（电机与电器专业论文）delta逆变器式智能照明节电器.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e mo fo l l rc o u l l 口y se c o n o my t h e r ca r em o r et y p e so fe l e c 饿c a l c o m s u m e ra i l dt h ee l e c t r i c a l1 0 a db e c o m e sm u c hm o r ec o m p l i c a t e d nd i r e c t l yc a u s e d t h ed e t e r i o r a t i o n0 ft h ep o w e rq u a l i t yi n ( 、m d f o re x 锄p l e ，m e r ea r ea l lk i n d s0 f d i s t u r b a i l c e sl i k ev o l t a g es w e l l s ，s a g s ，f l u c t u a t i o 玛h a r m o n i c s 锄dt r a n s i e n t si nt h e p o w e rs y s t e m t h e s ed i s t u r b 柚c e sn o to n l yh a v en e g ：砒i v ei m p a c to ns e n s i t i v ed e v i c e s ， b u ta l s ob r i n gm u c he n e r g yl o s s e s ，w h i c hi sr e g a r d e da si i l a c c e p t a b l ei nn o 、a d a y s l i g h t i n gs y s t e mi sak i n do f t y p i c a lv i c t i i ns y s t e mo f p a w e rq l l a l 酊p r o b l e m s f o ro n e l i n 昏t h ev o l t 剐萨s 、v e l l s ，s a g s ，丑u c n l 撕o no rh a m 砌c sm a yc 肌s e 山el i g h tp o 砸o n ， s u c ha sd a z z l i n g ，w e a l 【l i g h t i n ga 1 1 db r i g h tn a s h e s f o ra n o 廿1 e rm i n g ，也el a m p sm a y c o m s 哪es u p e m u o u se n e 昭yd u et oa no v e r v o l t a g e s i n c et h el i g h t i l l gs y s t e m smt h e w o r l dc o m s u m ea b o u t2 0 o ft h et o t a le l e c 仃i c a le n e r g y ，w ec o u l df i n dah u g es p a c e f o re n e i g ys a v i i l gi nt 1 1 0 s es y s t e m s u n j m e r m 讲i b l ed y n 锄i c 、，0 i t a g er e s t o r e r ( u d v r ) i sag o o dm e m o dt or e s o l v et h o s e p o w e rq u a l i 日p r o b l e m sm e m i o n e da b o v e i tc o u l dc o m p e n s a t em e 两dv o l t a g es w e l l s ， s a g s ，f l u c t u a t i o no rh a m o l l i c sa n dp r o v i d et h el o a d sa 眦，s t a n d a r ds i n ev o l t a g e w a v e i m e l l 逸e n te n e r g ys a v e rf o rl i 曲血珥s y s t e mi sas p e d “u d v rs ) 啦e m ，w h i c h i sd e v e l o p e dd u et o l er e q u i r e m e n to f r e d u c i n gi n p u tv 0 1 t a g ei nl i g h t i n gs y s t c m t l l i s d i s s c n a t i o nc o n d u c t sa ne x t e n s i v ea n dd e e pr e s e a r c ho nu d v rs y s t e m ，i n t e l l i 叠既1 t e n e r g ys a v e rf o rl i g h t i n gs y s t e m 锄dt h ed e l t ai n v e n e r t e c h n o l