（检测技术与自动化装置专业论文）动态电压恢复器控制技术的研究与仿真.pdf

摘要 随着现代科学技术的发展和工业规模的扩大，尤其是以信息技术为先导的知识经济时 代的到来，社会对电能需求日益增加的同时，基于计算机、微处理器控制的用电设备( 如： 变频调速设备、机器人、自动化生产线、精密数控机床、高精度测量仪器、可编程控制器、 计算机信息管理系统等) 和各种电力电子设备在电力系统中大量投入使用。这些设备对电 源的波动和各种干扰十分敏感，任何电能质量问题都可能会造成产品质量下降或管理秩序 的紊乱，造成重大的经济损失和不良的社会影响。 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 s ，d v r ) 是解决配电系统动态电能质量 的新型装置，是目前国际上采用越来越多的串联型电能质量补偿装置。d v r 串接于电源和 重要负荷之间，输出电压幅值、相角均可控。当系统发生电压暂降或凸起等瞬时故障时， 能在几个毫秒时间内动作，将故障电压“补偿”到正常值。 本文建立了动态电压恢复器的详细数学模型，深入研究了现有的负荷端电压反馈控制 策略，在此基础上提出了负荷端电压外环、滤波器电容电流内环的双闭环控制策略，并设 计了控制器。分析表明，提出的双闭环控制策略可大大增加系统的阻尼比和自振荡频率， 大幅缩短暂态调整时间，提高整个d v r 系统的动态性能，较负荷端电压单环控制策略优势 十分明显。仿真验证了以上所有分析结果。 本文分析了现有各种电压检测方法，对基于瞬时无功功率理论的d v r 检测技术进行了 深入研究，并建立了装置仿真模型。此检测技术能迅速、准确检测出电压跌落的幅值、相 位及持续时间，并具有良好的滤波功能，完全符合d v r 控制系统对电压检测的严格要求。 通过建立动态电压恢复器及天津钢管责任有限公司配电网络的仿真模型，论证了动态 电压恢复器改善天津钢管责任有限公司配电网动态电能质量的效果及工程应用的可行性。 本文还对国内外各种故障限流器的研究现状、发展应用进行了系统的分析与研究。针 对配电系统的特点，对故障限流器的选型、容量及安装地点进行了定量的分析，提出了提 高系统电能质量的f c l 配置方案。同时，对各类限流装置的技术水平进行了比较，提出 了实用化过程中存在的应用问题，并对限流装置的发展趋势做出了预测。 关键词：动态电压恢复器d v r 双闭环控制策略故障限流器f c l a b s t 气c t 确ep r o l i f e r a t i o no fv o l t a g es e n s i t i v ee q u i p m e n th a sm a d ei n d u s t r i a l p r o c e s s e sm o r e v u l n e r a b l et os u p p l yv o l t a g ed e v i a t i o n s s u c hv o l t a g ed e v i a t i o n s ，c o m m o n l yi nt h ef o r mo f v o l t a g es a g s ，c a nc a u s es e v e r ep r o c e s sd i s r u p t i o n sa n dr e s u l ti ns u b s t a n t i a lp r o d u c t i o nl o s s d v ri sa nn o v e la n da l l r o u n dt y p eo p o w e re l e c t r o n i c sd e v i c eb a s eo nv o l t a g es o u r c e i n v e r t e r ( v s i ) d v ri sas o l i d s t a t ed ct oa cs w i t c h i n gp o w e rc o n v e r t e rt h a ti n j e c t sas e to f t h r e e - p h a s ea co u t p u tv o l t a g e si ns e r i e sw i t ht h ei n c o m i n gd i s t r i b u t i o nv o l t a g e ss u c ht h a tt h es a g p r o b l e mc a nb ee f f e c t i v e l ys o l v e d i n t h i sp a p e rt h ec o n t r o lt e c h n o l o g y , d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o np r o b l e m so f d v ra r ed i s c u s s e da n ds u m m a r i z e d 。