（电力电子与电力传动专业论文）应用于自动转换开关的电量检测方法研究.pdf

a b s t r a ( 了 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gs e n s i t i v i t yo fc o n s u m e e q u i p m e n th a sg i v e nr i s et og r o w i n gi n t e r c s ti nt h eq u a a t yo ft h e e l e c t r i cp o w e r a ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v ep o w e rq u a l i t , a n dr e l i a b i l i t yo fs e n s i t i v ec u s t o m e r si st ol l s ea t r a n s f e rs w i t c h t h i sd e v i c ea l l o w st h ef a s tt r a n s f e ro fp o w e ra n dh e l p sc u s t o m e r sa v o i d i n gv o l t a g e d i s t u r b a n c e s t h ei n t r o d u c t i o nd e s c r i b e st h eb a c k 掣o u n dk n o w l e d g eo fv o l t a g ed i s t u r b a n c e s g i v e st y p i c a le n v e l o p eo f v o l t a g et o l e r a n c et h a td e v i c e sw i l lo p e r a t ew i t h i na n di n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r so fh y b r i dt r a n s f e rs w i t c h w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to fc u s t o mp o w e r t h ee n do ft h i sp a r tp o i n t so u tt h er e s e a r c hc o n t e n ta n d p e n d i n gp r o b l e m s c h a p t e rt w od i s c u s s e st h ei m p o r t a n c ea n dc h o o s i n gp r i n c i p l eo fv o l t a g ed e t e c t i o nm e t h o d c o n s i d e r e dt h a t a b e - d q ot r a n s f o r m a t i o na n t h o l o g ym e e t st h er e q u i r e m e n t s ，a no p t i m i z e df i l t e ri si n t r o d u c e da n dd e s i g n e dt o g e td es i g r l a l b o t ht h e o r ya n ds i m u l a t i o np e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e di nd e t a i l s c h a p t e rt h r e ed e s c r i b e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l e so fh y b d dt r a n s f e rs w i s hf i r s t l y as i m u l a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e dt ov e i l f yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e dd e t e e d o nm e t h o d ad e t a i l e da n a l y s i so fv o l t a g e d e t e c t i o nl o g i ci sg i v e nu n d e rv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t sa p p r o v et h a tt h ev o l t a g e d e t e c t i n gm e t h o dr e s u k si nas h o r td e t e c t i o nt i m ea n dt i t l en o ts u s c e p t i b l et