（电气工程专业论文）动态电压恢复器的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e f 气r c ho nd y n a m i cv o l t a g e r e s t o r e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n ds o c i a lc i v i l i z a t i o n ，e s p e c i a l l y t h ec o m i n go fk n o w l e d g ee c o n o m yp r e c u r s e db yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，m o r ea n d m o r ea u t o m a t i o np r o d u c t i o na s s e m b l i e sw h i c hh a v et h ec o m p u t e r sa n dm i c r o p r o c e s s o r s a st h ec o r ea n da r es e n s i t i v et op o w e rq u a l i t ya r eu s e d ，l i i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep u t f o r w a r dt op o w e rq u a l i t y p o w e rq u a l i t yc a l lb ec a t e g o r i z e di n t ot h r e ea s p e c t so fv o l t a g eq u a l i t y ，f r e q u e n c y q u a l i t ya n dp o w e rs u p p l y i n gr e l i a n c e m o s tp r o b l e m si np o w e rs y s t e ma r er e l a t e dw i t h v o l t a g eq u a l i t y t h ea p p l i c a t i o no fc u s t o mp o w e ri sq u i t ep r o m i s i n gi nd i s t r i b u t e ds y s t e m s 。i t b e c o m e so n eo ft h er e s e a r c he m p h a s e si nr e c e n ty e a r s i t so b j e c t i v ei st or e c o n s t r u c t d i s t r i b u t i o ns y s t e mi n t or e a lt i m ec o n t r o l l e da n df l e x i b l eo n e ，w h i c hh a sn of l i c k e r s ，n o a s y m m e t r y ，a n dn oh a r m o n i c s d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r ) i sa ni m p o r t a n t m e m b e ro fc u s t o mp o w e rf a m i l y i tc a np r o t e c t sc r i t i c a lc u s t o m e rl o a d sf r o mv o l t a g e d i s t u r b a n c e ss u c ha s v o l t a g eh a r m o n i c , f l i k e r ，s a g , s w e l l ，u n b a l a n c e ，a n dh a st h e a d v a n t a g eo fh i g hp e r f o r m a n c e p r i c e ，s oi ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h et h e o r ya n d o p e r a t i o no fd v r t h em a i nc i r c u i to fd v ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，a n dv o l t a g ed e t e c t i n gm e t h o d ， v o l t a g ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g ya n dc o n t r o lm o d e a r es t u d i e d t h ed e t e c t i n gm e t h o do fd v rn e e dd e t e c tn o to n l yt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nb u t a l s ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e nf u n d a m e n t a lw a v ec o m p o n e n ta n dr