o 鼢w m c hi st h o u g h t o f t h e 劬d a m e n t a la n dk e yt e c h n o l o g yo f au d v rs y s t e m i i l 血ef i r s tc h 印t e r ，t h cb a c k g r o 1 do ft h ep r o j e c ti sd e s c 抽e d i h ep o w e r q 1 1 a l i t ) r p r o b l e m s 删t h ed e v e l o p m e n to fp o 圮rq u a l 时c o n 舶l 把c h n o b g ya r ed 妣u s s e di n d e t a i li nt h ef o l l o 嘶n gs c c t i o n t kd e v e l o p m e n to f d e l 诅i n v e n 盯i sa l s o 传y i 唧e d i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h em a i nc i r c l l i t ，c o n t r o lm e 也o d sa n dt e l a t e dt e c h n o l o g i e so f d e l t ai n v e r t e ra 地d i s c l l s s e 正t h r e em e m o d so f s i 鄂山d e t e c t i o na r ea l s oi n t r o d u c e d t kt h i r dc l l a p t e rg i v e sas p e c m c m 盯o d u c t 主o no f u d 、，r ，i n c l u d 狐gm a mc h 试ta 丑d i 乜p r i c i p l e ，b a s e do nw m c ha i li p l e m e n t a t i o no ft h eu d v rs y s t e m 诎hs p e c a l l y d e s i g n e dc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e da n ds i m u l a t e d b a s e d 叩m er e s e 耐io f u d ti i lc h a p 把r t h r e e ，a ni n t d l i g e me 噼ys a v 日f b f l i g h t i n gs y 武e n l 谢t han o v e ls i xs w i t c h e sa c - d c - a cc i r c u i ti sp 玎e s e n t e di nc h a 阳 f o ut h i sc h p t e ra l s op r o p o s e sac o 址r o la l g o r i m mf i o rt l l e c wc i 工u i tt o p 0 1 0 9 ya n d c o n d c t sas i r u h t i o ni i lm a t l a b s i m u i i n ka 1 1 da 工le x p e 曲e to f 也ew h o l es 罔黝 t h ep a p e ri ss u m m a r i z e da tt h ee n d k e yw o r d s ：i n e m g e n te n e r g ) 7s a v e rf o rl i 曲t i n gs y s t e m ，d e l t ai 肼e n e r ，u d v r d v 凡p o w e rq u a l i t yc o m p c n s a t i o n i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 电能是当今最重要的能源形式。很难想像失去电能支撑的文明世界将会如何 运行。在所有的动力能源中，电能使用最方便，适用范围非常广，并且是清洁的。 近十年来，我国电力事业取得了较大的发展，装机容量超过了3 5 亿千瓦，成为 世界第二大电力大国，预计到2 0 5 0 年，仅大陆的发电量就会超过2 0 亿千瓦时。 然而随着各种电能用户的增加，电网中的电能质量越来越多地引起人们的注意。 通常我们直接从市电电网取得的原生态电能，在一定意义上都是“粗电”。 在大多数情况下，使用这些“粗电”都不能尽如人意。譬如电网是共用的，随着 用户数量和用电量的变化，宏观上有高峰期电压和低谷期电压的差异；由于用户 从电网取电的时机和电量的偶然性以及冲击性、波动性负荷的存在会给电网造成 随机的瞬时冲击和定式落差：电力电子装置的大量应用，在电力系统中增加了大 量的非线性负载，其开关工作方式会引起电网电压、电流波形畸变，造成电网的 谐波污染；再加上自然因素如雷电、风暴和炎热等，电网中经常会出现扰动甚至 供电瞬时中断。这些问题一方面会给敏感的用电设备带来安全性问题，例如一个 计算中心断电2 秒，就可能造成大量的数据破坏，结果造成上百万的经济损失； 大型生产车间里o 1 秒的电压不正常就会造成异常生产状况乃至产品报废。