（电气工程专业论文）动态电压恢复器（dvr）在电力系统运行中保护策略的研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 论文提出了用户电力( c p ) 技术是解决电能暂态质量问题的有效技术，介绍了 其几种产品及其具体应用。以华北电力大学电能质量研究所研制的线电压补偿型动 态电压恢复器( d v r ) 为例阐述了装置的工作原理和各个组成部分，以及补偿仿真 结果图。系统地研究了d v r 装置各种投切方式所产生的问题，提出了减少或不产 生尖蜂电压的有效解决办法。比较了中压配电网可能产生的各种过电压及其配置保 护器的工作性能，完成了d v r 装置过电压保护策略的研究，拟出了高压侧和低压 侧防止过电压的方案。参照常规串联补偿装置继电保护的配置原理，结合中压配电 网的特点，设计了d v r 装置的继电保护方案。 论文利用电力系统中应用的各种先进技术及其产品现状，对d v r 装置在高压 配电网中的应用进行了先期研究，对重要负荷分级、d v r 装置投切、过电压保护、 继电保护等的研究结果表明，d v r 装置在中压配电网的使用不是难题，有着极为广 阔的前景。 关键词：动态电压恢复器，电能质量，投切方式，过电压，继电保护 t h et h e s i sp u t sf o r w a r dt h ec u s t o m e rp o w e rt e c h n i q u ei sv a l i df o rt r a n s i e n tp o w e r q u a l i t yp r o b l e m ，a s s e m b l yw i t hs o m ea p p l i e dp r o d u c t s d v rb a s e do nt h el i n ev o l t a g e c o m p e n s a t i n g ( l v c ) i sp r o p o s e di nt h ep r e s e n tp a p e r w h i c hi ss u i t a b l et ot h em e d i u m v o l t a g ed i s t r i b u t i n gn e t w o r k t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e sd v r sp u t t i n g 。i n t oa n d w i t h d r a w i n gw a y s ，d v r so v e r v o l t a g ep r o t e c t i o nd e s i g n ，d v r sr e l a y 。p r o t e c t i o n s c h e m e i nt h ee n d ，t h ea u t h o rd r a w sac o n c l u s i o nt h a td v rw i l lb ew i d e l ya p p l i e di nt h e m e d i u mv o l t a g ed i s t r i b u t i n gn e t w o r ki nt h ef u t u r e z h a n gc h a n g y i n ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o f y i nz h o n g d o n g l ij i a n s h e n g k e yw o r d s ：d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r ) ，p o w e rq u a l i t y , p u t t i n g 。i n t oa n d w i t h d r a w i n g ，o v e r - v o l t a g e ，r e l a y - p r o t e c t i o n 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 y8 6 8 0 6 2 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文动态电压恢复器( d v r ) 在 电力系统运行中保护策略的研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注 和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过自朔f 究成果，也不包含为获得华 北电力大学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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：笔笋2 址日期：j 毕h 关于学位论文使用授权的说明 本人尧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：2 i ：竺墨塑一 日期：幽& 垃! 