（电力电子与电力传动专业论文）动态电压恢复器的锁相与控制策略研究.pdf

r e s e a r c ho np h a s e l o c k e dm e t h o da n dc o n t r o l s t r a t e g yf o rd y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r a bs t r a c t a st h e p r o l i f e r a t i o n o fv o l t a g e s e n s i t i v ee q u i p m e n t su s e di ni n d u s t r i a l p r o c e s s e s ，v o l t a g es a g sh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u e si np o w e r q 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 ( d v r ) i sr e f e r r e dt o a st h em o s te f f e c t i v e s o l u t i o nt oe l i m i n a t ev o l t a g es a g s ，v o l t a g eh a r m o n i ca n dv o l t a g eu n b a l a n c e t h e p h a s e 1 0 c k e ds e c t i o na n dc o n t r o ls e c t i o nt a k ea ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec o n t r o lf l o w o ft h ed v r ，s ot h i st h e s i sl a y sas t r o n ge m p h a s i so nt h es t u d yo ft h et w os e c t i o n s t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o na n dc o n f i g u r a t i o no ft h e d v r a n dt h e np r e s e n t st h eb a s i cs y s t e mt o p o l o g i e sf o rd v ra n dc o m p a r e st h e m w i t hr e s p e c tt or a t i n gi np o w e ra n dv o l t a g e t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o na m o n g s e v e r a li n v e r t e r su s e di nd v ra b o u tp e r f o r m a n c e ，c o s ta n dd i f f i c u l t yd e g r e eo f r e a l i z a t i o ni sa l s og i v e n t h ep h a s e1 0 c k e dt e c h n i q u ea sac o m m o nt e c h n i q u ef o rm a n ye l e c t r i c a l d e v i c e si si n v e s t i g a t e da n ds u m m e r i z e d w h i c hi n c l u d e so p e nl o o pa n dc l o s e dl o o p p h a s el o c k e dt e c h n i q u e t h ea d a p t i v es o f t w a r ep h a s el o c k e dl o o p ( s p l l ) a n d t h r e e o t h e rs p l l sb a s e do ns y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef r a m ea r ea n a l y z e di np a r t i c u l a r f i n a l l y 。