（电力系统及其自动化专业论文）级联多电平动态电压调节器（dvr）系统设计与仿真研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 论文提出并研究了基于级联多电平结构的2 mv a / 6 k v动态电压调节器 ( d v r ) 的系统设计方案，系统地阐述了各个组成部分的工作原理，针对某企业电压暂降问 题的解决方案完成了装置的主电路和控制电路的设计工作。论文对电压暂降检测、 能量提取模式、滤波器设计及谐波分析、逆变器损耗计算及效率和保护控制方案进 行了原理分析和仿真研究。 其中，论文提出了一种全新的适用于级联型主电路结构的能量提取模式一一在 线轮换充电模式。这种模式只需在线吸收 3 %的网侧电压便可实现补偿 5 0 %的电压 暂降所需储能元件的充电任务。其突出特点为级联模块在线依次充电，省略了大容 量充电设备，简化了系统，提高了整体效率，对负荷电压也没有显著彩响。沦文从 于m a t l a b和e mt d c / p s c a d仿真软件对上述内容进行大量仿真研究，论证了设 计方案的可行性。 关键词: 动态电压调节器，电能质量，级联多电平，储能， 在线轮换充电 ab s t ract d y n a m i c v o l t a g e r e s t o r e r ( d v r ) b a s e d o n 2 mv a / 6 k v i s p r o p o s e d i n t h e p r e s e n t p a p e r , w h ic h i s s u i t a b l e t o p r o t e c t t h e s e n s i t i v e l o a d f r o m v o l t a g e s a g . c a s c a d e d m u l t i l e v e l c o n s t r u c t i o n i s a d o p t e d b y c o m p a r i n g s e v e r a l t o p o l o g i e s . p r i n c i p l e a n a l y s e s a n d s i m u l a t i o n s o n s a g d e t e c t i o n ; p o w e r s t o r a g e ; i n v e rt e r d e s i g n i n g a n d h a r m o n i c a n a l y s i s ; l o s s a c c o u n t a n d f i l t e r d e s i g n a n d p r o t e c t i o n s c h e m e h a v e b e e n a c c o m p l i s h e d i n t h i s p a p e r . i m p o r t a n t l y , t h e p a p e r b r i n g s f o r w a r d a n e w m e t h o d 一 o n - l i n e a l t e r n a t e c h a r g i n g , w h i c h i s s u i t a b l e t o t h e c a s c a d e d m u l t i l e v e l d v r . t h e ma i n a d v a n t a g e s o f t h e n e w m e t h o d a r e c h a r g i n g i n t u r n a n d d i s c h a r g i n g s i m u l t a n e o u s , a s a r e s u l t , t h e c o u r s e o f c h a r g i n g c a n n o t i n fl u e n c e t h e l o a d v o l t a g e . t h e s i mu l a t i o n s b a s e d o n t h e s o f t o f ma t l a b a n d e mt d c / p s c a d i l l u s t r a t e t h e f e a s i b i l i t y o f t h e n e w m e t h o d . z h a n g w e i h u a ( r e l a y i n g p r o t e c t i o n ) d i r e c t e d b y p r o f . l i u j i a n f e i v i c e - p r o f . y i n z h o n g d o n g k e y wo r d s : d y n a m i c v o l t a g e r e g u l a t o r ( d v r ) , p o w e r q u a l i t y , c a s c a d e d mu l t i l e v e l , p o w e r s t o r a g e , o n - l i n e a l t e r n a t e c h a r g i n g 二七.0口 开 刀明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文 级联多电平动态电压调节器 ( d v r) 系统设 计与仿真研究 ，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， 除文中已 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， 均已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。 ( 涉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: 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 .1 电能质量问题综述 随着经济的飞速增长，我国的电力工业也蓬勃发展，现代生产和生活都离不开 电力，因此，电能质量己经成为电力企业和用户共同关心的问题。在当代电力系统 中，了解和认识电能质量，高度重视电能质量下降对系统运行的危害及影响，实现 全面电能质量管理，具有非常重要的社会意义和经济意义。 对电能质量 ( p o w e r q u a l i t y ) 的 概念， 供电 部门 和用电 部门 存在着不同的理解。 供电部门定义电能质量是供电可靠性，而电力用户则可能把电能质量简单定义为是 否向设备提供了电力。 我们知道， 电能质量问题终究是电力用户的生产需求驱动的， 所以用户的衡量标准应占优先的位置。 因 此，电能质量可以 定义为 l l :导致用电 设备故障或不能正常工作的电压、电 流或频率的偏差， 其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、 三相不平衡、 暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。 传统电能质量的主要内容包括: (i) 电压偏差:供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电 压 ( 额定电压)之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差 1 1 。我国的 国家标准 g b 1 2 3 2 5 - 1 9 9 0 ( 电能质量 供电电压允许偏差对电压偏差做出了详尽 规定。 ( 2 )频率偏差: 交流电力系统的标称频率分为5 0 h z 和6 0 h z 两种， 我国采用 5 0 h z 标称频率。电力系统在正常运行条件下系统频率的实际值与标称值之差为系统的 频率偏差 1 。我国国家标准g b / t 1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 电能质量 电力系统频率允许偏差 规定:电力系统正常频率偏差允许值为士 0 .2 h z ( 3 ) 波形畸变:电力系统交流电的波形为正弦波，三相系统应为对称的正弦波。 波形畸变可以用谐波来描述。国际上公认的谐波定义为: “ 谐波是一个周期电气量 的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 ” 传统电能质量问题都是基于系统稳态而言的，而随着电力市场化的逐步推进以 及工业 自动化、国民经济信息化的发展，暂态电能质量问题成为当前国内外研究的 热点之一。根据i e e e 第2 2 标准协调委员会 ( 电能质量)推荐2 1 ，暂态电能质量问 题主要包括以下几种: ( 1 ) 电压暂降 ( v o l t a g e s a g ) 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 .1 电能质量问题综述 随着经济的飞速增长，我国的电力工业也蓬勃发展，现代生产和生活都离不开 电力，因此，电能质量己经成为电力企业和用户共同关心的问题。在当代电力系统 中，了解和认识电能质量，高度重视电能质量下降对系统运行的危害及影响，实现 全面电能质量管理，具有非常重要的社会意义和经济意义。 对电能质量 ( p o w e r q u a l i t y ) 的 概念， 供电 部门 和用电 部门 存在着不同的理解。 供电部门定义电能质量是供电可靠性，而电力用户则可能把电能质量简单定义为是 否向设备提供了电力。 我们知道， 电能质量问题终究是电力用户的生产需求驱动的， 所以用户的衡量标准应占优先的位置。 因 此，电能质量可以 定义为 l l :导致用电 设备故障或不能正常工作的电压、电 流或频率的偏差， 其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、 三相不平衡、 暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。 传统电能质量的主要内容包括: (i) 电压偏差:供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电 压 ( 额定电压)之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差 1 1 。