oc a p a c i t o rs w i t c h i n gv o l t a g e t r a n s i e n t s t h et h e s i sa l s om a k e sr e s e a r c ho at h es h o r tc i r c u i tc u r r e n tf a s td e t e c t i o n ac o m b i n a t i o no fl i m i tc y c l e d i g i t a l f i l t e ra n dm a n n m o r r i s o ni sg i v e nb a s e do nb o t ht h e o r yd e d u c t i o na n ds i m u l a t i o n ，t h et h e s i s d e m o n s t r a t e si t sf e a s i b i l i t y i nt h ea n a , t h ep a p e rc o n c l u d e st h em a i n w o r ka n dt h ew o r kt ob ec o n t i n t m do f i t k e y w o r d s ：t r a n s f e rs w i t c h , v o l t a g ed e t e c t i o n ，由0t r a n s f o r m a t i o n , s h o r tc i r c u i tc m 眦l i m i tc y c l e d i g i t a ln l t c r 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 签 名：燃日期：竺堑：竺：! ! 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 一领店一名矗矽魄概c 。 第一章绪论 第一章绪论 理想的三相交流电力系统应以恒定的频率、正弦波形和标准的电压向用户供电，各相的电压和 电流应处于幅值大小相等、相位互差1 2 0 。的对称状态。然而，实际上由于系统中的发电机、变压器 和线路等设备的非线性或不对称，负荷性质各异且变化的随机性，调控手段的不完善以及运行操作、 外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此就产生了电能质量问题。 近些年来，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，电子控制器、p l c 、精密机械工具、微型 电机、计算机装置等用电设备在电力系统中大量投入使用，它们对系统干扰比一般机电设备更加敏 感，对供电质量提出了更全面更加苛刻的要求，哪怕仅仅几个周期的供电中断或电压瞬间跌落都将 影响这些设备的正常工作，造成巨大的经济损失。 提高电力系统供电的安全性，可靠性和经济性，对于保证用电设备的正常工作和工农业生产的 持续高效，都有十分重要意义。相对于基于系统稳态的传统电能质量概念，这类电能质量问题称为 现代电能质量问题。 1 。1 电能质量问题的定义 对于电能质量的定义，不同的人有着不同的定义，国内外对电能质量确切的定义至今尚未形成 统一的菸识。供电部门可以将电能质量定义成供电的可靠性，用户可以定义成使用户设备正常运行， 不发生中断或扰动的电能性质。如何描述电力系统与负荷双方的互相作用和影响，并且给出相应的 技术定义仍是人们不断探索的问题。 i e c ( 1 0 0 0 - 2 - 2 4 ) 标准将“电能质量”定义为“供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使 用电力的物理特性”。i e e es t d 将“电能质量”定义为“满足电子装置的运行条件，并能够以一种 与主布线系统及其它相关装置相协调的方式驱动、保护电子装置”。由于电能质量好坏最终是由用 户决定的，所以对电能质量的定义应从用户角度出发。从用户角度看问题，电能质量问题是指一切 会引起用电设备异常运行、故障或停电的供电电压、电流及频率异常的扰动。 由上可见，电能质量应包括以下两个方面：可靠性( 用户是否断过电) 和电压质量( 稳态及暂态， 包含频率问题) 。通常，电能质量问题主要反映为电压质量问题“1 。 1 2 电能质量问题的分类 电压质量扰动可分为稳态与暂态两类。稳态扰动包括电压偏差、三相不平衡、闪变以及谐波问 题；暂态扰动包括暂态过电压、电压暂降，电压骤升以及供电瞬时中断问题。 i e e e 第2 2 标准协调委员会( s t a n d a r d sc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e2 2 ) 和其他国际委员会推荐采用 1 1 种专用术语来说明电能质量的主要扰动，具体如下； 电压暂降( s a g s ) ：电压有效值减少至标准电压的0 1 p u 至0 9 p u ，持续时间半个周波至一分 钟。 短时供电中断( i n t e r r u p t i o n s ) ：一相或多相完全失去电压( 低于0 1 p u ) ，持续时间在半个 周期至一分钟。 