（电力系统及其自动化专业论文）基于电压空间矢量脉宽调制的动态电压调节器研究.pdf

间电压矢量跟踪电压矢量命令，从而达到直接电压控制的目的在空间电压矢量 的合成中，对零矢量的选择，采用谐波含有率较低的七段式开关矢量控制策略， 使v s i 开关状态变化尽可能少，既提高了直流侧电压利用率又减少了逆变器的 开关损耗，并且改善了电压的动态性能，这种简单的矢量模式切换也更易于单 片微处理器或d s p 的实现最后，建立仿真模型进行分析，通过仿真结果验证了 该d v r 的有效性。 关键词：动态电压调节器 电压暂降电压源逆变器空间矢量p w m t h es t u d yo fd y n a m i cv o l t a g er e s t o r e rb a s e d o n v o l t a g e s p a c e - - v e c t o rp w m c o n t r o l m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：l il i a d v i s o r ：y a n gh o n g g e n g t h eq u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e ri nm o d e mp o w e rs y s t e mi sa ni s s u e t h a ti s n o w a d a y sg a i n i n gs i g n i f i c a n ti n t e r e s t t ob o t he l e c t r i c sa n de n du s e r s w a v e f o r m d i s t o r t i o nc a u s e db yn o n l i n e a re q u i p m e n ta n dv o l t a g es a gc a u s e db ys h o r tc i r c u i t se t e a n do t h e rp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sc o m p o s et h em a i nr e s e a r c h o fm o d e mp o w e r q u a l i t y v o l t a g es a g s a r en o wo g l eo ft h em o s ts e r i o u s i m p e r i l t om o d e m i n f o r m a t i o n a ls o c i a l d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r ) i sac u s t o mp o w e rd e v i c et h a ti sc o n n e c t e di n s e r i e sw i t ht h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mt op r o t e s t i n gs e n s i t i v el o a d sf r o mv o l t a g es a g s a d v rc a nc o m p e n s a t ev o l t a g et oan o r m a li naf e wm i l l i s e c o n d s ，a n da l s oc a nr e s t r a i n t h ev o l t a g ed i s t u r b a n c e ss u c ha sh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，f l i c k e re t c i t sau s e f u ld e v i c e t or e s t r a i nt h ep r o b l e m so fd y n a m i cv o l t a g e t h i sp a p e ra n a l y s i sd v rf o rt l l er e a l t i m ed e t e c t i o na n dc o n t r o lo fv o l t a g es a g s a n dp u t sf o r w a r dan e wm e t h o dn a m e dt h ef a s t i n gm e t h o do ft h ed - qc o n v e r s i o no f i n s t a n t a n e o u sv o l t a g e s ，t h em e t h o dp r o p o s e dp o s s e s st h es u p e r i o r i t yo fh i g h a c c u r a c ya n df a s td y n a m i cp e r f o r m a n c e ，w h i c h e a r lb eu s e dt oi n s t a n t a n e o u s l y q u a n t i f yt h em a g n i t u d e ，d u r a t i o na n dp h a s e a n g l ej u m pf