我国的 国家标准 g b 1 2 3 2 5 - 1 9 9 0 ( 电能质量 供电电压允许偏差对电压偏差做出了详尽 规定。 ( 2 )频率偏差: 交流电力系统的标称频率分为5 0 h z 和6 0 h z 两种， 我国采用 5 0 h z 标称频率。电力系统在正常运行条件下系统频率的实际值与标称值之差为系统的 频率偏差 1 。我国国家标准g b / t 1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 电能质量 电力系统频率允许偏差 规定:电力系统正常频率偏差允许值为士 0 .2 h z ( 3 ) 波形畸变:电力系统交流电的波形为正弦波，三相系统应为对称的正弦波。 波形畸变可以用谐波来描述。国际上公认的谐波定义为: “ 谐波是一个周期电气量 的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 ” 传统电能质量问题都是基于系统稳态而言的，而随着电力市场化的逐步推进以 及工业 自动化、国民经济信息化的发展，暂态电能质量问题成为当前国内外研究的 热点之一。根据i e e e 第2 2 标准协调委员会 ( 电能质量)推荐2 1 ，暂态电能质量问 题主要包括以下几种: ( 1 ) 电压暂降 ( v o l t a g e s a g ) 华北电力大学硕士学位论文 这是本文的主要研究内容，下文将有详细介绍。 ( 2 ) 电压骤升 ( v o l t a g e s w e l l ) 在系统频率下，持续时间在 l o m s 至 l m i n 之间的电压有效值的短时 1 -. j 卜 a p i i 值超过额定值的1 0 %. ( 3 )电 压波动( v o l t a g e f l u c t u a t i o n s ) 电压波动是指幅值通常不超过0 . 9 - 0 . 1 倍额定值的电压有规则波动， 这种电压变 化常称作闪变 ( f l i c k e r ) . ( 4 )瞬时断电 ( i n t e r r u p t i o n s ) 瞬时断电是指一相或多相导线在某一段时间内彻底失电 ( 或低于 0 . 1倍的额定 值) ，其持续时间在 l o m s 至 3 s 之间。 ( 5 )瞬时脉冲或突变( t r a n s i e n t s ) 瞬时脉冲表现在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变 化，它可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼震荡的第一 个尖峰。 下面，本文将对电压暂降问题进行具体分析。 1 .2 1 . 2. 1 电压暂降 电压暂降的概念及原因 电压暂降是指供电电压均方根值在短时间内突然下降的事件。在电网中这种现 象的持续时间大多为0 . 5 -1 . 5 s 。国际电气与电子工程师协会 ( i e e e ) 将电压暂降定 义为供电电压有效值快速下降到额定值的9 0 %一1 0 %，然后回升至正常值附近; 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 %-1 yo，持续时间为 l o m s -1 m in 。电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三 个特征量。 引起电压暂降的原因很多，如输配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷 击、开关操作、变压器以及电容器组的投切等。其中主要原因是雷击、短路故障和 大 型 异 步 电 动 机 启 动 111 雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电使保护装置工作，是造成系统电压暂降 或供电中断的主要原因之一。由于电力系统暴露在大自 然中，在雷雨季节的多雷地 区，极易受到雷击干扰。据文献资料介绍，因雷击而引起的电压暂降次数部分地区 约占总次数的6 0 % p ，并且持续时间一般超过 l o o m s ，所以在方圆几千平方公里内的 华北电力大学硕士学位论文 这是本文的主要研究内容，下文将有详细介绍。 ( 2 ) 电压骤升 ( v o l t a g e s w e l l ) 在系统频率下，持续时间在 l o m s 至 l m i n 之间的电压有效值的短时 1 -. j 卜 a p i i 值超过额定值的1 0 %. ( 3 )电 压波动( v o l t a g e f l u c t u a t i o n s ) 电压波动是指幅值通常不超过0 . 9 - 0 . 1 倍额定值的电压有规则波动， 这种电压变 化常称作闪变 ( f l i c k e r ) . ( 4 )瞬时断电 ( i n t e r r u p t i o n s ) 瞬时断电是指一相或多相导线在某一段时间内彻底失电 ( 或低于 0 . 1倍的额定 值) ，其持续时间在 l o m s 至 3 s 之间。 ( 5 )瞬时脉冲或突变( t r a n s i e n t s ) 瞬时脉冲表现在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变 化，它可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼震荡的第一 个尖峰。 