电压暂升( s w e l l s ) ：电压超过标准电压的0 1 p u ，通常在1 1 至1 8 p u ，持续时间在半个周期 至一分钟。 瞬时脉冲或突波( t r a n s i e n t s ) ：两个连续稳态之间的瞬时变化过程，可以是任一极性的单方向 东南大学硕士学位论文 脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波的第一个尖峰。 谐波( h a r m o n i c s ) ：电力系统中的非线形设备和负荷，使电压或电流中含有高次分量，从而导致 电压或电流的正弦波形发生畸变。 电压缺口( n o t c h e s ) ：电压缺口是一种持续时间小于半周期的周期性电压扰动，主要是由于电力 电子设备本身电流换相，造成瞬时短路而引起。通常电压缺口的频率成分很高，很难用谐波分析设 备对它进行分析。 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n s ) 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 p u 至1 1 p u 电压范围的一系列电压随机变化。配电网中绝大多数的 电压波动是由电弧炉引起。 间谐波( i n t e r - h a r m o n i c s ) ：含有基波非整倍数频率的正弦电压或电流称为间谐波。其主要来源 是静止变频器( s t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r ) 、循环换流器( c y c l e c o n v e r t e r ) 、感应电动机和电弧 发生装置等。间谐波会使显示装置引发视觉闪变。 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n s ) ：电力系统中发生故障会导致系统的频率变化超出允许的范 围。 过电压( o v e r - v o l t a g e ) ：持续时间大于1 分钟，电压数值大于标准电压。典型的过电压值为1 1 p u 至1 2 p t 1 。 欠电压( u n d e r - v o l t a g e ) ：持续时间大于1 分钟，电压数值小于标准电压。典型的欠电压值为 0 8 p u 至0 9 p u 。 幅值 图1 1 i e e es t d 1 1 5 9 - 1 1 9 5 中的有关定义 从发生的频度以及对用电设备的危害程度来看，目前，配电网中的现代电能质量问题主要包括 电压暂降，电压暂升以及瞬时供电中断。在现代工业生产中，电压跌落将引起厂家的产品质量下降， 甚至导致全厂生产过程中断，从而造成巨大的经济损失。在用户电能质量问题投诉中，9 0 以上是电 压暂降引起的。电能质量的首要问题是电压暂降，应该作为研究解决的重点。 研究表明，电压暂降问题已成为影响许多用电设备正常、安全运行的最严重的电能质量问题之 一因此，如何抑制电压暂降对敏感电力用户的干扰，是电力研究人员及用户急需解决的问题。 2 第一章绪论 1 3 电压暂降、短时中断与电压暂升 1 3 1 电压暂降的定义 电压暂降是指供电电压有效值在短时间内突然下降又恢复的现象，因为国内尚没有对应的标准， 所以名称和限值都不明确。现在有电压下凹、电压骤降、电压下陷、电压跌落等多种说法。 根据欧洲标准e n 5 0 1 6 0 以及美国国际电气电子工程师协会推荐标准( i e e es t d l l 5 9 1 9 9 2 ) ，电压 暂降( v o l t a g es a g ) 定义为供电电压有效值快速下降到额定值以的9 0 至1 0 ，然后恢复至正常值 附近，持续时间为1 0 毫秒至6 0 秒；而国际电工委员会( i e c ) 则将电压暂降( v o l t a g ed i p ) 定义为 下降到额定值的9 0 至l 持续时间为1 0 毫秒至6 0 秒。在电工术语标委会组织的国家标准“发电、 输电及配电领域中的运行术语”审查会议上，专家们认为将i e c 标准中的v o l t a g ed i p 翻译为“电压 暂降”比较合适“1 ，本文取电压暂降这一定义。 1 3 2 电压暂降产生的原因 电压暂降产生的原因包含系统运行以及用户两方面。 系统方面主要有天气条件恶劣、短路故障，雷击致使保护动作等原因。大部分电压暂降通常是 由输配电系统的短路故障引起的，是不可预测的随机事件。如雷击和绝缘子污闪引起系统短路，保 护迅速将其切除，而后又自动重合闸成功，这样就会引起一次电压暂降。对三相短路而言，电压跌 落是对称的，但对于不对称故障( 单相接地短路，相间短路) ，电压跌落不对称，同时还伴随着相角 跳变现象，且各相电压幅值、相角跳变各不相同。电压出现相位跳变，是由于系统和线路的电抗与 电阻的比值( 肪不同，或不平衡暂降向低压系统传递引起的。由于供电端变压器、用户端变压器 绕组连接方式的不同以及负荷连接方式的不同，使得同一个故障点产生的电压跌落由输电线路送到 不同的负荷时，产生的电压跌落类型也不同。 系统故障多数为单相接地故障，是产生电压暂降的最主要原因。据统计，单相、两相短路、两 相短路接地和三相短路故障占全部故障的比例分别约为7 0 9 6 、1 5 、1 0 和5 。