（电力系统及其自动化专业论文）动态电压恢复器及其补偿量检测方法的研究.pdf

声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文动态电压恢复器及其补偿量检测 方法的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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的研究成果，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 任何贡献均已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：丝墼垩 日 期： 知够d 扣 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4 4 二；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：丛垫垩 日期：? 缈 导师签名：丕兰笙 日期：碰! 兰! ! 兰 华北电力人学硕十学位沦文 第一章引言 随着我国技术经济的高速发展及科技进步，大容量用电负荷设备同益增多， 半导体、计算机技术等构成的微电子装置和自动化生产流水线迅猛发展，并已广泛 渗透到高新技术领域的生产控制过程。这些计算机设备、微电子设备以及电力电子 设备等敏感负荷的不断增加，使得电力用户对配电系统供电质量的要求越来越高。 高质量的电力供应已经成为现代社会生产、生活正常进行的基本条件。 理想状态的公用电网应以恒定的频率、j 下弦波形和标准电压对用户供电。但 由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、冲击性负荷的不断增 加( 如冶金、化工、矿山等部门大量使用品闸管整流电源和电弧炉；工业生产中大 量使用变频调速装置；电气化铁道中采用单相整流供电的机车；高压直流输电中的 换流站等) ，以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因可能导致电源电压波动和 闪变、产生高次谐波、造成三相不平衡等电能质量问题。不良的电能质量问题可能 引起工业生产过程非计划的停产或设备故障，导致用户的生产成本增加，造成巨大 的经济损失【l l 。 由上面我们可以看出电能质量问题无论在发、供电方还是在用户方都引起了 越来越多的重视，提高电能质量，实现提供不同标准的电能质量是电力行业的一个 重要的课题。 1 1 电能质量 1 1 1 电能质量的概念 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。国际电力电子工 程协会i e e e 对电能质量的定义是：“合格电能质量的概念指给敏感设备提供的电力 和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的”。并已正式采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电 能质量) 这一术语。国际电工委员会i e c 没有采用“p o w e rq u a l i t y ”这一术语，而 是提出使用“e m c ”( 电磁兼容) 的概念，它对电磁兼容的定义是：“系统或设备在 所处的电磁环境中能f 常工作，同时不对其他系统和设备造成二f 扰”。指出和强调 设备与设备之间、电源与设备之间的相互作用和影响，并确定了谐波电压的兼容性 水平。e m c 采用“排放”反映电流质量问题，表示设备产生的电磁污染；采用“抗 扰”反映电压质量问题，表示设备免除电磁污染的能力【j 川。 国内外对电能质量确切定义至今尚没有形成统一的共识。对电能质垃的范畴、 定义、供用电双方的认识，以及电能质量下降的起因等诸多问题仍存在不同的认识 和理解，使用的相关名词和术语未能达成统一。供电方关心的是电压、频率的合格 l 华北电力人学硕+ ! 学能论文 率，以及供电可靠性。而用户更关心正在运行的用电设备是否可以正常运行。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，电能质量问题的定义无疑应 当从用户的角度出发，而且伴随电力市场的形成和发展。电能作为一种商品，同其 他商品一样都要遵循经济规律，最终将面临买方市场，因此电能质量的优劣，电力 用户的衡量标准将占主导地位。目前大多数专家认为，对现代电能质量的定义应理 解为：“导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备 故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题【5 j 。 1 1 2 电能质量问题的分类 为了能系统地了解、熟悉和研究电能质量问题，并能在工作中对电能质量问题或 测量结果进行分析和判断，从而找出引起电能质量问题的根本原因和采取针对性的 解决方法，将电能质量现象进行科学、合理的分类是非常重要的。国际电力电子工 程师协会i e e e 根据电压扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等将其进行了细分， 并对供电系统典型的电磁干扰现象进行了特征分类，初步建立了“电能质量”概念 体系【6 j 。 ( 1 ) 瞬变：它表示一种并不希望而事实上又瞬时出现的事件。主要包括冲击 性瞬变和振荡性瞬变。冲击性瞬变是指电压、电流稳态条件下，非工频、单极。1 - 2 ：( h j 主要为正极性或负极性) 变化的突然现象；振荡性瞬变是指电压、电流稳态条件下， 非工频且又正负极性变化的突然现象。 ( 2 ) 短时间变动：指由于系统故障、大容量负荷启动时的大电流或与电网松 散连接的间歇性负荷运行所导致的短时电压或电流变动。表现形式包括间断、电压 凹陷和电压凸起。 电压间断：电压或电流有效值减小到0 1 p u 下且不超过1 分钟的情况。 电压凹陷：工频条件下电压和电流有效值减小到0 1 o 9 p u 间，且持续时 间为0 5 个工频周波到1 分钟。 电压凸起：工频条件下，电压和电流有效值上升到1 1 1 8 p u ，且持续时 间为0 5 周波到1 分钟。 ( 3 ) 长时间变动：是指工频条件下，参量均方根值偏差持续时间超过1 分钟的 情况。包括过电压、欠电压和持续间断。 过电压：工频交流电压有效值升高，超过额定值1 0 ，并且持续时i 白j 大于 1 分钟。 欠电压：工频交流电压有效值降低，小于额定值的9 0 ，并且持续时间大 于1 分钟。 华北也力人学硕+ 学位论文 持续间断：供电电压跌落为0 ，持续时f 白j 超过1 分钟的电压变动情况。 ( 4 ) 电压不平衡度：是指三相电压( 或电流) 的平均值的最大偏差。并且用 该偏差与平均值的百分比表示。 ( 5 ) 波形畸变：是指电压或电流波形偏离稳态工频f 弦波形的现象，用偏移 频谱表示。包括直流偏置、谐波、间谐波和陷波。 直流偏置：交流系统中出现直流电压或电流； 谐波：以工频整数倍频率运行的电压或电流； 间谐波：以工频非整数倍频率运行的电压或电流； 陷波又称电压缺口：持续时间小于0 5 个周波的周期性电压扰动，主要是 电力电子装置换相所造成； 噪声：指带有低于2 0 0 k h z 宽带频谱，混迭在电力系统的相线、中性线或信 号线中的有害干扰信号。 ( 6 ) 电压波动：是一种随机电压变动，幅值不超过0 9 1 1p u 。由于电压 波动可使照明负荷形成闪烁，因此刃i 称为电压闪变。 ( 7 ) 工频变化：是指电力系统基波频率偏离规定f 常值的现象。 1 1 3 电能质量影响因素及其危害性 电能质量直接关系到电力系统的供电安全和供电质量，从技术上讲，影响电能 质量的因素主要包括三个方面【5 j ： ( 1 ) 自然现象的因素，如雷击、风暴、雨雪等对电能质量的影响，引起电网 发生事故，造成供电可靠性降低。 ( 2 ) 电力设备及装置的自动保护及正常运行的因素，如大型电力设备的启动 和停运、自动开关的跳闸及重合等对电能质量的影响，使额定电压暂时降低、产生 波动与闪变等。 ( 3 ) 电力用户的非线性负荷、冲击性负荷等大量投运的因素，如炼钢电弧炉、 电气化机车运行等对电能质量的影响，使公用电网产生大量的谐波干扰、产生电压 扰动、产生电压波动与闪变等。 电网的电压波动、电压跌落、电压突升、电压谐波、三相不平衡以及电流谐波 等是比较常见的电能质量问题，其中电压跌落和电压间断是目前影响最大的电能质 量问题。这些电能质量问题对公用电网和用户的影响包括下面几个方面【7 删j ： ( 1 ) 电压跌落使冷却控制器、芯片测试仪、可编程控制器等停止工作，导致 生产损失。直流电机的电压低于8 0 时，可能造成跳闸事故。变频调速器电压低于 7 0 ，持续时间超过1 2 0 m s 时，可能被退出运行等。 1 华北电力人学硕十学位论文 ( 2 ) 电压的波动和闪变会干扰计算机等f 乜压敏感型电子设备和仪器的正常运 行。使人眼疲劳而降低工作效率，可能对数字系统形成干扰造成误动。 ( 3 ) 电网中的谐波含量增加会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接 地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热等。还会引起变电站局部的并联 或串联谐振，造成电压互感器等设备损坏；造成变电站系统中的设备和元件产生附 加的谐波损耗，引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并 加速绝缘材料的老化；造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的丌断容量； 造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作；影响电子仪表和通信系统的f 常工 作，降低通信质量；增大附加磁场的干扰等。 ( 4 ) 三相电压不对称会影响变换器及其控制系统的正常工作并改变其设计性 能，从而产生某些附加的非特征谐波分量；会造成旋转电机的转子受到反方向的负 序旋转磁场的作用，该磁场切割转子产生双倍频率附加电流，引起电机发热甚至烧 毁。 1 1 4 电能质量的标准 随着电能质量问题受到人们的日益关注，对电能质量标准也提出了更高要求。 过去仅采用电压合格率、频率合格率、波形畸变率来衡量电能质量标准已经不适合 现状。