下面，本文将对电压暂降问题进行具体分析。 1 .2 1 . 2. 1 电压暂降 电压暂降的概念及原因 电压暂降是指供电电压均方根值在短时间内突然下降的事件。在电网中这种现 象的持续时间大多为0 . 5 -1 . 5 s 。国际电气与电子工程师协会 ( i e e e ) 将电压暂降定 义为供电电压有效值快速下降到额定值的9 0 %一1 0 %，然后回升至正常值附近; 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 %-1 yo，持续时间为 l o m s -1 m in 。电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三 个特征量。 引起电压暂降的原因很多，如输配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷 击、开关操作、变压器以及电容器组的投切等。其中主要原因是雷击、短路故障和 大 型 异 步 电 动 机 启 动 111 雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电使保护装置工作，是造成系统电压暂降 或供电中断的主要原因之一。由于电力系统暴露在大自 然中，在雷雨季节的多雷地 区，极易受到雷击干扰。据文献资料介绍，因雷击而引起的电压暂降次数部分地区 约占总次数的6 0 % p ，并且持续时间一般超过 l o o m s ，所以在方圆几千平方公里内的 华北电力大学硕士学位论文 这是本文的主要研究内容，下文将有详细介绍。 ( 2 ) 电压骤升 ( v o l t a g e s w e l l ) 在系统频率下，持续时间在 l o m s 至 l m i n 之间的电压有效值的短时 1 -. j 卜 a p i i 值超过额定值的1 0 %. ( 3 )电 压波动( v o l t a g e f l u c t u a t i o n s ) 电压波动是指幅值通常不超过0 . 9 - 0 . 1 倍额定值的电压有规则波动， 这种电压变 化常称作闪变 ( f l i c k e r ) . ( 4 )瞬时断电 ( i n t e r r u p t i o n s ) 瞬时断电是指一相或多相导线在某一段时间内彻底失电 ( 或低于 0 . 1倍的额定 值) ，其持续时间在 l o m s 至 3 s 之间。 ( 5 )瞬时脉冲或突变( t r a n s i e n t s ) 瞬时脉冲表现在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变 化，它可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼震荡的第一 个尖峰。 下面，本文将对电压暂降问题进行具体分析。 1 .2 1 . 2. 1 电压暂降 电压暂降的概念及原因 电压暂降是指供电电压均方根值在短时间内突然下降的事件。在电网中这种现 象的持续时间大多为0 . 5 -1 . 5 s 。国际电气与电子工程师协会 ( i e e e ) 将电压暂降定 义为供电电压有效值快速下降到额定值的9 0 %一1 0 %，然后回升至正常值附近; 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 %-1 yo，持续时间为 l o m s -1 m in 。电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三 个特征量。 引起电压暂降的原因很多，如输配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷 击、开关操作、变压器以及电容器组的投切等。其中主要原因是雷击、短路故障和 大 型 异 步 电 动 机 启 动 111 雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电使保护装置工作，是造成系统电压暂降 或供电中断的主要原因之一。由于电力系统暴露在大自 然中，在雷雨季节的多雷地 区，极易受到雷击干扰。据文献资料介绍，因雷击而引起的电压暂降次数部分地区 约占总次数的6 0 % p ，并且持续时间一般超过 l o o m s ，所以在方圆几千平方公里内的 华北电 力大学硕士学位论文 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之一3 。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线路中相当大部分区域上的故障不 能无延时地予以切除。此外即使无延时保护，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， 将会因电压暂降而被跳闸退出工作。 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ih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。 