目前配网系统中的线路 主保护是电流保护，该保护的最大缺陷是线路中相当一部分区域的故障不能无延时去除，此外即使 瞬动保护，从监测出故障到隔离故障最快也需要3 个至6 个周波，因此在故障期间则产生电压暂降现 象，线路上的敏感负荷将可能被迫退出工作。 如图1 2 所示”，供电所母线b u s 连接若干用户供电线路，当线路l 4 在距供电母线电气距离磊放e 发生三相短路时，母线b u s 处的电压会下降至乒翰2 ( 尉z 0 ，随着保护成功动作切除故障，母线 b u s 的电压恢复至正常值。在此过程中，所有由b u s 供电的用户都会经历一次电压暂降，电压下降深度 为： 口【，= l z ( z 。+ z r 。) l x l 0 0 b u s l 1 l 2 l 3 k 4 图1 2 电压暂降示意图 东南大学硕士学位论文 用户的原因包括用户内部短路故障以及冲击性负荷的投运等。大型异步电动机全电压启动时， 启动电流一般比额定电流大5 倍以上，会引起电压暂降。这种电压暂时下降幅度不大，影响范围也小。 需要说明的是，大负荷投切、感应电动机启动等引起的电压跌落幅值较小，持续时间较长，一般不 会带来较大的危害，通常危害性较大的电压暂降是同系统故障相联系的。 1 3 3 电压短时中断 瞬时供电中断通常指电压有效值小于0 1 p u ，且持续时间不超过1 分钟的电压变化。电压短时 中断可能由于是系统故障、用电设备故障、控制失灵或者运行人员人为造成。一般而言，因系统故 障引起的瞬时供电中断，其持续时间决定于保护设备的动作时间，瞬时重合闸造成的电源间断时间 限制在3 0 个周波内，延时重合闸可能导致暂时性或短时性电源间断。 1 3 4 电压暂升 电压暂升指在工频条件下，电压有效值上升到1 1 至1 8 p u ，且持续时间为0 5 周波至一分钟的 电压变化。与电压暂降的起因一样，电压暂升现象与系统故障密切相连。例如中性点不接地系统发 生单相对地故障时，零序阻抗无穷大，非故障相的电压可能会短时上升至j p u 。此外，当大负荷 甩开或大容量电容器组增能时也会引起电压骤升。电压骤升可能损坏设备绝缘，或者将敏感电子设 备损坏。 ( a ) 电压中断( b ) 电压暂升 图1 3 电压瞬时中断和电压暂升示意图 电能质量问题中，电压暂降问题发生的可能性远大于电压中断，因为即使几百公里以外的故障 也有可能引起本地的电压跌落，因此在工业化国家，电压暂降已上升为最重要的电能质量问题之一， 在国际上受到特别关注“1 。 1 4 电压暂降的危害及其在电能质量中的重要地位 过去，电力系统中的许多传统用电设备( 照明、电动机、加热等负荷) 在供电电压幅值相对较 大的变化范围内能够正常地工作。长期以来，对电能质量的研究主要集中在电压偏移、谐波、闪变、 不平衡等方面，对电压暂降问题重视不够，一个重要的例证是目前国际上还没有正式的电压暂降技 术标准。 现今，人类已经进入信息时代，信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备 和电力电子设备在系统中大量投入使用，它们对系统的干扰较机电设备更加敏感，对供电质量的要 4 第一章绪论 求也更高，不论系统是处于正常稳态还是故障状态，都应当保证基波正弦电压幅值偏差很小。即使 几个周波的供电中断和电压跌落，都可能影响这些设备的正常工作，造成控制失误、设备损坏、产 品报废。 在工业化国家，电压暂降已经上升为最重要的电能质量问题之一，成为各方面关注的焦点。据 报道，在欧洲，由电压暂降引起的用户投诉占整个电能质量问题的8 0 以上，而由谐波等引起的电 能质量问题投诉不到2 0 。电压暂降己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，其危害性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 电压暂降导致工作、生活的不便。例如电压暂降可导致如计算机丢失数据或死机，通信信 号中断；1 9 9 8 年，因电网电压骤降事故造成香港地铁扶梯突然停止运行，有乘客摔伤，经 新闻媒体报道后，在社会产生了不良影响，调查发现，如果单相电压突然下降至零，维持 0 1 秒，将造成扶梯停运”。 ( 2 ) 电压暂降对大型敏感工业用户造成很大的危害，对现代社会广泛应用的电子设备影响也很 大。法国早在1 9 9 4 年进行的抽样调查就显示，4 4 的工业用户相信电压暂降对他们的生产 会产生较大的破坏，每年至少引起五例生产崩溃及设备损坏和生产损失“1 。又如，上海浦 东华虹n e c 电子有限公司有一部分负荷对电压变动十分敏感，当电压跌至正常电压的8 0 ， 持续时间超过2 0 m s 时，其内部的部分设备就会停机，据粗略估算，每发生一次类似事件， 造成的直接经济损失在2 0 0 万元人民币以上”1 。对于普通用户来说，电压瞬间跌落不会造成 太大影响，然而在生产自动化程度日益完善的现代工业中，对电压瞬间跌落敏感的用电设 备使用得越来越多，流水线中任一设备的作业中断都将可能导致整个流水线、甚至整个工 厂作业中断或者产生大量废品、次品，造成巨大的经济损失，因此工业用户对供电质量的 要求比其中单个敏感用电设备更高。表1 1 为s i e m e n s 公司研究的电压暂降对现代社会应用 较广泛的电子类设备的影响。 ( 3 ) 电压暂降可能造成巨大经济损失，以及人身伤害事故。比如医院中的一些医疗保健设备、 用计算机进行的脑外科、心血管外科、眼科手术等，当发生电压暂降而造成设备不能正常 工作时将带来严重后果。 表1 1 电压暂降对一些设备的影响“1 设备名电压暂降造成的影响 制冷电子控制器 当电压低于8 0 时，控制器将制冷电机切除，导致巨大的经济损失。 当电压低于8 0 时，芯片烧毁，测试仪停止工作，其内部电子电路主板 某公司芯片测试仪 故障。 早期的产品，当电压低于1 0 时，仍能持续工作1 5 个周期；新版产品， 当电压低于5 0 时，p l c 停止工作；甚至当电压低于8 1 时，p l c 停止工 可编程控制器( p l c ) 作；一些i o 设备，当电压低于9 0 、持续时间仅几个周期，就会被切 除。 由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工，为保证产品质量和 精密机械工具安全，工作电压门槛值一般设为9 0 ，当电压低于此值、持续时间超过 2 个3 个周期时，就会被跳闸。 当电压低于7 0 、持续时间超过6 个周期时，v s d 被切除。而对于一些 调速电机( v s d )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。 有的研究表明当电压低于5 0 、持续时间超过1 个周期时，接触器被脱 交流接触器 扣；而有的研究表明，当电压低于8 0 、甚至更高，接触器就会脱扣。 计算机 当电压低于6 0 、持续时间超过1 2 个周期时，计算工作受到影响，如 东南大学硕士学位论文 ll 数据丢失。 电压暂降已成为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暂降的敏感度差异很大，这表明电压暂降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暂降的影响。需要供电方、设备制造 方以及用户的协力合作，共同解决。电压暂降对电压敏感的设备影响较大，但暂降所造成的危害的 大小不仅与设备敏感度有关而且和设备的应用场合有关，敏感度越高、应用场合越重要，所带来的 危害就可能越大。电压暂降对社会各行业造成的危害也是不同的，图1 4 是电压暂降对各行业造成的 损失数量等级图“1 。 厂丽i 、 、 ( 匦圃哆 r 面赢乱 1 x 1 0 3 1 1 0 4 1 1 0 51 i 0 6i 1 0 7 经济损失戈元 。 图1 4 电压暂降对各行业造成的损失数量等级图 1 5 设备对电压敏感性分析 1 5 i 负荷分类 不同设备用户对电压暂降幅值、持续时间的敏感程度不同。有的用户对下降幅值比较敏感，比 如一些机械装置在低于9 0 额定电压时就会跳闸；而计算机可承受幅值高于5 0 的电压凹陷，但持续 时间不能超过4 个周期。根据负荷敏感度以及经济上的损失，社会和政治上的影响等因素，一般可将 负荷分为普通负荷、敏感负荷和关键负荷三类： 普通负荷：电能质量不庭一般对此类负荷影响不显著，只有长时间持续断电和电压暂降过多才 会“感受”到影响。 敏感负荷：此类负荷对电能质量不良相当敏感，并会受到损害，因此对电能质量有一定要求且 必须采取一定的对策以确保达到此要求。但不同类型负荷的敏感程度不同，电能质量问题带来的经 济损失也相差甚远。因此，提出电能质量要求前，要进行费用受益比分析。 关键负荷：此类负荷在电能质量不良时会产生严重后果，有的会造成巨大经济损失，有的会发 生不可挽回的损害，因此必须确保此类用户的电能质量要求。例如医院中用计算机进行的心脏外科、 脑外科、心血管外科、眼科手术等；又如用大型计算机网络操作的证券交易所、银行等金融机构； 再如生产精密度要求特别高的信息工业芯片、微电子元件以至纳米级元件的制造；更如大多数军事 工业制造及军事设施以及用着重要社会影响和政治影响的单位及特殊地区。 1 5 2 描述设备对电压的敏感曲线啪9 1 解决电压暂降问题，需要了解用电设备对电压有效值变化敏感的特性，即什么水平的电压暂降 6 第一章绪论 会引起用电设备不正常运行。每一设备对电压暂降的敏感程度是不一样的，需要通过试验才能知道 实际情况。文献 2 就一些典型设备特别是电子设备对电压暂降的敏感度做了调查，并得出结论：每 个设备单元的敏感限值都不一样，从时间上看，限值在l o o m s 到3 0 0 m s 之间；从幅度上看，在5 0 到 7 0 额定电压之间。 设备对电压的敏感曲线是在直角坐标平面上能够比较直观地给出设备对电压的敏感度的曲线， 也称电力可接受性曲线( p o w e ra c c e p t a b i l i t yc u r v e ) 或电压容许曲线( v o l t a g e - t o l e r a n c ec u r y e ) 等等。国际上一些行会组织制定了技术标准，规定了用电设备过渡电压暂降的能力。美国计算机制 造商会( c b 瞰) 最早提出了一组如图1 5 所示的c b 目舱曲线，描述计算机能够承受某种幅度及持续时间 的电压瞬间跌落或上升的能力。这种曲线己成为度量各种设备特性的实用标准和电压敏感设备标准 化设计的目标。