g ts i n g l e - p h a s e p h a s e - j u m p c o m p e n s a t i o ni sa c h i e v e du s i n gap h a s e l o c k e d - l o o pm e t h o d t h en e t w o r kp h a s e t r a c k i n gm e t h o da n dp r e - f a u l tc o m p e n s a t et h a te s p e c i a l l y i tc a nc o m p e n s a t ef a s t v o l t a g ed i s t u r b a n c e ss u c ha ss a g so rs w e l l s i t sv e r y u s e f u lf o re s t i m a t eo fad v ro n d e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o nc o n t r o l ， t h ec o n t r o l so fad v ri n c l u d er e f e r e n c e i n j e c t e d - v o l t a g e c o n t r o la n d t h r e e p h a s ci n v e r t e r c o n t r 0 1 t h e p a p e rs t u d yt h ev e c t o r - c o n t r o l o ft h r e e p h a s e v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e rw i t hl e a d a c i db a t t e r i e st op r o v i d er e a lp o w e r ，b a s e do nt h e v o l t a g e s p a c e v e c t o rp w m ( v s v p w m ) a l g o r i t h mi sp r e s e n t e d v s v p w mi n h e r i t t h ee x c e l l e n c eo fs v p w m ，w h i c hh a v eh i g hu s i n gr i s ea n df a s td y n a m i cr e s p o n s e v s v p w mi sad i r e c tv o l t a g ec o n t r o l ，w h i c hb a s et h es p a c ev o l t a g ev e c t o ri n s t r u c t i o n t h a tc o m ef r o ms y n c h r o n y r o t a r y c o o r d i n a t e ，t h e nu s e ss v p w m c o n t r o lm a k es p a c e v o l t a g ev e c t o rt r a c kt h ei n s t r u c t i o no fv o l t a g ev e c t o l l a s ta t t a i nt h ep u r p o s eo f v o l t a g ec o n t r o ld i r e c t l y t h es w i t c h i n gs t r a t e g yb a s e do ns e v e n - s e c t i o ns e q u e n c e s c h e m ea n dl o wt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，w h i c hh e i g h t e nt h eu t i l i z a t i o nr a t i o ni nt h e d co ft h ed v ra n dr e d u c et h es w i t c h i n gl o s sa n dg a i nag o o dd y n a m i cn a t u r a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa l es h o w nt ov a l i d a t et h ec o n t r o lm e t h o d s k e y w o r d s ：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 es a g ，v o l t a g e 。s o u r c e i n v e r t e r , s p a c e v e c t o rp w m 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 1 绪论 1 1 课题背景和研究意义 随着现代工业技术的发展，用户对电能质量提出了新的要求，并越来越难 以忍受电能质量降低对他们所带来的不利影响，这促使电力部门提高电能质量， 以适应电力市场开放所带来的剧烈竞争和用户对产品个性化发展的需求。对于 现代电力系统所面临的电压暂降等电能质量新问题，韩英铎院士将其称之为信 息社会对供电质量提出的新挑战。