蚧 导师签名：越 日 期：泣鱼! 亟! 年哺 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 1 1 电能质量和电压骤降 电能是现代社会的主要能源，是人类现代文明的最重要的物质基础之一。随着 国民经济的稳定快速发展，我国的电力工业也获得了空前发展。但是，由于近年来 电力电子设备的大量使用，以及电弧炉、电气化铁路等负荷的影响，电力系统中的 污染也愈加严重，电能质量问题受到越来越多电力用户和电力企业，特别是具有高 敏感负荷电力用户的高度重视。传统的电能质量问题都是基于系统稳定而言的，如 三相电压不平衡、高次谐波以及长期的电压过高或过低等，经过多年的努力，稳态 电能质量有了相当的提高，且实际系统中的许多机电设备在电压辐值变化相对较大 的范围内均能正常工作。而随着信息技术和自动化技术的发展，暂态电能质量问题 日益突出，已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，暂态电能质量问题主要包 括以下几种2 】： 电压骤降( v o l t a g es a g s ) ：指系统频率下，持续时间为1 0 m s 至l m i n 之间的电 压有效值下降，通常在0 1 0 9 倍的额定值之间。 瞬时断电( i n t e r r u p t i o n s ) ：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1 0 m s 至3 s 之间。 电压骤升( v o l t a g es w e l l s ) ：系统频率下，持续时间在1 0 m s 至l m i n 之间的电 压有效值的短时上升，其幅值超过额定值的1 0 。典型的为1 1 1 8 倍的额定值。 瞬时脉冲或突波( t r a n s i e n t s ) ：表示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 性的阻尼振荡的第一个尖峰。 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n s ) ：指电压的有规则波动，幅值通常不超出0 9 0 1 倍的额定值。这种电压变化常称作“闪交”。 电压切痕( v o l t a g en o t c h e s ) ：指一种持续时间小于1 0 m s 的周期性电压扰动。 它主要是由于电力电子装置换相时短路电流从一相流到另一相造成的，它使电压波 形在一个周期内有超过2 个的过零点。 根据一些国际组织( 如美国e p r i 、加拿大c e a 、挪威e f i 和欧洲u u i p e d e ) 的 调查，。以上电能质量问题虽然持续时间很短，但会对一些敏感用户造成巨大的甚至 不可挽回的损失。统计表明，大型电力用户，幅度超过2 0 的骤降年发生率在l o 一2 0 次左右。许多高度自动化连续生产过程，每次骤降发生造成的经济损失达数十 万至数百万美元之多。电压骤降和瞬时供电中断己被认为是影响许多用电设备安 华北电力大学工程硕士专业学位论文 全、正常运行的最严重的动态电能质量问题。 下图是用电设备受电压骤降以及供电中断的影响，从中可以看出电压骤降对于 电力系统的用电设备影响巨大。 图1 1 用电设备受电压暂降及供电中断的影响 引起电压骤降的原因很多，但主要是雷击、短路故障和大型异步电动机启动等。 雷击引起的绝缘予闪络或线路对地放电是造成系统电压骤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骤降次数部分地区约占总次数的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敏感负荷的正常、安全运行。 系统故障是日t 起电压骤降或供电中断的又一主要原因之一。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按有敏感负 荷时，将会因电压骤降而被跳闸退出工作。另外，当保护动作后伴随着重合闸时， 由此而引起的电压骤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，启动电流般比额定电流大五倍以上，会引起 电压骤降，这种电压骤降下降幅度不大，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骤降。 采用不间断电源( u p s ) 、采用双电源甚至三电源线路、以及安装备用发电机等 传统做法解决电压骤降问题，投瓷和设备损耗巨大，而且由于受用户负荷容量、电， 力系统供电电压、以及机械开关固有特性等的限制，效果有时不是很理想。随着电 力电子技术、微处理技术和现代控制理论的发展，以及诸如i g b t ( i n s u l a t e db i p o l a r g a t e t r a n s i s t o r s ) 、i g c t ( i n t e g r a t e dg a t e c o m m u t a t e d t h y r i s t o r s ) 等更高可靠性、更 高开关频率、以及更低损耗的电力电子器件的出现，以此为基础九十年代开发的新 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 技术一一把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来的用户电力技术 ( c u s t o mp o w e r ，c p ) ，可以有效解决上述电能暂态质量问题。 