（电力电子与电力传动专业论文）动态电压恢复器的理论研究及其仿真.pdf

s i m u l a t i o na n dr e s e a r c ho nt h et h e o r i e so fd 矿r a b s t r a c t t h ed y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r ) i sc o n s i d e r e da st h em o s te f f e c t i v ed e v i c et o s o l v et h ev o l t a g eq u a l i t yp r o b l e m s i tc a nc o m p e n s a t et h ed i s t o r t i o nb yp o u r i n gt h e d e f f e r e n c eb e t w e e ns t a n d a r da n ds y s t e mv o l t a g ei n t ot h es y s t e m i ta l s oc a r lb a l a n c es w e l l s o r s a g sw h i c hc a u s ed y n a m i cv o l t a g eq u a l i t yq u e s t i o n ，a n db a l a n c eh a r m o n i c s o r n o n - b a l a n c eo ft h r e e p h a s ew h i c hc a u s eq u i e s c e n tv o l t a g eq u a l i t yq u e s t i o n i no r d e rt oe n h a n c et h ed y n a m i cp e r f o r m o n c eo fd v r ，t or e d u c ei t sp o w e ro u t p u t ，t o m a k ei tr u nm o r ee c o n o m i c a l l ya n dw i d e l y , t h i sp a p e rd or e s e a r c hi nv o l t a g ed i s t o r t i o n d e t e c t i o na l g o r i t h m ，p h a s el o c kt e c h o n o g y ，c o n t r o lm e t h o d s 嬲w e l la st h ec a l c u l a t i o n m e t h o d so fc o m p e n s a t i o nv o l t a g eo fd v r t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra l e d e t a i l e da sf o l l o w s ： c o n c e r n i n gt ot h ed e m a n do fd v r sr a p i dd e t e c t i n g ，t h i sp a p e rp u te m p h a s e so nd q 0 t h a tb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ra n dt h a ti si nc o m m o nu s ea n ds i m p l e ，a n d p r e s e n ta na d v a n c e dd q 0m e t h o d a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e yc a nd e t e c t d i s t o r t i o ni ns y s t e mv o l t a g ee f f i c i e n t l ya n dh a v ear a p i dd e t e c t i n g i ta n a l y z e st w op h a s el o c km e t h o d s t h ez e r oc r o s s i n gc o m p a r i s o nm e t h o dh a sab a d c o n t r o lo nd i s t o r t i o n a n dt h es p l lh a sag r e a td y n a m i cp e r f o r m o n c e i ta l s oc a nc o n t r o l t h ed i s t o r t i o ne f f i c i e n t l y c o n s i d e r i n gt h