（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的三相dvr的研制.pdf

a b s t r a c l a l o n gw i t ho u rc o u n t r ym o d e ms c i e n c ea n dh i g h - t e c hi n d u s t r y ss t a r t i n g ，t h ee l e c t r i c p o w e ru s e rh a v es e tah i g h e rr e q u e s tt op o w e rq u a l i t y b u tb e c a u s eo ft h ep o w e rq u a l i t i e s c o m p l e x i t y , a sw e l la st h em a s s i v er e c t i f yp o w e rs o u r c ea n dt h ee l e c t r i cp o w e rd e v i c eu s e ， w h i c hh a v ec a u s e dt h ec i t ye l e c t r i c i t ya l t e r n a t i n gc u r r e n ts u p p l yq u a l i t yu n c e a s i n g l yt ow o r s e n as e r i e so fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m se m e r g e n c e ，s u c ha s ：p o w e rs w e l l s ，h i g hv o l t a g es p i k e s ， s w i t c h i n gt r a n s i e n t s ，p o w e rs a g sa n ds oo n a tp r e s e n t ，c o n v e n e ra st h ec o r ep o w e rq u a l i t y c o n t r o lt e c h n o l o g y , h a sp r o v i d e dab r a n d n e wp a t hf o rt h es o l u t i o no f p o w e rq u a l i t yq u e s t i o n t h ed y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r li st h eo n ek i n do ft h ec u s t o mp o w e rt e c h n o l o g y i n s t a l l m e n t s ，i ti st h em o s te f f e c t i v ei n s t a l l m e n tt os o l v et h ev o l t a g eq u a l i t yq u e s t i o n d v r p o u r st h es t a n d a r da n dt h es y s t e mv o l t a g e sd i f f e r e n c ev a l u ei n t ot h es y s t e mt oc o m p e n s a t et h e d i s t o r t i o n ，i tc a nb a l a n c es w e l l so rs a g sw h i c hc a u s ed y n a m i cv o l t a g eq u a l i t yq u e s t i o n ，a l s o c a nb a l a n c eh a r m o n i c so rn o n - b a l a n c eo ft h r e e - p h a s ew h i c hc a u s eq u i e s c e n tv o l t a g eq u a l i t y q u e s t i o n ，i so n eo ft h ep r e s e n tr e s e a r c hh o ts p o t si np o w e rq u a l i t yi n s t a l l m e n t 。 