1 2 用户电力( c p ) 技术的应用【3 】【4 】嘲 目前，国外己研制成功的c p 控制器主要分为静态开关设备和静态补偿器。 1 2 1 静态开关设备 静态开关设备主要有固态断路器( s o l i ds t a t ec i r c u i tb r e a k e r ，s s c b ) 和固态转 换开关( s o l i ds t a t et r a n s f e rs w i t c h ，s s t s ) 。如下图。 负荷负荷 一馈缱 f 恼军刮 门 负葡 图1 2 静态开关设备的应用 图中用户配电所电气一次主接线通常采用单母线分段( 左图) 或单母线接线( 右 图) 方式。与我们常规配置不同的是，此图设计用固态断路器( s s c b ) 或固态转关 开关( s s t s ) 代替了常规机械断路器，当一路电源发生故障其断路器跳闸断开相应 段母线时，该段母线负荷可在4 - 8 m s 内通过母联断路器闭合接入另一路电源供电。 s s c b 充分利用了晶闸管动作速度快和无触点的特点，实现组合开关的快速无电弧 投切，因此可有效抑制电网电压的跌落和大故障电流带来的一系列灾难性后果。在 稳态导通过程中，它又充分利用了电气触点接触电阻小的优点，不仅提高了效率而 且省去了复杂的散热装置。s s c b 在配电系统中的配置是和常规的机械断路器配合 使用，以节约投资。 1 2 2 静态补偿器 静态补偿器按其与电嗣连接形式以及功能的不同主要分为串联型、并联型和混 合型三种。并联型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，主要是消除畸变负载对电网侧的不利影响，其代表产品为配 电静止同步补偿器( 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 ) 和 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 。串联型主要用于电压补偿，适用于线 帛 ：囤 醛 一 孵 华北电力大学工程硕士专业学位论文 性负载而电网电压有波动的场合，用以消除电网电压波动对负载的不利影响，其代 表产品为动态电压恢复器( d y n a m i c v o l t a g er e s t o r e r ，d v r ) 。串并联混合型补偿器 综合了以上两种补偿器的功能，具有双向补偿能力，是一种能解决绝大多数暂态电 能质量问题综合补偿装置，其代表产品为统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o m p e n s a t o r ，u p q c ) 。 馈线 有源滤波器 ；翮 一 图1 3v s c 技术的应用 从图中可以看出有源滤波器( a p f ) 并联于线路而动态电压恢复器( 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问题的治理，它采用p w m 电流控制技术，进行非线性负载谐波电流及无功补偿，并起调节电容直流电压作用； d v r 专注于电压型电能质量问题，它采用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，减少电源电压波动对敏感负荷的影响。两装置共用储能单元 和能量接口，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 调节器所期望达到的目标。 动态电压调节器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ，d v r ) 就是其中的一种。d v r 是 串联接入配电线路的一种用户电力调节装置，它通过向配电线路注入一定量幅值、 相位及谐波的电压来使负载电压保持稳定。当系统电压发生扰动时，负载侧电压幅 值保持理想状态。 1 2 3 用户电力技术实用举例 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 在具有高敏感负荷用户配电所电气一次主接线图设计中，我们根据负荷的重要 程度，将用户负荷进行再细分，例如将办公楼用电负荷设定为c p a ( 一般重要负 荷) ，将计算机软件研究中心负荷设定为c p a a ( 较为重要负荷) ，将半导体生产负 荷设定为c p a a a ( 很重要负荷) 等。 配电所两路独立电源分别取自地区电网变电站l 和变电站2 ，如确有困难，有 时也可取自地区电网同一个变电站不同变压器所带的独立的两段母线。地区电网变 电站馈线间隔开关设备采用常规机械断路器，例如真空断路器等。配电所内设有第 三电源备用发电机组。 配电所电源进线1 和电源进线2 间隔开关设备采用固态转换开关s s t s ，其余 开关设备采用常规机械断路器。