ed e f i n i t i o no fv o l t a g et o l e r a n c eo fd i f f e r e n tl o a da n dt h el i m i t a t i o no f d v r o u t p u tv o l t a g e ，an o v e lm e t h o df o rc a l c u l a t i n go p t i m a lc o m p e n s a t i o nv o l t a g ei s p r e s e n t e d b ym a k i n gc h a n g e so fr e f e r e n c ev o l t a g ep h a s ed i a g r a m so fl o a d ，t h i sm e t h o dc a n e n l a r g et h ec o m p e n s a t i o nr a n g ea n dd e c r e a s et h ee n e r g yo u t p u to fd v r t h e nt h i s p a p e ri n t r o d u c e s d e a d b e a tc o n t r o lm e t h o dw h i c hi sb a s e do np w r n t e c h n o l o g y d e t a i l e dd e d u c t i o nh o wt oa p p l yt h em e t h o dt od v r i sp r o v i d e d n e s i m u l a t i o ns h o w st h a ti th a sm a n ya d v a n t a g e s ： g r e a td y n a m i cp e r f o r m o n c ea n d i s c o n v e n i e n tt oc o n t r o lr a p i d l y s i n g a lc i r l em e t h o dt h eo t h e ro n ei sa l s oi n t r o d u c e di nt h i s p a p e r , i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l ea n dh o wt oa p p l yt od v r a tl a s t ，d v r sc o m p o s i t i o no fe a c hp a r ti si n t r o d u c e d a n dc h o o s et h ed s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6o ft ia sm a i n - c o n t r o lc h i p f i n a l l y , ab r i e fd e s c r i p t i o no fi t ss y s t e md e s i g n i sp r e s e n t e d k e yw o r d ：d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ； d e a d b e a tc o n t r o l ；s i g a lc i r c l ec o n t r o l l l 图卜1 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 4 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 - 8 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 - 8 图3 9 图3 - 1 0 图3 1 1 图3 - 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 - 1 5 图3 - 1 6 图3 - 1 7 图4 1 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 7 图4 - 8 图4 - 9 插图清单 当今世界容量最大的两套d v r 的运行现场5 d v r 在电力系统中的配置图7 动态电压恢复器原理图7 动态电压恢复器的基本结构8 二极管整流部分结构图9 升压斩波电路整流部分结构图9 三相p w m 整流电路1 0 逆变器拓扑结构lo 输出侧滤波器安装位置图1 2 动态电压恢复器的检测和控制部分1 7 基于d q o 变换的畸变电压检测模型1 8 电网电压波形18 检测到的畸变电压波形1 8 改进的d - q 法瞬时电压检测m a t l a b 仿真原理图1 9 基波分离前后的u q 19 改进的d - q 法瞬时电压检测结果2 0 坐标变换2 2 单相d v r 的补偿量检测算法2 3 0 1 秒注入3 0 9 6 的7 次谐波2 4 o 1 秒发生3 0 的电压骤降2 4 模拟锁相环的原理框图2 6 过零比较的原理框图2 6 锁相环结构2 7 合成矢量与d - q 坐标的关系。