美国c b e 姒改称信息技术工业协会后，其所属的第3 技术委员会( t e c h n i c a l c o i t t e e 3 ，t c 3 ) 对图1 5 的曲线作了修订，形成图1 6 中所示的i t i c 曲线。i t i c 曲线包含了电压变 动的上下限，横轴是电压干扰( 电压降或电压升) 持续时间，纵轴则是百分比电压值( 基值可为标 称电压有效值或等效峰值) ，上方曲线代表设备对电压升的耐受力，下方曲线表示设备对电压降的 耐受力，两曲线中间的区域则表示设备能够正常运转的范围。 电，匠幅位或肯绶位 ( 玎分比) 图i 5c b e m a 曲线 周期( 。 图1 6i t i c 曲线 根据不同的电压干扰程度与持续时间，i t i c 曲线可分为下列几个区间讨论： 稳态偏差：稳定状态电压幅值通常是缓慢地变化或为一固定值，其变化范围为正常值的1 0 ， 在任何的持续时间中，此电压变化范围都是可接收的。 电压暂升( v o l t a g es w e l l ) ：电压暂升是发生在幅值1 2 0 以上，且持续时间在0 5 s 以内。 低频衰减振荡波形( 1 0 w - f r e q u e n c yd e c a y i n gr i n g w a v e ) ：此现象通常由系统中改善功率因数 用电容器投运引起，振荡频率约在2 0 0 b z 至5 k h z 间，由电力系统共振频率决定，此暂态波形是以标称 电压的有效峰值百分比表示，设备对此类电压干扰的耐受力为1 2 0 至2 0 0 峰值电压，持续时间在 0 0 0 3 s 以内。 高频突波( h i g h - f r e q u e n c yi m p u l s ea n dr i n g w a v e ) ：通常指雷击，此类型的干扰不以有效值 的百分比表示，而是以振幅与持续时间( 能量) 表示。 电压暂降( v o l t a g es a g s ) ：电压暂降有两个不同的容忍度，发生在电压幅值的8 0 以上，持续 时间在l o s 或者发生在电压幅值的7 0 9 6 以下，持续时间在0 5 s 。 回动( d r o p o u t ) ：包含严重的电压暂降和电压完全中断两种现象。断电为时间发生后即刻回复 7 东南大学硕士学位论文 到正常的运作，其持续事件小于2 0 m s ，是典型的暂态现象。通常由配电系统发生故障，且在故障清 楚后立即恢复供电引起。 无损害区域( n od a m a g er e g i o n ) ；在此范围的电压降虽然比上述规定的范围严重， 电压落在此范围而设备仍持续受电时，必需保证设备不受任何损害。 禁止区域( p r o h i b i t e dr e g i o n ) ：禁止区域包含任何大于规范值的突波或电压升高 遭受此类型的电压干扰则可能导致损害或当机，设备应该避免在本区域运转。 4 6 解决电压暂降问题的措施 但是如果 如果设备 解决电压暂降问题的方案要考虑许多因素，包括期望的系统性能、电能质量变化特征( 电压暂 降幅度、时间等) 、用电设备的敏感度、用电系统设备的大小、环境考虑、维护要求等。国内外主 要的解决方法可以分为三类”“”： ( i ) 在电力系统侧减少公用电网的故障，尽可能的降低系统电压暂降发生的可能性，提高电网 的供电质量。供电部门可以优化输配电系统设计及运行结构，采取相应措施减少故障发生 率及其对电网用户点供电电压的影响。 ( 2 ) 用电设备本身降低对电压暂降的敏感度或影响。用户通过在设备订货合同上向制造商明确 这方面的技术要求，使设备具备一定的抗暂降能力；也可以通过分析，调整内部某些环节 参数如对用电设备及布局优化设计来解决。 ( 3 ) 供电电压暂降现象发生后积极采取补救措施，在系统和用电设备之间的界面上加装设备隔 离，把电压跌落的持续时间限制在几个周期之内，避免或减少其对敏感电力用户的干扰。 文献 1 0 合c b e m a 曲线讨论了负荷的敏感度问题，列举了常用负荷对电压凹陷的敏感程度， 指出解决电压凹陷最经济的办法是在用户侧采取措施。 目前国际上普遍认为，电压幅值低于0 1 p u 或大于半个周波的供电中断对敏感的用户而言都被 认为是断电故障。但是，敏感用户在小于半周波的时间内是“感受不到”断电影响的，即在5 0 h z 系 统中，时间小于l o m s 的断电可以认为没有断过电。过去的自动重合器或自动切换装置，其机械开关 的操作需要几个甚至十几个周期才能恢复供电，因此，对常规措施的改进追在眉睫。现在，采用微电 子继电保护装置加上大功率电力电子技术制成新技术和新设备，能够提高敏感用户的供电可靠性。 如安装不间断电源( u p s ) 、动态电压恢复器( d v r ) 、超导储能设备( s m e s ) 等，利用固态切换开关( s s t s ) 在不同电源之间切换，采用铁磁谐振变压器，磁合成器等等。其中，在用户侧利用机械器件的转动 惯性及大功率现代电力电子器件的快速投切特性，为治理电压暂降提供了新的途径。 1 7 混合式转换开关技术 1 。