lb u i l du pd v r sm a t h e m a t i c a lm o d e l s i ti ss h o w nt h a t t h ee x i s t i n gl o a d v o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g yu s e di nd v rh a sp o o rt r a n s i e n tp e r f o r m a n c e d a m p i n gw i l lb ei m p r o v e di ft h ep r o p o s e dm u l i t l o o pc o n t r o l j e ri sa d o p t e d 。t 萎ep e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n to fd v r w i t hd o u b l ed o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g yi sa n a l y s e da n dv 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 。 t h i s p a p e ra l s o d i s c u s s e dt h er e s e a r c hs i t u a t i o na n d a p p l i c a t i o n s o ff a u l tc u r r e n t l i m i t e r s ( f c l ) 。弧ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n o l o g i c a ll e v e l so fv a r i o u sk i n d so ff a u l tc u r r e n t l i m i t i n gd e v i c e sa r ea n a l y s e da n dc o m p a r e d ，i n c l u d i n gt h e i ra d v a n t a g ea n ds h o r t c o m i n g so f e v e r ys o r to ff c l k e yw o r d s d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r d o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o ls t r a t e g y , f a u l t c u r r e n tl i m i t e r 独创性声明 本人声瑟所呈交的学位论文楚本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，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，也不包含为获得叁逮攥苎盘璺绒其他教 育机构的学位或证书露使嗣过的零季料。与我一鼷工作魄露志对本班究获傲鲍 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 攀位论文作者签名：、勺岛为签字懿攒：洒6 半弓冀7 壤 学位论文版权使用授权拳 本学位论文作者完全了解墨涟堡墨盘堂有关保留、使用学钕论文的 规定。特授权叁逮攘兰盘星爵以将学位论文麴全郝或部分痰窖续入毒关 数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查 阕程借阕。圈意学校淘国家有关部门或祝褥送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 擎镳论文僚者签名：锚b导烽签名： 签字露期：抽6 串三箧? 7 瓣 阉眵怨 签字瓣期：删年；月7 霹 嚣章绪论 1 。1 号l 富 第一奄绪论 随赘璃代科学技术的发展和工般瓶模躺扩大，尤其怒以信息技术必兜馨的知谈经济 辩代簿囊寒，专圭会辩电黢鬟慕嚣蘸壤热豹弱涎，蘩予诗棼掇、徽憝瑾器羧铡瓣瓒邀竣器 f 如：变频调速设备、梳器人、自动纯生产线、藕密数控械臻、裔精度涮鬃仪器、可编程 按潮爨、诗葵瓿壤怠管璇愁统蕊) 秘各转魄力毫予竣蚕农魄力系绫中大爨投入疆翔。迭 魏设餐瓣激源瀚波动捐器稀- t 挽十分敏感，经德魄能质豢阚越都谢键会造袋产赫麓爨下 辫戏管理秩序豹豢魏，遗娥夔大煦经济攒失秘不爨襄q 社会影拣。掇美国魄力科学掰究院 统计，璃彀怒溪爨翔鼹镶簪绘美瓣造藏鹣援失离遮2 6 0 纪荧元。溪疼遴蠢鞠关袋瀵，戳 天津钢管肖限爨镁公司为侧，每颦豳设餐敝障弓l 怒的母线魄压瞬时跌落溅成的豢故或跳 黼3 蜀5 怒，每次经济羧必达数专万至数囊万露之多，蓬澎溺了公司蓬鬻生产。 方聪是对嗽能质纛敏感的用电设备的大爨酱及，促使电力耀户对嘏能质爨和供电 可纛毪掩溺燹严撩麴要浓；菸一方鬻，逡艘魄震爨下淹瓣毽素不獗增热，狳了魄力系绫 零舞掰芍l 怒静电能箴鬣阏越黻矫，大量# 线经、冲赘髓、滚动健、# 对称经受鬻辩奄蕊 豹邀气黪撬产生了越寒越严霪黪浮染。深入分掇秘磅究魄憩矮爨阏遂，磷剿电能瘊蕉撩 镧装餮，滋戏为供熊迄暇方菸戮关心静鬟大闽熬。 