e f e r e n c ev a l u e ad v r v o l t a g ed e t e c t i n gm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hi si m p r o v e df r o mh a r m o n i cv o l t a g e i n s t a n t a n e o u sd e t e c t i n gm e t h o db a s e do ng e n e r a li 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 a m i n ga tt h es h o r t a g e so ft r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d e ，v o l t a g el o o pc o n t r o ls t r a t e g yi s a n a l y z e d an o v e lv o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e rb a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed v rc o m p e n s a t i o nv o l t a g e ，w h e nt h es y s t e mv o l t a g e sa r e u n b a l a n c e da n dt h ed e f i n i t i o no fv o l t a g et o l e r a n c eo ft h ed i f f e r e n tl o a d r o t a t i n gt h r e e u n b a l a n c e dv o l t a g ep h a s ed i a g r a m sa n du s i n gs y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o dp r e s e n t 一【tt 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h eo p t i m u mc o m p e n s a t i o nv o l t a g e t h es i m u l a t i o nc o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tt h e p r o p o s em e t h o dc a l lr e d u c em o r ed i s c h a r g ep o w e rb e t w e e nd v r a n ds y s t e mt h a nt h o s e u s i n gc o n v e n t i o n a lm e t h o d s ，a n de f f e c t i v e l ye x p a n d st h ec o m p e n s a t i o nr a n g eo fd v r a l o n gw i t ht h em a t u r eo ft h et e c h n o l o g ya n dt h ed e c r e a s eo ft h ec o s t ，d v rw i l l h a v eb r o a da p p l i c a t i o ni nd i s t r i b u t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：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 ，v o l t a g ed e t e c t i n g , v o l t a g e c o m p e n s a t i o ns t r a t e g y ，v o l t a g ec o n t r o l 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。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诚挚的谢意。 学位论文作者签名汐分为详 签字日期：驯，2 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校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。本人同意东北大学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、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名 签字同期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发 展水平的主要标志之一。 信息技术和高新技术的发展，使基于微处理器控制的设备得到迅速普及和发 展，人们越来越多地使用精密、复杂的电子设备，如计算机、通信设备以及各种 各样的过程控制系统来处理工作和事务，不少用户对电能的利用都要经过电力电 子装置的转换或控制。这些装置给人们的生产、生活带来方便和效率的同时，使 电力系统的非线性负荷明显增加、谐波污染加重，严重影响了电能质量，从而导 致矛盾的局面。 