2 8 数字锁相环原理图。2 9 s p l l 的仿真模型2 9 无功补偿方式向量图3 l 同相补偿向量图3 2 完全补偿向量图：3 3 最小能量补偿向量图。3 4 电压跌落凸起向量图3 5 平移补偿极限圆改变补偿电压3 6 旋转参考电压改变补偿电压3 7 同相补偿3 8 完全补偿3 8 v i 图4 - 1 0 图4 - 1 l 图4 - 1 2 图5 - 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 - 7 图5 - 8 图5 - 9 图5 - 1 0 图5 - 1 1 图5 - 1 2 图5 - 1 3 图5 - 1 4 图5 - 1 5 图5 - 1 6 图5 - 1 7 图5 - 1 8 图6 - 1 图6 - 2 图6 - 3 图6 4 图6 5 图6 - 6 图6 - 7 最小能量补偿3 8 系统仿真模型3 9 优化能量补偿3 9 参考电压信号离散化4 3 逆变器输出电压波形4 3 单相d v r 的结构模型4 4 单相d v r 的等效模型4 4 单相d v r 的无差拍控制仿真模型4 5 预测控制的测试仿真模型4 5 测试结果4 5 0 0 4 秒到o 0 7 秒间注入谐波4 6 0 0 3 秒到0 0 6 秒间电网电压下降4 0 4 6 补偿电压跟踪结果4 7 单周控制原理图。4 8 单周控制波形图4 9 d v r 原理图4 9 单相d v r 单周控制器模型5 0 d v r 单周控制系统模型5 1 d v r 单周控制器模型5 2 电压跌落时的单周控制仿真结果5 2 电压突升时的单周控制的仿真结果5 2 d v r 样机结构系统框图5 4 d v r 主电路接线图5 5 a 相电源电压的采样和过零点捕获调理电路5 7 通信接口电路5 7 人机接口示意图5 8 主程序流程图6 0 定时器中断服务程序流程图6 0 i 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 金8 曼王些叁堂 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。 学位论文作者签名：狱砉风签字日期：卫锡年月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些态堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金鲤工些盔 三l 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采l i b e l 、缩印和扫描等 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) 学位论文作者签名：涨砉凤 导师签名： 翻弭彰 签字日期：少唱年月归 签字日期：夕伊纷1 月f 牛日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 屯话： 邮编： 致谢 在论文和学业即将完成之际，首先想到的是感谢三年来时刻给予我关心和 支持的老师、家人、同学和朋友。 首先感谢我的导师张国荣老师，整个课题和论文的完成，无不倾注了张老 师大量的心血。两年多来，张老师在生活、学习、科研方面都给了我很大的帮 助和支持。张老师为人随和，谦虚谨慎，对于学生的事，事必躬亲。他废寝忘 时的工作精神、严谨务实的科研态度和谦虚待人的生活作风深深地影响着我。 在此，谨向尊敬的张老师表达我由衷的谢意和真诚的祝福! 感谢苏建徽老师和茆美琴老师。苏老师忘我的工作态度、精湛的专业知识， 丰富的科研经验和宽广的胸怀给我留下了深刻的印象，课题研究中遇到的难题， 多次在苏老师的指导下迎刃而解，苏老师的批评和教诲我将铭记终生。茆老师 精深的理论水平、广泛的知识范围和出色的外语能力令我敬佩不已，感谢茆老 师在专业知识、仿真理论和英文摘要撰写等方面的帮助和指导。 同时要感谢合肥工业大学能源研究所的其他老师对我的关心、鼓励与帮助， 他们分别是：杜雪芳老师、刘翔老师、张建老师、杜燕老师、汪海宁老师、刘 宁老师、陈林老师、赖纪东博士、张颖媛博士和杨向真博士。 此外还要感谢和我一起朝夕相处的同学们，他们是：孙艳霞、焦道海、彭 凯、茹心芹、潘正国、李颖、宗桂林、张昭、陶彦辉、戴聿雯、陶然、方玮、 董振立、许任重等及其他师弟师妹们，能身处在这样一个融洽的大家庭里学习 我深感荣幸，和你们一同学习进步的这段日子是我一生中最充实开心的一段时 光。祝你们永远幸福快乐! 