s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti sc o n d u c t e dt oc o n f i r i l lt h ea n a l y s i sa n dt h e d e c o u p l e dd o u b l es y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef r a m es p l li su s e di nd v r i nt h i st h e s i s t h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dm a t hm o d e lo ft h ed v ri se s t a b l i s h e d b e c a u s eo f t h ep o o rp e r f o r m a n c eo ft h ef e e d - f o r w a r dc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ed i s a d a n v a n t a g e s o ft h ec o n v e n t i o n a lc o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g y 。ad o u b l e - l o o pc o m p o u n dc o n t r o l s t r a t e g yb a s e do no u t e rl o a dv o l t a g el o o p ，i n n e rf i l t e rc u r r e n tl o o pa n dd cb u s v o l t a g ef e e d f o r w a r dc o n t r o li sa d o p t e d q u a l i t a t i v ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w o c o n t r o ls t r a t e g i e si nt e r m so fs t a b i l i t ym a r g i n s ，f r e q u e n c yr e s p o n s ea n dd a m p i n g p e r f o r m a n c ei sg i v e nt oc o n f i r mt h a t t h ec o m p o u n de o n t r o ls t r a t e g yh a sb e t t e r s t a b i l i t y ，d y n a m i cr e s p o n s ea n dl o a da d a p t a b i l i t y t h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e r sb a s e d o nc o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g ya r ed e s i g n e da c c o r d i n gt or o o tl o c u sm e t h o d f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g yi sv a l i d a t e db y s i m u l a t i o ns t u d i e s i n t h i st h e s i s ，a3 k v as u p p l yv o l t a g es i m u l a t o ra n da3k v ad v r e x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d t h ei n v e r t e rc o n t r o lr e s u l t s ，t h es p l lr e s u l t s ， t h es u p p l yv o l t a g es i m u l a t o rr e s u l t sa n dt h ed v rr e s u l t sw h e ns u p p l yv o l t a g eh a s b a l a n c e ds a g s ，u n b a l a n c e ds a g sa n dh a r m o n i c sa r eg i v e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wg r e a tc o n s i s t e n c y t h e yv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e s y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；v o l t a g es a g ；d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ；p h a s el o c k e d l o o p ；d o u b l e l o o pc o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g y 插图清单 图1 2 1 电压跌落统计图2 图1 3 1 世界上第一台工业应用的d v r 6 图1 3 2 世界上容量最大的d v r 6 图2 1 1d v r 与系统连接及工作原理示意图8 图2 2 1 拓扑1 结构原理图9 图2 2 2 拓扑2 结构原理图9 图2 2 3 拓扑3 结构原理图10 图2 2 4 拓扑4 