就全球范围而言，从8 0 年代末开始电力工业放松管制，引入竞争机制，开放 电力市场成为世界潮流。在电力市场运行机制下，不同的发电公司包括独立电能 生产者在发电侧实行竞争，输配电系统( 即电力公司) 与发电分离独立经营管理， 为发电公司和用户提供转送电能服务，用户侧也可以作为实体参加价格控制。在 这样一个开放和鼓励竞争的运行环境下，电网可以择优选择高质量、低价格的电 厂上网，电力用户也可选择电价合适、同时电能质量较高的供电公司来为其提供 电力。在这种机制的影响下，如何改善电能质量已经成为电力公司所面临的一个 重要课题，用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 由此应运而生。 1 1 电能质量问题的提出 电能质量问题的提出由来已久，在电力系统发展的早期，电力负荷的组成比较 简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，因此衡量电 能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压偏移两种。2 0 世纪8 0 年代以 柬，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了 广泛应用，同时，为了解决电力系统岛身发展存在的问题，直流输电和f a c t s 技 术不断投入实际工程应用，调速电机以及无功功率补偿电容器也大量投入运营。这 些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，谐波水平不断上升。另 外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等，运行中不仅会产 生大量的高次谐波，而且还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题。 但另一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人 们对电能质量的要求越来越高，因而电能质量成为目前研究的热点。 东北大学硕士学位论文第一章引言 1 1 1 电能质量的定义 虽然人们不断地提及“电能质量”这个术语，但是迄今为止，人们对电能质 量的定义却存在着不同的认识，还不能给出一个准确统一的定义。这是因为人们 看问题的参照系不同所致。例如供电部门定义电能质量为供电质量，包含电压与 频率的合格率、供电可靠性等；电力用户定义电能质量为提供的电源使生产设备 讵常运行的特性。事实上，电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的， 用户是电能的最终使用者。如果送达用户的电能其质量指标的变化不影响用户设 备的性能和寿命，那么电能质量就是合格的；反之，如果送达用户的电能其质量 指标的变化已影响到用户设备的正常运行、效率、产品质量及寿命，那么电能质 量就是不合格的。也就是说，用户的衡量标准应成为定义电能质量及其指标的主 要依据。i e c ( 1 0 0 0 2 2 4 ) 标准对电能质量的定义：电能质量是指供电装置在正 常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。 电能质量主要包括以下几项内容： 频率：我国交流电网的额定频率是5 0 h z ，这和世界上大部分国家是一致的， 也有一部分国家电网频率采用6 0 h z 。 电压：国家标准g b l 5 6 - - 9 3 标准电压对电力系统标称电压、电气设备额 定电压和电气设备最高电压作了规定。电压偏差是指电力系统电压缓慢变化时， 实际电压与系统标称电压之差。严格的讲，电压质量的含义包括对缓慢变化的电 压偏差的要求及对电压波动和闪变的要求，后者是快速的电压变动，由大型的电 弧炉或其它冲击性负荷引起的。 波形：电力系统交流电的波形必须是正弦波。对于三相系统来说，还要求三 相对称。 电网运行中的频率、电压可能与额定值产生偏差，波形也会发生畸变。我们 把电量实际值与额定值之差称作偏差，偏差可以用h z 、v 等表示，也可以用对额 定值的百分数来表示。波形畸变则可以用谐波含量来定量描述。 1 1 2 电能质量问题的分类 电能质量问题范围很广，但主要分为电流质量和电压质量问题。在实际系统 中，电压与电流有着紧密的联系。例如：短路产生的短路电流在经过电路阻抗造 成负载电压下降或完全消失；闪电产生的涌浪电流经过电力系统时会产生很高的 脉冲电压，导致用电设备绝缘损坏；由非线性负荷引起谐波电流流经系统时，产 生的畸变电压会影响其它的用户。显然，电流质量问题引起的后果会在电压质量 问题上体现出来。因此，本文讨论的电能质量问题主要是系统的电压质量。 2 东北大学硕士学位论文第一章引言 目前，世界各国对电能质量的定义都不完全相同。概括起来，电能质量主要包 括电压质量、频率质量和供电可靠性三个方面。对频率质量的要求全网相同，不因 用户而改变，本文不做详细介绍。决定电压质量的指标很多，针对过去各种扰动引 起电能质量问题( 干扰) 的提法不一，i e e e 第2 2 标准协调委员会和其他国际委员 会最新采用1 1 种专用术语来说明电压质量的主要扰动。 电压中断( 断电，i n t e r r u p t i o n ，o u t a g e ) ：在一定时间内，一相或多相完全 失去电压( 低于0 8 ( 标幺值) ) 称为断电。按持续时间长短，分为瞬时断电( 0 5 周 期3s ) 、暂时断电( 3s 6 0s ) 和持续断电( 大于6 0s ) 。 