7 1 混合式转换开关理论基础一用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 用户电力技术是n g h i n g o r a n i 博士继在1 9 8 6 年提出柔性交流输电技术( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m - - f a c t s ) 之后，于1 9 8 8 年针对配电网中供电质量问题提出的新概念，也称 d f a c t s 技术。其主要内容是：对供电质量的各种问题采用综合的解决办法，将电力电子技术、微处 理机技术、自动控制技术等运用于中低压配电系统和用电系统中，改善电能质量，加强配电系统的 供电可靠性。用户电力技术可以看作是近年来迅速发展的f a c t s 技术在配电系统中的延伸，该技术的 核心器件i g b t 比g t o 具有更快的开关频率和相应特性。 用户电力技术是根据信息时代产生日益复杂的电能质量问题而提出的一种为用户提供优质电力 的新方法和新途径，要求供电方能够根据用户的要求提供满足其特定需求的电能质量，既可以用于 8 第一章绪论 个别用户，也可以用于大的电力用户、工商业用户或供电区域内的所有电力用户。主要的d f a c t s 装 置有动态电压恢复器( d v r ) 、有源滤波器( a p f ) 、配电静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 、固态转换开关 ( s s t s ) 、混合式转换开关( h s t s ) 等。至今世界上至少有9 个电力公司将固态转换开关投入了实际运行， 6 个电力公司将配电系统的静态串联补偿设备投入运行，9 个电力公司在配电系统投入了静止无功发 生器。 各种d f a c r s 装置各自能解决的电能质量问题、应用场合以及性能价格比均有所不同，用户应根 据经济效益条件和需解决的电能质量问题综合权衡，加以选择。d v r 则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，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，但是不能解决电压中断事故的危害；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i k w 至l 姗之间，但使用寿命较短，对环境要求很高，使用费用昂贵；s s t s 、h s t s 的差别在 于开关本体的不同，两者均可在电压发生暂降、中断或暂升的情况下，将敏感性工业负荷在若干毫 秒内从故障电源母线迅速切换到备用电源母线，提高供电质量，同时也可限制短路故障电流。 d f a c t s 装置中能同时解决电压暂降、电压中断和电压暂升的装置有u p s 、s s t s 、b e s s 、h s t s 四种， 文献 1 2 对一个2 m v a 的企业( c a n d yw r a p p e rm a n u f a c t u r e ) 使用部分电能质量调节装置进行综合经 济性比较，认为混合式快速转换开关技术的技术经济性能最好，指出混合式转换开关技术很有应用 前景。 1 7 2 转换开关分类及研究现状 对于集中性敏感和要求严格的负荷而言，采用分布式补偿的方式是不够的，因此通常由两条相 互独立的线路对其供电，在这种场合应用基于固态器件的转换开关，能够在极短时间内实现电源转 换。国外( 主要是美国) 一些类似的芯片制造企业，大多是采用不同电源间的高速切换，经过一段时 间后再恢复正常运行状态，这种方案投资较省，且对原有电网的接线改动不大”1 。 ( 1 ) 机械式转换开关 机械式转换开关的本体为传统机械式断路器，以往一般由设计院设计、电气成套企业或用户自 行搭建。随着各种用户或用电系统对提高自动化程度的需求和新技术的应用，双电源自动转换开关 逐渐得到发展和应用。2 0 世纪8 0 年代以后，国外公司向市场推出各种自动机械转换开关，我国在2 0 世纪9 0 年代中期，针对国内市场需求，专门研究开发和生产营销机械式转换开关，使其得到快速发 展。需要指出的是基于断路器的机械式转换开关由于操作机构的固有动作时间长，导致转换时间长， 一般需数秒至十余秒，不能满足快速转换的要求，加之安置面积较大，性价比不高。 ( 2 ) 固态转换开关 固态转换开关由全电力电子器件构成。9 0 年代中期美电力研究院研制出固态转换开关s s t s 样机 试运行，水平达1 5 k v 、6 0 0 a ，切断故障电流能力达8 k a ，但由于价格较高，未能推广。目前，美国西 屋公司已制造出1 3 k v 、6 0 0 a ，由g t o 元i 牛组成，开断时间缩短到0 3 3 m s 的固态开关，已应用于新泽西 州的变电站“”；日本三菱公司推出1 5 k v 、7 s k y 两个电压等级四种型号的s s t s 产品，已在华虹n e c 电子有限公司解决电能质量解决方案中成功应用；国内，北京平高电气清华研究所、北京电力公司 ( 1 0 k v 、6 0 0 a 固态切换开关) 、上海电力公司正在或者即将进行s s t s 相关装置的开发和研制。固态 转换开关缺点有：g t o 通态损耗大，运行时需要特殊冷却装置，导致设备经济性和可靠性降低；过载 能力低；功率半导体器件的额定电压和额定电流较低。 ( 3 ) 混合式转换开关 混合式技术综合了机械式开关与固态开关两者优点，并将功能进行进一步扩展。