毫无疑问，面对信息时代的到来，电力部 门应采取必要的措施以提高现代电力系统的电能质量。在我国，随着国民经济 的快速发展，电力负荷急剧增加，特别是冲击性、非线性负荷容量的不断增长， 使得电网出现各种各样的电能质量问题；越来越多的电力用户采用了微电子技 术、计算机技术、电力电子技术、数字控制的自动化生产线等，大批新兴产业 迅速崛起。用户对电能数量的需求己逐渐向对电能质量的需求方面转变，电能 质量的重要性已经并将日益引起我国电力工作者的重视。电能质量问题的研究 涉及基本理论的研究、电能质量问题调研、电能质量监测和评估技术等，而解 决电能质量问题的最终途径是运用有效的调节技术对电能质量进行系统化地综 合补偿【2 1 。因此，对电能质量问题进行深入的研究，提出并采取切实可行的治 理措施，卓有成效地改善电网电能质量，具有重要的理论和现实意义，这一课 题的研究必将带来巨大的经济和社会效益。 与电压波动等电能质量问题一样，电压暂降( 又称电压凹陷、电压骤降、 电压跌落) 不是一个新问题，实际上，自电力工业诞生之日起，电力系统中就 已不同程度地存在动态电能质量问题。近几十年来，一方面，由于各种非线性、 冲击性、波动性负荷以及敏感性设备等的大量使用；另一方面随着用电设备 的技术更新，特别是2 0 世纪8 0 年代以来，数字式自动控制技术在工业生产中 得到大规模应用，如变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动生产线以及 基于计算机、微处理器的管理、分析、检测、控制等敏感性用电设备的大量使 用，它们对系统的扰动比一般机电设备更加敏感，对供电质量要求更为苛刻， 动态电能质量问题才引起各有关部门与研究人员的广泛关注。动态电能质量降 低所引起的问题突显出来，对电力部f i n n 用户造成了巨大的损失。据报告，由 于一次电压暂降而使某生产线重新启动需花费$ 5 0 ，o o o ；某玻璃厂5 个周期电压 间断造成损失约$ 2 0 0 ，o o o ；某计算机中心2 秒的供电中断引起约$ 6 0 0 ，o o o 的损 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 失；一次幅值低于9 0 、持续时问超过3 5 m s 的电压暂降可造成半导体芯片工厂 的直接经济损失约为l o o 万美元。在美国，电能质量降低每年所引起的损失达 1 3 3 亿美元p j 。在欧洲和美国，电力部门与用户对电压暂降的关注程度比对其他 有关电能质量问题的关注程度要高得多。这其中一个重要因素是由电压暂降引 起的用户投诉占整个电能质量问题投诉的8 0 以上，而由谐波、开关操作过电 压等引起的电能质量问题投诉所占不到2 0 1 4 j 。 电压暂降已成为威胁现代社会各用电设备正常、安全工作的主要干扰，并 且成为威胁信息化社会供电质量不可忽视的因素。目前，许多国家已开展了电 压暂降的长期监测工作。如加拿大电气协会( c e a ) 自1 9 9 1 年起开始的一项为 期3 年的电能质量调查口j ，有2 2 个电力公司参加，选择了5 5 0 个供电点( 包括 工业、商业和民用) ，工业用户组的调查结果：用户侧每个监测点每相每月平均 发生3 8 次暂降，电源侧平均为4 次，用户侧8 5 的监测点每相每月平均发 生过1 0 2 0 次电压暂降，电源侧为5 - 6 次。商业用户组的调查结果：用户侧7 0 的监测点每相每月平均发生过2 3 次电压暂，电源侧为m 次。某一工厂 的记录结果表明，当单相或多相电压暂降幅值下降大于1 0 ，持续时间大于 0 1 s 时，引起了计算机系统的紊乱，从而对该厂造成严重的经济损失。英国1 9 9 5 年就电能质量问题对容量超过1 m w 的1 0 0 家用户做了调查，结果显示，在1 2 个月里，6 9 的用户的生产过程因电能质量问题而受到破坏，其中4 5 的用户 遭到多次扰动，事故原因调查结果统计中发现，8 3 的事故由电压暂降和瞬时 电压中断造成。美国e p r i 对电压暂降也进行了长期、广泛的实测调研，结果表 明许多电压暂降的幅值是变化的，且还伴有相位的突变、不对称以及波形的畸 变。短路故障、感应电动机启动和雷击是引起电压暂降的最主要原因。根据美 国e p r i 对2 4 家电力公司的7 9 条馈线上的2 2 2 个供电点的统计结果，由系统扰 动引起的电压暂降大多数幅值为额定值的9 0 7 0 ，且持续时间不足1 0 个周 期1 6 1 ，因此，在最大补偿值为正常电压的3 0 时( 即d v r 的额定容量是负荷功 率的3 0 ) ，则估计可以消除9 5 以上的电压暂降扰动【7 l 。而系统即使按最大可 靠性设计也无法避免这些扰动的侵袭，并且目前供电中断后的快速恢复能力也 远远满足不了许多敏感负荷的要求。 在“c u s t o mp o w e r ”家族中，s m e s 的价格太昂贵，因此距推广实用还有 很大一段距离【8 ；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 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 在l k w - l m w ，很难解决综合性敏感负荷的供电质量问题，且售价昂贵；s s t s 在所有馈线都发生故障或电压暂降或者只有一条馈线供电时，无法保证重要负 荷的供电质量【9 1 。