频率偏差( f r e q u e n c y d e v i a t i o n ) ：各国对此均已做出明确规定。 电压下跌( s a g ) ( 电压跌落，d i p ) ： 持续时间为0 5 周期至l m i n ，幅值为 o 1 0 9 ( 标幺值1 ，系统频率仍为标称值。 电压上升( 电压隆起，s w e l l ) ：电压或电流以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l m i n 。 瞬时脉冲( i m p u l s e ) ： 在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的电压 f 或电流) 变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极 性的阻尼振荡波第1 个尖峰。 电压波动( f l u c t u a t i o n ) 与闪变( f l i c k e r ) ：电压波动是在包络线内的电压的有规 则变动，或是幅值通常不超出0 9 1 1 ，电压范围的一系列电压随机变化。闪变 则是指电压波动对照明灯的视觉影响。 电压切痕( n o t c h l ： 电压切痕是一种持续时间小于0 5 周期的周期性电压扰 动。电压切痕主要由于电力电子装置在相关的两相间发生瞬时短路时电流从一相 转换到另一相丽产生的。电压切痕的频率非常高，用常规的谐波分析设备很难检 测出来，这就是过去从未有过此项电压扰动内容，直到最近才正式列入的原因。 谐波( h a r m o n i c s l ：含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。谐波是 由于电力系统和电力负荷设备的非线性特性造成的。 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ： 含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间 谐波。小于基波频率的分数次谐波也属于这一类。间谐波会使照明装置引发视觉 闪变。 过电压( o v e r v o l t a g e ) ： 电压( 或电流) 持续时间为大于l m i n ， 幅值为1 1 1 2 ( 标幺值) ，系统频率仍为标称值。 欠电e , ( u n d e r v o l t a g e ) ： 电压( 或电流) 持续时间为大于l m i n ，幅值为o 8 o 9 ( 标幺值) ，系统频率仍为标称值。 电能质量问题归纳起来主要包括以下4 个方面；电压波动( f l u c t u a t i o n ) 和 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 闪变( f l i c k e r ) ： 谐波( h a r m o n i c s ) ；电压三相不平衡( u n b a l a n c c ) ；电压降 低( d j p ) 和供电中断( o u t a g e ) 。 1 1 3 电能质量问题的危害 电网电压的偏差、不平衡、波动、瞬变、谐波对电网和其它系统的危害除了 会影响电能质量敏感负荷的正常工作外，还有以下几个方面： a 使电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率和 使用寿命； b 产生机械震动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热； c 导致继电保护和自动装置的误动作，并可能使电气测量仪表计量不准确； d 邻近的通讯系统产生干扰。轻者产生噪声、降低通讯质量，重者导致信息 丢失，使通讯系统无法正常工作； e 谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏； f 谐波还会导致公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这 就使得上述两种危害的可能性增大，甚至引起严重事故； g 在电压不平衡较严重时，会引起零点电位飘移，影响计算机的正常工作； h 电压波动和闪变对数字系统形成干扰，造成误动作； i 电网电压和频率的偏差、谐波含量、三相不平衡以及电压波动和闪交等，均 会直接影响电机的转矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。 1 1 4 传统解决电能质量问题的办法 解决电能质量闯题的方法分为两种。一种称之为负荷调接，就是设法使生产 设备本身降低对各种干扰的敏感程度；另一种方法就是安装补偿装置来抑制或抵 消电网中的干扰。这里主要讨论第二神情况。 目前电力企业对电能质量的控制手段仍主要依赖于对供电电压的调整。传统 的补偿方法有利用变压器分接头、有载调压变压器、加装并联电容器、同步调相 机、静止补偿器等调压方法。调节变压器分接开关进行调压，多为有载调压开关， 尤其是配电变电所，有载调压开关的调节甚为频繁。因为现在的用电负荷，尤其 是城市里，峰谷差距大，典型的一天内就有早峰和晚峰两个峰。导致有载调压开 关因此操作频繁，容易损坏，调节档数也设计得多而细，影响到有载分接开关本 身的可靠性，进而影响到变压器的j 下常运行。对电力企业而言，既大大增加了初 期投入和维护的成本，又增加了运行中的风险。投切固定电容器进行无功补偿调 压：一般的3 5 k v 电压等级的终端变电所，对于2 0 m v a 容量左右的配电变压器， 一般配置2 3 m v a r 的固定电容器，分若干级进行投切。