结构原理图1 0 图2 2 5 四种拓扑结构的总功率比较1 2 图2 2 6 拓扑1 和拓扑2 的额定功率和额定电流的比较1 2 图2 3 1 三相半桥结构1 2 图2 3 2 三相四线制结构1 3 图2 3 3 三相四桥臂结构1 3 图2 3 4 三单相h 桥结构1 4 图2 3 5 本文采用的d v r 拓扑原理图1 5 图3 1 1 动态电压恢复器的基本工作原理框图1 6 图3 3 1 基于l p f 的开环锁相方法原理框图1 7 图3 3 2 基于s v f 的开环锁相方法原理框图1 8 图3 4 1 过零比较硬件锁相原理框图1 9 图3 4 2p l l 原理框图1 9 图3 4 3 基于自适应原理的锁相方法原理图2 0 图3 4 4 电压幅值控制环框图2 0 图3 4 5 相位控制环框图2 l 图3 4 6p d 结构图2 2 图3 4 7v f a 结构图2 2 图3 4 8 基于自适应原理的锁相方法仿真结果2 2 图3 4 9s s r f s p l l 矢量图2 3 图3 4 1 0s s r f s p l l 控制结构原理图2 3 图3 4 1 1s s r f s p l l 稳态时仿真结果2 4 图3 4 1 2s s r f s p l l 在电压跌落时仿真结果2 5 图3 4 1 3s s r f s p l l 在相位突变时仿真结果2 5 图3 4 1 4s s r f s p l l 在频率变化时仿真结果2 6 图3 4 1 5s s r f s p l l 在电压不平衡时仿真结果2 7 图3 4 1 6s s r f s p l l 在电网电压不平衡时低带宽的仿真结果2 8 图3 4 1 7s s r f s p l l 在电网电压不平衡时带滤波器的仿真结果。2 8 图3 4 1 8 基于对称分量法的s s r f s p l l 结构原理图2 9 图3 4 1 9 基于对称分量法的s s r f s p l l 在不平衡时仿真结果2 9 图3 4 2 0 基于对称分量法的s s r f s p l l 在相位突变时仿真结果3 0 图3 4 2 1 基于对称分量法的s s r f s p l l 在频率变化时仿真结果3 l 图3 4 2 2 双同步坐标系及坐标系中的电压矢量3 2 图3 4 2 3 由”坐标系的解耦单元3 2 图3 4 2 4 由”和由“坐标系的解耦网络3 2 图3 4 2 5d d s r f s p l l 的原理框图3 4 图3 4 2 6 三相电压不平衡时仿真结果3 6 图3 4 2 7 相位突变时仿真结果3 6 图3 4 2 8 三相电压含谐波时仿真结果3 6 图3 4 2 9 频率变化时仿真结果3 6 图3 5 1 锁相环的线性化模型3 7 图3 5 2 仉+ 1 = 3 1 1 时的仿真图3 7 图3 5 3 矾+ 1 = 1 5 5 5 时的仿真图3 7 图4 2 1 单相d v r 的简化模型4 l 图4 3 1d v r 前馈控制策略框图4 l 图4 3 2g l 。和g 2 。的频率响应波特图4 3 图4 3 3g i 。的频率响应4 4 图4 4 1d v r 的双环复合控制策略一4 4 图4 4 2 改进的d v r 复合控制策略4 5 图4 4 3 复合控制策略下的各种频率响应4 7 图4 5 1 电流环控制结构图4 7 图4 5 2 未调整时的电流环根轨迹及阶跃响应图4 8 图4 5 3 孝= 0 7 0 7 ，k = 4 8 3 时的电流环根轨迹及阶跃响应图4 9 图4 5 4 电流环随岛。变化的阶跃响应趋势图4 9 图4 5 5 孝= 0 5 2 7 ，k = 7 0 7 时的电流环根轨迹及阶跃响应图4 9 图4 5 6 电流环的开环传递函数波特图5 0 图4 5 7 电压外环的简化控制结构图5 0 图4 5 8 电压环控制系统扰动传递结构图5 1 图4 5 9 善= 0 7 0 7 ，饥= 3 0 0 h z 时的电压环根轨迹及阶跃响应图5 1 图4 5 1 0 电压外环比例系数、积分系数对系统阶跃响应、扰动响应的影响5 2 图4 5 1 lk = o 0 9 ，k = 1 0 9 时的电压环根轨迹及阶跃响应图5 3 图4 5 1 2 电压环的开环波特图5 4 图4 5 1 3 电压环控制系统跟随与扰动控制闭环波特图5 4 图4 6 1 纯阻性负载时的仿真结果5 5 图4 6 2 阻感负载时的仿真结果5 6 图4 6 3 非线性负载时的仿真结果5 6 图4 6 4 纯阻性负载时的仿真结果5 7 图4 6 5 阻感负载时的仿真结果5 8 图4 6 6 非线性负载时的仿真结果5 8 图4 6 7 电网电压不平衡跌落时的仿真结果5 9 图4 6 8d v r 抑制电网电压谐波的仿真结果6 0 图4 6 9d v r 电流内环控制系统限流保护的仿真结果6 0 图5 1 1 电网电压模拟平台原理图6 2 图5 1 2 动态电压恢复器的装置结构图6 3 图5 1 3 动态电压恢复器的四种工作模式6 5 图5 1 4 动态电压恢复器的工作模式转换6 6 图5 2 1 控制电路整体结构框图。