世界各国以及国际组织( 如i e e e 、i e c 等) 对电压偏差、谐波、不平衡制定 了一系列的标准。制定电能质量标准是为了保证f 乜力系统的电能质量，使系统工频 电压波形保持在合格的范围内，满足各种用电设备的正常工作要求，以保证电力系 统用户的安全、经济运行。 i e e e 一5 1 9 是i e e e 制定的关于谐波的标准。 i e c 6 1 0 0 0 3 是国际电工委员会制定的电压波动与闪变的标准。 我国在参考了国际电工委员会i e c 6 1 0 0 0 系列标准和电气与电子工程学会i e e e 标准后，已经补充颁布了符合我国国情的电能质量系列国家标准。现在已经有六项 电能质量方面的标准【1 0 1 5 】： ( 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 卜2 0 0 1 ) 华北电力人学硕十学位沦文 电压偏差的标准g b l 2 3 2 5 9 0 乜能质超供电电压允许偏差如下所示 表1 1 电能质量供电电压允许偏差 电压等级电压允许偏差范甬( ) 3 5 k v 及以上止、负偏差绝对值之和不超过1 0 1 0 k v 及以下 7 2 2 0 v 单相供电电压 + 7 一1 0 表1 2 电压波动允许值 额定电压( k v ) 电压波动允许值v ( ) 1 0 k v 及以下( l v ) 2 5 3 5 - 11 0 k v ( m v )2 2 2 0 及以上( h v )1 6 表1 3 我困各等级电乐谐波畸变率的标准 电网标称电压电压总谐波畸变率 各次谐波电压畸变率( ) ( k v )( ) 奇次偶次 0 3 85 04 02 0 61 04 03 21 6 3 56 63 o2 41 2 11 02 0 1 60 8 国标( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 电能质量三相电压允许不平衡度规定：电力系统 公共连接点正常电压不平衡度允许为2 ，短时不得超过4 。 暂态过电压和瞬态过电压的国家标准g b ! q l8 4 81 2 0 0 l 电能质量暂时过电压 和瞬态过电压。该标准主要按过电压的波形特j 鼍分为两大类，因为是过电压波形， 5 华北电力火学硕士学位论文 幅值和持续时间决定了对设备绝缘和保护装置的影响，“暂时过电压”是指其频率 为工频或某谐波频率且在其持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压；“瞬态过电 压”为振荡的或非振荡的，通常衰减很快，持续时f 刚只有几毫秒且为缓波前的( 例 如一些操作过电压) 或几十个微秒且为快波自订的( 例如一些雷电过电压) 的过i l ：! l 压。 各类过电压典型波形如表1 4 所示。 表1 4 各类过电压的典型波形 瞬态过电压 分类 暂时过电压 缓波前快波前陡波前 电压 n 八八 1 0 芝爪舫汀 i _一 0 5 波形 一弋 u f心 仉7八 一 |t l 0 蜴 7 1 l t i 、一， h oh p 卜 。 砌t 2。t 2。 7 = ， 。 3 n s t i 1 0 0 n s 1 0 h z f 5 0 0 h z2 0 1 t s tj 5 0 0 0 9 s 0l p s t i 2 0 9 s 03 m h z 厂l 1 0 m h z 范围 0 0 3 s t d 3 6 0 0 st 2 2 0 m s t 2 3 0 0 u s 3 0 k h z f 2 3 0 0 k h z t d 3 m s 注：陡波前的标准试验波形及耐受试验在考虑中，本标准中暂不涉及。 过电压标准规定了暂时和瞬态过电压要求。由于暂时过电压和瞬态过电压主要 和电气设备绝缘有关，也和所采用的保护方法有关，因此将标准中的范围限定在“规 定了交流电力系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压要求、电气设备的 绝缘水平，以及过电压保护方法”。标准中仅选取了引用标准中少量的条文，实际 执行中必须参照相关的专业标准，这在标准条文中作了明确说明。同时将属于其他 原因( 静电、触及高压系统以及稳态谐波等) 造成的过电压排除在外。 1 1 5 电能质量的补偿方法 电能质量控制与治理的措施主要包括两个方面：一是提高电能质量和可靠l t - ； 二是提高用电设备的抗干扰能力6 。73 。 ( 1 ) 提高发电、供电、配电系统的电能质量和可靠性。通过电力设备及装置 的正常使用和自动保护，控制大型电力设备的启停、自动开关的跳闸及重合等。 ( 2 ) 提高电力用户终端设备容许干扰的能力。通过控制用户终端的非线性负 荷及冲击性负荷的大量使用，并采取相应的对策和治理措施。 传统的技术手段和措施包括瞄1 ： 6 华北电力人学硕士学位论文 ( 1 ) 利用有载调压变压器调整电压。可保证电压质量，但不能改变系统无功 需求平衡，可能影响变压器运行的可靠性。 ( 2 ) 利用并联电容器补偿系统无功功率。可提高系统电压，但不能解决轻载 时系统电压偏高的问题。 ( 3 ) 利用无源滤波器抑制谐波电流。这：黾通过【，c 或l c r 无源滤波器组来吸 收电网中的谐波电流，但这种装置只能抑制固定频率的谐波，还会有可能引起系统 谐振。 ( 4 ) 利用备用发电机组和机械式双电源切换装置( 大于2 s ) 。对重要用户实现 连续供电。 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已出现一种崭新的补偿方法，即基于现代电力电子 技术的“用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) ” 1 8 j 。 “c u s t o mp o w e r ”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19 8 8 年提出的，是现代电力电子技术及相关的检测和控制技术在配电领域的应用，其运 行的可靠性、不断降低的成本和均衡其应用带来的效益是实现用户电力的基础。它 的目的是通过系统的方法，将配电系统改造成无电压波动、无不对称以及无谐波的 实时控制的柔性化配电网，以满足电力负荷对供电质量和供电可靠性同益提高的需 求【18 , 1 9 】。随着这一技术研究的不断深入，已推出了一系列基于现代电力电子技术的、 旨在补偿配电网电能质量和提高供电可靠性的新型电能补偿器。这些器件包括咆力 有源滤波器( a p f ) 、蓄电池储能系统( b e s s ) 、配电型静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 、 动态不间断电源( d u p s ) 、动态电压恢复器( d v r ) 、功率因数控制器( p f c ) 、超 导磁能系统( s e m s ) 、静态电子分接丌关( s e t c ) 、固态转换开关( s s t s ) 、固态 断路器( s s c b ) 、不间断电源( u p s ) 等k 7 , 1 6 , 1 7 】。 不间断电源( u p s ) 是现在使用最广泛的一种补偿设备，它配合固态电子丌关 的方案的实施。当常用的电源电压发生波动时，通过电子开关完成高速切换，向负 荷提供优质电源。 高速固态切换开关( s s t s ) 是一种组合式的电能质量装置，作为多路电源间的 联络丌关，当其中一路电源电压发生波动时，可在最短的时间内将负荷切换到其他 几路健康的电源上，保证设备f 常工作。 配电型静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 是采用脉宽调制( p w m ) 技术的与电 力系统并联的电压源变换器。d s t a t c o m 能替代常规的电压和无功控制元件、有 载分接丌关、电压调整器和自动投切电容器。d s t a t c o m 是一个交流同期电压源。 在系统正常供电时，d s t a t c o m 可作为无功电源或处于低耗备用状态。在发生电 华北电力人：学硕+ 学位论文 压波动时，d s t a t c o m 立即响应，向电力系统注入具有适当幅值和相角的乜流使 系统电压立即恢复正常。 静态无功补偿器：( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，简写为s v c ) ：现在使用的s v c 主要有 两种：晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ，简写为t c r ) ，晶闸管投切电 容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ，简写为t s c ) 。t c r 适合于平衡化补偿，对负序分 量补偿效果良好，t s c 投切时不会产生谐波。 动态电压恢复器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ，简写为d v r ) - d v r 是一种目前最有 前途的消除电压扰动的补偿设备。它串联接在线路与负载中f 刚，补偿系统中的电压 扰动，使负荷侧维持一个正弦的、平衡的、幅值稳定的电压波形。d v r 具有直流储 能单元，其能量可由另外的整流桥提供。其容量可以从几十k v a 到几百m v a 。 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简写为a p f ) ：a p f 是基于p w m 逆变器， 它分为串联型和并联型两种。串联型有源滤波器串联在线路中，相当于一个受控电 压源，补偿电压跌落、谐波、不平衡、瞬变等电压扰动。并联型有源滤波器和负载 并联，相当于一个受控的电流源，消除电流谐波、提供无功补偿。现在并联型有源 滤波器应用较多。 统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ，简写为u p q c ) ：将并联 型有源滤波器和串联型有源滤波器结合起来，能够同时补偿电压扰动、电流扰动和 无功。 国外一些发达国家在电能质量控制方面的研究和应用已取得了显著的成效，从 实用的功率理论的扩展，到电能质量评价指标体系的建立；从广泛的电能质量普查， 到对用户电能质量的监测等，已建立和形成了常务性机制。对各种电能质量问题的 分析方法及电能质量控制技术和装置已深入进行了研究、开发和应用。并联型补偿 技术比较成熟，在同、美等发达国家得到广泛应用，仅在同本已有五百多台a p f 应 用于工业领域，容量从5 0 k v a 到6 0 m v a 。