另一 方面电网的电能质量恶化，也会对用户，尤其是照明用户造成极大的能源浪费。 因此，保证可靠和高质量的电能供应对保障国民经济各行各业的正常生产和产品 质量以及提高人民生活质量具有重要的意义。 1 1 电能质量的有关概念和标准 电网供电质量是电力工业产品的重要指标。长期以来，人们对电链质量的普 遍理解就是优质供电，并没有个统一的定义。为此，i e e e 标准化协调委员会 正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这一术语，并给出了其较为绕一的定义：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均适合于该设备正常工作。 基于对电能质量的广泛研究，国内外均出台了相应的电能质量标准，其中包括： 国际标准：i e e e 一5 1 9 标准( i e e e 制定的关于谐波的标准) i e c 6 1 0 0 0 一3 标准( 国际电工委员会制定的电压波动和闪变的标准) 邀篷查兰璧主兰熊熊苎蒸= 兰! 魏 国内标准：g b l 2 3 2 5 9 0 电s & 质量供电电压允许偏麓 g 转l i 4 5 筠一9 3 毫憝覆量公臻激瞬藿浚 g b l 2 3 2 6 9 0电能质量电压允许波动和闲变 g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度 s 转露1 5 4 5 一1 9 泌宅畿蕨量电力系统频率龛诲德差 这些电能质擞的标准可以详见表卜l 和袭卜2 。 寰l ，l 敬园国家电自质量标准概要列袋1 “1 掾准翁号括准名称 竞诲辩蘸 谨端 g b l 船2 9 0怏龟电压允许偏差【1 ) 3 5 抖及以上正扭值信差绝对值 之和不超过1 0 鳍； 衡量点为共用电产权分辨魁或者电嫠计量点 2 ) i o k v 盈以下三榴供电为7 “； 3 ) 笠o v 革壤供电为+ 7 、一1 0 轻； g 静t l 5 曲一鲁3公露电耀谐渡壤医蕞露： ( 1 ) 舞量盎为毫嚣蛰燕遘接点( 敬) ，取 1 ) 1 0 k v 囊戬下25 鞴； 实涮9 5 藏率罐i 2 ) 3 5 j 1 0 k v 为3 “；( ：) 蛤出闲变电压鼹值和频率的关熏曲线， ( 3 ) 2 0 k v 及队上16 埘： 可根据电压波动曲缝蠢得允许值，并精 粥蔓：出算铡； n 糕喏要求较蠢0 4 托( 接摹蓝) ；( 3 ，鼯舞重方法靼舞蠢搜攀撵拯薹奉裁定。 f 2 艘j 曩【骧贽簿o s ，( 推荐僵h g b l 2 3 2 6 9 0电压允许各级电两谱最龟鹾艇僵( )【 ) 街量点为电髓叠批避接点( p c c ) ，取蜜 波动和内变 电压( k v ) 1 m奇扶俩放翻9 5 概率值 0 弘54 02 0( 3 ) 对用户兔许产生的谐注电流提供计算 6 1 043 2j 6方法； 3 5 黼3 2 鼻 0 3 ) 薅舞重方珐窭彝重搜罄舞窭基车援定； l l 瞳2l6o g ) 对簿放谨渡麓税擞鸯硪捷燕算法 。b t 1 5 驰3 一1 9 。5 三相电压 ( 1 ) 菩锺电压要求不捌； 允许不平艏麈 ( 2 ) 衡量点为p c c ，般蜜潮9 5 虾概率值或d “、芷1 允许2 ，缀时举超过4 ；景计超标不超过? l r 妇i 且每3 0 嘛“中 ( 2 每个用户艇幂樽越过l3 拜；越栝不踅过5 b 如； ( 3 ) 羔| 鬻t 寿莹靼舞重技纂辖蠹薹事撬定； ) 撬供不平衡虚算寐- g 吖t 1 5 9 4 5 一1 9 9 5 电力系统频奉 ( 1 ) 正常允许士o2 ，辊据系统 亢许信差窖量可以藏竟判士05 h 对测量仪善鬟出t 萋奉蔓隶 ( 2 ) 用户舳引惫静精率变动一艘 萃耨超过0 2 溆 表1 2 公糯电孵谐渡毫藤( 褶电压) 授隈值饼 备次谐波电压舍膏率( 钉 电舟标称电压傲v电压总_ i 辟波畸变率( ) 奇次羁次 g 3 毒 5 奄毒程2 蚤 6 4 03 21 6 l o 3 5 3 ，o2 41 2 6 6 1 0 2 01 60 瘩 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 主要的电能质量问题及其影响因素 由于市电电网和负载的复杂性，市电电网输出的交流电并不是稳定的正弦 波，而是存在各种供电质量的问题。其中，影响电能质量的因素主要包括四个方 面：( 1 ) 自然现象，如雷击、暴风雨等：( 2 ) 用户终端非线性负荷和冲击性复合 的大量使用；( 3 ) 电力设备及其装置的正常使用和自动保护，如大型电力设备的 启停、自动开关的跳闸和闭合等；( 4 ) 用户数量和用电量的动态改变。 i e e e 第2 2 标准统筹委员会( 匝e es t a n d a d d sc 0 0 f d i 越t i n gc o m m m e e ) 和其 它国际委员会推荐用以下术语来描述主要的电能质量问题： 电压下陷( p o w e rs a g ) ：电压有效值降到额定值的1 0 9 0 ，持续时间为 0 5 个周波至1 分钟，主要是由大型设备、大型电动机启动，或者大型电力变 压器的接入造成的； 电压上升( s w e l l s ) ：电压有效值升到额定值的1 1 0 以上，典型值为额定值 的1 1 0 1 8 0 ，持续时间为o 5 个周波至1 分钟： 过电压( o v e r v 0 1 t a g e ) ：电压为额定值的1 1 0 1 2 0 ，持续时间过1 分钟； 欠电压( u n d e r v o l t a g e ) ：电压为额定值的8 0 9 0 ，持续时间大于1 分钟； 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) ：指电网供电中断( 低于额定值的1 0 ) ，持续o 5 个周波到3 秒为瞬时中断，持续3 秒到6 秒为暂时中断，持续时间大于6 0 秒 为持续中断。