近凡箨来，艨着电力魄予技术、离燃熊数搬处理器锋技术熟欹速发展，瀵瑰了谗多 愆予解狡辩惫系统篷疑矮豢蠲瓣豹耨技零、耨装鬟，翔s s t s ( 圈态甥按开荧y s s c b ( n 态 断路嚣) 、黼“故障限流嚣) 、s t a t c o m ( 静止间步郁髅器) 、d v r ( 动态电压恢复器) 、 s m e s ( 怒静镰熬装蓑等。 俸为一种新激电熊质爨控涮装鬣，渤态邀聪鞭爱器) 爵程凡毫秒游动 笮，瓣瀵 狳港耀波动翻阕爱，瓣决备摇嘏糕靛不辩称毅簸辩供患中凝等敬辫，具菇涎可蹴缀鹣优 努。获灏努发达黧家来露，d v r 澈缀逡漆藏麓魄力焉户解决魄阏确态壤筑餍激溺蘧熬 曾选装燮之一。 零论文遴避踺d v 氛主邃路缀稳、誊 髅筏理及稳溺羧零瓣磅究，辩d v p , 熟控期技零 馓了大擞的分析和计算，力求所提蹬的控制策略能使d v r 装黧的动态谯糍得到大幅增 强，为蒸铸工程窳蕤羹定麓实瓣蘩籀。 第一章绪论 。2 寇缝质量鞭述 现代生产秘瑷代熬活褰不野电力，电力部门不仅耍满是露户对电力数量不鼗壤长戆 需要，而且也溪满足用户对电能质量的要求。如同其它产品一样，电能质量也有优劣之 分，超出一定范围的频率或电压的偏麓或波形的畸变，都会对电力用户以及电嘲的安全、 经济逡行等带来不良躺影响。 所谓电能质量，怒指把发电厂发出的电能，看成魁一种商品，从而对它的各种技术 指标 蔽出燕定，淤翔辩其是否会格。i e e e 标难毒乏协谣委员会己正式采溺“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 力积设萋豹接蟪系统楚适会予该设釜藤鬻工黪豹”。 本文对电能质量采用如下的定义：电能质艟是任何明显引起电压、电流戚频率偏移 劳由 l ：导致用户装置故障或谈动作的魄糍问题。 主要规准如下： ( 1 ) 频率：我国交流电网的额定频率是5 0 h z 。 ( 2 ) 电嚣：指电力系统裕称电歪、电气浚备额定奄压和奄气设备竣离宅嚣。 ( 3 ) 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，述要求三相 慰称。 为了系统的分析研究电能质量问飚，将电能质量问题进行分类和给出相成的定义或 规定怒缀重要瓣。i e e e 第2 2 标准协调委虽会攘荐采耀了数秽专媛术语来说明主要的憩 能质激问题，本文弓i 用如下： ( 1 ) 跌潞( s a g ) 电压( 电流) 幅值降至0 1 。p u 至0 9 p u ，持续时黼l o m s 麓i m i n ，频率为标称值。 ( 2 ) 中断( i n t e r r u p t i o n ) 京一穗或多裙线貉孛完全失去电篷f 毫滚) 或 氡予额定箧懿1 0 ，持续嚣润至8 s 凳 暂时中断；持续时问大于6 0 s 为持续中断。 ( 3 ) 上拜( s w e l l ) 电压( 电流) 有效值拜至额定值的l l o 1 8 0 ，持续时间为l o m s 至l m i n 。 ( 4 ) 电聪闪变( v o l t a g ef l u c t u a t i o n s ) 嚷压波动是指电疆幅值夜定范豳内有瓣律地或随枫绝嶷佬，其电压幅德的交仡遴 常为额定值的9 0 1 1 0 。 ( 5 ) 过觳篷( o v e r v o l t a g e ) 电压为额定值的1 1 0 1 2 0 ，持续时间大于1 分钟。 ( 6 ) 欠魄拯国n d e r v o lt a g e ) 电压为额定值的8 0 - - 9 0 ，持续时间大于1 分钟。 ( 7 ) 谐波( h a r m o n i c ) 频率为电源基波频率整数倍的正弦电压戏电流。由电力系统中的装置和负载的非 线性特性引起的波形畸变可分解为基波和谐波之和。 第一章绪论 目前世界上工业发达国家都已制定和颁布实施了符合本国情况的国家标准，我国在 参考了国际电工委员会e m c 6 1 0 0 0 系列标准和电气与电子工程师协会i e e es t d 标准后， 已制定颁布六项电能质量国家标准：供电电压允许偏差( g b t 1 2 3 2 5 9 0 ) 、电压允 许波动与闪变) ) ( g b t 1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 - 9 3 ) 、三相电压允 许不平衡度 一屯s i n w t i 口c o s w t 上两式可简化为 川：= 糊一艮】 。， 式中，c 。1 譬8 孵8 璜觚l 是两相静止口、声交鼓一两相旋转p - q 变量的变换阵。 ls i n w tc o s w t l 艮】一信瞄：c 。o ；n s ( w t - 驯2 口。3 ，) 螂s i n ( w t + + 2 卅。3 3 ) 1 ) 卜 i p 】c 。嘲 设三相系统电流为正弦电流，其幅值为f 。，刚 - i 。c o s ( w t 一妒)1 kl | 。c o s ( w t 一串一2 蔗3 ) 、 i c * lc o s ( w t 一妒4 - 2 硝3 ) i 三稽静止a 、b 、c 坐标到两籀静止球一芦黛标为 乓t i s ( 耐一妒) 一f 。s 融一妨 铲j 争。s i n 刊啪吣h ( 2 4 ) 电流空间旋转矢掇，一曲孺。，为相电流幅值的驱倍，所以得到的有功和无功 电流为： p 居。