随着数字式自 动控制技术在工业生产中的大规模应用，如变频调速设备、可编 程逻辑控制器、各种自动生产线以及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用，对 供电系统的电压质量提出了更高的要求，电压暂降问题引起了各有关部门和研究人 员的广泛关注。专家们认为，电压暂降己上升为最重要的电能质量问题，已成为信 息社会对供电质量提出的新挑战。 1 . 2 . 2 电 压暂降的危害 在许多发达国家，电压暂降与中断已成为影响大工业商户的最主要的电能质量 问题。 而电压暂降的次数远比电压中断发生的次数多， 由于暂降发生次数较为频繁， 所以从总体上看，暂降带来的损失是巨大的。据介绍，由于一次电压暂降而使某生 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， 某计算机中心2 s 的供电中断引起了约 6 0 0 0 0 0 美元的损失。 由此可 见，电压暂降将会给企业带来巨大的经济损失。 图 1 . 1 是电压暂降以及供电中断给用电设备带来的影响，可以看出电压暂降对 于电力系统的用电设备的影响巨大。 欠压继电器 个人电脑 眼秒 mf n - (、)理目囚习 图1 . 1 电压暂降以 及供电中断给用电 设备带来的影响 华北电 力大学硕士学位论文 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之一3 。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线路中相当大部分区域上的故障不 能无延时地予以切除。此外即使无延时保护，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， 将会因电压暂降而被跳闸退出工作。 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ih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。 随着数字式自 动控制技术在工业生产中的大规模应用，如变频调速设备、可编 程逻辑控制器、各种自动生产线以及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用，对 供电系统的电压质量提出了更高的要求，电压暂降问题引起了各有关部门和研究人 员的广泛关注。专家们认为，电压暂降己上升为最重要的电能质量问题，已成为信 息社会对供电质量提出的新挑战。 1 . 2 . 2 电 压暂降的危害 在许多发达国家，电压暂降与中断已成为影响大工业商户的最主要的电能质量 问题。 而电压暂降的次数远比电压中断发生的次数多， 由于暂降发生次数较为频繁， 所以从总体上看，暂降带来的损失是巨大的。据介绍，由于一次电压暂降而使某生 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， 某计算机中心2 s 的供电中断引起了约 6 0 0 0 0 0 美元的损失。 由此可 见，电压暂降将会给企业带来巨大的经济损失。 图 1 . 1 是电压暂降以及供电中断给用电设备带来的影响，可以看出电压暂降对 于电力系统的用电设备的影响巨大。 欠压继电器 个人电脑 眼秒 mf n - (、)理目囚习 图1 . 1 电压暂降以 及供电中断给用电 设备带来的影响 华北电力大学硕士学位论文 文献 3 指出， 在对中科院北京半导体研究所、中国有色金属研究总院 ( 半导体 上市公司) 、 瑞萨四通集成电路有限公司、山 特维克 ( s a n d wi k ) 刀锯公司、中国 网通 ( 从事i n t e r n e t 和i p 业务) 、卢卡斯伟利达廊重制动器有限公司 ( 机床制造) 等单位进行调研得知，这些单位的工业生产过程经常因为供电系统电压暂降而遭到 破坏，发生次数从 5 -6次/ 年至 2 0 -3 0次/ 年不等。不但造成了很大的经济损失， 有时还会对员工的人身安全造成伤害。 1 .2 .3 电压暂降的改善措施 1传统的措施 针对电压暂降的危害，传统的改善措施主要有: ( 1 )降低生产设备自 身对电压暂降的敏感程度。 ( 2 )减少电网的故障数目。 ( 3 )缩短故障清除时间。 ( 4 )安装补偿装置来抑制或消除电能质量问题的影响。传统的方法有:加装静止 补偿装置 ( 如 t c r , t s c , s r ) ;采用不间断电源 ( u p s ) ;安装备用发电机 等。 这些方法或是不能对电网发生的电压暂降、波动等暂态电能质量问题进行实时 的补偿，或是价格昂贵且效率低，总之存在着诸多的不足。 2 . 用户电力技术 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 和供电可靠性方面己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 电力技术 ( c u s t o m p o we r ) . 用户电 力技术是由 美国电 力科学 研究院 ( e p r i ) 的n .g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年提出的14 1 ，可以解决电 压暂降、凸起、瞬时中断等配电 系统扰动所引起的种种问 题。 