主要是电网的断路器跳闸、市电供电中断、电网故障等。 电压波动( f l u c t u a t i o n ) ：也即闪变。电压的幅值在一定范围内有规律或者随 机地变化。其电压幅值变化通常为额定值的9 0 1 1 0 。 电压瞬变( t r 锄s i e n t s ) ：指在一定的时间间隔内两个稳态量之间的变化。可 以是任意极性的单方向脉冲或者第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 谐波( h 哪i c s ) ：频率为基波电压整数倍的电压或电流。电力电子装置和负 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： 闻谐波( i n t e r h a r n i c s ) ：电压或者电流频率不是基波的整数倍。阀谐波主 要由静止变频器、周波变频器、感应电机和电弧设备产生。 ( 注：主要的电能质量问题还包括无功功率和谐波电流韵污染，因为本文主要研究电压的电 能质量问题t 故此处略去其它内容。相关信息可以通过上述所列标准中查询。) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 电能质量控制技术及研究现状 解决电能质量问题造成困扰的基本思路有三条：是提高用户终端设备的抗 干扰能力，如采用在线式u p s ，使得用电设备与电网隔离：二是对电力电子装置 进行本身改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为l ，如单位功率因数变流 器( u p f c ) ；三是提高发电、输电和配电系统的电能质量和可靠性，如采用柔性 交流输电技术( f a c t s ) 和用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 等，对输电网和配电 网电能质量进行全面综合补偿和控制。从目前国内外研究的现状来看，c u s t o m p o w e r 技术是研究最多，应用最广的一项电能优化技术。 1 3 1 “c u s t o mp o w e r ”技术的发展“” “c u s t o mp o w e r ”技术最早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 9 8 年提出。它与f a c t s 技术共同组成了现代电力系统中基于电力电子 技术的前沿性研究课题。f a c t s 的作用是实现传送功率的合理分配，降低功率损 耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、可靠性。c u s t o mp o w e r 的目的是通过 系统的方法将配电系统改造成无电压波动、无不对称和无谐波的实时控制的柔性 化配电网，以满足电力负荷对供电质量和供电可靠性日益提高的要求。随着国际 国内研究的不断深入，业界已经出现一系列基于现代电力电子技术的电能质量补 偿装置。其中主要包括： 动态电压恢复器( d y t l 雒i cv o l t 8 9 er e s t o r e r ，d v r ) ：一种放置在电网与负 载之间，用于净化负载输入电压，并吸收负载产生的谐波，避免造成电网污 染的电力电子装置，可以有效地消除电网中由于电压瞬时跌落、闪变、振荡、 谐波等引起的电压畸变，能有效地提高电网的供电质量： 电力有源滤波器( a c t i v ep 钾e rf i l t e r ，a p f ) ：一种用于动态抑制谐波、补 偿无功的电力电子装置，能对补偿大小和频率都变化的谐波及变化的无功。 电舱质量综合补偿器( u n i v e r 鼢lc u s t p o 可e rc o n d i t i o n e r ，u c p c ) ：一 种用于配电网，用来给用户全面综合地提高市电电网供电质量的电源装置。 统一潮流控制器( u n i f i e dp e rf 1 钾c o n t r 0 1 l e r ，u p f c ) ：种用于输电 网，用来对负载端基波电压、无功功率和线路的有功功率、无功功率以及谐 波电流、谐波电压进行综合调控、补偿的一种电力电子变换装置。 溉征大学硬士学德谂空 第一掌舞论 动态不间断电源( d y n 删i cu n i n t e r r u p t e dp 呷e rs u p p l y ，d u p s ) 聚毫型黪捷溺步睾 偿嚣 蚤i s t r 强珏t i o 鑫s t a t i es y 巍c 缸o n o n s 蚀掣e n s 8 t 嚣) 静态电子分接开关( s t 牡i ce l e c t r o n i ct 雌c h 托g e r ，s e t c ) 电池储舱系统( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m b e s s ) 等。 