用来改善电源电压质量的串联型补偿器研 究已进入实用阶段，如w e s t i n g h o u s e 、a b b 、g e 、s i m e n s 和s o f t w i t c h i n g 均已形 成了a p f 、d s t a t c o m 、d v r 或类似的产品。西门子公司生产出改善电能质量的 电能质量调节器装置( s p i c o n ) ，其换流器采取基于绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的 脉宽调制( p w m ) ，它利用并联型有源滤波器和串联型有源滤波器进行组合，与系 统连接有三种方式：并联运行时，主要防止非正常负荷产生的谐波、无功、负荷不 平衡及闪变对系统的影响；串联运行时主要用于系统电压突变、电压畸变或不平衡 对负荷的影响；串并联运行时，具有双向补偿的功能。此为目前同类装置中较有代 表性的产品。第一台工业应用的d v r 由西屋公司于1 9 9 6 年研制成功，安装在美国 北卡罗里纳州d u k e 电力公司靠近一个自动化纺织厂的1 2 4 7 k v 系统上。另外在 o r i a nr u g s ( u s a ) 、b o n l a cf o o d s ( a u s t r a l i a ) 、c a l e d o n i a np a p e r ( u k ) 等公司的网络中均 华北电力人学硕十! 学位论文 串入了d v r 。如澳大利亚的b o n l a c 食品公司在对d v r 试运行后进行的数据统计表 明，该公司每年减少了2 ，4 5 3 ，4 0 0 澳元的损失；据美国输配电杂志报道，由a b b 公 司制造的两台容量各为2 2 5 m v a ( 这是目前世界上这类装置中最大的容量) 的d v r 于2 0 0 0 年在以色列一家著名的微处理器制造厂投入运行，用以防止因电压跌落引 起全厂跳闸而可能造成以百万元计的产品成为废品，可弥补5 0 0 m s 的三相电压下跌 的3 5 和单相电压下跌的5 0 。可见，d v r 的应用可以大大提高用户的电压质量和 经济效益。目前a b b 研制的d v r 的电压源逆变器选用了新丌发的i g c t ，通过元 件的串联方式有望使功率超过1 0 0 m w ，因此更高性能、更大容量的d v r 的问世指 日可待【5 9 t 1 6 1 7 1 。 在我国提出和研究开发了一些改善和提高电能质量的补偿装置：如各种有源滤 波器( a p f ) 、动态无功补偿装置( s v c ) 、电能质量调节器( u p q c ) 、动念电压恢 复器( d v r ) 等，技术上的先进性与国外发达国家相比尚存在一定的差距。在有源 电力滤波器的研究和产品开发方面还处于起步阶段，主要以并联型、混合型为主， 也有研究串联型的滤波设备的。清华大学研制的我国第一台高压、大容量电能质量 控制器( a s c g ) 已经正式投入运行，并取得了一定的成效。西安交通大学已成功 研制出1 2 0 k v a 并联型有源滤波器试验样机。清华大学电机系柔性交流配电系统研 究所已独立研制了一台1 0 k v a 3 8 0 v 的三相d v r 样机。虽然在理论上和实验室内 均取得很大的进展，但在现场实际应用和可靠的运行上尚需要进一步努力。我们华 北电力大学和国家电力公司f 在合作进行“配电电能质量分析与控制模拟试验系统 的研究”项目的研究。 1 2 动态电压恢复器d v r 简介 本文所研究的串联型电能质量补偿器称为动态电压恢复器( d y n a m i cv o l t a g e r e s t o r e r d v r ) ，它是目前保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装置，是 c u s t o mp o w e r 家族中重要的成员之一。该装置能在毫秒级时间内将电压跌落补偿 至正常值，是抑制动态电压干扰的有效补偿装置。 目前可用的补偿设备中，s m e s 价格太昂贵，因此距实用阶段还有很大的距离； u p s 主要用于提高信息处理系统的供电可靠性，其容量一般在，1 k w 到1 m w 之间， 很难解决综合性敏感负荷的供电质量问题，并且售价昂贵；s s t s 用于保障由多回 独立馈线对重要负荷的供电质量。当馈线发生故障或电压跌落时，用s s t s 的快速 切换特性( 切换速度不到半个周期) ，将重要负荷切换到由另一条馈线供电。但当 所有馈线都发生故障或电压跌落或只有一条馈线供电时利用该方法就无法保证对 重要负荷的供电质量了。d v r 是目前最适合保证对电能质量敏感负荷供电的串联型 补偿装置。 华北电力人学硕十学位论文 d v r 主要由储能单元，d c a c 逆变器连接变压器等部分组成( 如图1 一l 所 示) 。储能容量可根据用户电压跌落统计数掘确定；逆变器模块一般采用i g b t 构成 - - k h 全桥结构，采用p w m 调制方式。它的动态响应非常快。目前d v r 的最大容量 己达8 m v a 。 图1 1d v r 装置的结构以及补偿电压暂降原理图 障 上图说明了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。