t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h ed v rs y s t e m sb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e ，a n da l s o p r o d u c e dt h ed v r st o p o l o g yw h i c hi s u s e di nt h e t h r e e p h a s e f o u r l i n es y s t e m a n d c o n d u c t e dt h ea n a l y s i sr e s e a r c ht os e v e r a ld i f f e r e n td e t e c tm e t h o d s ，i nv i e wo ft h et h r e e p h a s e f o u r - l i n es y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，f i n a l l yu s e dd q od e t e c tm e a s u r e m e n t s i m u l t a n e o u s l yi no r d e r t or e d u c et h ed v r se n e r g yo u t p u t ，e n h a n c ed v r se f f i c i e n c y , s oc o m p e n s a t ew a ya n dc o n t r o l s t r a t e g yh a sc a r r i e do nt h et h o r o u 【g ha n a l y s i s i nv i e wo ft h ed i f f e r e n tl o a dn a t u r ea n dt h e v o l t a g ep e a kv a l u er e q u e s ts c o p e ，u s e dt h em i n i m a lv o l t a g ec o m p e n s a t em e t h o d ，t oe x p a n d d v r sc o m p e n s a t es c o p ea n dt or e d u c ed v r sa c t i v ep o w e ro u t p u t w ec h o o s e dt h eu s e f e e d f o r w a r dc o n t r o la n da d dt h er e a c t i o nc o n t r o lt ot h em i x t u r ec o n t r o li nt h ec o n t r o ls t r a t e g y , t os o v l et h ed a m pw e a ka n ds t a b l ev a l u ec o u l dn o ta c h i e v et h er e q u e s ta n dc a n n o ta d a p tt h e v a r i a t i o no f1 0 a dt r a n s f o r m a t i o ni nf e e d f o r w a r dc o n t r 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dd v r sc o m p o s i t i o n so f e a c hp a r ta n dh a sc o n s u m m a t e de a c h p a r to fd e s i g n si n t h i sf o u n d a t i o n u s e da m e r i c a nt ic o r p o r a t i o nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 6a s m a i n c o n t r o lc h i p ，d e v e l o p e dt h ep l a t f o r mu s i n gc c st oc a r r yo nt h es o f t w a r ec o m p i l a t i o no f t h ee a c hp a r t u s e dm a t l a b ss i m u l i n kt o o lb o xb u i l tt h es i m u l a t i o nm o d e lf o re a c h e x a m i n a t i o na l g o r i t h ma n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y f i n a l l y , h a sc a r r i e do nt h ec o n f i r m a t i o n e x p e r i m e n tt h r o u g ht h ep r o t o t y p et ot h ed v ri n s t a l l m e n tp r i n c i p l e k e yw o r d ：p o w e rq u a l i t y , d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r , t 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 , d q 0d e t e c