这些静止型的调压手段， 4 一 东北太学硕士学位论文 第一章引言 闪变( f l i c k e r ) ： 谐波( h a r m o n i c s ) ；电压三相不平衡( u n b a l a n c e ) ；电压降 低( d i p ) 和供电中断f o u a g e ) 。 1 1 3 电能质量问题的危害 电网电压的偏差、不平衡、波动、瞬变、谐波埘电网和其它系统的危害除了 会影响电能质量敏感负荷的正常工作外，还有以下几个方面： a 使电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率和 使用寿命； b 产生机械震动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热； c 导致继电保护和自动装置的误动作，并可能便电气测量仪表计量不准确； d 邻近的通讯系统产生干扰。轻者产生噪声、降低通讯质量，重者导致信息 丢失，使通讯系统无法正常工作； e 谐波使电容器、电缆等设蔷过熟、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏； f 谐波还会导致公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这 就使得上述两种危害的可能性增大，甚至引起严重事故： g 在电压不平衡较严重时，会引起零点电位飘移，影响计算机的正常工作； h 电压波动和闪变对数字系统形成干扰，造成误动作； i 电劂电压和频率的偏差、谐波含量、三相不平衡以及电压波动和闪变等，均 会直接影响电机的转矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。 1 1 4 传统解决电能质量问题的办法 解决电能质量问题的方法分为两种。一种称之为负荷调整，就是设法使生产 设备本身降低对各种干扰的敏感程度；另一种方法就是安装补偿装置来抑制或抵 消电嘲中的干扰。这里主要讨论第二种情况。 目前电力企业对电能质量的控制手段仍主要依赖于对供电电压的调整。传统 的补偿方法有利用变压器分接头、有载调压变压器、加装并联电容器、同步调相 机、静止补偿器等调压方法。调节变压器分接开关进行调压，多为有载调压开关， 尤其是配电变电所，有裁调压丌关的调节甚为频繁。因为现在的用电负荷，尤其 是城市里，峰谷差距大，典型的一天内就有早峰和晚峰两个峰。导致有载调压开 关因此操作频繁，容易损坏，调节档数也设计得多而细，影响到有载分接开关本 身的可靠性，进而影响到变压器的正常运行。对电力企业而言，既大大增加了初 期投入和维护的成本，又增加了运行中的风险。投切固定电容器进行无功补偿调 压：般的3 5 k v 电压等级的终端变电所，对于2 0 m v a 容量左右的配电变压器， 一般配最2 r - 3 m v a r 的固定电容器，分若干级进行投切。这些静j 型的调压手段， 一般配嚣2 3 m v a r 的固定电容器，分若干级进行投切。这些静止型的凋压手段， 一4 东北大学硕士学位论文 第一章引言 闪变( f l i c k e r ) ： 谐波( h a r m o n i c s ) ；电压三相不平衡( u n b a l a n c c ) ；电压降 低( d j p ) 和供电中断( o u t a g e ) 。 1 1 3 电能质量问题的危害 电网电压的偏差、不平衡、波动、瞬变、谐波对电网和其它系统的危害除了 会影响电能质量敏感负荷的正常工作外，还有以下几个方面： a 使电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率和 使用寿命； b 产生机械震动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热； c 导致继电保护和自动装置的误动作，并可能使电气测量仪表计量不准确； d 邻近的通讯系统产生干扰。轻者产生噪声、降低通讯质量，重者导致信息 丢失，使通讯系统无法正常工作； e 谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏； f 谐波还会导致公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这 就使得上述两种危害的可能性增大，甚至引起严重事故； g 在电压不平衡较严重时，会引起零点电位飘移，影响计算机的正常工作； h 电压波动和闪变对数字系统形成干扰，造成误动作； i 电网电压和频率的偏差、谐波含量、三相不平衡以及电压波动和闪交等，均 会直接影响电机的转矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。 1 1 4 传统解决电能质量问题的办法 解决电能质量闯题的方法分为两种。一种称之为负荷调接，就是设法使生产 设备本身降低对各种干扰的敏感程度；另一种方法就是安装补偿装置来抑制或抵 消电网中的干扰。这里主要讨论第二神情况。 目前电力企业对电能质量的控制手段仍主要依赖于对供电电压的调整。传统 的补偿方法有利用变压器分接头、有载调压变压器、加装并联电容器、同步调相 机、静止补偿器等调压方法。调节变压器分接开关进行调压，多为有载调压开关， 尤其是配电变电所，有载调压开关的调节甚为频繁。因为现在的用电负荷，尤其 是城市里，峰谷差距大，典型的一天内就有早峰和晚峰两个峰。导致有载调压开 关因此操作频繁，容易损坏，调节档数也设计得多而细，影响到有载分接开关本 身的可靠性，进而影响到变压器的j 下常运行。对电力企业而言，既大大增加了初 期投入和维护的成本，又增加了运行中的风险。