感谢父母对我的养育与支持以及吴坚对我的关爱，他们的支持是我前进的 动力! i l l 作者：张春风 2 0 0 7 年1 2 月 1 1 电能质量问题 第一章绪论 电能作为现代社会中使用最广泛的能源，它既是一种经济、实用、清洁、 且容易控制和转换的能源形态，又是电力部门向电力用户提供的由发供用三方 共同保证质量的一种特殊产品。 在电力供应开始阶段电能质量问题就客观存在，只不过由于那时电能质量 的下降对工业生产和人民生活的影响并不是很大，所以供用电双方对电能质量 问题重视程度不够【l 艺】。随着现代科学技术的发展，一方面，引起电能质量下降的 因素不断增加，如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设 备的启停等；另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断 普及，如高性能家用电器、办公设备、精密实验仪器、连续精密生产过程的自动 控制设备等，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。 为了寻求解决电能质量问题的办法，从2 0 世纪8 0 年代开始，国内外学者就 电能质量治理问题展开深入的研究，美国电力科学研究院( e p r i ) 的学者 n c x h i n g o r a m 博士于1 9 8 8 年首先提出了c u s t o m p o w e r 新概念和新技术【3 j ，经过近 二十年的研究，国外的一些大公司如w e s t i n g h o u s e ，a b b ，s i m e n s 均有相应的产 品投入工业应用，并取得良好的效果。我国从2 0 世纪9 0 年代开始，也开展了对 电能质量控制技术的试验性研究，主要集中在一些高校和相关的科研院所。对 电能质量控制技术各个学者有着不同的理解，因此称呼上也各有差别，有用户 电力、定制电力、d f a c t s 技术、f e e d 技术及柔性配电技术【4 5 】等。虽然这些名称 各不相同，但是其共同之处都是将电力电子技术、微处理技术、控制技术运用 于中、低压配用电系统，为电力用户提供高质量的电能，消除用电设备对电网 的“污染。 i e c ( 1 0 0 0 2 2 4 ) 标准对电能质量是这样定义的【6 1 ：电能质量是指供电装置 在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。最严重的电能质量 问题是电压暂跌( s a g s ) 和电压完全中断。 针对过去对各种扰动引起电能质量问题的提法不一，i e e e 第2 2 标准统筹委 员会( i e e es 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 ) 和其它国际委员会推荐如下几 种术语来描述主要的电能质量干扰。各术语的定义如下： 电压暂跌( s a g s ) ：电压或电流有效值降至额定值的1 0 一9 0 ，持续时间为0 5 个周期至i m i n 。 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) ：在一相或多相线路中完全失去电压( 低于额定值 的1 0 ) 一段时间。持续时间0 5 个周期至3 s 为瞬时中断；持续时间3 s 至6 0 s 为暂 时中断；持续时间大于6 0 s 为持续中断。 电压上升( s w e l l s ) ：电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 以上，典型值为额 定值的1 1 0 - 1 8 0 ，持续时间为0 5 个周期至l m i n 。 电压瞬变( t r a n s i e n t s ) ：指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。电压瞬 变可以是任意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 过电压( o v e r v o l t a g e ) ：电压为额定值的11 0 一1 2 0 ，持续时间大于i m i n 。 欠电压( u n d e r v o l t a g e ) ：电压为额定值的8 0 一9 0 ，持续时间大于l m i n 。 谐波( h a r m o n i c s ) ：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流。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。 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ：电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。 