淄多一，淄多 。居舢州s m 庐 ( 2 5 ) 第二章动态电压恢复器检测技术的仿真研究 2 4 基于瞬时无功功率的d v r 检测技术的研究 瞬时无功功率检测技术多注重于电流的分析与控制，d v r 是新出现的逆变型电力电 子装置，所有的检测、控制装置均基于电压进行操作，经过一定的变换，瞬时无功功率 检测技术同样可适用于d v r 检测电路。 2 4 1 检测技术机理分析 设三相系统电压为正弦电压，幅值为圪，a 相初相角为妒，如下 y 。= 圪c o s ( w t + 妒)1 y 6 一p ，mc o s ( w t + 妒一2 # 3 ) v 。一心c o s ( w t + 驴+ 2 陌3 ) i 则系统三相电流为 i 。- i ，c o s w t1 一i 。c o s ( w t 一舫3 ) f 。一i 。c o s ( w t + 抽3 ) l 所以，电压的a 一口分量为( 3 相静止坐标一2 相静止坐标) ： - 弘州w r 埘= v c o s ( w r 删 v ，一j 善s i n = v s i n 似删 同理，电流为 ( 2 - 6 ) c 咖o s 们w t 小= ic o s w t ， 电压的有功、无功分量为( 2 相静止一2 相旋转) ： 如一厚删帕s 萨 一厚s i l l 川s j l l 庐 ( 2 8 ) 根据( 2 - 8 ) 即可得到电压的幅值和相位，电压的幅值即为 v = v ；+ v ； ( 2 9 ) 唇唇 霉 一 第二章动态电压恢复器检测技术的仿真研究 a 相电压的相位可通过下式求出 s i n 妒赢 c o s = 赢 q 1 当发生电压闪变时，通过监测系统侧电压计算得到参考电压y ，经过与系统侧跌 落电压比较，即得出需要补偿的电压。当检测到电压瞬时突变时，依据系统电压瞬时值、 相位、参考电压及直流母线电压，d s p 发出逆变器控制p w m 信号，将断路器断开，将 d v r 串入电路中，迅速输出补偿电压。 如采用三单相逆变器结构，当发生不对称短路时，可将补偿电压参考值进行 “明一a 卢一a b e ”反变换，得到各相的补偿幅值及相角进行补偿。 检测回路原理如下图所示 圈2 5d v r 检测技术 第二章动态电压恢复器检测技术的仿真研究 2 4 2 仿真算例 设系统电压为0 5 k v ，负荷等效电阻为1 0 9 ) ，等效电感为l m h 。在0 2 s 时线路发 生三相接地短路故障，短路持续时间为0 2 s 。 设计的检测电路为 图2 6 系统仿真电路图 图2 7 1d v r 检测圄路( 一) 图( 2 7 一1 ) 中，采集1 0 k v 节点处三相电压屹、k ，先经过模块a b c t o a l p h a b e t a 完成三相静止一一两相静止转换的转换，再通过图( 2 - 7 2 ) 中采集的相位信息 s i n 1 1 、c o s l l ，完成整个计算。 输出的、即为所需的电压有功分量和无功分量。 第二章动态电压恢复器检测技术的仿真研究 图2 7 2d v r 检测回路( 二) 将得到的电压分量、v q 经式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 计算，即可得到所需电压幅值、相位 信息。 图( 2 7 3 ) 中v s y s r m $ 即采用瞬时无功功率检测技术采集的系统电压幅值。 图2 7 3d t r 检测回路( 三) 下图中，v s y s 为采用瞬时无功功率检测技术得到的系统电压波形，v r m s 为采用传 统的有效值计算方法得到的电压波形。 图2 8 系统电压波形图 当0 2 s 时刻发生短路故障后，v r m s 在跌落、上升两个时刻都有较长时间的延迟， 而v s y s 几乎无延时的监测到统电压的变化，改进效果非常明显，证明了以上分析结果。 综上，采用基于瞬时无功功率的检测技术，可快速检测出系统电压的变化，完全符 合d v r 对检测装置的严格要求。 第二章动态电疆恢复器梭溺技术静仿真礴究 2 4 3 谐波捡测功能分桥 一、氟理分耱 如果系统电压中含有高频h 次谐波，例如 吃一v s i n ( n w t + 允) 一兰v s i n n ( w t 一2 石3 ) + 蠡1 一圪s 血研( 州+ 知3 ) + 丸】 此时的两相旋转隗压v 。、也是简频n 次谐波，即 小握薹呻丸) 铲捱弘s ；惭圳 通过对域一频域转换矩跨g ，豹计算可鼹出 阶嘲一暖 魔 捱薹 e o s i ( n 一1 ) w f + 丸) s i n ( n 一1 ) w t + 丸】 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 缀过a b c 一筇一p q 计辣，含谐波的电聪由直流分量( 基波) 和正s 客量( 谐波) 组成。 经l p f 滤波可得基波屯厦为： 阶廖翮 通过此式，即可求得系统电压的幅值及福位。 蠛过式( 2 - 1 2 ) ，还可求得系统电愿中所禽有的谐波量： 妒捱蓑v , , c o s 1 ) 埘圳 = 猩蓑吒s i n 【。一1 ) w 圳 ( 2 - 1 5 ) 檄据系绞控嗣要求豹不溺，采爝运当瓣稔溺方法，莓褥裂多个梭溅量，从嚣达到控 制目标。 