tm e a s u r e m e n t ，t h ec o n t r o ls t r a t e g y 图1 1 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图2 1 0 图2 - 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 - 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 - 7 图3 8 图3 - 9 图3 图3 图3 图3 图3 1 4 图4 - 1 图4 - 2 常见动态电压质量问题示意图 附图 d v r 接入系统的等值电路 有串联变压器的d v r 主电路拓扑结构 无串联变压器的d v r 主电路拓扑结构 整流装置电路拓扑结构 4 电压源逆变电路拓扑结构 滤波器的安装位置 滤波器的类型 d v r 补偿原理向量图 三角波比较法原理图 瞬时值滞环比较法原理图 空间电压矢量控制法原理图 7 9 单极性s p w m 调制原理。 双极性s p w m 调制原理 1 4 正弦脉宽调制法原理图。 无功补偿方式向量图。 有功无功补偿方式向量图 d v r 的擐大补偿能力向量图 1 5 1 5 1 5 最小能量补偿方式向量图。 变换坐标系中的电压与电流相量 p - q 法检测原理图 基于p - q 法的瞬时电压检测算法原理图 i p - i q 法检测原理图 基于i p - i q 法的瞬时电压检测算法原理图 d - q 法检测原理图 基于d - q 法的瞬时电压检测算法原理图 p l l 示意图 1 7 1 8 1 9 2 3 2 4 2 6 2 6 2 7 合成矢_ 量与d - q 坐标的关系2 8 数字锁相环原理图 低通滤波器电路 数字滤波器的幅度响应 2 9 3 0 基于d - q 法的动态电压检测算法的m a t l a b 仿真原理图3 l 基于d - q 法的动态电压检测算法的m a t l a b 仿真波形图 整流装置控制结构图 滞环比较控制跟踪波形 v i 3 5 图4 1 3 图 图4 5 图“ 图4 - 7 图4 8 图构 图4 1 0 图4 1 l 图舢1 2 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 - 2 0 图5 2 l 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 - 2 5 图5 - 2 6 逆变装置的等效电路图 逆变装置的前馈控制结构图 3 5 逆变装置的混合控制结构图3 8 混合控制系统开环波特围 混合控制系统闭环波特图 单位阶跃响应曲线 单位脉冲响应曲线 单位斜坡响应曲线 4 0 d v r 系统m a t l a b 仿真原理图 d v r 系统m a t l a b 仿真波形图 4 2 4 2 4 2 4 3 d v r 样机结构系统框图。 d v r 样机主电路接线图 反激变换器主电路 驱动电路。 通信接口电路 人机接口示意图 线间耦合示意图。 干扰形式示意图 超级屏蔽变压器 5 3 5 4 5 4 5 5 采样周期及子程序时隙分布图 主程序流程图 定时器中断服务程序流程图 a d c 中断服务程序流程图。 捕捉中断服务程序流程图 电压浅度凹陷发波 电压深度凹陷发波 电压凸起发波 过零点检测 5 8 5 9 6 0 6 1 动态锁相过程 锁相完成发波 电压稳态凹陷 电压动态凹陷发生。 电压动态凹陷恢复。 电压稳态凸起 6 i 电压动态凸起发生。 电压动态凸起恢复 v n 6 2 6 2 6 2 独创性彦明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金螋王些太堂 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谢意。 学位论文作者签名： 纵埠辱签字日期：砷年明多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筐王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒目王些左 ! l 可以将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、缩印和扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一繇纵埠晕翩魏多拍弘 签字日期：弘7 年妒扣日 学位论文作者毕业后去向： ：作单位： 通讯地址： 签字日期：z 町年歹恩务日 电话 邮编 致谢 回首三年研究生学习生涯，导师孙佩石副教授对我学习和生活上的关心仍然历历在 目。导师渊博的学识，平易近人的性格，磊落潇洒的举止无不深深激励着我不断向前。 孙老师的优秀品行将对我以后的学习和工作生涯产生恒久的影响。导师同样是一位慈祥 与严厉俱在的人，他严谨的治学态度、谆谆的教导和严厉的批评让我时刻对自己的缺点 和不足进行反思和改正，这些无疑将使我一生受益匪浅。 