潋上各魏滚戆 偿装鬣霹惩决数匙艇震量阚题列袋黧表l 一3 联示。 袋l - 3 各种电撩质量补偿装鬣熊解决的电能电聪质量同题列袋 装置类型 电聪骤升电压骤降供电中断过电压 欠电压 谐波电压波动 0 v ry e s￥e s￥e s￥e s￥e 8y 8 s a p fn on on on oy e sn o u c p cy e sy e 8k oy e s y e s y e sy e s u p 麓￥e s ￥e s y e s ￥# sy e s ￥e s d u p sy e s y e s y e s y e sy e sy e 8 y e s d s t a t c o mn o y e sy e sn oy e s s t e￥e s ￥e s￥e s￥e sn 0 n 。 b e s sy e sy e sy e sy e sy e sn 0n o 1 3 。2d e 溉逆交接零豹发发 d e l t a 逆变技术是最近几年来为了满足市电交流电压的净化和稳压、电流的 觅功补偿与商源滤波以及媳能质量综合补偿的发展需鞭而出现的一种逆变技术。 冀零囊隽震波题或毫滚遮舞令兹理量孛翡增量终梵调翻渡指令镶号，对线性 p w m 逆变器进行控制，弗使逆变器能够按比例地复糯增量的数值和波形的一种 逆变技术。农对电能质量进行 偿中，蠢论是对电力电子装置进行本身改造，还 建采魂e u s t o l i lp 册e r 蓑零；无诠是d ￥r 、矗强，还楚u c p e 、硬f e ，其嚣i 理帮燕 对电网中各种电参数进行增量补偿。因此，d e l t a 逆变技术和串并联结构对于电 熊质量补偿技术来说是颁基础牲技术。第二章将对d 娃妇逆变技术徽详细介绍。 l 。3 3 电黥质蠢补偿装繁静国内拜研究现状 随着上馓纪7 0 年代以来各国在电能膜量优化领域的深入研究，国外已经有 了较魏残熬懿产鑫，著进入爽怒强雾 段。溯蠡： 1 ) 。德嚣嚣门子公霹瓣s l 慈翎喝 系列产品，采用串联补偿的原理，对市电电压的波动和谐波进行补偿，使用户上 e 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 得到稳定纯净的正弦电压。( 2 ) 电力有源滤波器作为改善电能质量的关键技术， 在日本得到了广泛应用。根据日本电气学会的调查，日本目前已经有超过5 0 0 台 电力有源滤波器投入运行，容量达到6 0 m v a 。其中用于谐波补偿的占7 1 7 ；用 于谐波和无功功率补偿的占2 0 7 ；用于谐波、无功功率和供电点电压波动补偿 的约占1 1 。( 3 ) 美国w e s t i n g h o u s e 公司为美国电力科学院研制了世界上的第 一台串联型动态电压恢复器d v r 以来，d v r 已得到了广泛应用，最大容量已经超 过2 2 5 w a 。a b b 公司为以色列一家半导体制造厂生产的2 2 2 5 m v a 的d v r 已经 于2 0 0 0 年投入运行。g e 公司也推出了基于超导的动态电压调节装置。实践证明， d v r 的投入运行可以带来巨大的经济效益。a u s t r a l i a 的b o n l a cf 0 0 d 公司投入 d v r 的运行之后，每年减少了2 ，4 5 3 ，4 0 0 澳元的损失。由此可见，电能质量补偿 器的应用可以大大提高电能质量和经济效益，对其的研究是非常必要的。 我国对电能质量控制方面进行研究的单位主要有中国电力科学院，浙江大 学、清华大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等高校和机构。研究总体上与国 外尚有差距，但是进步很快。其中，浙江大学研制的5 0 k v a 串联混合型有源电力 滤波器( h a p f ) 已于2 0 0 0 年在福建炼化公司投入工业运行。西安交通大学采用 多重化技术，已研制出1 2 0 k v a 并联型有源滤波器的试验样机。东南大学对抑制 电网电压畸变的串联型补偿器进行了研究。目前已研制出了几套基于1 2 0 0 v 2 0 0 a i g b t 的装置，并在盐城供电局试运行。 1 4 选题的背景及意义 随着我国经济高速持续的发展，城市建设的不断深入，城市道路照明和夜景 用电、工业和居民生活照明用电量大幅度攀升。但是在提高城市形象、改善城市 环境和改善人民生活的同时，不可避免地带来各种能源、环境污染和经济方面的 问题。如前几节所述，市电电鼹存在着备种电能质量问题是造成这些问题的主要 原因。近两年来，随着世界能源的日益紧张，起源于欧美的绿色照明浪潮大有席 卷全球之势。我国发改委、建设部、国家质量技术监督局也已在2 0 0 0 年下发了 2 2 3 号文件关于进一步推进“中国绿色照明工程”的意见的通知，提出推广 节能、高效的照明灯具和智能照明调控系统。世界绿色照明协会根据相关专家的 研究成果，提出了绿色照明的基本要求如下： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 采用高效的节能型光源。