用户电 力技术 5 1 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 压调节器d v r ( d y n a m i c v o l t a g e r e s t o r e r )等。本文研究的就是动态电压调节器d v r . 1 . 3 动态电压调节器 ( d v r )装置的工作原理和系统组成 d v r装置是多学科、多领域交又发展的产物。 现代技术 ( 如电力电子、 控制理 论和微处理器)的发展，给 d v r装置的实现带来了可供选择的多种电路拓扑结构 华北电力大学硕士学位论文 文献 3 指出， 在对中科院北京半导体研究所、中国有色金属研究总院 ( 半导体 上市公司) 、 瑞萨四通集成电路有限公司、山 特维克 ( s a n d wi k ) 刀锯公司、中国 网通 ( 从事i n t e r n e t 和i p 业务) 、卢卡斯伟利达廊重制动器有限公司 ( 机床制造) 等单位进行调研得知，这些单位的工业生产过程经常因为供电系统电压暂降而遭到 破坏，发生次数从 5 -6次/ 年至 2 0 -3 0次/ 年不等。不但造成了很大的经济损失， 有时还会对员工的人身安全造成伤害。 1 .2 .3 电压暂降的改善措施 1传统的措施 针对电压暂降的危害，传统的改善措施主要有: ( 1 )降低生产设备自 身对电压暂降的敏感程度。 ( 2 )减少电网的故障数目。 ( 3 )缩短故障清除时间。 ( 4 )安装补偿装置来抑制或消除电能质量问题的影响。传统的方法有:加装静止 补偿装置 ( 如 t c r , t s c , s r ) ;采用不间断电源 ( u p s ) ;安装备用发电机 等。 这些方法或是不能对电网发生的电压暂降、波动等暂态电能质量问题进行实时 的补偿，或是价格昂贵且效率低，总之存在着诸多的不足。 2 . 用户电力技术 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 和供电可靠性方面己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 电力技术 ( c u s t o m p o we r ) . 用户电 力技术是由 美国电 力科学 研究院 ( e p r i ) 的n .g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年提出的14 1 ，可以解决电 压暂降、凸起、瞬时中断等配电 系统扰动所引起的种种问 题。 用户电 力技术 5 1 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 压调节器d v r ( d y n a m i c v o l t a g e r e s t o r e r )等。本文研究的就是动态电压调节器d v r . 1 . 3 动态电压调节器 ( d v r )装置的工作原理和系统组成 d v r装置是多学科、多领域交又发展的产物。 现代技术 ( 如电力电子、 控制理 论和微处理器)的发展，给 d v r装置的实现带来了可供选择的多种电路拓扑结构 华北电力大学硕士学位论文 文献 3 指出， 在对中科院北京半导体研究所、中国有色金属研究总院 ( 半导体 上市公司) 、 瑞萨四通集成电路有限公司、山 特维克 ( s a n d wi k ) 刀锯公司、中国 网通 ( 从事i n t e r n e t 和i p 业务) 、卢卡斯伟利达廊重制动器有限公司 ( 机床制造) 等单位进行调研得知，这些单位的工业生产过程经常因为供电系统电压暂降而遭到 破坏，发生次数从 5 -6次/ 年至 2 0 -3 0次/ 年不等。不但造成了很大的经济损失， 有时还会对员工的人身安全造成伤害。 1 .2 .3 电压暂降的改善措施 1传统的措施 针对电压暂降的危害，传统的改善措施主要有: ( 1 )降低生产设备自 身对电压暂降的敏感程度。 ( 2 )减少电网的故障数目。 ( 3 )缩短故障清除时间。 ( 4 )安装补偿装置来抑制或消除电能质量问题的影响。传统的方法有:加装静止 补偿装置 ( 如 t c r , t s c , s r ) ;采用不间断电源 ( u p s ) ;安装备用发电机 等。 这些方法或是不能对电网发生的电压暂降、波动等暂态电能质量问题进行实时 的补偿，或是价格昂贵且效率低，总之存在着诸多的不足。 2 . 用户电力技术 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 和供电可靠性方面己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 电力技术 ( c u s t o m p o we r ) . 用户电 力技术是由 美国电 力科学 研究院 ( e p r i ) 的n .g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年提出的14 1 ，可以解决电 压暂降、凸起、瞬时中断等配电 系统扰动所引起的种种问 题。 