节功能，如电源电压跌落的补偿、 电压闪变抑制、非线性负载时的滤波等【3 0 】。因此，