中压母线采用单母线接线方式，在配电所母线与 c p a a a 负荷之间设有有源电力滤波器a p f 和动态电压恢复器d v r 。 正常运行方式下，电源进线1 和电源进线2 亘为热备用，发电机冷备用。在其 中任电源故障发生电压骤降时，所有负荷即c p a 、c p a a 、c p a a a 负荷均可以 通过固态转换开关s s t s 在不到半个周波内接入正常电源供电。不同的是，如果电 源进线1 和电源进线2 因为上级两个电网变电站全部失压而停电时，c p a a 、 c p aaa 负荷还可以通过快速( 1 0 2 0 s ) 启动备用发电机供电，这时c p a 负荷全部 失电，在启动发电机期间c p a a a 负荷电压和电流波形也能保证在一定的水平以内。 这样的设计，降低了设备投资和损耗，保证了各类重要负荷的供电质量，定能 取得明显的经济和社会效益。 缺点是：动态电压恢复器d v r 串联接入配电线路，可能会由于其故障引起高 敏感负荷供电中断或系统故障引起d v r 损坏等一系列问题，必须对其加以研究和 解决。 表1 ：各种c p 控制器及其作用统计 电压骤降瞬时中断电压骤升瞬时脉冲电压切痕电压波动 s s t s v a p f d v r v u p q c 华北电力大学工程硕士专业学位论文 变电站l 1 - _ _ _ _ _ 白 囟 t 皂疆进线l 电源进线2 9 变压器 因翩m 裱犴关 囤团态转换开关 图14 配电所电气一次主接线圈 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 3d v r 原理和功能 d v r 是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和重要负荷之间。它具有 很好的动态性能，当发生电压骤降或凸起时，能在很短的时间( 几个毫秒) 内将故 障处电压恢复到正常值。 下图说明了d v r 在配电系统电压暂降时如何将电压迅速恢复到正常值。在配 电系统正常供电情况下，d v r 工作在备用状态，其损耗是相当低的。当系统电压发 生骤降或凸起的时候，d v r 装置立即( 几毫秒以内) 向系统注入补偿电压，用以补 偿故障下的电压差，使其迅速恢复正常。注入电压的幅值和相角均可控制，补偿所 需的有功和无功都由d v r 提供，d v r 装置所需要补偿的持续时间可以根据敏感负 荷的要求以及系统故障的特征来预先配置，以达到最经济、最合理的效果。 配电站 引r 线路电压暂降补偿电压电压恢复正常 输电系统切换1 嬲ll 鞭il l 或清除故障 广 + ! u u r n 动态电压恢复器 被保护的 敏感负荷 d v r 图1 5d v r 补偿电压皙降的原理图 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。 d v r 构成框图如图1 6 所示。 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 m o a 串联变医嚣 图1 6d v r 构成框图 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。 对于电力供应商，d v r 是满足工业和商业用户严格的电力质量要求的手段。它 同时为电力用户提供了将自己与系统电压暂降、瞬时过电压、谐波畸变( h a r m o n i c s ) 、 暂态过程和产生于互连线路或配电系统负载突变等电力缺陷隔离开的手段。 d v r 可以为有敏感及重要负荷的电力用户提供以下好处： ( 1 ) 减小因生产停顿引起的生产量、产品质量和成本的损失； ( 2 ) 保护昂贵和敏感生产设备不受过电压损坏； ( 3 ) 减小因输电和配电系统故障( 如雷击) 引起的潜在停产的可能性； ( 4 ) 对大的冲击负载引起的电压畸变进行补偿，这些电压畸变可能对办公设 备造成不利影响； ( 5 ) 减少因电压缺陷引起的电机、变压器等设备的绝缘降低。 1 4d v r 研究现状和存在的问题 目前，国内外对d v r 的研究非常热烈。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。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，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。在日本，柱上式d v r 也已经投入运行。 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。在国内，很多高等院校和研究机 构电已经在几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。 ，j；，l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 但是与国外相比，我们还没有相应的运行经验，所研制的实验室样机在全压下 的实验工作有待进行；实验负载仍然过小，在大功率负载情况下装置的运行情况有 待进一步实验；实验是在3 8 0 v 系统进行的，对于在中压配电网中d v r 的应用情况， 应进行理论分析、仿真以及相应的实际工作，还有待于工业环境的检验；d v r 装置 串联于系统和负荷之间，其本身的负载特性对于补偿效果也有一定的影响，这方面 还需要开展一定的研究工作。 