d v r 可等效为一个受控电压源，其基本功能是对非f 常电压进行动态电压补偿，以满足 敏感负荷对电压质量的高要求。例如上图中的邻近线路发生短路故障时，公共母线 就会发生电压跌落，并伴随有衰减直流分量的产生。d v r 通过检测电路检测出电压 补偿量，控制逆变器电力电子开关的丌通与关断，向电网中加入补偿电压，以使敏 感负荷端电压保持正常电压水平。 d v r 在消除电压跌落、提高大型综合性敏感负荷的供电质量方面有显著的效 果。利用动态电压恢复器可随时检测电源的健康情况，可实现动态进行调整和补充， 抑制电压突变、瞬时脉冲及电压波动。在配电网络适当的位置装设动态电压恢复器， 就能在电压跌落时立即产生一个补偿电压进行电压调整，使电力用户免除电压降低 和波动带来的负担，使电源电压可以始终维持在一个满足负荷工作的合格水平上。 d v r 装置是多科、多领域交叉发展的产物。现代电力电子技术的发展带来了可 供选择的多种电路拓扑结构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 1 0 华北电力人学硕士学位论文 i g b t 和i g c t 器件以及智能功率模块i p m 。这些可以工作在更高丌关频率( 1 0 k h z 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用增强了系统 的经济性、稳定性、可靠性使装置趋于智能化。d s p 成本的降低与功能的增强为我 们实现各种较复杂的算法提供了物质基础。 上述技术的发展使d v r 装置的实现成为可能，而d v r 装置进一步向大功率、 智能化方向发展仍然依赖于这些技术的进一步发展。 1 3 本文研究的主要工作 本文在分析了电能质量问题的基础上，对动态电压恢复器补偿策略选取、电压 补偿量的检测、装置主回路的设计和参数的选取进行了研究。设计了硬件控制电路， 完成了d s p 软件的编制。 ( 1 ) 动态电压恢复器补偿策略的研究 分析了动态电压恢复器采取不同的补偿策略对补偿电压范围的限制、d v r 本 身容量的限制、直流侧电容电压等级以及d v r 储能的限制等。选取了最优补偿策略。 ( 2 ) 动态电压恢复器补偿量检测方法的研究 考虑到动态电压恢复器可能采取不同的补偿策略，提出了一种改进d - q 变换方 法，可根据不同的补偿策略计算出电压补偿量的大小并进行了仿真验证。 重点分析了考虑衰减直流分量时动态电压恢复器补偿量的检测方法，提出了 滤除衰减直流分量的三点算法和半周期算法，结合瞬时序分量分解和直接检测算法 对电压补偿量进行检测并进行了仿真验证。 ( 3 ) 动态电压恢复器主回路设计及参数的选取 针对动态电压恢复器的主回路进行了分析，包括逆变器，串联变压器，低通滤 波器以及储能单元。对主回路的各种参数的选取也进行了理论分析和仿真验证。 ( 4 ) 控制电路的硬件和软件设计 以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心设计了动态电压恢复器的检测控制电 路。结合设计的硬件系统和电压补偿量的检测算法，完成了动态电压恢复器控制系 统的软件设计。 7 华北电力人学硕士学位论文 第二章d v r 补偿策略的研究 理想的d v r 工作原理是当供电侧电压发生电压跌落后，d v r 以跌落前的用户 侧电压作为参考电压，输出一个补偿电压，使得用户侧的电压和跌落前的电压保持 一致。d v r 在输出补偿电压的同时与系统有一定的有功交换，这就要求d v r 必须 有能量储备，能量储备单元是d v r 装置的一个重要组成部分，同时也是比较昂贵 和需要维护的。为了能降低d v r 与系统的有功交换，减少d v r 储能单元的容量， 保证d v r 能有效抑制电压跌落，需要对d v r 的补偿电压进行优化控制，使d v r 在一定补偿能力的前提下获得最大的补偿范围。 从负载侧来看，控制策略的选择依赖于负载的类型，有些负载对电压的相移 敏感，而有些负载对电压的幅值变化敏感。 从装置本身来看，电压补偿方式要考虑两个问题：一是电压补偿能力，即在相 同的直流侧电压，条件下，如何补偿更大幅度的电压跌落问题；二是能量补偿能力， 即在相同的直流侧电压u ，和储能电容c 的条件下，在电压跌落的情况下如f - i 获得 更长的补偿时间问题。 因此，d v r 补偿策略的选取就显的非常重要。对于电压跌落的补偿有三种基本 的补偿策略：跌落前电压补偿控制法、同相电压补偿控制法、最小能量补偿控制法。 下面我们具体分析这三种补偿策略与电压跌落的程度、持续的时间、负载的类型、 功率因数以及d v r 本身容量等因素的关系。 2 1 跌落前电压补偿 跌落前电压补偿即完全补偿，是将电压跌落补偿到跌落前的幅值和相位，使得 负载侧的电压和发生电压跌落前一致，它能够保证跌落前后用户电压的连续性，补 偿的效果是最理想的。 如图2 1 ( a ) 所示，当系统电压即u 。发生跌落时，伴随着相角也发生突变( 突 变角度为口) ，采用跌落前电压补偿时，要求跌落前后电压的幅值和相角都不发生变 化，得出动态电压恢复器应补偿的电压量为。补偿后负载侧电压u ，的幅值和相 位都没有发生变化。 对于那些对电压幅值和波形连续性要求很高的负荷，负载对电压相移非常敏 感，最佳的补偿策略是跌落前电压补偿法。