6 7 图5 2 2 直流电压采样调理电路6 8 图5 2 3 交流电压采样调理电路6 8 图5 2 4 交流电流采样调理电路6 8 图5 2 5 主程序流程图一6 9 图5 2 6 中断服务程序流程图7 0 图5 2 7 锁相环程序流程图7 l 图5 3 1 逆变器独立运行时控制结构图7 2 图5 3 2 逆变器独立运行时的实验结果7 3 图5 3 3 锁相环实验结果7 4 图5 3 4 三相平衡情况下的实验结果7 5 图5 3 5 三相不平衡情况下的实验结果o 7 6 图5 3 6 三相电网谐波情况下的实验结果7 7 表格清单 表1 2 1 电压跌落对一些设备的影响( 以额定电压值的1 0 0 为标准) 4 表1 2 2 电压跌落对一些大型工业用户造成的危害( 以电压额定值的1 0 0 为标准) 4 表2 3 1 不同逆变结构之间的比较1 4 表4 3 1 系统仿真参数4 3 表5 1 1 动态电压恢复器主电路参数6 5 表5 3 1 d v r 补偿前后谐波对比7 7 独创性声明 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志和致谢的地方外，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 金肥王些太堂 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。 l 学位论文作者签字豸每将、 签字日期：沙谚年，月寸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金肥王些态堂 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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金肥王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或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) 学位论文者躲郭辛。乳 导师躲 签字日期：蒯年，月日 签字日期：加眇年，月够日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师张兴教授。在两年多的硕士研究 生学习和课题研究过程中，自始至终得到了张老师无微不至的关怀和悉心指导。 导师严谨的科研态度，广博的理论知识，丰富的实践经验，务实的工作作风使 我受益匪浅。他的精心指导，不但使学生的知识水平和科研能力有了很大的提 高，更重要的是让学生的思维方式和科研方法得到了很好的培养。导师在学术 上谆谆教导，以及对生活上的悉心关怀，都将使我终身难忘。在此，谨向张老 师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 同时，在作者的整个课题研究过程中还得到了谢震、杨淑英两位博士的无 私帮助，在此表示深深的谢意。感谢合肥阳光电源有限公司在作者的实验平台 建设过程中给予的大力支持。此外还要感谢实验室一起学习工作的同窗好友们， 他们是：唐杰、魏冬冬、苑春明、刘芳、袁祖慧、刘淳、何继光等，在共同的 工作、学习和娱乐生活中，我们大家相互了解、相互帮助、相互进步。和他们 在一起，我愉快地度过了紧张而又难忘的研究生生活。 最后，我要感谢默默支持我的父母、祖父母、外祖父母和妹妹，他们对我 深深的爱是我不断进步的源泉，在此我要向他们表示深深的敬意和真心的祝福! 作者：郭 栋 2 0 0 8 年1 月 第一章绪论 1 1 电能质量问题概述 1 1 1 电能质量概念 所谓电能质量，是指把发电厂发出的电能，看成是一种商品，从而对它的 各种技术指标做出规定，以判断其是否合格。但是由于人们看问题的角度不同， 所以迄今为止，对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识，还不可能给出一 个准确统一的定义。在国外对于“电能质量这一用词长期以来都比较混乱直 到1 9 6 8 年，一篇关于美国海军电子设备用电源规范要求的研究论文最先规范使 用了“p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 这一专业术语，此后i e e e 标准化协调委员会 才正式采用“p o w e rq u a l i t y 这一术语，并给出相应的技术定义：“合格电能质 量的概念，是指提供给敏感设备的电力和设置的接地系统是适合于该设备正常 工作的 。i e c 提出使用“e m c ( 电磁兼容) 术语，以强调和指出设备与设备 之间的相互作用和影响，以及电源与设备之间的相互作用和影响，并以此为基 础，制定出了一系列相关的电磁兼容标准。电磁兼容术语与电能质量术语有很 大的重叠性。我国一般采用“电能质量”这一术语，对于电能质量也有不同的 定义，在众多的电能质量定义中，文献 1 将电能质量定义为：“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 。这个定义比较简明，也概 括了电能质量问题的成因和后果。 1 1 2 电能质量问题的分类 理想的供电电压应该是纯正的正弦波形，具有标称幅值和标称频率，并且 三相对称。然而由于从发电到用电各环节中的非理想因素的影响，施加到负载 上的电压幅值、频率、波形中的一相或几相可能偏离标称值或标准状态。