另外，在容量和电压等级方面，我们的研究成果与国外还有很大的差距。一方 面是需要投入大量研发资金的问题，但更重要的方面还是其中某些关键技术还没有 被我们掌握。如系统故障条件下，d v r 本身承受故障大电流的能力；在雷电过电压 或内部过电压下，d v r 的绝缘配合问题等d v r 的系统保护问题的存在，阻碍了我 国d v r 技术在高压大容量场合的应用。因此有必要对其进行深入细致的研究。 1 5 本文所做的工作 鉴于如前所述d v r 对改善高敏感电力负荷供电质量的显著作用和功能，华北 电力大学电能质量研究所和开封市电业局因应未来投入运行需要，提出了d v r 接 入中性点不接地中压配网电力系统时的保护策略课题。本论文的工作包括具有高敏 感电力负荷的用户配电所电气次主接线方式的设计，d v r 的工作原理和系统构 成，以及d v r 接入电力系统运行时的过电压保护方式和过电流保护方式的研究。 主要有以下几点： 1 、论文前期对暂态电能质量问题进行了分析，对用户电力技术及其代表产品进行 了分类和了解，设计出具有高敏感电力负荷的用户配电所电气一次主接线方式的设 计方案。 2 、论文对d v r 的工作原理和系统构成进行了详细阐述，确认d v r 与电力系统的 耦合方式采用串联变压器是较好的选择。 3 、论文根据我国中压配网电力系统的特点，以及新技术和新产品在电力系统中的 应用情况，设计出了d v r 接入中性点不接地中压配网电力系统时的过电压保护方 式和过电流保护方式，确保了d v r 和电力系统的安全、经济、可靠运行。 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章中压配网d v r 装置的工作原理和系统组成 2 1引言 d v r 装置从总体上讲可分为两类：一类是基于相电压补偿、各相相互独立的相 电压补偿型( p h a s ev o l t a g ec o m p e n s a t i o n - - p v c ) d v r ，一类是基于线电压补偿、 各相相互关联的线电压补偿( l i n e v o l t a g ec o m p e n s a t i o n - - l v c ) 型d v r 。相电压 补偿型d v r 具有控制方便，可补偿零序电压的优点，但存在每相需设单独的功率 回路、功率器件多、体积大、造价高，且不易处理电压泵升等问题。线电压补偿型 d v r 则具有结构紧凑、功率器件少、易处理电压泵升问题、但无法补偿零序电压等 特点。 我国1 0 k v 中压配电网普遍采用中性点不接地系统，许多三相负载也多为无中 性线的对称负载。因此，本文介绍的是华北电力大学研制成功的容量1 2 k v a 的线 电压补偿型d v r 样机。 2 ，2l v c 型d v r 的结构介绍和工作原理 2 2 1l v c 型d v r 的结构介绍 搬蝴 图2 1l v c 型d v r 的主电路结构 华北电力大学电能质量研究所研制的d v r 样机的容量为1 2 k v a ，装置的电路 结构如上图所示。l v c 型d v r 适用于三相三线制系统。a ，b ，c 三相系统电压经 l o 华北电力大学工程硕士专业学位论文 过开关s 1 、接触器儿和熔断器，进入三相不可控二极管整流器。由整流器向电容 器c 1 和c 2 充电。整流器采用富士6 r 1 7 5 g 1 6 0 ，其参数为7 5 a 1 6 0 0 v 。在整流器 的直流侧加装了平波电抗l 1 和充电电阻r 1 。平波电抗器的作用是降低二极管整流 器交流侧电流波形的畸变率。充电电阻的作用是在电容器充电时降低充电电流。电 容器充电到8 0 的时候，将继电器k 1 合上，充电电阻被短路。图中用c 1 和c 2 表 示两组电容器，每组采用三个3 3 0 0 u f 的电容并联而成。电容器的均压是需要注意 的问题，通常采用加入均压电阻的方式。 本装置采用三相桥式逆变器输出能量。逆变器采用三菱公司智能功率模块 ( i p m ) 。考虑到装置的容量和一定的裕度，选用p m 7 5 c v a l 2 0 ，其参数为 7 5 a 1 2 0 0 v 。 图2 2i p m 模块内部结构图 o 僦 o 图2 3i p m 供电电路原理图 华北电力大学工程硕士专业学位论文 i p m 内部结构如上图2 2 所示，工作频率可达2 0 k h z ，其内部集成了i g b t 单 元、驱动电路以及保护电路。保护电路可以提供短路( 过流) 保护、温度保护以及 欠压保护。i p m 模块的供电需要提供4 路隔离的1 5 v 电源，为此采用专用集成电路 m 5 7 1 4 0 ( 如上图2 3 ) 。输入的2 0 v 电压经过m 5 7 1 4 0 后产生三路的3 0 毫安的1 5 v 供电回路和一路1 0 0 毫安的1 5 v 回路。前者给上三个桥臂供电，后者给下三个桥臂 供电。i p m 模块的驱动信号由d s p 的p w m 信号经过电平转换与光电隔离而来。