电压缺口( n o t c h e s ) ( 切痕) ：持续时间小于0 5 个周期的周期性的电压扰动。 电压波动( f l u c t u a t i o n s ) ( 闪变) ：电压波动( 闪变) 是指电压幅值在一定范围 内有规律地或随机地变化。其电压幅值的变化通常为额定值的9 0 一1 1 0 。这种 电压波动常称为电压闪变。 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 10 0 0 系列标准和电气与电子工程师协 会i e e e 标准后，己颁布了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( g b t1 5 5 4 3 - 9 5 ) 、电力系统频 率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 - 9 5 ) 、暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 卜2 0 0 1 ) 。 随着电力用户对电能质量要求的提高及今后用电设备的发展，电能质量的 定义和标准也将不断完善和提高。 1 2 电压质量问题 电能质量问题范围很广，主要分为电流质量问题和电压质量问题。在实际 系统中，电压与电流有着紧密的联系。如果供电系统中有非线性元件和负荷， 即使供电电压为正弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形发生畸变，非正弦波 形的电流在供电系统中传递，由于沿途电压降使各供电点的电压波形将受其影 响而产生不同程度的畸变。显然，电流质量问题引起的后果会在电压质量问题 上体现出来。 1 2 1 电压质量问题的重要性 电压质量问题可分为三类：第一类是电压偏移，包括电压暂跌、电压突升、 闪变等；第二类是供电连续性，包括瞬时断电、暂时断电、持续断电；第三类 是波形和相移方面，如谐波电压、三相电压不对称等【_ 7 1 。目前，传统的电能质 量问题如谐波，三相不对称，闪变等仍然存在，而且严重性还在增加。但更值 得注意的是：人们逐渐将传统的供电质量问题，诸如供电中断，电压长时间偏 高或偏低等稳态供电质量问题的注意力，转向关注动态电压质量问题，如持续 时间为毫秒级的动态电压突升，脉冲，电压暂跌和瞬时供电中断，这些都是近 2 年来随着社会信息化的日益广泛而逐渐暴露出来的新的电能质量问题形式【8 】。 根据各国学者和电力部门的统计和分析，电压跌落和瞬时供电中断被认为 是影响许多用电设备正常安全运行的最严重的动态电能质量问题。电压的波动 会使电动机转速不均匀，不仅危及电动机的安全运行，而且还影响一些产品的 质量，会引起照明的闪变，使人眼疲劳而降低工效。当电压跌落到o 7 p u ，持 续时间超过6 个基波周期将会导致调速电动机( v s d ) 被切除；电压跌落至0 6 p u ， 持续时间超过1 2 个基波周期又将会影响计算机设备的安全运行；在现代工业中 由于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，因此工业用户对供电质量的要求比其中单个敏感用电设备更 高。电压跌落对信息业的影响也很大，据估计8 0 服务器出现瘫痪以及用户端 4 5 左右数据丢失和出错均与此有关【9 1 。 1 2 2 引起电压质量干扰的原因 引起电压质量干扰的原因多种多样【l0 1 ，概括而言，可以将这些起因分为两 类： ( 1 ) 内因。系统本身接有干扰性负荷，如电弧炉、整流器、单相负荷等。这 些负荷对电网产生负面影响，如谐波、无功冲击、负序等。主要根源就在于非 线形负荷侧。而且，这些负面影响可能通过p c c ( 公共连接点) 波及其他终端用户。 ( 2 ) 外因。雷电、外力破坏、配电设备故障、电容器投切、线路切换、大功 率电动机启动等都可能干扰系统，造成断电或电压下降，甚至影响到相邻线路， 导致有害影响蔓延。 具体到电压跌落与瞬时中断，产生原因如下： 电压跌落：瞬时性电压故障往往以电压跌落开始。在电力系统中，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。而最常见的电压跌 落产生的原因有两种 1 1 1 ： ( 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。 3 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暂降。 瞬时中断：产生瞬时中断的原因既有可能是由于雷击输电线或配电线、树 木倾倒、刮风等原因而造成的电力系统瞬时性故障，也有可能是因为设备失效 或控制装置的误动作而引起的不正常工作状态，但以前者居多。 1 3 动态电压恢复器 1 3 1 动态电压恢复器的研究背景 对于电压跌落、电压突升和瞬时中断等动态电能质量问题，它的特点是突 发性和不可预期性即源头不明时间也不定，我们可以采用重点用户单独保护的 策略。