而d v r 则是目前保证对电能质量敏感负荷供电的串联性补偿 装置，它能在毫秒级内，将电压暂降补偿至正常值，还能抑制电源电压中的谐 波、闪变等干扰，是抑制动态电压干扰的有效补偿装置【嘲。 1 2 国内外发展动态 国外对电能质量补偿装置开展得较早，美国、日本、德国等国家己形成了 一系列用于改善电能质量和提高供电可靠性的产品，其中抑制负荷谐波电流、 无功的并联型器件和改善电源电压质量的串联型补偿器研究已进入了实用阶 段，如a b b 、s i m e n s 和w e s t i n g h o u s e 、g e 、和s o f t s w i t e h i n g 均已形成了a p f 、 d s t a c o m 、d v r 或类似产品。其中，a p f 用于非线性负荷附近以消除谐波电 流造成的不利影响。d s t a t c o m 用于补偿波动性负荷( 如电弧炉) 引起的电 压波动、无功等：d v r 则串联于敏感负荷前，提高供电质量。1 9 8 6 年1 9 9 9 年， 三菱至少有2 0 0 台d s t a t o o m 投入运行，容量从0 1 , - , 6 0 m v a r 不等，应用场合 包括钢铁公司、电气化铁路、水电站、风电站、变电站等。西门子公司于1 9 8 8 年在美国德州的s m i 投运了一套8 0 m v a r 的d s t a t c o m 装置，与6 0 m v a r 的 f c 并联。a b b 公司至少有6 台3 0 m v a r 以上的d s t a t c o m 投运，最大的一台 容量为1 6 4 m v a r 【l l 】。清华大学和河南省电力局联合研制了我国第一台工业级的 s t a t c o m ，容量2 0 m v a r ，于1 9 9 9 年3 月在洛阳赣阳变电站成功投运【j2 】。目 前，国内已对d s t a c o m 用于配电系统抑制电压闲变，补偿负荷不平衡进行了 广泛深入的研究u 3 】【l 射，推进其在工业系统的应用。 自从1 9 9 6 年8 月，w e s t i n g h o u s e 公司为e p l u 研制的世界上第一台d v r 成功投入工业运行以来，目前，d v r 己得到了广泛的应用，如o r i a n ( 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 n p a p e r ( u k ) 等公司的供电网络中串入了 d v r ，容量最大已达2 2 5 m v a 。d v r 的投运已经带来了巨大的经济效益，如澳 大利亚的b o n l a c 食品公司在对d v r 试运行后迸行的数据统计表明，该公司每 年减少了2 ，4 5 3 ，4 0 0 澳元的损失l l “。而我匿的d v r 研究比国步 稍晚，现在基本 上还处于起步阶段，所研制的实验样机容量小，等级底【1 6 1 。由此可见，在我国， 加快对d v r 进行研究是十分有必要的，相信不远的将来，d v r 很快会从实验 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 室走向工业运行。 1 3 本文所做工作 电压暂降的理论研究涉及很多内容，其中主要有不同类型故障时负荷所承 受电压暂降的幅值与相位跳变【l ”、单相故障引起的电压暂降经过不同类型变压 器后的转化、电压暂降临界距离的评估【1 9 1 、感应电机对单相故障和两相故障 所引起的不平衡电压暂降的影响分析【2 0 】、电压暂降的对称分量分析1 2 l 】、电压暂 降对可调速驱动的影响 2 2 1 以及电压暂降的小波分析( 2 3 j 等。 为了进一步降低d v r 的成本，国内外都在研究如何采用新型的控制技术算 法，尽量降低d v r 直流储能系统装置的容量【2 4 】，【2 5 1 。目前，研究的重点主要放 在电压暂降的快速检测和新型的补偿控制算法上【2 6 j 。 本文首先概述了动态电能质量的定义、标准以及电能质量问题的解决方法， 从性价比提出d v r 设备。然后比较了减缓电压暂降的d v r 的基本拓扑结构， 选择串联式d v r 拓扑。并针对电压暂降具有突然发生的特性，详细论述了基于 广义瞬时无功功率理论原理的相位追踪法检测在本d v r 上的应用：结合敏感负 荷的负荷特性，考虑对伴有相位跳变的电压暂降的补偿要求，利用一种一检测 到电压暂降就卡滞的锁相环( p l l ) ，以保持故障前正序分量的相位值，利用前 故障补偿策略，给出补偿电压矢量指令，最后将空间矢量脉冲宽度调制 ( s v p w m ) 技术应用于该d v r ，利用电压空间矢量p w m 控制逆变器输出电 压，达到直接电压控制的目的。 本文研究的基于电压源逆交器( v s i ) 的动态电压调节器( d y n a m i cv o l t a g e r e s t o r e r - d v r ) ，它安装在公共电源与用户连接处( p c c ) ，能在电源电压发生暂 降时，特别是伴随有相位跳变的不对称暂降时，通过串联补偿控制，恢复负荷 端电压为参考电压值，保护敏感负荷不受电源电压暂降的影响。 1 分析了基于广义瞬时无功功率理论的实时检测方法，提出一种基于广义瞬 时无功功率理论的、适合于不对称电路的、能快速准确的检测畸变电压的实时 检测方法。 2 分析比较了d v r 的应用于在线检测韵不同实时检测方法以及针对不同负 荷特性的补偿控制策略。将新型相位追踪法检测与相应的前故障补偿控制策略 相结合，得到保护对相位跳变敏感的负荷补偿控制方法。