四 路故障报警输出( f o ) 提供了读取桥臂状态的功能。正常运行时f o 保持高电平( 1 5 v ) 状态，在某一桥臂发生故障时，此桥臂的f o 输出1 0 毫秒的低电平脉冲信号。此 信号由d s p 的i o 口读入，从而在发生故障的情况下，封锁脉冲输出。 输出侧滤波器的设计是非常重要的工作，本样机综合考虑装置采用的开关频 率、滤波器损耗、谐波放大特性、基波相移特性以及串联谐振特性等，通过仿真计 算分析与实际调试相结合的方法，采用r 型l c 滤波器结构，参数为c = 6 u f ， l = 0 0 1 5 3 h 。 逆变器输出的补偿电压量通过串联变压器耦合进入主回路。系统需要测量的电 气量有电源侧电压、负载侧电压、负载电流、补偿电流和直流侧电压等。 2 2 2l v c 型d v r 的工作原理 由于l v c 型d v r 通过线电压补偿实现电压调节。因此，补偿算法只需采集某 两线电压，如图中“，c s t 经数字滤波及锁相后与参考电压比较，产生差值 u b ，u “然后经过均衡分配运算产生每相桥臂采用双极性s p w m 波相应的 u 。，a u b ，泸。该s p w m 波经r 型l c 滤波器，滤除开关频率成份后，输入到串接 变压器，串接变压器将补偿的线电压串联迭加到供电回路。 控制单元对系统电压的幅值及相位进行监测。当检测到电压瞬时突变时，依据 系统电压瞬时值、相位、参考电压及直流母线电压，给出逆变器控制p w m 信号。 逆变器p w m 输出开关频率通过综合考虑控制单元的响应时间、功率器件的功耗及 滤波器的成本选定。本装置选用1 3 2 k 的开关频率。d v r 装置的容量则依据需要补 偿负荷的容量及补偿的电压变动范围来确定。本装置为1 2 k v a 。 该装置用电力系统仿真软件p s c a d 进行了系统的仿真，仿真模型图2 4 所示。 检测算法采用瞬时电压d - q 分解法。 仿真结果如图2 5 所示，上部为系统发生故障时的故障波形、中部为补偿效果 图、底部为补偿电压波形图。由图可知，在发生故障的瞬间，a ，b 两相电压的幔 值发生了跌落，同时伴随着电压波形的相移，c 相电压幅值发 1 2 匝斟鼙掠驾冀n匝 一鬻百。翻t翻i嚣下 r俺巨广旧巨广旧匡rll 戗斌迥扑爿巾卅器舌!h扑k r 删罢导 华北电力大学工程硕士专业学位论文 生少许的上升。 从补偿效果图可以看出，d v r 装置可以有效地检测出系统电压暂降， 并在较短时间内将负荷端电压补偿至额定值。由补偿波形可以看出，系统电 压正常时，d v r 装置处于后备状态，不输出补偿电压。在系统发生电压暂降 事件后装置在很短的时间内就做出反映，将负载电压补偿到额定值。同时， 补偿后的负荷侧电压总谐波畸变率维持在国标以内。 贸f 斌q 搿x x 紧汴掰叙漱勰麓潲 然x 篡x ：；! ：蕊_ ；! ；) i 獠纂：基激哭熬涎荔、i 涎器。xk x ； i ；茹菡蒿1 五_ 蕊f 再f 磊i 百丽百k 图2 5故障和补偿效果仿真示意图 装置的输出电压经过滤波器和串联变压器后，会有一定程度的幅值损失， 从而使负载侧达不到要求的电压值，可以采用反馈控制的方法解决这个问 题。 2 3 各种类型d v r 的电路结构比较 l v c 型d v r 的主电路结构中各组成部分的设计以及可以采用的多种设 计方案分析： ( 1 ) d v r 能量源 本装置采用三相不可控整流的方式，从系统侧取得能量注入直流侧电容 ( c 1 和c 2 ) 。这样的能量流动方式保证了该装置可以长时间地补偿电压差 量。采用不可控二极管整流器降低了系统的造价和控制要求。其主要缺点是 能量只能从系统向电容器单向流动，从而在电压凸起时容易产生直流电压泵 升的现象。另外，电容器上的低频1 0 0 h z 纹波也是问题之一，它会导致逆变 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 器输出的补偿电压精度下降，增加了控制的难度。 除这种采用不可控整流器从系统取得能量的方式外，比较常用的还有 以下几种1 6 j ： a 利用可控整流器从系统取得能量。这样的做法克服了不控整流时能量只 能单向流动的特点，解决了电压凸起时的直流电压泵升问题。缺点是增 加了控制要求和系统的成本。 b 利用大电容储能。当系统末发生电压暂降时，系统通过逆变器给电容器 充电，当充电到一定数值时，d v r 装置从系统中切除；当系统发生电压 暂降时，逆变器向系统输出功率，在电容电压跌落到一定数值前，可以 基本维持用户电压不变。储能电容器的容量决定了d v r 在故障期间可以 提供的能量。其设计参数与系统容量以及补偿要求有关。随着超级电容 的出现，这种储能方式的应用前景十分广阔。 c 利用蓄电池储能。采用这种方式可以在储能单元之前向系统并联接入a c d c 变换器，从而起到充电器的作用，又可以采用电流控制方式补偿系 统的电流谐波和无功电流，起到a p f 的作用。这种储能方式目前也有相 应的应用实例。 d 其余的储能方式。包括超导储能( s m e s ) ，飞轮储能等等，飞轮储能的 主要组成部分是飞轮、轴承等。关键部分是轴承，摩擦小的轴承才能使 。 飞轮储能效率高。现有的电磁轴承摩擦小、寿命长，但是用来稳定和定 位飞轮的控制系统较复杂。