但这种补偿策略由于输出的电压和功率 都不受控制，所以对装置的补偿范围和储能元件的容量要求很高，对整个装置的实 时性也有很高的要求。 华北电力人学硕士学位论文 ( a ) 跌落前电压补偿( b ) 同相电压补偿 ( u l ，t 分别为负载电压、电流相量，够为功率因数角，u s 为系统电压相量；u ，为d v r 输出电压相量，a 为电压跌落时相位突变角，u ，。，分别是补偿后负载的电压，电流相量) 图2 1 动态电压恢复器的两种补偿策略 2 2 同相电压补偿 同相电压补偿是将补偿电压和跌落电压保持同相位，经过补偿后负载侧的电 压和系统电压同相。如果电压不发生相移，那么它的补偿效果与跌落前电压补偿效 果是一致的，如果电压跌落的同时发生相移时，补偿后的电压与发生跌落前的电压 有一个相位差。 如图2 1 ( b ) 所示，采用同相电压补偿策略，补偿后的负载侧电压u ：与系统 电压u 。有相同的相位角。d v r 输出的电压u ，幅值最小。补偿后的电压与发生跌落 前的电压有一个相位差a 。 这种补偿策略输出电压幅值最小，控制方法比较简单。这种补偿策略适用于 负载对电压幅值敏感而对相位不敏感的场合。同相电压补偿策略可以最大化的利用 装置的补偿范围。由于注入有功功率的存在，需要储能元件提供能量，在电压跌落 较深，持续时间较长的时候，有可能储能装置就不能满足补偿要求。 2 3 最小能量补偿法 最小能量补偿是要求在相同的储能条件下延长补偿时间，或在相同的补偿范 围下所需装置的储能最小。这就要使注入的有功功率最小。 p = ( u 一u s ) ，lc o s 矽= u i l l c o s 矽 ( 2 1 ) 其中u t 为负载电压相量，虮为系统电压相量；u 为d v r 输出电压相量。，。为负载 电流相量，矽为补偿电压与负载电流的夹角。 由上式可知，补偿电压和负载电流之间夹角为9 0 。时，即补偿电压和负载电流垂 华北电力人! 学硕+ 学位论文 直时，注入有功功率最小为零。这是最理想的情况，由于受到补偿范围限制和电压 跌落程度的影响，补偿电压有时不能f 好与负载电流垂直，但总有一个能量最小点。 选择最小能量补偿策略的d v r 装置中有一种情况是：如果d v r 装置的直流侧 采用电容来提供直流电压，只能提供有限的能量，若要求d v r 对电压进行补偿， 则必须要求补偿电压量与电流垂直。这样的话d v r 装置不提供有功，只需要进行 无功交换。这种d v r 都是采用最小能量补偿 2 0 】。 u ；= 、3 u j + 删i i | j x | 丫一2 u l 删? 一i l ? x ? ) s i n ( a ( 、2 - - 2 、) 如果负载电压幅值吮、t 、五和s i n 缈保持不变，那么可以认为虬为v 的函数，要求 的最小值令d u 讥r = 0 可以求出以的最小值为： u 。i 。= u lc o s ( p 或 玑。i 。= 哦+ ( 一t 墨) 2 2 u ( 一，l 墨) 一s i n ( p ( ( 一x i ) 。 u l s i nq ，)( 2 3 ) 这说明玑训。是d v r 所能补偿回f 常电压的系统电压跌落极限。如果系统电压 跌落过多致使职 虬。则无法通过d v r 将用户侧电压补偿到正常的电压水平。 图2 2 根据缈确定u s 范f f l 图2 3 当u 。一定时缈的范罔 我们也可以根据相量图，更加直观的看出功率因数与补偿电压极限的关系。 如图2 - - 2 所示：当负载的额定电压和功率因数确定时，和，t 的大小和位置确定， 由于u i 与电流垂直，所以以只能在a p 间变化，可以看出，的最小值 华北电力人学顶j 卜学位论文 u 。i 。= u 。c o sq ，。如果虬 u 而。，则不存在u ，能够满足上图的相量关系，因此d v r 可以补偿的u 。的极限为u ，c o s 缈。从物理意义上说，d v r 提供了负荷所需要的无功 电压，只有当负荷的功率因数足够小时，才可能通过补偿无功电压来达到显著地提 高负荷侧电压的目的。 如果还考虑到d v r 输出的电压幅值有限，如图2 3 所示，则可以看出u ，只 能在圆o l 内变化，如果考虑到对一定的u 。进行补偿则的相角只能在l j 玟c d 问变 化，相应的功率因数角矽也只能在一定的范围内变化。 如果我们以能否补偿电压跌落3 0 作为衡量d v r 装置的容量是否满足要求的 标准。则当u 。跌落3 0 时，要使方程有解，必须满足玑= 7 0 u u 。m 即 c o s 妒2 昔如- 叫， 此时需要d v r 提供的电压为： = 叽s i n ( p 一( 7 0 u ) 2 一( u c o s p ) 2 + i l x i = u ( s i n i i o - i f 0 4 9 - c o s 2 汐) + i l x t ( 2 5 ) u i 为够的单调减函数。考虑到功率因数在o o 7 内变化，所以当功率因数在0 7 即 缈= a r c c o s 0 7 时，最大则m 。0 7 1 u l + l 墨 这说明如果用户的功率因数大于0 7 ，当系统电压职跌落至7 0 u 以下时方程 无解，即无论d v r 输出电压多少，都不能把用户侧电压补偿回正常电压；而如果 用户功率因数不大于o 7 ，则系统电压跌落3 0 时，d v r 总可以通过输出一个不大 于。