感谢苏建徽、张国荣、茆美琴老师对我悉心的指导，在课题进行阶段三位老师为我 提供了优良的科研条件，在学习的思路上给我许多启发和激励。苏老师务实的科研精神 和忘我的工作热情无时无刻都在感染着我；张老师认真的指导和丰富的学识让我受益良 多；茆老师在科研工作上态度严谨，时常废寝忘食，让我深受感动，这种对待科研的精 神不断激励着我。在此毕业之际向您们表示最衷心的感谢，学生所取得的每一点进步都 是您们对我关怀与教导的结果。 同时要感谢合肥工业大学能源研究所的其他老师对我的关心、鼓励与帮助，他们分 别是：杜雪芳老师、刘翔老师、张建老师、杜燕老师、汪海宁老师、刘宁老师、陈林老 师、杨向真博士。 此外还要感谢和我一起朝夕相处的同学们，他们是：赖纪东、阮景义、马炎、申翔、 孙艳霞、周玉柱、蒋永和、张铁良、李冉及其他师弟师妹们，能身处在这样一个融洽的 大家庭里学习我深感荣幸，和你们一同学习进步的这段日子是我一生中最充实开心的一 段时光。祝你们永远幸福快乐l 感谢父母对我的关心与鼓励以及张洁对我的关爱，我所取得的每一点进步都离不开 他们的关心与促进! i 作者：张军军 2 0 0 7 年5 月6 日 第一章绪论 1 1 现代电力电子技术的发展与分类 1 9 5 8 年，以美国通用电气( g e ) 公司发明晶闸管为标志，开创了实现大功 率电能变换的电力电子学时代。7 0 年代后，随着m c u 、d s p 、a s i c 、s o c 、 f p g a 、c p l d 等的快速发展，采用微型器件的控制技术和信号处理技术也日渐 成熟。因此，应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术相结合，对电能 实现变换和控制成为电力电子学的主要内容。”l 现代电力电子技术应用范围十分广泛，涉及众多领域，大致可概括为以下 几大类： ( 1 ) 工业应用：如工业生产线上使用的交直流调速装置、变频器、软启动 器，电解电镀工业中大量使用的高中频感应加热电源、淬火电源以及电弧炉电 源等都是电力电子装置。 ( 2 ) 交通运输：航天器、飞机、船舶、电力机车、磁悬浮列车、太阳能汽 车、电动车、使用超级电容或燃料电池等新型储能介质的环保车辆等交通运输 器，以及大型楼层、超市等高层建筑物所使用的电梯控制技术都大量的使用了 电力电子技术。 ( 3 ) 电子装置的电源：如通讯设备中的程控交换机使用的直流电源、大型 或微型计算机所使用的工作电源、各电力电子装置中使用的辅助开关电源等都 离不开电力电子技术。 ( 4 ) 家用电器：如新型变频空调器、全自动洗衣机、电磁炉、液晶电视、 吸尘器、新型照明节能灯具等都是电力电子技术发展的结晶。 ( 5 ) 电力系统；电力电子在电力系统中的应用已经开始逐渐成为电力系统 现代化的利器，如高压直流输电装置( h v d c ) 中送电端的整流阀和受电端的 逆变阀，以及近几年发展迅速的柔性交流输电装置( f a c t s ) 都是依靠电力电 子技术来实现的。 ( 6 ) 电能质量：此类电力电子装置是目前研究的热点，种类也非常的多， 大体上包括以下几种形式：如动态电压恢复器( d v r ) 、有源电力滤波器( a p f ) 、 统一电能质量控制器( u p q c ) 、统一潮流控制器( u p f c ) 、静止无功补偿器 ( s v c ) 、不间断电源( u p s ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m ) 、晶闸管投切电 容器( t s c ) 、晶闸管控制电抗器( t c r ) 等。 ( 7 ) 新型能源：太阳能、风能、燃料电池等新型能源与电网连接的中间接 口使用的也是电力电子技术。 1 2 电能质量的定义 从上一节的介绍可以看出电能质量装置是电力电子技术的一个重要分支。 随着近年来电力行业改革的深入进行，电能按质论价已经成为大势所趋，电能 已经走向市场，由市场来定价，即实行“粗电低价，精电高价”的定价策略。 这就客观上促使电力部门努力提高屯能质量以满足用户的需求。 由于在电力系统中“电能质量”这个词所涵盖范围的广泛性，为了弄清楚 它所体现的真正含义，在此有必要对此术语的起源和定义作一个简要的回顾。 开始时人们使用“电力系统质量”( e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sq u a l i t y ) 或“供电质 量”( q u a l i t yo fp o w e rs u p p l y ) 来对电力部门提供的电能的品质做出定义，直 到1 9 6 8 年在一篇关于美国海军电子设备用电规范要求的研究论文中最先使用 了“电能质量”( p o w e rq u a l i t y ) 这个术语，后来i e e e 标准化协调委员会才正 式采用“电能质量”( p o w e rq u a l i t y ) 这个术语来全面衡量电能的质量。【2 l 目前，关于电能质量的定义主要有以下几种： ( 1 ) i e c ( 1 0 0 卜2 2 4 ) 标准将“电能质量”定义为“供电装置正常工作 条件下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。” ( 2 ) i e e es t d 1 1 0 0 - - 1 9 9 9 将“电能质量”定义为“满足电子装置的运行条 件，并能够以一种与主布线系统及其它相关装置相协调的方式驱动、保护电子 装置的物理特性。”