目前多采用高压钠灯、荧光灯和l e d 等： 照明设备与灯具不能对低压电网造成谐波污染： 不能给照明造成光污染，特别是眩光造成的照明质量下降问题； 照明设备和灯具要实现节能化； 灯具分布与功率的优化设计： 使用新型能源灯具，如太阳能照明灯具等。 对于以上要求，其中最重要的就是要求节能和提高照明质量。提高照明质量， 主要就是对照明用电负载电压进行调节，并使之稳定在照明用具最佳工作电压。 照明用电据称占全球总体用电的2 0 ，因此节能潜力非常巨大。目前国内照明 节能的主要途径有两种： ( 1 ) 采用高效的节能型光源，也即使用发光效率高的灯泡或灯管； ( 2 ) 在现有照明系统上加装节能控制设备； 以上两种方案，第一种适于新设计的照明回路。对于已有的照明系统，因需 更换所有灯具，初期投入资金和人力比较大，在不能分批分次更新灯具的照明场 所，这样做次性投入太大。同时，高效节能光源( 灯管、灯泡) 是传统光源价格 的5 1 0 倍，如果采购的节能型灯具本身质量有问题或是电网供电质量不好，节 能型灯具使用寿命很短，这样就可能造成出现“节能不节钱”的现象。 第二种方案即是在已有的照明系统上加装节能控制设备，消除各种可能造成 多余能耗的电能质量问题。传统的这种节能改造大致分为两种，通过对照明负载 电压进行合理调节，降低或稳定照明功率，以达到节能的作用： 1 、可控硅斩波型照明节能装置 其基本原理为采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管( 可控硅) 的导通角，将 电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节 电的目的，如图卜1 所示。 电：娃涟她投 厂、 州刈7 甘皑趟 圈1 - l 可控硅斩波型罪蹰节蓖装置节能原理 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 这种节电装置的优点是电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳 压作用。并且相对来说体积小、设备轻、成本低。但是缺点非常明显：由于是斩 波，电压无法实现正弦波输出，会对电网系统造成谐波污染，无法满足绿色照明 关于“不能对低压电网造成谐波污染”的要求。 2 、自耦降压式节电装置 基本原理为通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的 固定变压器抽头，将电网电压降低l o v 、1 5 v 、2 0 v ，从而达到降压节电的目的。 如图2 所示。 用电低各时电嚼电压 电网电压节电器工作 x 2 罗网：压 过压工作区不节电欠压工作匡节电 ( 影响正常工作) 时日j 图1 - 2 自耦降压式节电装置节能原理 这类产品最大的优点是克服了可控硅斩波型节电产品的缺陷，实现了电压的 正弦波输出，结构和功能都很简单，可靠性也比较高。但缺点是降低电压为固定 值，不能实现电压的精确控制。当电网电压波动时，输出电压也会波动，工作电 压处在不稳定波动状态，无法起到对电光源的保护作用。 由此可见，传统的两种节能方式都有自身不可解决的缺陷。 随着现代电力电子技术，尤其是d e l t a 逆变技术的发展，研究学者们尝试着 将增量补偿方式引入到智能照明节电装置中，从而提出了d e l t a 逆变器式智能照 髓节能器的概念。 这种智能照明节能器工作原理与不间断动态电压恢复器( u n i n t e r r u d t e d d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ，国内也称为串联式交流稳压电源) 相似，通过一个 串联式输出的d e l t a 逆变器对负载电压进行动态调控和补偿。一方面针对市电电 网波动和谐波进行快速补偿，使得负载光源获得稳定、纯净的标准正弦波输入电 压；另一方面在一定程度上对输入电压进行调控，使得输入的电压满足需要的最 佳工作电压。它相对于传统的节能装置，有以下优点： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 对市电电网的过压、欠压、波动以及谐波电压进行快速补偿，使负载获 得优质输入电压，从而达到高质量照明的目的。 ( 2 ) 电能质量的优化还有助于减少电压异常对光源负载的损耗，延长光源的 使用寿命。同时也降低了电压问题引起的各种损耗，一定程度上达到节能的目的； ( 3 ) 相对于普通d v r 直流电压来源于经过升压后的能量储存装置，此处采用 的u d v r 上的直流电压是通过p w m 整流器提供。p w m 整流的使用使得市电输入端 的功率因数尽可能接近l ，相对于可控硅斩波的方式，大大减少了对电网谐波和 无功的污染，如果采用串并联的方式，还能消除负载产生的谐波污染，真正做到 电网与负载的隔离； ( 4 ) 能够动态地调整负载的输入电压( 根据市电波动、功率因数和实际需要 情况而定，通常在+ 2 0 一4 0 之间) ，使得光源工作在其最佳工作电压，真 正达到节能和避免光污染的目的： 以下提供两个智能照明节电器可能应用到的两个例子，以说明其优势 例一：普通光源的额定工作电压在2 l o 2 2 0 v a c ，但是由于市电不稳，在低 谷时电压过低，造成照度不够，影响视觉；高峰时电压过高，会造成眩光，伤害 人的视力、影响人的心情，同时也造成不必要的能耗；电压的波动会引起荧光灯 的频闪，造成视觉疲劳，且此时荧光灯的工作效率也是最低的。