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 3 对逆变器控制，采用基于空间矢量( s v ) 的控制理论。即基于固定开关频 率的空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 的控制思想，利用同步旋转坐标系( d 一4 ) 中电压调节输出的电压矢量指令( 即补偿电压) ，再采用s v p w m 使检测到 的电压源逆变器空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到直接电压控制的目 的，因此简化了控制电路。这种v s v p w m 方法既提高了直流侧电压的利用率， 又能降低开关损耗，改善动态电压特性。 4 进行了大量的数字仿真工作，仿真软件用m a t l a b6 5 ，通过仿真优化了 该d v r 的参数，研究了其控制算法，模拟了该d v r 的运行规律，并以仿真结 果验证所采取的控制策略的正确性。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 动态电能质量问题 电能是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形态，又 是一种供电部门向电力用户提供，并由发、供、用三方共同保证质量的一种特 殊产品。现代生产和现代生活离不开电能，电力部门不仅要满足用户对电力数 量不断增长的需要，而且也要满足对电能质量上的要求【2 7 】。自二十世纪八十年 代后期以来，电能质量问题及其解决途径越来越引起国内外专家、学者、电力 科研人员、供电部门和电力用户以及企业领导的重点关注。目前，各国专家、 学者正致力于通过系统的方法解决此类问题。 2 1 电能质量 电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不正常工作的电压、电流或频 率偏差，其内容涉及电压偏差2 7 1 、频率偏差【2 鲫、电磁偏差f 3 0 】、供电可靠性、波 形失真、三相不平衡p l 】以及电压波动和闪变【3 2 】等。从普遍意义上讲，电能质量 是指优质供电，它包括频率、供电持续性、电压稳定和电压波形。迄今为止， 人们对电能质量的技术含义还存在着不同的认识，这一方面是由于人们看问题 的角度不同，另一方面，对电能质量的认识也受电力系统发展水平的制约，特 别是用电负荷的性能和结构等对电能质量也有不同的影响。 i e e e 技术协调委员会正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这一技术术语来表示电能 质量，并给出了相应的回答：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设 置的接地系统是均适合设备正常运行的。此外，在电能质量研究领域内的许多 文献和报告中还采用了一些尚未公认的技术术语和编程定义。如： 1 电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) 即，采用实际电压与理想电压之间的偏差( 包 括幅值、波形、相位等) 来反映电力企业向客户提供的电能是否合格。 2 电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) 即，对用户取用电流提出恒定频率、正弦波 形等要求，并使屯流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。 这个定义有助于电网电能质量的改善，并降低线损，但不能概括大多数因电压 原因造成的质量问题，而后者往往并不总是由用电造成的。 3 供电质量( q u a l i t yo f s u p p l y ) ，包括技术含义和非技术含义两部分。技术 含义指电压质量和供电可靠性等；非技术含义是指服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，包括电力企业对电力的投诉、抱怨等反映速度和电力价格( 合理性、 6 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 透明度) 、电力的顾客让度价值等等。 4 用电质量( q u a l i t yo f c o n s u m p f i o n ) ，包括电流质量和非技术含义，如用户 是否按时、如数缴纳电费等。它反映供用电双方相互作用与影响中用电方的责 任和义务。 实际上，供电系统只能控制电压的高低，不能控制某一负载汲取的电流的 大小。因而大多数情况是在讨论电压质量问题。 2 2 动态电能质量 对于电能质量现象可以从不同角度分类。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性、持续时间、幅值变化等将供电系统典型电磁干扰现象 进行了特征分类【3 引，为准确地区分电压暂态现象提供了依据，见表2 1 。 