的电压，将用户侧电压补偿回f 常水平。这样也可得出需要的d v r 装置的 容量为l u 。 同样我们对于电压有涌流的情况也可类似的分析此时d v r 提供反相电压削弱 系统的涌流【2 0 】： 饥= u i + ( + ， x i ) 2 + 2 叽( + ，l x f ) s i n ( p ( 2 6 ) 若u + 取最大，则u 。取得最大为： 阢。、= u ；+ ( + t x ) 2 。+ 2 u ( + i l x ，) 。、s i n ( p ( 2 7 若u 。浪涌3 0 ，则需要d v r 输出的电压为： u i = 4 ( 1 3 0 u i ) 2 一哪l c o s 妒) 2 一u ? j s i n o i i ? x i = ul ( x 1 6 9 - c o s 2 妒一s i nq ) ) 一i | x l ( 2 8 、) 为单调减函数。考虑到负载功率因数在0 1 范围内变化。所以妒= ( p 0 = 0 。时，取 的最大： u m 。q 8 3 u l - i l 五 ( 2 9 ) 1 5 华北电力火学硕士学位论文 我们可以得出如果d v r 只能输出无功时d v r 输出电压与功率因数范围的关系 表2 一l d v r 只能输出无功时d v r 输出电压与功率因数范围的关系 系统电压变化负载功率因数c o s ( p 的范围d v r 输出电压u ， 3 0 电压跌落 0 0 7m “0 7 i u + i l x ， 3 0 电压跌落c o s 妒 。哦+ ( u 一，l 鼻) 2 。- ( 7 0 u l ) 2 u m h o - 、u f ，+ | l ，x l y2 u l ( u i l ) 。 3 0 电压升高 0 1 。“0 8 3 u 一 x ， 3 0 电压升高c o s 缈 l ( 1 3 0 u l ) 2 一( u + t 五) 2 。一u l 2 m a 。 0 时，为将负载侧电压补偿至l p u ，输入串联变压器的有功功率为口，大于零， 电容电压会逐渐上升，当电压上升至整流桥输入线电压幅值时，并联侧输入整流桥 的电流为0 ，这时输入串联变压器的有功功率为口，p “。当口 0 时，直流电容电 压不可能稳定；当口 0 时，会降低补偿器的补偿范围。而且电能质量补偿器不能限 制口必须小于零。因此采用二极管整流桥为直流电源的主电路结构缺点还是比较明 显的。 ( 2 ) 以p w m 整流器提供直流电容电压 以单位功率因数整流器( p w m ) 为直流电容提供直流电压有如下几个优点【3 0 1 ： 保证d v r 直流电容电压恒定； 输入电流的低次谐波很小，基本为正弦波，可以降低输入电源的谐波电流； 输入电流可控制为与电源电压同向或反向。即p w m 整流器不但可以吸收有 功而且还可以将串联侧吸收的有功功率送回给电源，实现能量的双向流动，从而提 高d v r 的整体效率； 采用p w m 整流器可以克服用三相不可控整流为直流电容提供直流电压谐波 含量大、直流电压不能恒定的缺点。 1 9 华北电力大学硕十学位论文 所以本文选用p w m 整流器来提供直流侧电容电压。 4 2d v r 电路参数选择 d v r 工作时，不仅要求对故障时电源电压的检测精度高，还要求其动态响应快。 除了控制方法外，主电路的参数设计对补偿性能的影响也很大。如果这些参数选取 不当，会使d v r 达不到满意的补偿效果，同时会提高d v r 的造价。 4 2 1 d v r 容量 d v r 装置的容量，要根据补偿对象进行选择。如果负载的额定工作电流为以，需 要补偿的电压有效值为，负载的电压为u l ，负荷的功率为s l ，口为电压变化率，则 装置的容量s 为： s = i t = e e u l i , = a s l ( 4 1 ) 动态电压恢复器串联侧的容量选取决定于电网电压变化率和负荷容量两个因 素，对于给定的负荷，d v r 串联侧容量主要取决于电压变化率。 ，4 2 2 直流测电压【4 1 】 d v r 是通过逆变器产生所需要的补偿电压，于是逆变器直流侧的大小将影h 向它 的补偿性能和补偿效果，同时直流侧电压也是确定直流电容的主要参数。对于三相 电路而言，一般要求p w m 逆变器交流侧相电压大于要产生的补偿电压“。的峰值， 即 甜爿l “。a x 变压器的副边电压l l c u 等于原边电压的n 倍，即 而逆变器交流侧电压u 爿的绝对值分别为 甜爿i ，2 ( 1 + a ) 蝴k = u a 3k l 。= 2 3 从d v r 主要关注的动态性能考虑，一般选择蚴3 n ( 1 + 口) u 4 2 3 直流侧电容 ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 直流侧电压将直接影响直流侧电容的选取。当系统电压发生突变时，引起d v r 主电路损耗发生变化，直流侧电压也发生波动。因此，必须选择足够大的电容将直 流侧电压波动维持在限定的范围内。 直流电容的储能为：e = c ( ) 2 2 ( 4 6 ) 4 0 华北电力人学硕+ 学位论文 直流电容值的确定，要在最坏情况下考虑。最坏的情况是，输入电压由稳态 值，突然降低到最小的最坏情况。考虑动态电压恢复器能够在一个控制周期内调节