聪 埘 咖啪 第二章动态电压恢复器检测技术的仿真研究 检测回路原理如下图所示 图2 - 9 带 罄波分析的d v r 检测技术 v 盐 v 曲 v 血 二、仿真算倒 系绫电压k l 为i k v ，频率5 0 h z ，魄篷t 2 为0 。5 k v ，频率1 5 0 h z ，蘸邀蔗潺采取枣 联形式，系统阻抗如下图所示。 雷2 - i o 系统 1 ，翔上滤波器等效电阻r ，很小，可得出与缩论( 2 ) 相同的 绪论，即系统阻尼系统太小。 对予二阶系统，阻尼耽考是评彳鑫系统暂态葫液的重妥参数，如果阻弼院考过小，粥 趣调量大，振荡次数多，调节时间长，暂态特性品质差。 综土掰述，知系统鑫燕灾辍惩( 0 t 善t 1 ) 豹馕嚣下王终，毽隧霪院亭太小，系统 动态性能较差。 第三章动态电压恢复器控制技术的研究 3 4 受荷电压阂环控制羧米的磷究 3 4 性蘸分析 谯穗霹於偿蒙蝰戆壤嚣下，采取不瓣戆控剃策略会怼d v r 装置豹晌应速发及动态性 能产生很大的影响。 受萄电鹰趣环按镲l 技术算法蒽单，响应速度快，控捌器件硬件要求低，设备易予操 作和维护，有较广泛的应用。 翻前应用的负荷电压闭环控制策略一般采用系统电压k 与负荷电压参考值日的差 值俸为递交器的输入信号，通过控镧逆交器调节输密电压彰的幅值、幅角，遮蜀控制枣 偿电聪的目标。 靼令 k - 七；( 略一巧) ；以 剿式( 3 7 ) 胃改霉为 圪。k y l l + _ k 2 一v ： 3 一i 4 ) 令嘲一鲁，舔。mi 9 2 ，土式毒遴一步饕曩：必： 犯一瓯，狂瓯：圪 其控制策略图如下 8 1 5 ) 圈3 - 2 负萄彀压控制燕赂图 幽式( 3 7 ) 、( 3 - 1 4 ) n - f f j 知，采用负荷电压闭环控制策略的系统，其传递函数的特征方 程并没有变换。根据第三节的分析可知，此系统是稳定的，假由于阻尼比过小，系统动 态性能较差。 第三章动态电压恢复器控制技术的研究 3 4 2 仿真算例 设系统电源为l o k v ，两条负荷为并联形式，馈线线路电阻为0 0 0 0 5 f ，电感为 1 8 m h 。馈线1 的负赞等效电感海2 0 m h 、等效电阻为1 9 q ，馈线2 缁 感受赫) 等效电 感为1 2 m h ，等效电阻为7 3 8 q 。d v r 串联变藤器交眈为1 ：1 ，d v r 直流侧电源0 8 p u ， 滤波电容3 0 0 u f ，滤波电感o 4 m - 。 设0 ，2 5 s 辩袤馈线1 发生三糨短路按遣故簿，短路持续对阋为0 2 s 。 采用e m t d c p s c a d 仿真软件，系统仿真电路图如下图示 蹰3 - 3 系统( 含d 谍) 仿真电l 箨豳 控制器采用负荷闭环控制技术，k 为系统电压实际俊，系统参考电腿为标么馕1 。0 ， k ，为负褥铡电聪。控翻褥鲡图示 爨3 4 垒搿靖电篷菔馈控带j 懿略图 第三牵动态泡歪恢复撩控稍技术的研究 此黠系统熬电压已下降致0 4p u 左右，敏感负菇( 馈线2 ) 由于动态电压恢复器d v r 的保护，其电聪可基本保持不爨，如下图示 圈3 - 5 敏感负荷端电压波形图 扶传真波澎霹看磁，当系统惫垂突然发童跌落怼，娶谩投入嚣，受楚壤毫压需要缀 过一定的时间( 约3 5 m s ) 才能到达稳态，控制效果一般。 从本章第三节、第毅节斡努罄亍可知，采用熊黄龟殛闭环控制技本瓣系统，阻尼比避 小，系统动态性能一般，仿真结果也论证了以上分析结果。 第三章动态电聪恢复器控制技术的研究 3 5 负旖电压外环、滤波器电容电流内环控制技术的研究 3 5 1 陡能分析 麸式( 3 4 ) 瑶翔，d v r 的滤波器电容泡流与滤波器输堪电压熬变化枣成正比，适当的 调节滤波器电容电流参麓也能达到较好控制输出补偿电压的目的。仍h 与孵的差值作 为滤波器电容电流j 。的输入量，通过滤波器电容电流反馈组成一个内环控制系统，输出 仍作为递交器控和量，鄄采用负荷端电疆外环、滤波器电容毫流内环的双环控弼策略。 控制策略如图所示： 图3 - 6 负荷电压外环、滤波器电容电流内环控制器圈 引入滤波器电容电流反馈爨，通过调节k ，、k ：、蚝3 个参数，与原负荷电愿控制器 眷效配念，可使系统具肖更优良的性能。 鼗时系统的传递涵效为： ka 睇l c k + 嘭知巧 ( 3 1 6 ) 。篷：堑墨2 1 堕 k 。 式中，瓦- r , 4 l ，+ c ，s 3 + 魄+ r ，+ 蚝4 惋+ 墨) + 厶+ c ，+ s 2 + 强一鼍8 盏4 嚣+ 麓爱28 肇冀4 c ，+ c ，4 r f8 霆f 8 s 十8 一致4 摊 4 毽 k 一n k l o + 托) 慨s + 鲳) ， k 。= ，+ n2 l r ) 工，c ，s 3 + 【( l ，+ n 2 厶) ( 翼，+ 墨k 2 妫) c ，+ ( r + ”2 r ，弘，c ，i s 2 + 【r ，c ， + n 2 冀) + h 2 l ，+ ，1 2 l i + 厶+ 瓢蜀三f ，l + c ，焉隅k 2 k 3 + r ，) + n 2 c ，蜀隔如妫+ r ，) i s 丰n 2 ( 最，+ 霹) + 蛙+ n4 童蠢爱j 遥 ( 3 1 7 ) 第三章动态电压恢复器控制技术的研究 同理，系统特征方程为 k c = a l c s3 + 口2 c s2 + 口3 c s - i - a 4 c ( 3 1 8 ) 可求得系统自振荡频率和阻尼比为： f 仁，+ 挖28 工，) 0 2 r + ，1 2 r ，+ 马+ 墨巧喁) 。