而d e l t a 逆变器 式智能照明节能器消除了市电的欠压、过压、波动不仅避免了光污染，也且节约 了大量的能耗，如图卜3 所示。 阴影部分为节约 2 3 0 v 2 1 0 v 市电输入电压 最佳工作电压 图1 3d e h 逆变器式智艟照明节屯器节能原理 例二：个城市的路灯照明耗能往往占了该城市照明用电的较大比例。传统 的节能方式通常采用隔灯点亮的方式，虽一定程度上能够节能，但是不但牺牲了 很大的照明度，而且斑马线式照明路面很易引起视觉疲劳，增加车祸发生率。 如果采用智能照明节能器对其供电，在正常照明时( 即前半夜照甥) 降低电源 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电压以达到不影响视觉照度情况下，节约用电，这种情况节能率大约在2 5 3 0 ；在非正常照明时( 即后半夜照明) 较大幅度地降低电源电压以达到视觉照度 不明显降低、不灭灯情况下，节约用电，这种情况节能率大约在5 5 6 0 ， 这种节能也称为调光节能。同时由智能照明节能器提供的稳定纯净输入电压，保 证了光源的使用寿命，大大减少了更换灯具的成本，间接地达到了节能的目的。 ( 4 ) 由于具有一定程度上的调压功能，因此能够对负载光源实现软启动和软 关闭控制，降低冲击电流，一方面降低对光源损耗，增加光源使用寿命，另一方 面避免谐波，造成不必要的耗能； ( 5 ) 事实上，该智能照明节电器不仅在传统照明改造上有明显的节能效果， 对于新型光源也有同样的节能效果。因为新型的照明光源尽管已经大大降低了能 耗，但其本身往往对工作输入电压有较高要求，不稳定的电压同样会增加其损耗 和减少其使用寿命，从而使得节能效果和成本节约率打上折扣。因此任何时候采 用此节能器都是非常必要的。 1 5 本文的主要工作 根据照明节电的原理可知，实际上基于“c l l s t o mp o w e r ”技术和d e h a 逆变 技术的电能质量补偿装置中，u d v r 、d v r 和u p s 的功能均可以满足要求。 u p s 虽可达到隔离电网和负载，并提供最佳工作电压的目的，但由于是全功 率电能变换，其容量需要大于负载容量。然而u p s 通常容量有限，在某些大功 率场合不能满足要求；不仅如此在相同应用场合下，其全功率变换的特点也使得 其造价过于昂贵，性价比不高。除此之外，在线式u p s 电能需要经过整流、逆 变两次变换，系统总效率较低；再加上u p s 的负载能力比电网差得多，即带非 线性负载、大容量感性和容性负载端负载能力有限，所以u p s 并非最佳的选择。 根据美国电力科学院的调查数据，绝大多数的电压跌落幅值都小于4 0 额 定值，且持续时间不足1 0 个周期。对于相对稳定的电网系统，发生供电中断的 几率非常小，并且即使发生供电中断，也有电力开关和继电保护进行相应的保护 动作。因此，选用部分功率变换的d v r 或者u d v r ，具有较高的性价比。 在具体实现上，d v r 和u d v r 工作原理基本相同，补偿的效果也一样。两 者的区别在于直流电容上的电压提供方式不同。d v r 上的直流电压是通过能量 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 储存装置经过d c d c 升压电路提供，由于能量储存装置容量有限，所以它只能 在一段时间内对电能质量进行补偿；而u d v r 的直流电压是通过p w m 整流器 提供，所以能够长时间进行补偿。d v r 的工作方式为后备式，当检测到电网电 压发生干扰时，才投入运行，而u d v r 可以有在线式和离线式两种工作方式。 考虑到为了使得照明负载工作在最佳工作电压，补偿器通常会长时间工作在升压 或者降压的状态，因此本文智能照明节电器选用在线式工作模式的u d v r ，其 主电路框图如图1 4 所示。 电嘲 l 一 7 输出变压器惹i i 募 照e 一jh l h 1 一- 甲_ | 1 p w m 整流器 d c l 诅逆变器 图1 - 4u d v r 主电路原理圈 因此，本文的主要工作将围绕对u d v r 的研究来展开，内容包括： l 、d e l t a 逆变器工作模式研究。d e h a 逆变器的拓扑结构有单相，三相以及 电压型、电流型的区别。针对u d v r 的要求，采用四象限工作方式的d e l 诅逆变 器，并对其补偿容量进行了设计。 2 、传统u d v r 系统装置及其控制策略的研究。u d v r 包括并联侧控制策略 ( 与电网并联的p w m 整流控制策略) 和串联侧控制策略( 输出与电网串联的 d e l t a 逆变器控制策略) 。对于串联侧控制，在只补偿电压幅值的要求下，设计串 联侧容量，并给出控制方法：对于并联侧则采用了具有稳定性高和动态响应快的 直接电流控制方法。 3 、对u d v r 的主电路进行了研究。在对传统u d v r 主电路结构研究的基 础上，提出一种新型的三桥臂a c - d c - a c 变换器拓扑结构，并完成了其控制算 法的设计。 4 、基于选定的控制策略和主电路，进行了相关参数设计。包括串联侧d e l t a 逆变器补偿输出端滤波器设计，并联侧p w m 整流器输入端b o o s r 电感设计，直 流母线上起储能和滤波作用的直流电容选择，以及输出变压器的选择等。 