目前大部分用户使用不间断电源( u p s ) 来解决这一问题，使用不见断电源 可以比较完善的解决用户端的电压质量问题，但由于其容量一般和用户端负载 的容量相当，所以成本非常高，尤其在大功率的应用场合，其应用更是受到了 很大的限制。同时，根据统计，8 0 以上的造成破坏的电压故障为电压跌落，并 且7 5 以上的电压跌落在3 0 以下。所以有必要针对这一特点研制新型的设备以 求在补偿效果和成本之间达成统一。动态电压恢复器就是针对这一特点进行研 制的。 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 ，d v r ) 串接在电源和敏感负荷之 间，是一种采用电力电子技术实现的电压补偿装置，其主要的补偿对象是电压 跌落，同时能够对谐波、闪变、不对称等多种电压质量问题提供补偿。当电压 跌落发生时，d v r 可以在毫秒级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，因此其容量只需设计到负载容量的3 0 5 0 之间，使成本得 到了降低，因此它是抑制电压跌落的最有效的补偿装置。由于它是一种比较理 想的用户端电压电能质量的保护装置，所以已成为国内外的一个研究热点。 1 3 2 动态电压恢复器的研究现状 1 9 9 6 年，美国西屋公司( w e s t i n g h o u s e ) 在西部电子展览和会议( w e s c o n ) 上首次发表了d v r 的研究报告以及实验结果，标志着动态电压恢复器的诞生。同 年8 月，西屋公司的d u k e 电力公司在位于南加州安德森的1 2 4 7 k v 变电站安装了 第一台d v r ，用于解决一家自动化纺织厂的供电电压问题，对全厂提供电压跌落、 电压凸起以及三相不平衡的抑制。随后a b b 研制的2 2 k v 4 m v a 的d v r 也成功的用 于一家半导体厂家的故障电压恢复，投运两年中共抑制了十多次电压跌落，有 效的为用户挽回了相应的损失 12 1 。另据i e e e 电力工程评论报道【13 1 ，由a b b 公司 制造的当今世界上最大的两套d v r ( 单套容量均为2 2 5 m v a ) 已于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 4 造成数百万美元的产品成为废品的巨大经济损失。图卜1 所示为d v r 的运行现场。 图卜1当今世界容量最大的阴套d v r 的运行现场 从1 9 9 8 年至今，世界各国的高等学府和科研机构都相继开始了对动态电压 恢复器的研究 1 4 。7 1 。国外研究d v r 的国家主要有美国、新加坡、英国、韩国、 澳大利亚、印度等，其研究水平较高，不仅在理论上取得了丰厚的成果，而且 已有多台设备投入运行，并带来了巨大的经济效益。 我国也从19 9 8 年开始了对动态电压恢复器的理论和实验的研究，相继有东 南大学、清华大学、华北电力大学研制出实验样机，但是与国外的相比，我们 没有相应的d v r 运行经验，所研制的d v r 样机在容量和电压等级上都比较低。目 前仍停留在对d v r 装置技术吸收和样机试制阶段，研究的重点还集中在理论的研 究和验证上。 目前动态电压恢复器的理论研究主要集中在主电路结构和控制方法上。在 主电路结构方面，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。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，这其中最主要的是对不平衡畸变电压的补偿，和在储 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。 1 4 本文所做的工作 本文在对d v r 的基本结构和工作原理进行认识学习之后，对电压偏差信 号的检测方法和电压动态补偿和控制策略进行了研究，主要工作包括以下几个 方面： ( 1 ) 通过查阅现有资料，对目前d v r 装置所使用的各种主电路拓扑结构进 行了分析归纳，对d v r 装置的基本结构、工作原理进行了分析说明。 ( 2 ) 快速准确的检测出电压偏差信号是d v r 装置运行的前提条件，本文对 目前常见的几种检测方法进行了归纳总结。提出了分别可以应用于三相系统和 单相系统的d q 0 变换法及改进方法，对其开展了详细的分析和仿真研究工作。 ( 3 ) 论述了d v r 中锁相方法的特点及重要性，对目前常用的两种锁相方法 一过零比较和基于瞬时无功的软件锁相环方法进行了详细分析和推导，并就后 者做了m a t l a b 仿真验证，最后选择软件锁相环方法作为d v r 的锁相方法。 ( 4 ) 为了减小d v r 装置的能量输出，提高d v r 的利用效率，对d v r 的 补偿方式进行了深入分析。