1 3 】 ( 3 ) 文献 4 】将“电能质量”简明的定义为“造成用电设备故障或误动作的 任何电力问题都是电能质量问题，其表现为电压、电流或频率的偏差。” ( 4 ) 文献 5 】认为“电能质量”是“提供给敏感设备的电力和为其设置的接 地系统均适合于该设备正常工作的特性。” 1 3 电能质量问题的分类与治理 由上述“电能质量”的定义可以看出电能质量问题包括：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，包括：电压凸起( p o w e rs w e l l s ) 、 高压尖脉冲( h i g hv o l t a g es p i k e s ) 、暂态过电压( s w i t c h i n gt r a n s i e n t s ) 、电压凹 陷( p o w e rs a g s ) 、电线噪声( e l e c t r i c a ll i n en o i s e ) 、频率偏移( f r e q u e n c yv a r i a t i o n ) 、 三相不平衡( t h r e e p h a s ei m b a l a n c e ) 、短时间市电中断( p o w e rf a i l ) 等。i e e e 第2 2 标准化协调委员会( s t a n d a r dc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e2 2 ) 在i e e e s t d 1 1 5 9 1 9 9 5 ( 1 e e er e c o m m e n d e dp r a c t i c ef o rm o n i t o r i n ge l e c t r i cp o w e r q u a l i t y ) 中对以上电压质量问题做了严格的分类( 见表1 ) 。嘲 2 表i 电压质量问题分类 种类典型频谱成分典型持续时间典型电压幅值 电压瞬变( t r a n s i e n t s ) 冲击( i m p u l s i v e ) 纳秒级5 n s 上升 lm s 振荡( o s c i l l a t o r y ) 低频( l o wf r e q u e n c y ) 5k l - l z0 3 5 0 m s0 4p u 中频( m e d i u mf r e q l l e n c y ) 5 5 0 0 k h z2 0u s 0 8p u 高频( h i g hf r e q u e n c y ) o 5 5m h z5u s 0 4 p u 短期电压变动( s h o r td u r a t i o nv a r i a t i o n s ) 即时( i n s t a n t a n e o u s ) 电压跌落( s a g ) 0 5 3 0c y c l e s 0 1 0 9 p u 电压升高( s w e l l ) 0 5 3 0c y c l e s1 1 1 8p u 瞬时( m o m e n t a r y ) 电压中断( i n t e r r u p t i o n ) 0 5c y c l e s 一3s l m i n0 8 0 9p u 过电压( o v e r v o l t a g e s ) l m i n1 1 1 2p u 电压不平衡( v o l t a g ei m b a l a n c e ) 电压不平衡( v o l t a g ei m b a l a n c e ) 稳态0 5 2 波形畸变( w a v e f o r md i s t o r t i o n ) 直流偏移( d co f f s e t )稳态 0 0 1 谐波( h a r m o n i c s ) o l o o t h h 稳态 0 2 0 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) o 一6 k h z 稳态o 一2 陷落( n o t c h i n g ) 稳态 噪声( n o i s c ) b r o a d b a n d 稳态 o l 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n s ) 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n s ) 2 5 h z 断续 0 1 7 频率偏差( p o v r f r e q m n c y v a r l a t i o m ) 频率偏差( p o w e r 啪v a r i a t k m s ) 1 0s 其中部分动态电压质量问题可由图1 1 形象的看出： 3 代n 六螂断隔 图1 - 1常见动态电压质量问题示意图 一般来说为了减少因市电电能质量所造成的问题，必须提高市电的供电质 量，其方法有两种：一是对市电因其自身原因而产生的电能质量问题进行补偿； 二是减少用户感性负载和冲击性负载对市电电能质量的影响，做到“谁污染谁 治理”。