表2 1 电力系统电磁现象特性与分类( 暂态部分) 种类频谱成分持续时间电压幅值 冲纳秒上升沿5 n s 1 m s 态级 震低频 5 l d z0 3 5 0 m s o 4 p u 荡 暂 中频 5 5 0 0 h z 2 0 hs 8 p u 态 高频o 5 0 h m z 5 us 帖4 p u 短电压骤降 3 s l m i n o 1 p u 时 变 电压骤升 3 卜l m i n o 1 0 9 p u 化 短时停电 3 s 1 m i l l 1 i l 8 p u 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) i e e e 第2 2 标准协调委员会和其他一些国际委员会推荐使用下面的术语来 描述影响电能质量的几个主要干扰现象【3 3 】： 这些术语主要有电压暂降( s a g ) 、电压暂升( s w e l l ) 、电压瞬变( t r a n s i e n t ) 、 谐波( h a r m o n i c ) 、供电中断( i n t e r r u p t i o n ) 、电压缺口( n o t c h e s ) 、电压波动( v o l t a g e f l u c t u a t i o n ) 、或闪变( f l i c k e r ) 、三相不平衡( v o l t a g eu n b a l a n c e ) 、过电压 ( o v e r v o l t a g e ) 、欠电压( u n d e r v o l t a g e ) 等。这些干扰现象中动态电能指标分 类来讲，包括： 一、瞬变现象 i e e es t d l 0 0 1 9 9 2 电气与电子标准术语词典有一个含义更宽、描述也更 简单的定义：变量的部分变化，且从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态的过 程中该变化逐渐消失的现象。有两种普遍类型冲击和震荡。 1 暂态振荡 其特征指标为波形、峰值和持续时间，产生的原因是由于线路扶植和电 容器组的投切，造成的后果是破坏运行设备的绝缘和电子设备等。 2 皙态脉冲 其特征指标为电压是电压上升时间、峰值和持续时间，由于线路遭受累 计或感性电路分合等生产。会破坏运行设备的绝缘。 二、短时间电压变动 这一类型包括电压变动和短时间电压中断等现象。造成短时间电压变动的 主要原因是系统故障、大容量( 大电流) 负荷启动或与电网松散连接的间隙性 负荷运作。 1 、电压中断 当供电电压降低到0 1 p u 以下，且持续时间不超过i m j n 时，我们认为 出现了电压中断现象。 2 、电压暂降 “暂降”是指工频条件下电压均方根值减小到o i 0 9 d u 之间、持续时间 为o 5 周波至1 m i n 的短时间电压变动现象。电压暂降往往伴随相位的突然变化， 称之为相位跳变。目前，国内对该现象的描述用词尚未统一，如采用电压下凹口4 】、 凹陷1 3 s 1 、跌落、骤降 3 6 1 、短时低电压等术语。短时间的电压暂降( 幅值下 降大于l o ，持续时间大于l o o m s ) 就可能引起计算机系统紊乱p 8 1 ：调速 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 设备跳闸1 3 9 j ( 幅值下降大于1 5 ，持续时间8m s ) 以及机电设备误操作等。 除由于重负荷或大型电机启动造成电压暂降外，多数情况下电压暂降是同系统 故障相联系的。与长时问供电中断事故相比，电压暂降有发生频率高、事故原 因不易觉察的特点。而且，这也是电力用户投诉最多的一种扰动。电压暂降对 那些对电压敏感的用户危害较大，如半导体制造业、集成电路制造、芯片生产、 造纸、板材加工、注塑压模生产线、纤维抽丝等。 3 、电压暂升 “暂升”的含义是指在工频条件下，电压均方值上升到1 1 1 8 p u 之间、 持续时间为o 5 周波到i m i n 的电压变动现象。与暂降的起因一样，暂降现象是 同系统故障相联系的。另外，当大容量负荷甩开或大容量电容器组增能时也会 引起电压暂升。 2 3 动态电能质量的补偿方法 为了保证用户的供电质量，一方面要加强输电系统的输送能力，保证对配 电系统的供电可靠性，另一方厦应抑制或消除干扰( 包括来自系统侧和用户侧) 对电能质量的污染。缓解电能质量闻题的方法有两种：一为负荷调整，既设法 使设备自身降低对各种干扰的敏感程度：另一种为安装补偿装置来抑制或抵消 电网电压的干扰。这里，主要讨论后者。 传统的电能质量补偿方法有：利用分接头、有载调压变压器、加装并联电 容器、同步调相机、静止补偿器( t s c 、t c r 、s r ) 等调压方法。这些方法对 稳态电压质量问题如过电压和欠电压有一定的作用，但是，对电网发生故障造 成的电压骤升、骤降、不对称、波动等暂态电压质量问题却不能实时、动态地 对电能质量进行有效的补偿。目前，我国常用的无功调节设备主要有机械式并 联电抗器、投切电容器，这些静止型调压设备，因调节不连续、响应速度慢， 很难满足系统运行方式快速变化时的要求；采用l c 无源调谐滤波器可以降低 谐波电流和补偿无功功率，但该方法的最大缺点是其性驻要受电网阻抗和运行 状态的影响，易与系统发生并联谐振，导致谐波电压放大，而且，它只能补偿 固定频率的谐波，效果不甚理想。 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，近来基于现 代电力电子技术的“定制电力”【2 j ( 又称用户电力技术c u s t o mp o w e r ) 技术已 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 成为改善电能质量的有力工具1 4 “。 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 1 9 8 8 年提出来的，它与“柔性交流输电技术( f a c t s ) 4 2 1 4 3 1 是现代电力系统中 基于电力电子技术的具有变革性的前沿课题。