电压 波形、幅值和频率偏离标称值达一定的范围时，电力用户和电网的运行就会受 到一定程度的影响和损害，这就产生了电能质量问题比1 。 电能质量问题主要分为电流质量问题和电压质量问题。系统是一电压型电 源，只要电网电压的幅值、频率在许可范围之内、电压的波形为正弦波且三相 对称，就可以认为不存在电能质量问题。本文研究的动态电压恢复器是针对负 载侧电压的动态补偿装置，因此文中所涉及到的电能质量主要指电力系统的电 压质量。 电能质量包括稳态电能质量和动态电能质量。参照美国电气和电子工程师 协会( i e e e ) 第2 2 标准协调委员会( 电能质量) 和其他一些国际委员会的推荐， 描述电能质量问题的术语主要包括以下几个：电压不平衡( v o l t a g eu n b a l a n c e ) 、 过电压( o v e rv o l t a g e ) 、欠电压( u n d e rv o l t a g e ) 、电压跌落( s a g ) 、电压骤 升( s w e l l ) 、供电中断( i n t e r r u p t i o n ) 、电压瞬变( t r a n s i e n t ) 、电压切痕( n o t c h e s ) 、 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 或闪变( f l i c k e r ) 等。其中，前三种现象一般 视为稳态电能质量问题，后者为动态电能质量问题，各种电能质量问题特点如 下3 6 | ： 电压不平衡( v o l t a g eu n b a l a n c e ) ：是指三相电压的幅值或相位不对称。不 平衡的程度用不平衡度( 电压负序分量和正序分量的均方根值百分比) 来表示， 典型的三相不平衡是指不平衡度超过2 ，短时超过4 。在电力系统中，各种 不平衡工业负荷以及各种接地短路故障都会导致三相电压的不平衡。 过电压( o v e rv o l t a g e ) ：电压幅值大于额定电压( 通常在1 1 p u 1 2 p u 之间) 且持续时间大于1 m i n 的长期电压扰动。 欠电压( u n d e rv o l t a g e ) ：电压幅值小于额定电压( 通常在0 8 p u - o 9 p u 之间) 且持续时间大于1 m i n 的长期电压扰动。 电压跌落( s a g s ) ：工频电压的均方根值下降到0 1 0 9 p u 范围内、持续时 间为0 5 个工频周期1 分钟的电压短期下降。 电压骤升( s w e l l s ) ：工频电压的均方根值上升到1 1 1 8 p u 范围内、持续 时间为0 5 个工频周期1 分钟的电压短期上升。 短期断电( i n t e r r u p t i o n ) ：持续时间小于1 分钟的一相或多相完全失去电压 ( 0 1 p u ) 的电压短期变动。 电压瞬变( t r a n s i e n t ) ：在两个连续稳态电压之间的一种持续时间极短的数 量变化现象。 电压切痕( n o t c h e s ) ：由电力电子设备正常换相导致的周期性电压扰动。 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) ：在包络线内电压的周期性变化，或是电压 幅值通常不超过0 9 p u 1 1 p u 范围内的一系列电压随机变化。 谐波( h a r m o n i c s ) ：含有工频基波整倍数频率的正弦波电压或电流。 间谐波( i n t e rh a r m o n i c s ) ：含有工频基波非整倍数频率的电压或电流周期 性分量。 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) ：系统电压或电流频率对额定频率的偏离。 1 2 电压跌落 大量的统计数据表明 。9 1 ，电 压跌落是发生频率最高、影响最严 重、造成经济损失最大的一类动态 电能质量问题。美国3 0 0 多个电能 质量监测器从19 9 3 年到19 9 5 年的 观测数据表明，高达9 2 的扰动事 件是电压跌落，它们的持续时间大 多数不到2 秒钟。持续时间在2 秒钟 到10 分钟之间的电压中断仅占 4 ，其余的电能质量问题占余下 i琏 鼍瓤_ 2 的4 。日本关西电力公司统计结果显示：大多数电压跌落为跌幅2 0 以内、持 续时间l o o m s 以内的故障。图1 2 1 是文献 1 0 11 给出的电压跌落的典型统计 结果三维示意图。基于此，对电压跌落的研究与治理已经成为当前研究电能质 量问题的热点，本文将研究重点放在电压跌落的治理上。 1 2 1 电压跌落产生的原因 实际电力系统中，线路的阻抗不可能为零，因此当电流增加时线路两端的 压差也随着增大。正常运行情况下，压差并不大，但是当线路的电流急剧增大 或线路阻抗增加很大时，线路两端的电压差将明显增大，于是就产生了电压跌 落。因此根据跌落引起的原理，可将跌落产生原因分为两大类：一种是由电流增 大引起的；另一种是由系统阻抗增大引起的。其中最常见的电压跌落产生原因 有两种i t 2 ： ( 1 ) 故障电流引起的电压跌落 当输电网或者配电网中出现短路故障时，电流急剧增大，在公共电压连接 点产生电压跌落。同时跌落沿着电网扩散而给大量用户造成问题。电压跌落的 幅值由短路故障类型和故障点距离决定，电压跌落持续时间则取决于保护的类 型，在半个周波到数秒中变化。