与其他储能形式相比，飞轮储能效率高、寿 命长、没有污染、可以地下安装。超导储能是种新型的储能方式。具 有能量密度大、转换效率高、可四象限运行、冲放电快等优点。s m e s 应用的突出问题是成本较高，随着对超导储能的不断深入的研究，其成 本将会大幅度下降，其应用前景是十分广阔的。 ( 2 ) 逆变器 逆变器有半桥式、全桥式和推挽式等结构形式，推广到三相系统中，就 有三相全桥逆变器、三单相全桥逆变器和三相半桥逆变器等，不同结构的逆 变器有不同的功能。目前d v r 装置中使用较多的是前两种方式。三单相全 桥逆变器各相输出完全独立，可以补偿零序电压、控制简单，但是与全桥逆 变器相比器件成本较高。桥式逆变器都存在桥臂直通的问题，所以采用上述 这两种桥式逆变器结构都需要可靠的桥臂保护手段来防止桥臂直通问题。推 挽逆变器的最大优点是在任何时刻都只有最多一个开关器件工作，不存在桥 臂直通问题，在输出功率相同时开关损耗也较小，但是其功率器件的开关集 电极电压应力为电容电压的两倍，适用于低压的大功率变换器。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 3 ) 耦合方式 在不同的应用场合，d v r 与系统的耦合方式主要分为两种：采用串联变 压器耦合和采用电容器耦合。 1 采用串联变压器结构 这是国内外常用的耦合方式，这种方式的好处是可以采用升压变压器， 从而降低逆变器直流侧电压等级，在电压较高的应用中，这可以提高装置的 可靠性，同时可以更加灵活地选择开关器件。此种耦合方式另一个重要的优 点是将逆变器和电网隔离了，从而使得直流电容上的能量可以由系统整流得 到。这种耦合方式的缺点来自于串联变压器的非线性特性和其短路阻抗，但 它可以通过采用较高容量的变压器、电压闭环控制减少其影响。因此，在高 压配电网中，考虑到逆变器结构、开关器件容量、直流母线电压、装置成本 等各种因素，采用串联变压器是较好的选择。 串联变压器的设计与d v r 的主电路结构以及系统参数等有很大的关系。 从系统侧看，变压器原边( 即串入系统的一边) 的电压等级主要决定于系统 电压等级、暂降的幅度以及滤波器装设的位置。原边的电流容量和短路电抗 则都取决于负荷的额定电流和滤波器装设的位置。副边( 逆变器一侧) 电压 等级是由逆变器的输出决定的。当逆变器的结构可变时，其输出电压可变， 变压器变比也是可以变化的。应该根据逆变器的结构、装置成本、装置的性 能等方面考虑选择一个最优的变比。从逆变器侧看，串联变可以设计成升压 变压器也可以设计成降压变压器。如果采用降压变压器，逆变器电流容量可 以减小。但是，如果直流侧电压是通过不控整流的方式提供的，采用降压变 压器对减小电流容量的作用是非常有限的。如果设计成升压变压器，可以用 较低的直流侧电压获得较高的线路侧输出电压，不过逆变器的电流容量将相 应增加。 在实际的应用中，可以采用多抽头的升压变压器，这样可以适应多种逆 变器电路结构和控制算法。同时，一般加装输出侧滤波器，这样降低了串联 变压器的设计难度。 2 不采用串联变压器结构【7 】 由于采用串联变压器所带来的一些不便之处，在电压等级较低的应用中 也可以考虑省去串联变压器的使用，而采用电容器将d v r 补偿电压耦合到 系统中去。在没有串联变压器的情况下，逆变器的直流侧必须与电网隔离， 可以使用电源变压器达到这个目的。 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 荷 荷 图2 6电容器电压耦合示意图 上图2 6 为采用电容器耦合的两种典型电路，左图使用变压器t 1 接于整 流单元的前端。t 1 为工频变压器，这样做的好处是，可以通过改变变压器的 变比来改变直流侧电压幅度以满足补偿电压幅度的要求。一般设计成一定变 比的升压变压器( 从系统侧看) ，从而增加可补偿的最大电压。 右图在整流单元后加接了d c - - a c 变换器、变压器、a c d c 变换器。 整流单元输出的直流电压经过d c - - a c 变换器后成为较高频率的交流电压 ( 高于工频) ，变压器使用高频变压器。从而其体积将比工频变压器大大缩 小。两图中逆变单元输出端的电抗器与耦合电容器一起可以构成滤波电路， 从而改善了注入系统的电压波形。 在高压配电网的应用中，一般使用串联变压器将补偿电压注入，但是国 外也有学者提出使用电容器耦合的方式： 储能单元 a 开赏器件串并印 方式 储能单元 储能单元 储能单元 b 链式逆变器方式 图2 5高压配电网中电容器电压耦台方式 这两种结构都采用三个单相全桥的方式。a 图中采用开关器件串联分压。 这种结构需要注意串联功率器件之间的均压问题和并联桥臂之间的均流问 题。b 图采用将多个逆变器串联的方式，这种结构不需要考虑功率器件之间 的均压问题，但是各个逆变器的输出必须保持一致。 ( 4 ) 输出侧滤波器【8 】 在d v r 装置中，如果采用电容器耦合方式，则逆变器输出侧加装电抗 华北电力大学工程硕士专业学位论文 器和耦合电容一起构成滤波器。采用串联变压器耦合方式时，就必须加装额 外的滤波器。滤波器的安装位置有多种，不同的安装位置对于d v r 的性能 和串联变压器的设计都有很大的影响。