目前我国执行的供电质量标准如下： ( 1 ) 电压稳定精度2 5 ： ( 2 ) 电压和电流的波形失真度3 0 ； ( 3 ) 动态电压瞬变范围 5 0 8 5 。 1 4d v r 的研究意义 文献【7 】( 8 】中指出，多年来对电能质量问题治理的经验表明，电能质量的高 低除与电网结构本身是否合理有关外，还必须使用高效的调节控制手段来抑制 电能质量问题的发生。因此，针对大型互联电力系统存在的问题，美国学者 n g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年提出了灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m s ，f a c t s ) 的概念。它“应用电力电子技术的最新研究发展成就以及现 代控制技术实现对交流输电系统参数，以至网络结构的灵活快速控制，以期实 现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、 可靠性”。它一方面以现代电力电子技术与电力系统传统的阻抗控制元件、功角 控制元件以及电压控制元件( 如：串补电容、并联电容、并联电抗、移相器、 电气制动电阻等) 相结合；另一方面又将电子技术引入电力系统，形成以变流 器为核心的新型控制设备，从而使电力系统中的电压、线路阻抗和功率角这三 个影响潮流分布的电气参数可以按系统的要求快速调整，实现对电能质量的控 制。由于上述原因f a c t s 装置一经推出立即受到电力部门的欢迎，并被大量研 制装配。 4 f a c t s 装置在输电系统中获得了极大的应用，但是它的大量使用使得配电 系统的电能质量问题因新的非线性负荷的引入而恶化，随着社会的进步和科学 技术的发展，大量的用电敏感型用户的出现使的电能质量恶化的后果越来越严 重。目前，通信数据系统、金融数据系统、i t 行业、精密加工业等高科技产业 对用电质量的要求越来越高，由于用电质量问题造成的损失也越来越大，由此 引起的诸如数据丢失、产品报废、安全事故、设备损坏等恶性事故层出不穷。 如：据调研，因电能质量问题造成每小时损失1 0 0 0 美元的公司大约占半数，而 9 的公司估计他们的损失会高达每小时5 0 ，0 0 0 美元。在造成损失的电能质量 问题中，停电约占2 0 ，而其他电能质量问题约占8 0 。同时，电能质量的恶 化也降低了配电系统的效率，如谐波的存在占用了配电系统的容量，带来谐波 损耗，降低了电能利用效率。正是由于这些原因，用于输电系统的f a c t s 装置 逐步延伸到配电系统，形成了以变流器为核心的电能质量控制技术，简称为用 户电力技术( c u s t o m p o w e r ) 。用户电力技术的出现有力的推动了以提高配电系 统可靠性和优化用户电能质量为目的的电力电子装置的发展。经过近二十年的 快速发展，目前已经衍生出种类繁多的用户电力技术装置，如：动态电压恢复 器( d v r ) 、有源电力滤波器( a p f ) 、统一电能质量控制器( u p q c ) 等装置。 它们的大量出现为电能质量问题的治理提供了多种选择。本文即是以动态电压 恢复器( d v r ) 为研究对象，探讨对配电系统中出现的动态和静态电压质量问 题进行综合治理。 1 5d v r 的研究现状 1 9 9 6 年，美国西屋( w e s t i n g h o u s e ) 公司首次发表了d v r 装置的研究报告 和实验结果，标志着动态电压恢复器的诞生。同年8 月，西屋公司与美国电力 科学院( e p r i ) 联合研制的2 m v a 的d v r 装置成功安装在美国北卡罗来纳州 d u k e 电力公司的个1 2 4 7 k v 系统上，对全厂的电力质量问题进行综合补偿。 从安装后实际运行情况来看，此d v r 装置很好的完成了对全厂电压凸起、电 压凹陷及三相不平衡的补偿。1 9 9 8 年，瑞士a b b 公司研制的4 m v a 的d v r 装置成功在新加坡的一家半导体制造厂投入运行，运行后起到了良好效果。1 9 9 9 年，德国西门子( s i e m e n s ) 公司为美国电力科学院制造的世界上第一台杆上紧 凑式动态电压恢复器d v r p m ( p l a t f o r m - m o u n t e dd y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 在加拿大d a w s o nc r e e k 地区的一条1 2 5 k v 配电线上安装，对6 0 0 k v a 的负载 提供保护。2 0 0 0 年，瑞士a b b 公司生产的两套大容量的d v r 装置( 单套容量 2 2 5 m v a ) 在以色列一家芯片制造厂投入实际运行，运行后为该厂带来了巨大 的经济效益。