故障分为对称和不对称故障，因此产生的电压 跌落也可能是对称的，也可能是不对称的。 ( 2 ) 感应电动机启动引起的电压跌落 感应电机全电压启动时，需要从系统汲取的电流值是满负荷运行时的5 1 0 倍，这一大电流流经系统阻抗时，会引起电压的突然下降。这种跌落的深度取 决于感应电机特性和连接处的短路容量，跌落持续的时间较长。 其他的如：变压器励磁涌流、开关操作、电容器组的投切以及上述各种因素 的组合都会引起电压跌落。 1 2 2 电压跌落的危害 电压跌落对设备造成最直接的影响就是由于电压较额定电压低，当跌落持 续时间较长时，设备得不到足够的能量而无法正常工作；电压跌落同时会引起 一些保护继电器动作，直接将设备退出运行；对于大多数微机及微电子控制设 备，电压跌落的恢复过程，会引起微机的重新启动。美国以及欧洲一些发达国 家已对电压跌落对现代社会应用较广泛的电子类设备的影响做了广泛的调查。 s i e m e n s 公司曾对电压跌落给一些敏感设备和敏感用户带来的影响作过统计调 研。表1 2 1 为s i e m e n s 公司研究的电压跌落对一些应用较为广泛的电子设备的影 响1 引。 3 表1 2 1 电压跌落对一些设备的影响( 以额定电压值的1 0 0 为标准) 设备名电压跌落造成的影响后果 制冷电子控制器 某公司芯片测试仪 当电压低于8 0 时，控制器动作将制冷电机切除，导致巨大的经济损 失。 当电压低于8 5 时，芯片被毁，测试仪停止工作，其内部电子电路故 障。 早期的产品，当电压低于l o 时，仍能持续工作1 5 个周波；新版产品， 可编程控制器( p l c )当电压低于5 0 时，p l c 停止工作；一些i o 设备，当电压低于9 0 时， 持续时间仅几个周波就会被切除。 精密机械工具 直流电机 由机器人控制对机械部件进行钻、切割等精密加工的机械工具，为保 证产品质量和安全，工作电压门槛值一般都设为9 0 ，当电压低于此 值、持续时间超过2 个到3 个周期时，被跳闸。 当电机低于8 0 时，直流电机被跳闸。 当电压低于当电压低于7 0 、持续时间超过6 个周期时，v s d 被切除。 调速电机( v s d )而对于一些精细加工业中的电机，当电压低于9 0 、持续时间超过3 个 周期时，电机就会被跳闸而退出运行。 交流接触器 计算机 有的研究表明当电压低于5 0 、持续时间超过1 个周期，接触器就会脱 扣；而有的研究表明当电压低于7 0 甚至更高，接触器就会脱扣。 当电压低于6 0 、持续时间超过1 2 个周期时，计算机工作将受到影响， 如数据丢失。 由表1 2 1 可知，电压跌落是影响许多设备尤其是电子类设备正常工作的严 重因素，而且不同类型、甚至同类型但不同品牌的用电设备对电压跌落的敏感 度差异很大，这表明电压跌落所造成的危害与设备自身的特性以及用户的要求 密切相关。因此如何消除或抑制电压跌落的影响，需要供电方、设备制造方以 及用户的协力合作，共同解决。在现代工业中，任一设备的作业中断都将可能 导致整个流水线、甚至全厂作业的中断，造成的损失非常巨大，因此工业用户 对电能质量的要求比其中单个敏感用电设备更高。表1 2 2 是s i e m e n s 公司就电压 跌落对几家大型敏感工业用户造成危害的调查结果n 引。 表1 2 2 电压跌落对一些大型工业用户造成的危害( 以电压额定值的1 0 0 为标准) 4 b o n l a c f o o d s 制奶粉工序 a u s t r a l i a 系统故 每年2 0 至2 7 次 障 由2 3 台调速 c a l e d o n i a n 电机共同完6 0 约 p a p e r 每年约3 0 次雷击 成的造纸工 2 0 0 m s u k 序 电压低于9 0 时，吹干 电机被跳闸，每次启动 需要很长时间，导致未 来得及处理的鲜牛奶 变质 电压低于9 0 时，电机 被跳闸，每次作业中 断，仅生产损失就超过 1 4 万英镑 1 2 3 电压跌落的抑制方式 电压跌落的抑制可通过供电方和设备制造厂家两方面来共同解决，对于设 备制造厂家来讲，要求降低设备对电压跌落的“敏感度，也就是提高设备对 电压跌落的“免疫力”，本文对这方面的技术不做详细讨论。对于供电方来讲， 应该提供给用户的是合格的电压，到目前为止，已有若干个产品可用来抑制电 压跌落n 2 1 。 ( 1 ) 变压器分接头调节器。目前该产品可在一个半周波内完成调整，由于 受变压器分接头的调节范围限制，仅在一定程度上减轻电压跌落的影响。 ( 2 ) 磁谐振变压器c v t ( c o n s t a n tv o l t a g et r a n s f o t r u e r ) 。在电压跌落下 降到正常值的7 0 时仍能提供平稳电压支撑，效率在7 0 7 5 ，体积比标准变 压器稍大，容量通常在2 0 k v a 以下。 ( 3 ) 静止开关切换s t s ( s t a t i ct r a n s f e rs w i t c h ) 。负荷由双电源供电( 一 个备用) ，当供电电源发生电压跌落时，s t s 可以在一个半周波内将故障电源 切除，备用电源投入，效率可达9 9 。缺点就是造价太高，对于重要的要求严 格的负荷可以采用。 ( 4 ) 不间断电源u p s ( u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs u p p l y ) 。在减少电压跌落 和电压中断影响的装置中，u p s 是使用较广的设备，当电源发生电压跌落或者 电压中断时，由u p s 供电，提供给用户合格的电压，效率达到9 2 9 7 。缺点 是大容量受限制，运行维护费用高。 ( 5 ) 动态电压恢复器d v r ( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 。d v r 串接在电 源与敏感负荷之间，当电压跌落发生时，d v r 可以在m s 级时间内将电压跌落补 偿成正常值。由于d v r 只是在电压跌落出现时，提供负荷满足正常电压所需的 功率消耗，负荷所需的大部分功率还是由电源提供，因而d v r 的效率很高，费 用低于u p s ，s t s ，是抑制电压跌落的最有效的补偿装置。本文将着重对其进行 研究。 1 3 动态电压恢复器的研究与应用现状 由于动态电压恢复器是一种比较理想的用户端电压电能质量的保护装置， 5 所以其研究成为了国内外的个热点。尤其是在理论研究方面。目前动态电压 恢复器的理论研究主要集中在主电路拓扑结构、检测算法、控制方法、补偿策 略等方面。在主电路拓扑结构方面，主要研究不同的三相系统逆变器结构对故 障电压补偿效果的区别，高压大功率逆变器在d v r 中的应用等；在检测算法方 面，主要研究如何快速准确的检测出电网电压的幅值、相位以及频率的变化并 生成负载电压的参考指令；在控制方法的研究方面，主要的热点是如何快速准 确的捕捉畸变电压，并对其进行很好的补偿，保证系统具有良好的动稳态性能； 在补偿策略方面，主要研究如何在储存能量一定的情况下尽量的延长补偿电压 跌落的时间，即能量优化的补偿方式n 5 1 1 6 。 动态电压恢复器不仅在理论研究方面取得了很多的成果，而且有不少产品 已经投入使用，并取得了良好的效果。第一台工业应用的d v r ( 如图1 3 1 所示 1 ) 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卅f 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，以便对全厂提供电压跌落保护。另外在 o r i a nr u g s ( u s a ) ，b o n l a ef 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，如图1 3 2 叫) 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，它可以弥补5 0 0 m s 的三相电压跌落的3 5 和单相电压跌落的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。文献 1 7 曾报道a b b 研制的 d v r 的电压源逆变器选用了新开发的i g c t ，通过元件的串联方式有望使功率超 过1o o m w ，因此更高性能、更大容量的d v r 的问世指日可待。由此可见，动态 电压恢复器是一种非常有应用前景的电能质量补偿装置，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、最 有效的手段。 篓。 。髫” 图1 3 2 世界上容量最大的d v r 在国内，很多高等院校和研究机构也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 6 研究院等等。这些研究单位对于d v r 的运行原理、电路结构等都进行了大量的 深入研究并研制了相应的样机。但是与国外相比，我们还没有相应的运行经验， 所研制的样机还有待于工业环境的检验。另外，在容量和电压等级方而，我们 的研制成果与国外还有很大的差距。 1 4 本论文的主要工作 本文对动态电压恢复器的核心问题进行了较为深入的理论分析和研究。并 在理论分析的基础上开发研制了一套3 k v a 的电网电压模拟系统和动态电压恢 复器的实验系统，并且进行了实验验证。本文工作重点可以总结如下： ( 1 ) 首先详细介绍了动态电压恢复器的工作原理和基本结构，并对动态电压 恢复器的几种常用的拓扑结构以及d v r 主电路中的关键环节一逆变器的 几种结构进行了详细地对比和分析，并最终选择基于三单相h 桥主电路结 构的动态电压恢复器作为本文的研究目标。 ( 2 ) 从动态电压恢复器对锁相方法的要求出发，分别从开、闭环控制两个角 度对在动态电压恢复器中广泛应用的锁相方法进行了分类研究和总结， 并详细分析介绍了基于闭环控制的四种锁相方法，通过大量的仿真和实 验研究对它们的优缺点和使用范围进行了比较分析。最终选择了基于双 同步坐标系下的解耦软件锁相环方法作为本文样机的使用方法。 ( 3 ) 建立d v r 的等效电路以及数学模型，在此基础上研究了前馈控制策略。 针对前馈控制策略存在的缺点，结合传统的复合控制策略，本文对复合 控制策略进行了改进，引入了基于负载电压瞬时值反馈和电感电流反馈 以及直流电压前馈的双环复合控制策略。通过分析两种控制系统输出对 输入的开环、闭环频率特性及阻尼比，得出系统的稳定裕度和动态特性 指标，证明了本文采用的复合控制策略具有更好的稳定性，动态