采用串联变压器后，输出侧滤波器的 安装位置可能有以下的情况，如图中a ，b ，c 所示： 系统侧滤波器 t 2 荷 逆熏器僭潞蒗器 图2 6 输出侧滤波器安装位置图 如果在逆变器出口装设滤波器( a 处) ，那么将滤除输出电压中的高次 谐波( 主要是开关频率及其整数倍) ，这将降低串联变压器的设计容量。这 种方法最大的问题是滤波器容易带来补偿电压的相移以及幅度的衰减。因此 必须根据装置的容量设计相移小，衰减少的滤波器。同时还要对控制器的参 数进行优化设计，加入一定的补偿措施。 如果将滤波器安装于线路上( b 处) ，可以利用l 3 的设计消除串联变压 器漏抗分布参数的影响。同时由于l 3 ，c 3 的存在，使测量负载电流变得容 易，从而可以进行电流模式控制。但这种方式并没有解决串联变压器的设计 难题。如果采用串联变压器跨接电容器滤波的方式( c 处) ，则可以利用串联 变压器的漏抗作为滤波电感，但串联变压器仍然要承受高次谐波，同时这种 方式滤波效果也不是很好。 综合考虑设计的难度和装置应用的范围，华北电力大学电能质量研究所 研制的d v r 装置采用在图中a 处装设l c 滤波器的设计方案。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 1 引言 第三章d v r 装置投切策略研究 d v r 装景是串联在电源和负荷之间的电压源型电力电子补偿装置，在中 压配电网中，它大多采取串联变压器将装置补偿电压与系统电压进行耦合， 从而保持高敏感负荷电压波形在允许范围内。但串联变压器的使用会给电力 系统或重要用户带来一些问题，这些问题必须研究，并加以解决，拟出d v r 投入和退出电力系统时的保护方案，为实现“用户电力技术”装置投入实际 运行创造条件。 3 2 策略分析 串联型补偿装置d v r 作为串联在电力一次系统的电气一次设备，它的 类型可以归类到变压器类中，阻抗呈感性。其在电力一次系统中的状态有运 行、备用、故障和检修，相应的它与系统之间的操作有线路空载时投入、线 路带负荷时投入、装置故障时退出和装置正常定检时退出。下面对d v r 装 置应用中可能存在的问题进行具体分析。 3 2 1 线路空载时投入和退出 线路空载，即意味着重要负荷未启动和运行，此时对d v r 装置进行操 作使其投入电力系统运行或退出运行，由于负荷处于断电状态，因此其操作 不会对重要负荷有任何影响，会对电力系统有略微影响，但一般由于配电网 电力系统容量较大其影响也微乎其微。 3 2 2 线路带负荷时投入 线路带负荷，即意味着重要负荷通过与串联变压器并联的旁路带电运 行，此时对d v r 装置进行操作使其投入电力系统运行，会对重要负荷和电 网产生影响。 从用户角度考虑，由于d v r 装置是对电网电压敏感的用户供电，因此 该装置的投入应不降低供电系统的可靠性。这主要包括不降低供电连续性和 不降低供电电压质量。变压器自身的电感特性决定了通过其任意一侧的电流 不能突变，但变压器投入过程实际就是变压器电流由零突变到负载电流的过 程，必然导致变压器上出现电压尖峰，它会极大地降低用户端电压质量。另 外，投入过程中接触器的使用不可缺少，而接触器的动作不可能瞬时完成， 华北电力大学工程硕士专业学位论文 因此在投入过程中必然造成用户端短时断电，这有可能会对用电装置造成伤 害。 图3 1 基于p s p i c e 的s p q c 投入过程仿真 基于仿真软件p s p i c e 的串联型电能质量补偿器( s p q c ) 仿真模型如图 3 1 所示。在一般情况下，串联变压器只有根据负载特性，选择合适的投入 策略，才可以实现安全投入。但在实际现场调试过程中，发现采用目前的任 何一种投入策略都非常困难。因为在投入过程中，变压器原边总是出现很大 的电压尖刺，这一尖刺会在空间产生很大的电磁干扰，影响控制电路和开关 器件的正常工作。仔细分析可以发现，造成这一现象的原因是，在仿真当中 假设开关为理想开关，即可以瞬间完成开关动作，但实际是不可能的，即使 选择电力电子器件作为开关，也需要几十微秒的开关时间。另外，我们知道， 必须在j d 可靠断开之后才能闭合j b ，这是因为如果j d 末可靠断开就闭合 j b ，会造成s p q c 变换器的短路。而当检测到j d 可靠断开，再对j b 发出闭 合命令，到j b 可靠闭合为止，这一段时间内变压器原边是开路的。因此， 从j d 可靠断开到j b 可靠闭合这段时间内，负载电流要经过原边开路的变压 器副边。普通变压器的绕组自感是很大的，流过它的电流不能突变，而负载 电流从j d 转移到变压器副边必然导致变压器副边产生电压尖刺，经过耦合， 原边一定也会产生电压尖刺。所以，投入策略不能可靠实现的本质原因在于 变压器自身的大电感特性。 为此，文献【9 1 考虑设计了绕组自感很小的串联变压器，在原边开路情况 下，副边突然流过负载电流只能产生很小或根本不产生电压尖刺。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 2 2 1 变压器设计方法 ( 1 ) 变压器变比选择 串联变压器变比主要取决于s p q c 的补偿范围、直流电压和输出最大补 偿电压时的调制比。 k m v d c ( v l d 。) ( 1 ) 式中：卜一变压器的变比； m 最大调制比； v d 。直流电压； v 广负载电压