针对不同的负载性质和电压幅值的要求范围，使用 最优电压补偿方法，扩大d v r 的补偿范围和减小d v r 的有功输出。 ( 5 ) 在电压动态补偿控制策略上，研究了两种很有前途的控制算法，即无 差拍控制和单周控制，分别将它们应用于d v r ，并做了仿真验证。 ( 6 ) 最后概述了d v r 样机的结构以及系统的设计。 6 第二章d v r 的工作原理及系统结构 供电电压质量问题的日益严重，同时用户端敏感负荷对电压质量要求的渐 趋提高，使得电压质量调节设备的研制显得愈发重要。动态电压恢复器是一种 新型的用户端电压质量调节装置，它主要的补偿对象是电压的跌落，同时对闪 变、谐波等电压问题有较强的抑制作用。本章对动态电压恢复器的原理和主电 路结构进行了介绍。 2 1 动态电压恢复器的工作原理 竺! 坚兰i 二i i ? 蹩 巫乎t 一 图2 1d v r 在电力系统中的配置图 动态电压恢复器( d v r ) 是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和 敏感负荷之间，相当于一个受控电压源，能够产生任意幅值、相位和波形的电 压。它具有很好的动态性能，当电网电压发生跌落或凸起时，能在很短的时间( 几 个毫秒) 内将故障处电压恢复到正常值。其在电力系统中的配置如图2 1 所示。 从图中可以看出，在配电系统正常供电情况下，d v r 工作在备用状态，对系 统无任何影响。而当电网电压发生故障或者系统中某条支路发生故障影响其它 之路的时候，d v r 立即( 几毫秒以内) 向系统注入补偿电压，用以补偿故障下的电 压差，使负荷端感受不到系统电压的任何变化，始终工作在要求的电压等级。 d v r 注入电压的幅值和相角均可控制，可补偿所需的有功和无功，补偿时间可以 根据敏感负荷的要求以及系统故障的特征来预先配置，它是目前国际上使用的 越来越多的新型电能质量补偿装置。 图2 - 2 动态电压恢复器原理图 动态电压恢复器的原理如图2 - 2 所示，该结构为三相三线制结构。图中的 7 u 。朋却表示网侧电压，z 。表示网侧的等效阻抗，u s 以f c 表示动态电压恢复器 的输出电压，z 函胁k 表示负载阻抗。 由图可知：u i = u ，+ u ，一i ，z ， 其中u ，为负载电压，因控制的目的为u ，保持不变，所以电路中的电流，可 以看作恒定，故，z ，为常值。当网侧的电压u ，发生变化的时候，就可以通过改变 动态电压恢复器的电压u ，从而使负载电压u ，保持恒定。 2 2 动态电压恢复器的结构 动态电压恢复器作为一种补偿电压畸变的电力电子装置，其基本结构如图 2 - 3 所示。 萋鋈目冀 滤波单元 蔺 图2 3 动态电压恢复器的基本结构 由图可知动态电压恢复器是由储能装置、逆变器、无源滤波器、变压器等 组成。 ( 1 ) 储能装置 储能装置一方面为逆变器提供直流侧电压，另一方面当动态电压恢复器需 要有功功率输出时输出能量，目前主要使用蓄电池或电解电容来实现。现在有 些研究机构尝试使用超导线圈、飞轮来代替，由于技术较为复杂，成本较高， 所以目前应用前景不太光明【1 8 】。只是由于在动态电压恢复器的运行中，有时电 压跌落会持续较长的时间，此时动态电压恢复器就可能需要有大量的有功功率 输出。直流侧仅使用电解电容无法解决这一问题，而使用蓄电池会增加成本。 如果为直流侧再加入一个整流电路，它就可保证对4 0 左右的电压跌落提供永久 的补偿。由于动态电压恢复器的设计容量一般为负荷容量的3 0 左右，所以使用 这种方法完全可以满足需求，同时所需成本较低。 对于直流侧的整流电路可以有很多种结构，常用的主要是这三种，用二极 管整流桥作为整流电路、升压斩波电路作整流电路和三相p w m 整流电路。 用二极管整流桥电路对动态电压恢复器进行供电，其优点主要有如下几个 方面： a 电路结构简单，易于实现； b 造价低，可实现大功率的有功传递； 其结构图如图2 - 4 所示，考虑充电电流较大，在二极管桥和电容之间串入电 h 含幸百a c 毛王圣 _ q 它可以动态的调节直流侧电压，并且可以在电源电压下降时，保证直流侧电压 交 输 图2 5 升压斩波电路整流部分结构图 目前广泛采用的d v r 整流装置为图2 - 6 所示的三相p w m 整流电路。用此电 路来控制直流母线电容电压，可以使d v r 装置的有功功率返回电源，因此在发 生电压突升或跌落等电压质量问题时，直流母线电容上的电压都可以保持大致 不变，实现了d v r 装置四象限运行的要求。文献 1 9 进一步指出：p w m 整流电 路的位置可以有两种选择，既可将其放置在电网侧，也可将其放置在负载侧。 p w m 整流电路位置上的不同会造成串联变压器容量选择上的不同，这是因为将 p w m 整流电路放置在电网侧时，流过串联变压器的电流为负载电流；而将p w m 整流电路放置在负载侧时，流过串联变压器的电流为负载电流加上输入与负载 电流同相的p w m 整流电路电流。