用户电 力技术 5 1 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 压调节器d v r ( d y n a m i c v o l t a g e r e s t o r e r )等。本文研究的就是动态电压调节器d v r . 1 . 3 动态电压调节器 ( d v r )装置的工作原理和系统组成 d v r装置是多学科、多领域交又发展的产物。 现代技术 ( 如电力电子、 控制理 论和微处理器)的发展，给 d v r装置的实现带来了可供选择的多种电路拓扑结构 华北电力大学硕士学位论文 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。 1 . 3 . 1 d v r的工作原理和结构介绍 1 . d v r的工作原理 动态电压调节器是一种电压源型电力电子补偿装置，其良好的动态性能和容量 上的相对优势使得它成为治理动态电压问题的最经济、最有效的手段。 d v r是静止的d c / a c开关逆变器，它产生串联接入配电线路的与配电电压同 步的三相交流电压。当系统电压因扰动而不能满足敏感负载对电压的要求时，d v r 通过串联注入变压器实时向配电线路注入幅值、相角和频率 ( 谐波)可控的电压， 来维持负载侧电压质量的稳定。 d v r与系统交换的无功功率由内部产生， 不需电感和电容等无源无功元件。 对 于大扰动 ( 系统电压跌落) ，d v r通过连接于其 d c侧的可充电电源向负载提供部 分功率。在线路电压正常时，d v r通过系统向其储能元件充电。即使没有储能， d v r也可像串联接入的电感和电容器一样向线路注入一个可控的电压来补偿因负 载造成的电压波动。这一功能也可用于抑制负载侧故障引起的过电流。在 d v r容 量范围内，d v r注入2 5 %的串联电压可减小2 5 %的故障电流。 图1 . 3 给出了d v r在系统电压扰动时稳定负载电压的运行过程。 图1 .4为d v r 工作原理向量图。 在正常供电状态下， d v r处于低损耗备用状态:在供电电压发生 突变时， d v r将迅速做出响应， 补偿故障电压与正常电压之差，从而把馈线电压恢 复到正常值。 d v r应用电压范围可高达 3 5 k v ，电压稳定响应时间小于 5 毫秒。 华北电力大学硕士学位论文 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。 1 . 3 . 1 d v r的工作原理和结构介绍 1 . d v r的工作原理 动态电压调节器是一种电压源型电力电子补偿装置，其良好的动态性能和容量 上的相对优势使得它成为治理动态电压问题的最经济、最有效的手段。 d v r是静止的d c / a c开关逆变器，它产生串联接入配电线路的与配电电压同 步的三相交流电压。当系统电压因扰动而不能满足敏感负载对电压的要求时，d v r 通过串联注入变压器实时向配电线路注入幅值、相角和频率 ( 谐波)可控的电压， 来维持负载侧电压质量的稳定。 d v r与系统交换的无功功率由内部产生， 不需电感和电容等无源无功元件。 对 于大扰动 ( 系统电压跌落) ，d v r通过连接于其 d c侧的可充电电源向负载提供部 分功率。在线路电压正常时，d v r通过系统向其储能元件充电。即使没有储能， d v r也可像串联接入的电感和电容器一样向线路注入一个可控的电压来补偿因负 载造成的电压波动。这一功能也可用于抑制负载侧故障引起的过电流。在 d v r容 量范围内，d v r注入2 5 %的串联电压可减小2 5 %的故障电流。 图1 . 3 给出了d v r在系统电压扰动时稳定负载电压的运行过程。 图1 .4为d v r 工作原理向量图。 在正常供电状态下， d v r处于低损耗备用状态:在供电电压发生 突变时， d v r将迅速做出响应， 补偿故障电压与正常电压之差，从而把馈线电压恢 复到正常值。 d v r应用电压范围可高达 3 5 k v ，电压稳定响应时间小于 5 毫秒。 华北电力大学硕士学位论文 有电 压 跌 落的 图1 .3 d v r 稳定负载电 压示意图 ul u d v r u d v r a . 正常情况b . 发生电压暂降 图1 . 4 d v r工作原理向量图 2 . d v r的结构介绍 图 1 . 5 为典型串联式 d v r的结构框图。 图1 . 5 d v r 结构框图 由上图可见，d v r主要包括储能装置、逆变器、滤波电路、旁路开关和串联变压 器五个部分。 储能装置具有在电压暂降期间给负载提供有功功率的作用，因而必须具有 一定的能量存储与功率交换的能力，典型和潜在的储能设备有:电池、超级电容、 超导 华北电力大学硕士学位论文 储能及飞轮储能等。 逆变器采用全控器件如i g b t , g t o等，它可以将直流变为交流向 负载供电。滤波电路通常由电容器实现，电压较高时通过均压控制的电容器组合而成， 它能够滤除开关谐波， 保证基波相位及幅值不失真传递， 而且还能够确保低次谐波不予 放大， 通常采用r 型结构实现。旁路开关对d v r起到保护作用，当d v r输出端出现短 路或过载故障、d v r本身逆变器出现故障或是逆变器因温升过高而进入自 动关机状态 时旁路开关动作， d v r与线路处于隔离状态。串联式d v r监测到供电电压跌落时，立 即产生补偿电压，并通过串联变压器叠加到供电回路中， 保证负荷电 压的稳定。 