其中最有代表及最具影响的有动 态不问断电源( d u p s ) ，配电系统静止无功发生器( d s t a c o m ) ，有源电力滤波器 ( a p f ) ，动态电压调节器( d v r ) ，统一电能质量控制器( u p q c ) ，固态断路器( s s c b ) ， 固态切换开关( s s t s ) ，分布式发电系统( d g ) 等等。表2 - 3 给出各种电能质量控 制技术的简单比较【3 8 】。 表2 - 3 ：各种电能质量技术的比较 电能质量控制防停补偿稳补偿动节能消除防容量 成本 技术电态电压态电压谐波灾 害 稳压电源无有无无无无大高 无源滤波无无无无有无大低 自启动电源有有无无无无大高 普通u p s有有无 无无无大 高 有动态补偿有有有无有无大高 u p s d v r 无有有 有 有 无小低 d s t a t c o m 无 无无有有有大低 a p f无无无有有有小低 u p q c 有有有有有有 小 较高 s s t s 有无有无无有 大低 分布式发电有 有有有有有大高 可以看到，d v r 有较高的性价比，是抑制动态电压干扰的有效补偿装置。 据文献【4 5 】介绍，美国某半导体厂所在的电网平均每年发生1 4 次电压暂降，每 次造成1 0 0 万美元的损失，装设6 m v a 的d v r 后消除了9 0 的电压暂降对 工厂的影响，在2 年内就将该设备的投资收回。如图2 1 所示，d v r 基本上为 一个受控电压源，串联于电网络，在系统与负载间通过耦合变压器分别注入三 1 0 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 相交流电压，而每一相电压可独立控制幅值和相位，从而m 恢复”负荷侧的电 压质量。 图2 - 1 ：d v r 等效电路图 四川i 大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 3d v r 主电路结构 暂降又称骤降或凹陷，是最为普遍、危险最大的一类动态电压质量间题， 它所危害的设备包括调速电机、电子计算机、工业控制系统等，主要由系统故 障和感应电动机启动产生，解决电压暂降问题和解决其他电压瞬变问题有互通 性。 3 ，1 电压暂降缓解对策 电力系统短路故障是造成电压暂降的主要原因之一。短路故障通常包括单 相与遗、两相或多相之间或与大地经阻抗或直接连接形成短路。在故障点，电 压幅值可能降到很低的水平，在一定区域内，常常造成一些用户的电压发生暂 降。如果故障发生在系统的辐射方式配电区域，保护动作将导致供电中断；如 果设备与故障发生地点距离较远，则短路故障可能只造成电压暂降；如果故障 严重到一定程度，用电设备会跳闸。当然，其他的一些事件，如：电容器投切、 大电动机启动等负荷冲击也可能造成电压暂降，甚至可能会导致用电设备跳闸。 各种缓减电压暂降的措施包括几个方面： 1 减少故障数目，缩短故障切除时问； 2 改变系统设计，使得故障发生时用户设备处的电压扰动最小； 3 在供电网络与用户设备间加装缓解设备。如：u p s 、d v r 。 4 提高用电设备对电能质量问题的抵御能力。 事实上，用户通常很难对配电网络或用电设备本身有所作为，所能开展的 工作只能是在供电系统与用电设备的交界处安装缓解电压暂降扰动的设备，这 也是应用最普遍的方法，设备有： 不间断电源( u p s ) ：这是解决供电中断的最有效方法，同时也能抑制电压暂降。 然而，采用大容量u p s 解决电压暂降闯题，存在价格昂贵、储能设备维护量大 等缺点。 动态电压调节器( d y n a m i ev o l t a g er e g u l a t o r - - d v r ) ：该设备被看成是减轻电 压瞬变影响最有力的措施。 抑制措施中，d v r 是保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装置， 其性价比较高。d v r 在消除电压暂降，提高大型综合性敏感工业负荷的供电质 量方面有显著的效果州【4 7 1 。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 3 2 动态电压调节器的拓扑结构分析 d v r 的基本拓扑结构如图3 - 1 所示，有三种结构【4 9 】【5 0 】。 0 s o g西， b 1 曲 图3 - 1d v i t 装置的基本拓扑结构图 a ) 串联式d v rb ) 并联式1 ) v rc ) 串并联式d v r 图3 1 a 为串联式d v r ，其主功率回路系统，由能量存储单元、直流电压稳 定与滤波单元、电压源变换器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r - v s c ) 型全控型逆变器 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 又称电压源型逆变器( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e 卜v s i ) 、滤波器以及串联变压器、 保护与控制等单元组成。 由于能量存储单元具有在电压暂降期间给负载提供有功功率的作用，因而 必须具有一定的能量存储与功率交换能力，典型和潜在的储能设备包括：电池、 超级电容、超导储能以及飞轮储能等 s q 。