投切固定电容器进行无功补偿调 压：一般的3 5 k v 电压等级的终端变电所，对于2 0 m v a 容量左右的配电变压器， 一般配置2 3 m v a r 的固定电容器，分若干级进行投切。这些静止型的调压手段， 4 一 东北大学硕士学位论文第一章引言 调节不连续，分级调节经常导致欠补偿和过补偿，反应速度慢f 一般为l o o m s 数量 级) ，难以胜任现代供电复杂而快速的调压需要。而且这些方法对稳态电压质量问 题如过电压和欠电压有一定作用，对电网发生故障造成的电压突升、跌落、不对 称、波动等暂态电能质量问题却不能实时、动态地对电能质量进行有效的补偿。 采用l c 无源滤波器可以降低谐波电流和补偿无功功率，由于其结构简单、投资 小，故一直被广泛使用。但这种方法最大的缺点就是其性能要受到电网阻抗和运 行参数的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波电压放大，使l c 滤波器过载 甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果不是很理想。 从以上我们可以看到，传统的补偿方法不能很好的解决当前的电能质量问题， 这就要求我们寻求一些新方法、新途径。 1 2 用户电力技术 随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，近年来在提高 配电网电能质量和供电可靠性方面出现了一种崭新的控制方法 基于现代电力电子技术的“用户电力技术”( c u s t o mp o w e r ) 。 1 2 1 用户电力技术的概念 美国著名的电力专家n g h i n 伊a n i 分别于1 9 8 6 年和1 9 8 8 年提出“灵活交流 输电系统 ( f a c t s - - f l e x i b l ea ct r a n s m i s m o ns y s t e m ) 和“用户电力”( c u s t o mp o w e r ) 两个概念。 基于电力电子技术的柔性交流输电系统( f a c t s ) 通过控制电力系统的基本参 数来灵活控制系统潮流，使输送功率更接近线路的热稳定极限，是提高输电系统 输送容量的有效措施。目前主要的f a c t s 装置有：静止无功补偿器( s v c - - s t a t i c v a tc o m p e n s a t o r ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m s t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r ) 、可控串联补偿电容器( t c s c t h y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e s c o m p e n s a t o r ) 、统一潮流控制器( u p f c - - u n i t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 等。其 中串联补偿装置如t c s c 等可使得输电线路的阻抗交小，相当于缩短了输电线路 的长度，因此是提高系统输送容量和暂态稳定性的重要手段；而并联装置 s t a t c o m ，通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压稳定，因此是抑制系 统电压波动、闪变和提高系统稳定性特别是电压稳定性的有力工具；u p f c 则综 合了串、并联补偿的功能，能对线路电压、阻抗、相位进行控制，从而实现控制 潮流、阻尼振荡、提高系统稳定性等。 而作为f a c t s 技术在配电系统应用的延伸一一用户电力技术( 也有称 d f a c t s 技术) 成为改善电能质量有力工具。n g h i n g o r a n i 提出的用户电力这个 5 一 东北大学硕士学位论文 第一章寻| 言 概念包含两层意思：第一层是电力供应商将为它们的用户提供增值的电能，即以 较少的供电中断和电压波动为电力用户提供高质量的电能；第二层意思指的是为 达到此目的，必须对目前遇到的各种问题采用综合性的解决办法，而这些解决办 法最突出的特点是在配电系统的供电端使用电力电子控制器。具体的说，用户电 力技术是将电力电子技术、微处理器技术、控制技术等高新技术用于中、低压的 配电系统，以减少电网中存在的谐波，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的新型的综合技术。用户电 力技术为电力供应商在系统侧以最经济的方法综合解决电能质量问题提供了一种 新途径。 从以上的介绍可以看出f a c t s 技术和c u s t o m p o w e r 技术都是电力电子技术 在电力系统中的应用，这是他们的共同之处，但有必要将二者区分一下。首先， 二者的应用范围不同。f a c t s 主要应用于高压的输电系统，而用户电力技术用于 中、低压的配电系统；其次，二者的控制目的不同。f a c t s 设备的主要作用是调 整线路的参数，控制线路的潮流，提高输电线路的传输极限，使输电线路的潮流 能按照预定计划实现控制，提高全网的经济性；而c u s t o mp o w e r 设备主要是用来 提高供电质量，即减小谐波畸变、电压波动与闪变、消除各相电压不平衡，使电 压的幅值和功率因数符合要求并保证供电可靠性。 用户电力技术与配网自动化技术相结合不仅满足特殊负荷对供电质量的严格 要求，而且满足一般用户对电能质量的要求，是配电网成为能够提供不同质量电 能的柔性化配电系统以满足电力工业发展的需要。 