1 1 f 忑茁万一 口2 。一0 + n 2 r ) 8 c ，l ， 。f + 咒2 l ，) 4 c ，l ， 钆虿瓦一 ：! 圣兰! 茎! 生! ! 竺! 茎! 鱼墨! ! ：! 生墨! 墨! ! ：墨! c ，l ，但f + 2 l f ) + 2 k 1 k 3 + r ， 2 w 。c l ， ( 3 2 0 ) ( 3 一1 9 ) 令系统自振荡频率为系统工频w 0 的k 。倍，则系统阻尼比为： 亭，；r ：+ k ，k 3 。苎：丝。一竺；兰! 坠( 3 - 2 1 ) c = 一_ = = = = = = = 一i ；= = = = = = = 一 “ 2 l f w n c2 l f k c 心+ 嫩t k ，w o2 k c 小+ 斌墨j xf 由于增加了滤波器电容电流内环反馈环节，使得系统阻尼比玉增大，同时，系统自 振荡频率。较负荷电压控制时增大为原来的j 了丽倍。 3 5 2 仿真算例 参数同上一节，系统仿真电路图同图( 3 3 ) ，控制器如下图所示 图3 7 负荷电压外环、滤波器电容电流内环的控制图 第三章动态电压恢复器控制技术的研究 下图中，。为采用负荷端电压闭环控制技术的负荷电压波形，屹。为采用双环控制 技术的负荷电压波形。 一v 2 1 2 d 0 一 螽 1 5 纂 ，。 渺” 幽 鲤0 5 0 稼 斌 o0 0 v 2 4 2 0 0 1s 0 - 螗 姆 1 0 0 v 育 麻。 露0 5 0 。 o 脚 0 2 2 00 2 4 00 2 6 00 2 8 00 3 0 0 1 墨|i i b l 。 图3 - 8 两种控制策略仿真波形比较图 从上图可十分清楚的看出，当系统电压发生跌落时，负荷电压很快( 小于3 m s ) 就能 到达稳态，比单环负荷电压控制快了1 0 倍，系统动态性能有非常明显的提高。 3 6 小节 采用负荷电压外环、滤波器电容电流内环的双环控制技术，可增大d v r 整个系统的 阻尼比考，和自振荡频率w 一根据以上的分析及仿真，我们可得出以下结论： ( 1 ) 采用负荷电压外环、滤波器电容电流内环的双环控制技术，增大了d v r 的阻尼 比亭，从而可较好的抑制系统超调量，并有效减少系统振荡次数； ( 2 ) 在系统阻尼比一定时，自振荡频率m ，越大，系统的暂态响应时间越短。采用 负荷电压外环、滤波器电容电流内环的双环控制技术，系统自振荡频率w 。，较 单环控制增大为原来的1 + n k l k ，倍，从而大大缩短了暂态调节时间，强化了 系统动态性能。 综上所述，采用负荷电压外环、滤波器电容电流内环的双环控制技术，可大大增强 d v r 的动态性能。 第四章动态电压恢复器的应用研究 第四章动态电压恢复器的成用研究 电能质量问题除了瓴括众所周知的电流波形畸变问题、稳态电压闯题和电能可靠性 问题之外，还包括未被人所熟知、所重视的动态电能质擐问题。尤其是近5 1 0 年，基 于计算税、镦娥理器豹篱理、分析、检测、控制的矮电设备和各稀电力瞧子设备的大量 使用，讼们对于系统比一般的电机设备熙加敏感，对供电质量骤求也更苛刻，不论系统 楚笼子委常稳态逐是敲瓣磐态，蠕嚣豫谖壤篷德差缀小的基波玉弦电力瓣虿使翔毽，瑟 高动态稳定特性，而哪怕几个周期的供电中断威电压跌落都会影响这燠设备的正常工 佟。虽然鑫秘电姥质量阀题对系统造成戆筵害避在磋究申，但怒电压跌落和供魄中断已 被认为怒影响设备正常工作、安全运行的最严鬣的动态电能质鬣问题，其中尤其以电魇 跌落更为严重。 本研究依托学校与天津钢管责任宥限公罨横向联会项目，通过对“三耜黼路螽鸯 线残压低的机理研究”项目的研究，对d v r 的威用可行性进行分析和论证。 4 1 系统参数等值 对系统迸杼等值怒分析的第一步，天津钢管责任菊隈公司酌配电阏络可分为线路、 变压器及负荷等三大部分。针对犬无缝公司实际运行情况及器材参数，我们将对整个网 络进行了归算嚣亿簿。 一、线路等值 电力线路可用电阻尺、电抗髫、电导g 和电纳口袭示，电缆的电导g 和电纳曰很 小，完余可以震邀阻r 、电抗x 来代蛰。 大光缝配电网络多采用电力屯缆，下图为其中一种型号的电缆示意图及窀气参数： 墨粤：v d v ；y j 丫：瓣霉体三芯啦压譬鹱：8 7 t 1 0 1 4 q ；8 , 7 1 1 5k v ( u r r # l7 , 5 ”吗 闰4 - 1 电力电缆参数 1 导体 2 导韩瓣蔽 3 蹦蝻蝾 4 抱绦屏蔽 5 金霾群藏 6 埴充 7 包带 8 辩护攀 三崖热挤 第四章动态电压恢复器的应用研究 根据公司提供豹材料，下表为归算的线路等效阻抗 线路邀辍r毫抗x毫感l ( 强 1 ) 1 6 8 o 0 8 l0 6 7 92 1 6 e r l0 。0 3 2 0 。2 7 l0 8 6 e r 40 0 1 2 o 10 3 1 8 s m l0 + 0 4 80 4 0 2l 。2 8 o p0 0 4 8 0 4 0 21 2 8 e r 30 。