另据最新报道，西门子公司已经开发出了应用于大负荷的多模块 d v r ，世界上第一台此种装置已经安装于苏格兰一家大型造纸厂，电压等级为 1 l k v ，总负荷容量达到4 7 m w 。 9 - 叫 我国国内科研机构和高等院校对d v r 装置的研制起步较晚，起点也较低， 目前仍停留在对d v r 装置技术吸收和样机试制阶段。从1 9 9 8 年始，先后有中 科院电工研究所、清华大学、华北电力大学、中国农业大学、西安交通大学、 东南大学等机构或高校对d v r 装置进行过相关理论研究和样机实验。与国外 相比，目前我国生产的d v r 样机仍停留在实验室阶段，没有实际的运行经验， 有待于实际运行中各种苛刻工业条件的检验，此外，在装置的容量和电压等级 上与国外先进d v r 装置也有较大差距，有待进一步深入研究。0 4 - 2 0 l 目前对d v r 装置的研究主要集中在两个方面：一是电压偏差信号的检测 方法；二是电压动态补偿控制策略的选择。世界上许多从事电能质量技术研究 的机构和学校在这两方面开展了深入的研究，但仍未得到一个统一的方法去解 决所有问题，因此在设计具体装置时必须根据实际情况做出合理的选择。 1 6 本文所做的工作 本文在对d v r 的基本结构和工作原理进行认识学习之后，在前人的基础上 对d v r 的主电路各子系统的结构参数进行了设计和完善，对电压偏差信号的 检测方法和电压动态补偿控制策略进行了研究，主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 通过查阅现有资料，对目前d v r 装置所使用的各种主电路拓扑结构进 行了分析归纳，找到一种适合于设计要求的应用于配电系统中的小容量 ( 3 0 k v a ) d v r 装置的主电路拓扑结构。对d v r 装置的基本结构、工作原理 进行了分析说明。根据要求对主电路和控制电路的元器件进行选型，在导师的 指导下完成主电路和控制电路的硬件设计。 ( 2 ) 快速准确的检测出电压偏差信号是d v r 装置运行的前提条件，本文对 目前常见的几种检测方法，如p q 法、i p i 。法、d - q 法等进行了归纳总结和仿真 研究，最后根据三相四线制系统的特点和仿真研究的结果选用d q 法作为此 d v r 系统的电压偏差信号的检测方法。 ( 3 ) 为了减小d v r 装置的能量输出，提高d v r 的利用效率，对d v r 的 补偿方式和控制策略进行了深入分析。针对不同的负载性质和电压幅值的要求 范围，使用最优电压补偿方法，扩大d v r 的补偿范围和减小d v r 的有功输出。 ( 4 ) 在电压动态补偿控制策略上选择使用前馈控制加反馈控制的混合控制 策略，有效的解决了前馈控制环节阻尼弱、稳定裕度达不到要求且不能适应负 载变化的缺点。 ( 5 ) 根据以上要求完善d v r 装置的软件设计与调试，并据此试制了一台样 机，并对样机进行了调试，但由于时间仓促，只进行了部分验证性实验。 6 第二章d v r 的基本结构和工作原理 2 1d v r 的基本结构 d v r 是一种串联在电网与负载之间提供补偿电压的电力电子装置，相当于 一个可以快速调节的电压源，它通过快速补偿特性为负载提供稳定正弦电压。 d v r 接入系统的等值电路如图2 1 所示： 图2 - 1d v r 接入系统的等值电路 一般来说，d v r 装置大致由四部分组成：整流装置、直流侧储能装置、电 压源逆变装置、滤波装置。通常，在较高电压等级的d v r 装置中使用串联变 压器将电压源逆变装置串联进电网；而在低电压等级的d v r 装置中，常在直 流母线侧使用一个工频电源变压器将直流母线与电网隔离，从而省去串联变压 器。下文将对d v r 主电路拓扑结构和各组成部分的功能及有无串联变压器对 d v r 装置的影响展开详细介绍。 2 1 1 主电路拓扑结构 具有串联变压器的d v r 装置的主电路拓扑结构如图2 2 所示： 图2 - 2有串联变压器的d v r 主电路拓扑结构 7 如上图所示：在较高电压等级的d v r 装置中常使用串联变压器t f ，它的 出现对d v r 装置的性能影响较大，其带来的正面影响主要有两个方面：1 2 1 - 2 3 1 ( 1 ) 若使用升压变压器接入，则可以降低电压源逆变器的输出电压，降低 直流侧的电压等级，因此在较高电压等级的d v r 装置中可以提高装置的可靠 性及选择开关器件的灵活性。 ( 2 ) 可提供电压源逆变器与电网之问的隔离，从而使逆变器直流母线电压 可以直接由电网整流得到。 但是，由于变压器是非线性元件，它的引入必然会带来如下几点不利因素， 分别是： ( 1 ) 电压源逆变器产生的高次谐波使得变压器的设计容量加大。 ( 2 ) 串联变压器的引入，导致电流畸变，产生谐波电流污染电网。同时， 谐波电流在电网内阻抗上产生谐波压降，干扰电网采样，使得检测误差加大。 ( 3 ) 串联变压器和滤波电感、滤波电容相互影响所带来的附加相移和电压 迭落，影响控制器的性能。 ( 4 ) 串联变压器的短路电抗降低了开环控制的电压精度。 ( 5 ) 变压器的制作需要消耗大量铜材，相应的增加了系统成本。 