1 。2 2 用户电力技术的介绍 ( 1 ) 静止补偿器 由于电力电子技术的飞速发展，使用大功率可关断晶闸管( g t o ) 器件代替普 通的晶闸管构成的无功补偿器已开始进入实用阶段。这种装置称为静止补偿器 fs t a t i cc o m p e n s a t o r ，简称s t a t c o m ) ，或称为新型静止无功发生器( a s v g ) 。 s v g 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上， 适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧就可 以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 s t a t c o m 与s v c 相比，具有一些突出的优势： as v c 是由无源器件( 电感、电容) 产生无功功率，当s v c 运行于电压调节范 围以外时，输出电流与电压成比例，即电压降低时，输出无功电流( 补偿容量) 也小， 这点是不希望的，也是s v c 特性不如同步调相机( 输出电流与电压无关) 的最重要之 处。而s t a t c o m 是有源结构，i 圭j g t o 逆变器和直流电容构成，通过控制g 1 0 的通 6 东北大学硕士学位论文 第一章引言 断在三相之间实现能量交换，从而产生所需的无功电流。当电压降低时， s t a t c o m 仍然可以产生较大的电容性电流，而与电压无关。 b s t a t c o m 有较大的过负荷能力，g t o 的开断容量可以达1 2 0 1 8 0 稳态额定容量，过负荷的持续时间可超过1s 。 c 可控性能好，其电压幅值和相位可茯速调节，典型值为几个毫秒。它的端 电压对外部系统的运行条件和结构变化不敏感。因此，s t a t c o m 不仅可以得到 较好的静态稳定性能，而且可得到较好的大干扰故障下的暂态稳定性能。由于 s t a t c o m 中电容器容量较小，在电网内普遍使用也不会产生低频谐振。 ds t a t c o m 的谐波含量比同容量s v c 的低，因为s t a t c o m 可由多逆变桥 串并联连接，并通过曲折组变压器进行叠加后，可以达到较理想的正弦电压和电 流波形。 e 如果在s t a t c o m 装置的直流侧安装电磁蓄能装置，它不仅可能调整无功 功率，而且还可以调整有功功率。这是一种很有吸引力的紧急控制措施。 f 有源电力滤波器 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 实际上是由全控电力电子器件 构成的采取p w m 控制的逆变器，提供与谐波电流大小相等，极性相反的补偿电流， 使电网只含有基波电流，同时还可以提供无功电流，补偿电网无功功率。其优点 是对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率同时进行补偿；可连续调节且 响应迅速；另外，a p f 在无功功率补偿时无需贮能元件，补偿谐波时所需贮能元件 容量也不大，因此体积小。 它与无源滤波器相比，有以下特点： a 不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在 性价比上较为合理。 b 滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。 c 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快 速响应性等特点。 a p f 随着高功率大电流全控器件的发展，基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬 时检测方法得以迅猛发展，目前进一步研究的内容主要集中在如何提高性价比、 多功能化和小型化、与无源滤波器的结合等方面。 f 3 ) 单位功率因数变流器 与补偿无功功率和谐波的方法相比，更为积极的方法是不产生谐波且功率因 数为1 的新型变流器，即单位功率因数变流器( u n i t y p o w e r f a c t o r c o n v e r t e r ) 。 大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要方法是采用多重化技术。如果 7 东北大学硕士学位论文 第一章引言 要求总功率因数为1 ，甚至提供超前的无功功率，则一般须使用自换相变流器。对 电流型变流器，多重化就是将方波电流叠加，使得输入电流为接近正弦的阶梯波， 或提高位移因数。其联结方式有串联和并联多重化，而控制方式则有移相、顺序 控制、非对称控制和滞后超前控制多重化等几种形式。对电压型交流嚣，必须用 连接电感和交流电源相连，大都用移相多重化，将方波电压叠加，使其在电网侧 产生接近正弦的阶梯波电压，且与电源电压保持适当的相位关系，从而使输入电 流为与电源电压同相位的正弦波。如果需要，可以控制输入电流的相位，使变流 器能对无功功率进行补偿。多重化技术若配合p w m 控制技术，可获得更为理想的 效果。 中等容量的单位功率因数变流器主要采用p w m 整流技术，一般需要使用自关 断器件。以前对p w m 逆变器研究较多，而对p w m 整流器研究较少。对电流型整流 器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行p w m 调制，使输入电流为接近正弦 且与电源电压同相的p w m 波形，从而得到接近1 的功率因数。