这其中，铅酸电池是采用铅及其化合 物作为正、负极的活物质并以稀硫酸作为电解液的二次电池，是最为成熟的电 池技术；硫化钠( n a s ) 电池是近来迅速发展起来的一种电池蓄能技术；飞轮储 能是通过动能与电能的转换实现的，该方式已在大型u p s 中使用；超级电容是 近来发展极其迅速的储能技术，通过电气双层及分级的作用是每克介质可得到 数百甚至数千法的电容量，可实现电能电场形式的存储；超导储能，则利用电 流在处于超导状态的线圈中流通，以磁场形式存储电能，配电超导储能设备 ( d s m e s ) 已在配电系统中获得应用。综合来说，铅酸电池、n a s 电池、飞轮 储能均是将电能转换为其他能量形式进行存储的，具有能量密度大、造价低等 优点。而超级电容、超导储能则直接以电场或磁场的形式储能，具有冲放电迅 速、效率高、使用寿命长等优点，储能设备的冲放电多采用直流，因而还需要 相应的变换与控制电路。本文装置的储能设备采用铅酸电池，此技术成熟、价 格低，电路简单。 高压大容量d v r 中，补偿电压是利用串联升压变压器接入电网的。采用这 种主接线方式不仅可以使逆变器部分与电网隔离，还能降低逆变器部分所承担 的电压，以降低对逆变器输出电压能力的要求，因此可选择较低的直流电压。 当然，逆变器产生的高次谐波将增加变压器的容量，而且，串联升压变压器会 引入附加的相移和压降，降低控制器的性能。 滤波单元通常由电容器实现，电压较高时，可通过均压控制的电容器组合而 成。因为d v r 的滤波器必须能够有效滤除开关谐波，保证基波幅值以及相位的 不失真传递，并且能确保低次谐波不予放大，通常采用r 形结构来实现，如图 3 - 2 所示1 5 越。 图3 - 2 滤波器电路 1 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) v s c 型全控型逆变器采用全控器件如i g b t 、g t o 等。近年，基于双极性 与m o s 工艺相结合的i g c t 器件技术发展很快，有望在逆变器中获得应用。本 文采用i g b t 全控型器件，逆变器采用三相桥式结构，三桥臂接于一个公共的 直流侧，通过桥臂上电力电子器件( i g b t ) 按照一定的模式进行开关动作便可 获得三相交流输出。开关模式可采用脉宽调制控制，调制方式通常为正弦脉宽 调制( s p w m ) ，本文采用电压空间矢量p w m ( v s v p w m ) 控制，其运行和控 制详见第六章。 控制单元完成信息的采集、处理、运算以及驱动脉冲的产生，可采用d s p 等高速数字信号处理微控制器实现。保护回路则实现系统短路或过负荷情况下 对d v r 主回路的保护。 串联式d v r 检测到供电电压跌落时，立即生产补偿电压，并通过串联变 压器叠加到供电回路中，保证负荷电压的稳定。 图3 1 b 所示的主功率回路系统、控制系统的结构与串联式d v r 的结构非 常接近，但它通常不采用能量存储单元，只为系统提供无功，通过并联方式接 入系统。这类控制器并不是直接补偿负荷电压，而是通过对无功电流的控制来 实现电压调整，通常被称为静态无功发生器( s v g ) 或静态补偿器( s t a t c o m ) ， 它通过发出或吸收无功电流来补偿有限的电压跌落。 图3 1 c 所示的则是将串联补偿电路与并联补偿电流结合起来的一种拓扑 结构，使能量可以双向流动，对供电系统电压暂升的抑制非常有用。 本文采用图3 1 a 所示的串联式d v r 补偿方式，这种补偿方式直接补偿电 压的差值，具有补偿容量小( 只需提供补偿电压部分相应的功率) 、补偿效果与 系统阻抗以及负荷功率因数无关等特点。而且由于补偿功率由储能单元提供， 若该功率单元足够大，这类d v r 即使是在供电中断时，也可提供所需的功率， 保证供电的连续。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 4d v r 相位追踪法检测分析 近年来，在研究电力有源滤波装置以及无功补偿技术的过程中，提出了许 多检测方法。如采用模拟滤波器的谐波检测方法、基于f f t 的函数分解法、基 于f r y z e 时域分析有功电流分离法、基于瞬时无功功率理论的有功与无功分离 法1 5 3 以及同步检测法f 5 4 1 、基于调制的检测方法1 5 5 1 、自适应检测方法1 5 6 1 、小波变 换1 2 3 1 以及基于人工神经元网络( a n n ) 的检测法f 5 7 l 、基于f b d ( f r y z e ，b u c h h o z ， d e p e n b r o c k ) 的检测法1 5 8 】等。各种方法各有特色，其研究也在不断深入。 4 1 常用电能质量检测方法 1 基于f f t 分解的频域分析5 9 1 被测的模拟量经采样保持电路，在同步脉冲的作用下，将模拟信号进行离 散化，然后经过模数转换变成数字量，再经过两次f f t 变换推导出谐波分量的 幅值和相位。该方法需要进行两次f f t 变换，如用软件实现，则响应时间长， 实时性较差。 2 基于傅立时级数的裣测方法【蚴 该方法将非正弦电压表达为基波和高次谐波之和，然后根据三角变换方法 将基波分量迸一步分解为有功分量和无功分量。由于该方法也需要多次使用滤 波器，存在受外界环境影响大的缺点。 3 基于f r y z e 时域分析有功电流分离法【6 l 】 该方法将电流分解为两个正交分量；有功分量和广义无功分量( 即负荷电 流与有功电流之差) 。它的缺点是要计算出有功电流，必须对上一个电源