基于以上原因，目前在低电压等级的d v r 装置中大多采用无串联变压器 的主电路拓扑结构，如图2 3 所示： 图2 - 3无串联变压器的d v r 主电路拓扑结构 这种主电路的拓扑结构是使用一个工频电源变压器作为隔离变压器，将直 流母线电压与电网隔离，通过改变隔离变压器的变比就可以改变直流侧电压的 幅值，以满足调制比和所需补偿电压等级的要求。 此外，国外学者也有提出使用开关器件串并联方式或链式逆变器方式来实 现高电压d v r 装置中使用无串联变压器的结构。目前这种方式在高压变频器 上使用比较广泛，但在d v r 装置中还不常见。 8 2 1 2 整流装置 目前，在整流装置上有二极管三相桥式整流电路和三相p w m 整流电路两 种拓扑结构可供选择，如图2 - 4 所示： 咂题 ( a ) 二极管三相桥式整流电路( b ) 三相p w m 整流电路 图2 - 4 整流装置电路拓扑结构 对于二极管三相桥式整流电路来说，如图2 4 ( a ) 所示；当电网电压发生波 动时，直流母线上的电压也会随之发生波动。而且，当d v r 装置发生有功功 率传递时，必然会对直流母线电容充电，使电容电压抬升，但由于二极管三相 桥式整流电路不能使能量双向流动，因此电容电压的抬升有可能带来危险。在 实际工程使用中为了避免此种情况的发生有两种解决方法：其一是将此种拓扑 结构只用于纯无功补偿装置；其二是在直流母线电容上并联制动电阻器，当检 测到电容电压高于设定值时用继电器将电阻接入，以保持直流母线电容器电压 恒定。但这两种方法都会使d v r 装置的用途削弱、效率减小，文献 2 4 1 指出： 使用二极管三相桥式整流电路，当电网电压抬升时，电容电压不稳定；当电网 电压跌落时，会降低补偿器的补偿范围。此外直流母线电容器上的低频纹波也 会导致逆变器的输出补偿电压精度下降。 目前广泛采用的d v r 整流装置为图2 - 4 ( b ) 所示的三相p w m 整流电路。 用此电路来控制直流母线电容电压，可以使d v r 装置的有功功率返回电源， 因此在发生电压抬升或跌落等电压质量问题时，直流母线电容上的电压都可以 保持大致不变，实现了d v r 装置四象限运行的要求。文献【2 4 】进一步指出：p w m 整流电路的位置可有两种选择，即可以将其放置在电网侧；也可以将其放置在 负载侧。p w m 整流电路位置上的不同会造成串联变压器容量选择上的不同， 这是因为将p w m 整流电路放置在电网侧时，流过串联变压器的电流为负载电 流；而将p w m 整流电路放置在负载侧时，流过串联变压器的电流为负载电流 加上输入与负载电流同相的p w m 整流电路电流。因此在相同情况下，p w m 整 流电路在电网侧时的d v r 装置的串联变压器、电压源逆变装置、p w m 整流电 路所对应的基波容量要比p w m 整流电路在负载侧时要小，但此时并联变压器 的容量会相应的增大。此外，d v r 装置的容量除与p w m 整流电路的接入位置 有关外，还与p w m 整流电路所起的作用、电网电压变化特性和负载特性有关。 9 因此，当p w m 整流电路起保持直流母线电压恒定和滤波作用时，若电网电压 基波分量脉动较大，谐波分量较小且为恒阻抗负载时可将p w m 整流电路放置 在电网侧，这样p w m 整流电路只需起保持直流母线电压恒定的任务，从而减 小了装置容量。相反，若电网电压基波分量脉动较小，谐波分量较大且为非线 性阻抗负载时可将p w m 整流电路放置在负载侧，这样p w m 整流电路不但可 以保持直流母线电压的恒定，而且还可以滤波和提高电网的功率因数，同时还 能减小串联部分的容量。因此，在为d v r 选择整流装置时要从实际情况出发 做出合理选择，以适应实际需要。 2 1 3 直流侧储能装置 直流侧储能装鹭肩负着在电网电压发生跌落时为负载提供有功功率的作 用，因此它必须有能量存储和功率交换的能力。目前有以下几种形式可供选择， 分别是：电池、超导储能系统、飞轮储能系统等。此外，p w m 整流电路共用 直流母线电容器的方式也被广泛采用。 目前，在d v r 中使用的电池主要是铅酸蓄电池和多硫化钠溴电池两种。 铅酸蓄电池是采用铅( p b ) 及其氧化物为正负极的活性物质，并以稀硫酸 ( h 。s o 。) 作为电解液的二次电池，技术已经成熟。多硫化钠溴电池是最近兴 起的一种新型电池，它启动速度快、充放电性能好、无自放电，因此特别适宜 于做可移动动力源，但目前技术尚处在发展阶段。采用电池供电的d v r 装置， 不仅能够提供无功调节，而且还可以在电网短时停电的情况下起到u p s 的功 能。但是，电池受容量的影响较大，不能在电网异常的情况下长时间工作，且 电池维护复杂、价格较贵，这些不利因素限制了它在d v r 装置上的应用。 p w m 整流电路共用直流母线电容器的方式目前被广泛采用，在电容器的 种类上也有普通电容器、无极性薄膜电容器和超级电容器( s u p e rc a p a c i t o r ) 等可供选择。普通电容器容量选择余地大、使用方便、价格相对比较便宜，但 是它的能量密度小、寿命有限。超级电容器的优点在于它的高电容密度和能量 密度，可快速充放电，且寿命时间长。但目前技术尚不成熟，实现难度大，且 价格比较昂贵。因此，目前使用普通电容器仍然是大多数d v r 直流侧储能装 置的首选。脚1 1