对电压型整流器，需 将整流器通过电抗器与电源相连。 使电力电子装置本身不产生谐波和无功是一种积极的节能降耗的措旃，能获 得巨大的经济效益。因而对单位功率因数变流器的研究近年来已成为电力电子领 域的一大热点。 h 1 超导磁能 超导磁能( s m e s ) 的原理是将电网交流电源转换成直流后利用超导线圈以磁 能的形式储存起来，在需要时，再将储存的磁能转变为电能送回电网，其返回效 率极高，可达9 0 9 5 。s m e s 通过大功率电力电子设备和电网连接，响应速度 极快，能适应高电能质量的要求。 s m e s - 一般由4 个部分组成，包括超导线圈和与电网联接的电力调节系统两个 主要部分，以及冷却系统和控制管理系统两个辅助部分，以并联方式与电网连接。 s m e s 可分为大型、中型和小型三类，这不仅是容量上的差别，主要是作用各不相 同。用于改善暂态电能质量的主要是小型s m e s ，主要功能是抑制闪变、电压骤降 和瞬时断电保护。 ( 5 ) 固态断路器( s s c b ) 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危险后果。 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。用g t o 清除非常大的故障电流是不经济的，所 以，s s c b 在配电系统中的配置需要与常规的机械断路器配合使用，以节约投资。 8 东北大学硕士学位论文第一章引言 s s c b 还有其它的用途：可以两台联动成为s s t s ；同电抗器串联作固态限流器 ( s s c l ) 用；可以用作大电动机的软启动器；也可以做配电系统的母联开关。但是， 固态断路器应用还存在以下技术难点。 a 由于功率半导体器件的额定电压和额定电流较低，在构成高压大功率断路 器时，难以解决各串并联器件驱动脉冲的同步控制问题。 bg t o 过载能力低，难以同下游断路器实现整定配合。 ( 6 ) 动态电压调节器 动态电压恢复器( 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 ) 是串联在线路上的，d v r 通 过串联变压器在馈线上以电压叠加的方式注入配电系统，用于消除系统对负荷侧 的不利影响。d v r 使用i g b t 或l g 嘴固态可关断器件。本文在后面的章节中将 对其进行详细的介绍。 除了以上介绍的d f a c t s 技术和相关装置外，还有： ( 1 ) 固态串联补偿器( s s s c ) 。适于补偿支路上一个特殊负荷的谐波和闪变以避 免影响其它支路的负荷。 ( 2 ) 统一潮流调节器( u p f c ) 。综合了s w 汀c o m 和s s s c 的优点，而且当负荷 侧的有功需求变化时，u p f c 可以平衡这个变化。 ( 3 ) 不问断t 蝴, ( u p s ) 。对于极端重要的负荷，需要u p s 作为备用电源。u p s 有两种：超导磁体储能系统( s m e s s ) 和电池储能系统( b e s s ) 。u p s 是解决电压中 断的有效方法，同时也能抑制电压暂降。当u p s 采用在线方式对，暂降就从本质上 得到抑制。采用离线方式时，只要转换速度足够快( 采用快速固态开关，切换时间 可控制在1 0 m s 之内) ，电压暂降几乎不会对设备造成影响。 ( 4 ) 铁磁谐振变压器。其特点是可在输入电压较大的变动范围内提供较稳定的 输出电压。 ( 5 ) 故障电流限制器与断路器( c l d 和c li d ) 。随着电力系统容量的提高， 会引起短路电流水平的不断提高。单纯提高断路器的开断容量是不经济的，有必 要用故障电流限制器来限制短路电流的增长。 1 3 课题背景 电能质量问题除了包括众所周知的电流波形畸变问题、稳态电压问题和电能 可靠性问题之外，还包括未被人所熟知、所重视的动态电能质量问题。尤其是近 几年来，基于计算机、微处理器的管理、分析、检测、控制的用电设备和各种电 力电子设备的大量使用，它们对于系统比一般的电机设备更加敏感，对供电质量 要求也更苛刻，不论系统是处于i e 常稳态还是故障暂态，均需保证幅值偏差很小 9 东北大学硕士学位论文 第一章引言 ( 如只容许在额定值的1 0 或更小的范围内波动) 的基波正弦电力的可使用性， 即高动态稳定特性，而哪怕几个周期的供电中断或电压跌落都会影响这些设备的 正常工作。虽然各种电能质量问题对系统造成的危害还在研究中，但是电压跌落 和供电中断已被认为是影响设备正常工作、安全运行的最严重的动态电能质量问 题，其中尤其以电压跌落更为严重。 1 3 1 电力系统中的电压跌落 对于电压跌落，美国电力电子工程师协会( i e e e ) 用语为v o l t a g es a g ，国际 电工委员会( i e c ) 用语为v o l t a g ed i p 。为了统一起见，这里采用i e e e 规定v o l t a g e s a g 。i e e e 对电压跌落是这样定义的：电压或电流的有效值降至额定值的1 0 9 0 ，持续时间为o 5 个周期至一分钟。 前面说过，电压跌落和电压中断是最严重的电能质量问题。而这两者相比较， 电压跌落更易发生。这主要是因为当系统发生故障，通常只会引起发生故障的馈 线下游的短时供电中断，但会引起相邻馈线上所有负荷的电压跌落，自动重合闸 也会使电压跌落成倍的增加。据统计，因电压跌落引起的事故次数大约是因完全 供电中断引起事故次数的1 0 倍。 1 3 2 引起电压跌落的原因 引起电压跌落的原因很多，但主要是雷击、短路故障和大型异步电动机启动 等。