因此在相同情况下，p w m 整流电路在电网侧时 d v r 装置的串联变压器、电压源逆变装置、p w m 整流电路所对应的基波容量要比 p w m 整流电路在负载侧时要小，但此时并联变压器的容量会相应的增大。此外， 9 d v r 装置的容量除与p w m 整流电路的接入位置有关外，还与p w m 整流电路所起 的作用、电网电压变化特性和负载特性有关。当电网电压基波分量脉动较大、 谐波分量较小且为恒阻抗负载时，可将p w m 整流电路放置在电网侧，这样p w m 整流电路只需起保持直流母线电压恒定的任务，从而减小了装置容量。相反， 当电网电压基波分量脉动较小、谐波分量较大且为非线性阻抗负载时，可将p w m 整流电路放置在负载侧，这样p w m 整流电路不但可以保持直流母线电压的恒定， 而且还可以滤波和提高电网的功率因数，同时还能减小串联部分的容量。因此， 在为d v r 选择整流装置时要从实际情况出发做出合理选择，以适应实际需要。 图2 - 6 三相p w m 整流电路 ( 2 ) 逆变器结构 动态电压恢复器的逆变器结构有三相全桥、三个单相桥拼成三相全桥等。 逆变器采用三个单相桥拼成三相的方式可以方便的适用于三相四线制和三相三 线制系统，结构比较灵活，稳定性较强，比较适用于大功率场合，不过需要三 个单相共计1 2 个开关管，所以成本较高。而使用三相全桥只需6 个开关管，成 本较低。普通的三相全桥为三线制，不能对零序进行补偿，如果采用一种改进 的三相全桥结构，即从直流侧的中点引出第四根线，就可以解决这一问题。整 个结构在不补偿零序时相当于普通的三相全桥，在补偿零序时相当于三个半桥。 从而在补偿零序和系统成本方面达到了统一。不过采用这种结构，当其中一个 桥臂发生故障时，三相均不能正常工作，所以稳定性较差，比较适合工作在小 功率的场合1 2 0 1 。 a b c a n 图2 7 逆变器拓扑结构 ( 3 ) 耦合方式 在不同的应用场合，d v r 与系统的藕合方式主要分为两种：采用串联变压器 藕合和采用电容器藕合。 1 ) 采用串联变压器结构 1 0 这是常用的方式，这种方式的好处是可以采用升压变压器，从而降低逆变器 直流侧电压等级，在电压较高的应用中，这可以提高装置的可靠性，同时可以 更加灵活地选择开关器件。此种耦合方式另一个重要的优点是将逆变器和电网 隔离了，从而使得直流电容上的能量可以由系统整流得到。 这种藕合方式的缺点来自于串联变压器的非线性特性和其短路阻抗。主要 有以下缺点： a 逆变器输出的高次谐波给变压器的设计带来了困难，必须采用较高容 量的变压器。当然，这一点可以通过加装输出侧滤波器解决，不过这样又增加 了系统的投资，特别在高电压、大容量场合，滤波器的设计也是相当困难的。 b 串联变压器的短路阻抗降低了开环控制的电压精度，且与滤波电感电 容相互影响带来相移和电压跌落，影响了装置的性能，同时还产生功耗。这一 点可以通过电压闭环控制得到解决，不过这样就增加了控制的复杂性。 c 使用串联变压器成本较高。占地面积较大。 由于以上所述的优缺点，是否采用串联变压器需要综合考虑各种因素，结 合应用系统的特点进行选择。在高压配电网中，考虑到逆变器结构、开关器件 容量、直流母线电压、装置成本等各种因素，采用串联变压器是较好的选择。 串联变压器的设计与d v r 的主电路结构以及系统参数等有很大的关系。从 系统侧看，变压器原边( 即串入系统的一边) 的电压等级主要决定于系统电压等 级、暂降的幅度以及滤波器装设的位置。原边的电流容量和短路电抗则都取决 于负荷的额定电流和滤波器装设的位置。副边( 逆变器一侧) 电压等级是由逆变 器的输出决定的。应该根据逆变器的结构、装置成本、装置的性能等方面考虑 选择一个最优的变比。从逆变器侧看，串联变压器可以设计成升压变压器也可 以设计成降压变压器。如果采用降压变压器，逆变器电流容量可以减小。但是， 如果直流侧电压是通过不控整流的方式提供的，采用降压变压器对减小电流容 量的作用是非常有限的。如果设计成升压变压器，可以用较低的直流侧电压获 得较高的线路侧输出电压，不过逆变器的电流容量将相应增加。 在实际的应用中，可以采用多抽头的升压变压器，这样可以适应多种逆变 器电路结构和控制算法。同时，一般加装输出侧滤波器，这样降低了串联变压 器的设计难度。 2 ) 不采用串联变压器结构 由于串联变压器所带来的上述种种设计的不便之处，在电压等级较低的应 用中可以考虑省去串联变压器的使用，而采用电容器将d v r 补偿电压耦合到系 统中去。在没有串联变压器的情况下，逆变器的直流侧必须与电网隔离，可以 使用电源变压器达到这个目的。 ( 4 ) 输出侧滤波器【2 l j 在d v r 装置中，如果采用电容器耦合方式，则逆变器输出侧加装电抗器和 藕合电容一起构成滤波器。采用串联变压器藕合方式时，就必须加装额外的滤 波器。滤波器的安装位置有多种，不同的安装位置对于d v r 的性能和串联变压 器的设计都有很大的影响。采用串联变压器后，输出侧滤波器的安装位置可能 有以下的情况，如图2 8 中a ，