与纯机械式或 纯固态型开关比较，混合式转换开关综合了以下优点： 稳态工作时导通损耗小 而混合式开关在正常导通状态，由机械触点工作，避免了纯固态开关因器件损耗过大而必须加 上较大的冷却系统，体积灵巧。 9 东南大学硕士学位论文 无弧动作 固态开关部分只负责系统切断时的换流，因而在机械式开关动作时，主触点间不会产生电弧， 这对保护开关触点、延长开关使用寿命具有重要的意义，这种特性在一些对安全性要求较高的场合 ( 工矿企业、飞机及潜艇) 等尤其重要。 动作快速 混合式转换开关主开关触点是无弧动作，简化机械式开关的消弧机构，也为提高动作机构的运 动速度提供了可能。固态转换开关大多利用晶闸管器件构成，由于晶闸管的过零关断特性，故而会 影响整个转换开关的动作速度，尤其是当发生过压故障时转换开关的转换速度较慢，往往不能满足 敏感性负载对电能质量的要求。与此相对应的是，由i g b t 构成的转换开关具有极其快速的通断特性， 克服了传统晶闸管转换开关的缺陷。电力电子部件采取强制换流措施，与g t o 过零点换流相比，无 需等待电流过零，切换迅速，转换开关整体切换速度决定于电源偏差故障检测算法的效率。 1 8 本课题的研究内容 转换开关技术通过在两个独立电源间进行切换，保证负载的正常供电。对转换开关而言，切换 总时间是电源偏差检测时间、开关本体动作时间与固定延时之和，混合式转换技术通过应用电力电 子器件大大提高了开关本体动作速度。转换开关整体效率主要取决于电压偏差检测算法，因此，对 转换开关领域的电压检测方法研究具有一定的理论和实际意义。鉴于转换开关需要对负载端短路故 障进行检测，本文对短路电流快速检测方案进行了分析。主要完成的工作有： 1 详细分析了电压暂态偏差的产生主要原因和危害，结合设备对电压的敏感性分析，对转换开 关尤其是混合式转换开关的应用背景进行阐述。 2 现有文献资料对转换开关检测算法的研究较少，本文针对这一现状，归纳了电压检测应具备 的要求，对各种常用检测方法进行了理论分析和仿真对比，提出基于广义瞬时无功功率理论砌0 旋 转坐标变换法，适用于三相转换开关电压偏差检测。 3 介绍并设计了一种提取直流分量的优化数字滤波器，配合砌0 变换使得动态电压检测兼具了 动态实时性和准确性。 4 讨论了混合式转换开关的应用结构、动作标准和切换方式，通过大量仿真分析，针对不同的 故障情况，对所选电压检测方法对转换开关性能的影响进行评估。分析了影响电压检测时间的多种 因素，验证电压检测算法躲避电容投切暂态和谐波干扰的能力，并对混合式转换开关整体切换效果 进行仿真。 5 介绍了一种基于短周期滤波结合m a n n - m o r r i s o n 幅值计算的短路电流快速检测方法，通过理 论推导和大量仿真分析验证了该方法的可行性。 1 0 第二章电压检测算法及滤波器设计 第二章电压检测算法及滤波器设计 2 1 电压检测方法的选取原则 转换开关的主要功能是在故障电源和备用电源间进行切换，使得敏感负载在最短时间内恢复正 常供电，免受电压下降、上升或断电等异常情况影响。对于转换开关而言，切换总时间是故障检测 时间、开关本体动作时间和固定延时时间之和，在开关本体动作时间一定的情况下，电压检测算法 的性能直接影响转换开关改善电能质量的效果。综合而言，电压检测方法应能满足以下三点条件： 快速性、准确性和选择性。 1 快速性。混合式转换开关技术“”采用i b o t 强制换流，加速了机械断路器分合闸动作，因 此基于i g b t 固态器件的混合式转换开关可以实现快速的切换动作，当机械开关的动作特性一定时， 整个装置的动作的快速性主要取决于动态电压检测算法的快速性。故障检测时间是反映转换开关性 能的关键因素之一，检测时间越快，系统整体切换时间越快，敏感负载承受电压异常的时间越短， 损失越小。 2 准确性。转换开关除了需要解决切换动作的快速性，还要能够准确地检测出各种电压变化 ( 如电压暂升及暂降等) 程度，根据敏感负载承受电压波动的范围指标，与事先确定的整定值比较， 发出转换命令。 3 选择性。在d f a c t s 装置中，不同装置负责解决某些特定的电能质量问题，功能有所区别。 对转换开关而言，应当着重解决电源故障，如电源偏差过大等，其他电能质量问题，如谐波、闪变、 瞬变等由系统内其他电能质量改善装置解决，转换开关应当保证能够躲过此类干扰不动作，因此， 本课题所选择的电压检测算法应具备一定的选择性。 综上所述，考虑到电源故障的随机性和快速性，研究出一种能准确、及时检测电源故障，启动 混合转换开关切换操作的动态电压的检测方法，是衡量转换动作成效的关键所在，本章针对混合式 转换开关电压检测算法进行研究分析。 2 2 电压检测一般方法 2 2 1 有效值算法n d l 对于周期性电压信号，电压有效值可通过时间域一个周期的数字均方根运算得到。工程计算中， 采用一周期离散采样序列来计算实时电压有效值的变化，对于最新的采样点，顺序将最早采样点去 除，然后用一个周期的滑动采样值进行均方根运算即可求出一个新的有效值： ( j j ) = ( 2 1 ) 式中，矾为被采样电压值，为一周期采样点数。为了加速测量过程，可利用半周期的采样数据 进行滑动平均处理。然而无论整周期有效值算法还是半周期有效值算法，均利用了整周期或半周期 的历史数据，具有相应的时间延时，实时性较差，不能准确