0 5 7 0 4 7 81 5 2 s m 20 0 3 l 0 2 6 7o 8 5 c r l 0 0 5 60 。4 6 71 4 5 海绵铁 o 10 8 5 62 7 6 b p 0 0 1 5o 1 2 6o 4 s y0 。0 3 7o 。3 l li m w0 0 4 80 4 1 2 7 空压 0 。0 4 20 3 5 2 i 。1 2 不锈钢 0 1 lo 9 1 2 8 篇、变脯器等值 表4 - 1 线路等馕阻挠 系统电压从2 2 0 k v 降到l o k v ，主要通过两臼降压变压器t i b 、t 2 b ，其参数如f ： 溅号：芯式；变毙：2 2 0 ( + 9 ，- 7 ) * 1 。2 5 1 0 。5 k v ；功率：6 3 m v a ；联结 方式：y n ，d l l ；短路损耗：1 9 0 k w ；短路电压：1 2 9 ( 5 0 m v a ) ；空载电流： 4 2 k w ；空载电流；0 0 2 。 将等效参数折算到低器衡( 1 0 k v 侧) ，交篷器串联黻抗为： 母一盟1000*s；一器媳004鼢，岛m鲁-堕|o65(mh)1000 1 0 0 06 3 3 1 4 $ 2 擀 将等效参数折算到低压侧( 1 0 k v 侧) ，变压器并联母纳为： 即，o o o p o 峨一忘番锄气趴坼一1 1 0 0 0 嘶* s n 。器= 4 4 1 1 0 - 4 其等效阻抗为： 震= 石1 = 2 4 鸭一鲁一署一6 6 0 ( m h ) 第四章动态电压恢复器的应用研究 三、负荷等值 根据电力系统分析计算的不同要求，常用的负荷表示方法主要有恒定功率方式和恒 定阻抗方式两种，这里我们主要采用恒定阻抗的方式，计算公式如下 弘鑫q ， 4 2 系统电路等值及故障模拟 即鑫8 绋 天津钢管责任有限公司配电系统通过两台降压变压器( t 1 b 、t 2 b ) 将天津电网2 2 0 k v 电压输送至u i o k v 母线上。系统采用双母线分段运行方式，所有负荷均为双回路供电，以 并联的方式挂在l o k v 母线上。 以下是天津钢管责任有限公司的电气示意图： 1 0 k v 图4 - 2 天津钢管责任有限公司配网电气结构图 系统存在的问题是： 当1 0 千伏各变电站的1 0 千伏侧设备出现三相短路故障时，系统出现了很大的短路 电流，母线电压下降2 0 至6 0 ，与故障无关单位的部分电气设备由于瞬时低电压而造 成事故或跳闸，扩大了事故范围，影响了公司的正常生产。每年发生这样的事故3 到5 起，造成了巨大的经济损失。 采用动态电压恢复器，将d v r 串联在敏感负荷与l o k v 母线节点之问，有望提高整 个系统的供电电能质量，并解决此技术难题。 第四章动态电压恢复器的应用研究 根据以上分析得到的参数，建立的系统仿真模型如下 图4 3 配电网等效电气图 系统电源为l o k v ，将变压器归算到低压侧( 1 0 k v ) ，选择某条经常发生短路故障的 馈线设为馈线l ，其线路阻抗o 0 0 1 8 q 、0 5 m h ，等效负荷阻抗1 9 f l 、2 0 m h ；选择有 重要负荷的馈线设为馈线2 ，其负荷等效阻抗为5 q 、8 1 5 m h ，由于负荷等效阻抗远大 于线路阻抗，线路阻抗可忽略。 假设0 2 s 时馈线1 发生短路故障，持续时间为0 2 s 。母线电压( 标么值) 波形如 下示 1 4 0 - 12 0 t 0 0 一 l 主 。朋 ， 萱嘲。 k 一。 弘 御。舶 ，0 2 0 - 0 m ，000o 0联嬲030a 柏0 劢0 1 图4 - 4l o k v 母线电压波形图 从上图可看出，在0 2 s 时刻，当馈线1 发生三相短路故障时，l o k v 母线节点电压 瞬间跌落到了4 k v 左右，联结于此母线节点上的敏感负荷( 馈线2 ) 供电电压也发生瞬时 跌落，使此敏感负荷无法正常作业，严重影响了系统的正常运行，并可能引发更大面积 的停产、停电事故。 第四章动态电压恢复器的应用研究 4 3 动态电压恢复器的仿真建模 动态电压恢复器是一种串联型补偿装置，主要由源逆变器、串联变压器、储能装置 和滤波器几部分组成，其中储能装置多采用电容器。当系统侧电压矿发生瞬时跌落时， d v r 可迅速( 半个周波内) 注入补偿电压，注入补偿电压。，其幅值、相角均可控、 可调，使敏感负荷感受不到系统电压发生的任何变化。 下图为建立的d v r 仿真模型，建立的d v r 仿真模型采用三单相逆变器结构，每相由 四个i g b t 组成逆变桥，逆变器采用正弦脉宽调制( s p w m ) 方式。 以a 相为例，如图所示，a 相补偿电压由g lg 2 、g 3 、g 4 控制，输出电压玩，经 过l c 滤波器滤波后，再通过串联耦合变压器接口a i n 、a o u t 接入到系统侧( 1 0 k v ) 。断 路器b 1 用于保护d v r 装景，并根据控制器信号通断以将d v r 串入系统中，使其及时、 准确的补偿因各种故障引起的系统侧电压的波动。 图4 - 5d v r 主电路仿真模块图 上述1 2 个i g b t 开、断信号由控制芯片发出。当系统发生电压瞬时跌落时，根据设 定的控制策略，计算出需要的补偿电压幅值及相位，并迅速输入到系统中，以保证敏感 负荷的正常工作。 