这种补 偿方式直接补偿电压的差值，因而具有补偿容量小、 补偿效果与系统阻抗及负荷功率因 数无关等特点。 而且由 于补偿功率由 储能装置提供， 若该功率单元足够大， 即使是在供 电完全中断时，也可给负载提供所需的功率，保证供电的连续。 除了 补偿线路电 压以 外，动态电 压调节器 ( d v r ) 还具有以下功能 1 8 1 , ( 1 ) 限制故障电流。当馈线发生短路故障时，d v r可通过注入超前于故障电流相 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。 ( 2 )减少电压谐波。d v r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。 各种类型的d v r装置的具体硬件电路各不相同， 但都含有图 1 . 5 所示的主要组 成部分。 对于其中的单个部件， 可以有很多种电路的实现方式， 进行装置的设计时， 应从装置的性能要求、造价要求、安装尺寸要求、系统接线方式、负载特性、装置 容量等各方面综合考虑， 以选择最合适的电路结构， 达到高性能和高经济性的统一。 1 . 3 . 2 d v r的控制策略 在对 d v r的研究设计中，控制策略是最关键的环节。 采用不同的控制策略， 将影响装置的性能、容量，从而影响其性价比。对 d v r的控制，重点是研究对整 流器以及逆变器的控制。 近年来对整流器的控制策略有:相角幅值控制 ( p h a s e a n d a m p l i t u d e c o n t r o l - p a c ) , 滞环控制( h y s t e r s i s c u r r e n t c o n t r o l - h c c ) 、 定频率预测控制( p r e d i c t e d c u r r e n t c o n t r o l w i t h f i x e d s w i t c h i n g f r e q u e n c y - p c f f ) 、同步坐标系下状态变量电 流控 制 ( s y n c h r o n o u s f r a m e s t a t e - v a r i a b l e c u r r e n t r e g u l a t o r ) 、同 步坐标系下带有前向 反馈 补偿的p i 控制 ( s y n c h r o n o u s f r a m e p i r e g u l a t o r w i t h f e e d f o r w a r d c o m p e n s a t i o n ) 和最 小 时 间电 流 控 制 ( m in i m u m t im e c u r r e n t c o n t r o l l e r ) 等 等。 虽然这些控制策略的目的是一样的，如高功率因数、接近于正弦的电流、平稳 的直流端输出电压等，但它们的具体性能又是不同的。 对逆变器控制策略，最先提出的是电压瞬时值反馈控制策略19 1 。这种控制策略 采用电压瞬时值单闭环控制或电压瞬时值内环、电压有效值外环双闭环控制，从而 华北电力大学硕士学位论文 储能及飞轮储能等。 逆变器采用全控器件如i g b t , g t o等，它可以将直流变为交流向 负载供电。滤波电路通常由电容器实现，电压较高时通过均压控制的电容器组合而成， 它能够滤除开关谐波， 保证基波相位及幅值不失真传递， 而且还能够确保低次谐波不予 放大， 通常采用r 型结构实现。旁路开关对d v r起到保护作用，当d v r输出端出现短 路或过载故障、d v r本身逆变器出现故障或是逆变器因温升过高而进入自 动关机状态 时旁路开关动作， d v r与线路处于隔离状态。串联式d v r监测到供电电压跌落时，立 即产生补偿电压，并通过串联变压器叠加到供电回路中， 保证负荷电 压的稳定。 这种补 偿方式直接补偿电压的差值，因而具有补偿容量小、 补偿效果与系统阻抗及负荷功率因 数无关等特点。 而且由 于补偿功率由 储能装置提供， 若该功率单元足够大， 即使是在供 电完全中断时，也可给负载提供所需的功率，保证供电的连续。 除了 补偿线路电 压以 外，动态电 压调节器 ( d v r ) 还具有以下功能 1 8 1 , ( 1 ) 限制故障电流。当馈线发生短路故障时，d v r可通过注入超前于故障电流相 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。 ( 2 )减少电压谐波。d v r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。 各种类型的d v r装置的具体硬件电路各不相同， 但都含有图 1 . 5 所示的主要组 成部分。 对于其中的单个部件， 可以有很多种电路的实现方式， 进行装置的设计时， 应从装置的性能要求、造价要求、安装尺寸要求、系统接线方式、负载特性、装置 容量等各方面综合考虑， 以选择最合适的电路结构， 达到高性能和高经济性的统一。 1 . 3 . 2 d v r的控制策略 在对 d v r的研究设计中，控制策略是最关键的环节。 采用不同的控制策略， 将影响装置的性能、容量，从而影响其性价比。对 d v r的控制，重点是研究对整 流器以及逆变器的控制。 近年来对整流器的控制策略有:相角幅值控制 ( p h