游敬天学颈圭学位论文第一章缝谚 5 、对电网补偿信号的棱i 受| 【方法进行了相关探讨。妇于有待补偿的市电电网 愈援是频率霾彀援耀襄醚慰镪霹戆发生交弦熬波动或者媾变电压，因戴一糖有效 的电网电压实时锁相方法是必不可少的，逖将直接影响补偿的效果。本文针对此 也进行了相应的探讨。 1 6 本章小结 本章首先简单阐述了电姥质量问题及篡危害，列出了现代电能质爨补偿技术 瓣鬻舂努磷究蠛蔽。英后，臻含国内努黧秘节能援米酶发麓请琵翻熬患，费绥了 选题的背景和意义，提出将电能质量补偿技术和d d t a 逆变技术应用剿智能照明 节艇技末中。本肇最嚣还对该瀑题需要究成翡主要王 擎敛了箍要分缨。 浙江大学硕士学位论文 第二章d e l 诅逆变器的研究 第二章d e l t a 逆变器的研究 随着市电电网污染的日益严重，以及反污染的绿色电力电子产品的发展，在 最近几年，电力电子技术中出现了d e l t a 逆变技术。这项新技术以串联、并联和 串并联结构补偿电路为基础，打开了电力电子技术为提高电能质量而在电力系统 中应用的大门。本章将对d e l 诅逆变器的定义、构成和工作原理，以及其常用的 控制方法做一个详细介绍。 2 1d e l t a 逆变器的定义n 1 d e l t a 意即物理量增量，所谓d e l t a 逆变器，就是用电能参量电压或电流的 变化增量( 电压的波动量如、谐波分量“和基波不对称分量“。，或电流的无 功分量、谐波分量和基波不对称分量矗) ，作为调制波指令信号，对p w m 逆 变器进行控制，使逆变器按比例复现电压或电流变化增量的数值和波形的一种 新型逆变器，目的是对电压或电流的变化增量进行补偿，提高电能质量。 当前逆变器正在由全功率电能变换的电源应用方式向部分功率变换的电 能参量补偿应用方式的方向发展，正在由全功率电能变换器向电能质量控制器 的方向发展。这种发展分离出来了d e l t a 逆变器。d e l t a 逆变技术是为了满足市 电交流电压的净化和稳压、电流的无功补偿与有源滤波以及电能质量综合补偿 的发展需要而出现的一种逆变技术，是动态电压恢复器d v r 、有源滤波器a p f 、 电能质量综合补偿器u c p c 和u p f c 等电能质量补偿装置的关键性技术。 2 2d e i 毛a 逆变器的主要特点 d e h 逆变器具有如下几个特点： 1 ) d e l t a 逆变器是用电压增量( 电压波动值“和谐波分量) 或电流增量 ( 无功电流乇和谐波电流) 作调制波或参考信号，对高开关频率p w m 逆变器进行控制的一种特殊工作方式，特殊用途的逆变器，其作用是对 电压增量或电流增量进行补偿： 浙江大学硕士学位论文 第二章d e l 协逆变器的研究 2 1d e n a 逆变能比例复现电压或电流增量，以便于对其进行完全的补偿； 3 ) 工作在高开关频率线性p w m 状态，能够基本不失真地比例复现电压或 电流增量的数值和波形； 4 ) 能双向四象限工作，以满足对市电电压波动值进行正、负双向补偿 、的要求； 5 ) 主要应用领域是交流净化稳压器、无功补偿与电力有源滤波器、电能质 量综合补偿器和串并联补偿式在线u p s 等电能质量补偿装置。 由于以上这些特点，使其与一般逆变器有所不同。特别是增量的检测、增量 p w m 控制、增量补偿与应用领域和双向四象限工作等。为了把这种特殊的逆变 器与一般遵变器进行区别，在逆变器的前面加了一个反映其特点的定语d e l | 吲增 量) ，取名为d e l t a 逆变器。并将与此相应的技术就称作d e l t a 逆变技术。 2 3d e l t a 逆变器的主电路结构 2 3 1 主电路拓扑的要求 由d e l t a 逆变器的应用场合可知，其功能是对电压或电流增量进行补偿，而 这些增量的波形比较复杂且不一定有规律。一方面为了满足比例复现这些增量复 杂波形的需要，必须要求逆变器是线性高开关频率的p w m 逆变器。另一方面，在 对市电电压波动量“进行补偿时有市电电压偏高和偏低两种情况。对于前者， 逆变器需要工作在整流状态，吸收功率进行负补偿：对于后者，逆变器需要工作 在逆变状态，输出功率进行正补偿。所以要求d e l t a 逆变器能够双向四象限工作。 能够满足上述两种要求的主逆变电路中，载波为三角波的电压型线性高开关频率 p 踟主逆变电路应用较为广泛。 2 3 2 单相电压垂p w m 主逆变屯路的线性纯论证 图2 1 所示，为载波为三角波的单相p w m 主逆变电路，其中图( a ) 为主逆变 电路，图( b ) 为单极性s p w m 控制波形。假定用于补偿的增量为“：【s i n 研， 并以之作为调制波，下面将证明逆变器的输出电压“。，可以按比例地复现电压 增量血= 以s i n 耐波形的工作原理。 游技大学硕士学位论文 第二章班滋变器的研究 | j 【，卜 1 。 i j 圆 i j |、 。；弋瓣； j j 薯制袋艘 ：静底船 溆 戟敬“ 蹦| i | | i 了骶萨口气 掣研iq r ；l 一一一 州 ( a )( b ) 錾2 一l 蘩浚秀兰霆渡薅攀椽羚圭遂燮蠹臻 ( i ) 主电路模型 ( b ) 单极性控制波形 此处，”= a 吃s h 删佟为调制波，半波三角波为载波，将两者避行比较， 帮弼褥羁s p w m 波形，筵燕采麓擎轻整诿裁方式。完蘩瓣s p w m 波形也鄄受载 电腋的波形，如