第四章动态电压恢复器的应用研究 下图为d v r 三角波发生器( 单相) 和正弦波发生器( 三相) ： v r _ l r i a n g l e 图4 - 6d v r 逆变器三角波发生器 如图所示，v c o 为压控振荡器，输出t h 为角度，m o d u l o3 6 0 为自建模块，v r t r i a n g l e 为三角波倍频系数，输出t r i o n 和t r i o f f 分别为同相、反相的三角波。 下图为d v r 逆变器三相正弦波发生器仿真模块示意图。 8 雹虿。富钼蒙匀 k 3 “亨8 。 t ，# i 书e 。睁e 。 图4 7d v r 逆变器三相正弦波发生器 f r e 为工频5 0 h z ，以a 相为例，k s i n 为正弦波幅值调制系数，s h i f t 为初始相角， 采集系统a 相电压的角度( 见第三章所述) ，输出v l 一0 、y l 一1 8 0 分别为与系统a 相电压 同相、反相的正弦波。其它各相据此调节，原理相同。 通过将单相倍频三角波与三相工频三角波进行比较，在交点时刻对i g b t 的通断进 行控制，即可形成s p w m 波形。 第四牵动态电压恢复器的应用研究 下阉为d v r 逆变器钰个i g b t 的脉冲触发器 匿4 - 8d v r 逆变器i g b t 脉冲发生器 以a 相为例，下圈为d v r 工作时逆变器a 栩i g b t 通断脉冲序列 图4 - 9d v r 逆变器a 相脉冲_ | 葶列 第四章动态电压恢复器的应用研究 4 4 天津钢管责任有限公司配电系统的建模与仿真 通过以上分析，我们得到了d v r 需要的各项参数，并对天津钢管责任有限公司配电 网络进行了等值和简化。根据公司配电网实际运行情况，选取了蹰条负稳作为研究对象 避行逶一步豹分析和研究。努算静参数弼下： 系统电源为l o k v ，两条负荷为并联形式，馈线线路电阻为o 0 0 0 5 9 2 ，电感为1 8 m h 。 馈线1 黟受蔫等效毫感受2 0 m h 、等效电瓣舞1 9 9 2 ，镶线2 f 敏感受蓑) 等效瞧感鸯1 2 m h ， 等效电阻为7 3 8 f f 2 。d v r 串联变压器变比为1 ：1 ，d v r 赢流侧电源0 8 p u ，滤波电容 3 0 0 u f ，滤波电感0 4 m h 。 设0 2 s 时刻馈线1 发生三相短路接地故障，短路持续时闽为0 2 s 。 建立的配网仿真模型如下图所示 圈4 - t 0 天津钢管公鼙醺电系绕等效电气翻( 含d v 鞋) 下圈为建立的d v r 检测仿真模块( 相关原理参照第二章) ： 圈4 - i 1d v r 检测模块 第四牵动态电压恢复器的应用研究 下圈为d v r 控秘模块( 相关原理参照第三章) ： 壅争i 2d v r 整隹l 模块 下黧必装设d v r 蓑端( 1 0 k v 遥线魏n 蕊轰) 魄基、爱滤( 受1 ) v r 援护静敏感受芬) 漤 电压波形图： 净盟 1 绷。 0 羽 0 0 4 蓑2 b 奄翳 ，0 0 -r 厂 黼04 4 6 a j 雪b l 撇1 f 垂j 0 8 _ 5 0m x ，时t 5 0 0 麟 1 o a - 由n 铂 r ?i 扩m i n o 脑 o f l o - 0_ 0 撕，瑚5 0 黼 j 一! _ 仉0 0 刚。 管 啦湘 。氇 n 朝 ：揣 r ： !* ：二 图4 1 3d v r 前端、后端电压波肜图 上灏中，默弱廷v 母线蕊点电壤( 标么傻) ； v 2 受d v r 保护的敏感负荷端暾压( 标么值) 。 从上图中霹清楚的褥出，0 。2 s 时刻由于发生短踌故障，l o k v 母线的电压骤降至 o 5 k v 左右，将严重并联在此节点的其京负荷正常作业。由予i ) v r 的保护，敏感负荷的 端电压并未发生大的变化，始终保持在l o k v 左农，达到了设计要求。 第四章动态电压恢复器的应用研究 下强为系统a 相毫压与受d v r 保护的敏感受荷a 相端电压的瞬时波形圈： 圈4 1 4 母线a 相电压、敏感受荷a 棚电压波形图 上图中，v i a 1 0 k v 母线节点电压( 瞬时值) ； v 2 a 受d v r 保护躲敏感受菇端电蹑( 瞬时傻) 。 装设了d v r 之后，受其保护的敏感负荷( 馈线2 ) 端电压较好的保持在原有l o k v 电蕊 等级，从图中的仿真瞌线来看，v 2 a 在0 2 s o 4 s 的短路期阅，电滕始末发嫩明显波 动，成功“闲邂”过系统电压v i a 跃落对其遥娥的危害。所设计的d v r 模块，桶应迅遗 快、过渡过程短，具有优良的动态性能，而且注入的补偿电压谐波含量少，可以保证敏 感受蕊始终委鬻王捧，挺裹毙黧毫系绞豹毫毙疆囊。 4 。5 小节 通过建立天津钢管有限责任公司配电系统的仿真模型，对d v r 进行了电压跌落的功 能测试，褥到魏下戆结论： ( 1 ) 设计的天津钢管有限资任公司配电系统仿真模型较好的描述了系统稳态运行 程放障工况，仿真结累与实际情况基本一致； ( 2 ) 设计的d v r 仿真模块采用了旗于瞬时无功功率理论的检测技术和负衙电压外 环、滤波器电容电流内环的双环控制策略，较好的抑制了系统