（水利水电工程专业论文）应用于配电系统的动态电压恢复器的研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人的研究成果 与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢 本论文及其相关资料若有不实之处 由本人承担一切相关责任 论文作者签名 叠 鞍咿 月 f 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定 即 研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有 本人保证 发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学 无论何时何地 未经学校许可 决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果 学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件 允许论文被查阅 或借阅 学校呵以公布本论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或 其他手段复制保存本论文 加密学位论文解密之前后 以上申明同样适用 论文作者签名 样导师签名 h l 年弓 e l i e i 摘要 应用于配电系统的动态电压恢复器的研究 学科名称 水利水电工程 导师姓名 陟l 吃荔 作者姓名 备幸琴l 研究方向 水利电力自动化 导师职称 副教授 答辩日期 2 洳譬 随着科学技术及社会文明的不断进步和发展 尤其是以信息技术为先导的知识经 济的到来 人们越来越多的使用了对电能质量十分敏感的以计算机和微处理机等为核 心的自动化生产设各 这就对电能质量提出了更高的要求 然而 随着电网中冲击性 非线性负荷的不断增加 导致电网电压波形发生畸变 波动 闪变和三相不平衡等电 能质量问题却越来越严重 因此 对电能质量问题的改善就显得尤为迫切了 用户电力技术 c u s t o mp o w e r 是基予现代电力电子技术 旨在改善配电网电能 质量和提高供电可靠性的前沿课题 其目的是通过系统的方法 将配电系统改造成无 电压波动 无不对称以及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需求 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 一 d v r 是c u s t o mp o w e r 家族的一个重要成员 它可以补偿电压的跌落 突升以及谐波 具有高性价比的优点 因此 对d v r 进行研究是十分有必要的 本文首先对d v r 的主电路进行了讨论 再此基础上 对d v r 的电压检测方法 电 压补偿策略以及控制策略进行了研究 d v r 的检测方法与谐波 无功电流的检测不同 不但需要检测出除基波分量之外的总畸变分量 还要检测出基波分量与基波基准值之 差 本文对基于瞬时无功功率理论的谐波电压瞬时检测方法进行了改进 提出了适应 d v r 的电压检测方法 在分析了各种补偿策略的基础上提出优化补偿策略 这种方法 兼顾了d v r 的电压补偿能力和能量补偿能力两个方面 因此更具有实用价值 针对传 统开环控制方式的不足 分析了电压环控制策略 仿真结果表明 本文采用的电压补偿策略 检测方法和控制策略是正确 有效的 随着技术的成熟和成本的降低 d v r 必将在配电网中得到广泛的应用 关键词 电能质量 用户电力技术 动态电压恢复器 电压补偿策略 电压检测 型 竺 s t u d yo nd y n a m icv o l t a g er e s t o r e r a p p l i e dt od i s t r i b u t i o ns y s t e m m a j o r h y d r o p o w e re n g i n e e r i n g a u t h o f x u h u i t u t o r y a n gx i a o p i n g a b s t r a c t 鼍嘲 叶吁 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n d s o c i a lc i y i1i z a t i o n e s p e c i a l l yt h ec o m i n go fk n o w l e d g ee c o n o m yp r e c u r s e db yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y m o r ea n dm o r ea u t o m a t i o np r o d u c t i o na s s e m b l i e sw h i c hh a v et h ec o m p u t e r sa n d m i c r o p r o c e s s o r sa st h ec o r ea n da r es e n s iti v et op o w e rq u a li t ya r eu s e d h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r dt op o w e r q u a l i t y m o r e o v e r o w i n gt or a p i d u s eo fl a r g en u m b e r so fn o n l i n e a ro r i m p a e t i v el o a d si np o w e rs y s t e m m a n y p o w e rq u a l i t yp r o b l e m sw i l lb ec a u s e d s u c ha sv o l t a g es a g s w e l l u n s y m m e t r y f li c k e r f l u c t u a t i o n h a r m o n i ca n ds oo n t h e r e f o r e t h eb e t t e r m e n to fd o w e r q o a l i t yi su t t e r l yu r g e n t t h ea p p l i c a t i o no fc u s t o mp o w e risq u i t ep r o m i s i n gi nd is t r i b u t e ds y s t e m s i tb e c o m e so n eo ft h er e s e a r c he m p h a s e si nr e c e n ty e a r s i t so b j e c t i v ei st o r e c o n s t r u c td i s t r i b u t i o ns y s t e mi n t or e a lt i m ec o n t r o l l e da n df l e x i b l eo n e w h i c hh a sn of l i c k e r s n oa s y m m e t r y a n dn o h a r m o n i c s d y n a m i cv o l t a g e r e s t o r e r d v r isa ni m p o r t a n tm e m b e ro fc u s t o mp o w e rf a m i l y i tc a nc o m p e n s a t e v o l t a g eh a r m o n i c f l i k e r s a g s w e l l u n b a l a n c e a n dh a st h ea d v a n t a g eo fh i g h p e r f o r m a n c e p r i c e s oi t i sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h et h e o r ya n do p e r a t i o n o fd v r f i r s t l yt h em a i nc i r c u i to fd v ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i s o fw h i c hv o l t a g ed e t e c t i n gm e t h o d v o l t a g ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g ya n dc o n t r o l 西安理工大学硕士学位论文 m o d ea r es t u d l e d b a s e do nt h e a n a l y s i so fs e v e r a lc o m p e n s a t i o ns t r a t e g i e s o p t i m a l c o m p e n s a t i o ns t r a t e g yi sp r o p o s e dw h i c hc o n s i d e r sb o t hv o l t a g ec o m p e n s a tj o n c a p a c i t ya n de n e r g yc o m p e n s a t i o nc a p a c i t yo fd v r s oi t i sm o r ep r a c t i c a l t h ed e t e c t i n gm e t h o do fd v ri sd i f f e r e n tf r o mh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec a r r e n t d e t e c t i n gm e t h o d s i tn e e dd e t e c tn o to n l yt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nb u ta l s o t h ed i f f e r e n c eb et w e e nf u n d a m e n t a lw a v ec o m p o n e n ta n dr e f e r e n c ev a l u e a nd v r v o r a g ef l e t e c t i n gm e t h o disb r o u g h tf o r w a r d w h i c hi si m p r o v e df r o m h a r m o n i c v o l t a g ei n s t a n t a n e o u sd e t e c t i n gm e t h o db a s e do ng e n e r a li n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r y a r m i n ga tt h es h o r t a g e so ft r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d e v o l t a g el o o pc o n t r o ls t r a t e g yi sa n a l y z e d t h es i m u l a t i o nc o n c l u s i o ni n d ic a t e st h a tv o l t a g ec o m p e n s a t i o n s t r a t e g y d e t e c t i n gm e t h o da n dc o n t r o lm o d ea r ec o r r e c ta n de f f e c t m a t u r eo ft h et e c h n o l o g ya n dt h ed e c r e a s eo ft h ec o s t a p p l i c a t i o ni n d is t r i b u t i o ns y s t e m i r e a l o n gw i t ht h e d v rw i l l h a v eb r o a d k e y w o r d s p o w e rq u a l i t y c u s t o mp o w e r 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 e c o m p e n s a ti o ns t r a t e g y v o lt a g ed e t e c ti n g 第一章绪论 1 绪论 现代社会中 电能是一种最为广泛使用的能源 其应用程度成为一 个国家发展水平的主要标志之一 信息技术和高新技术的发展 使基于微处理器控制的设备得到迅速 普及和发展 人们越来越多地使用精密 复杂的电子设备 如计算机 通信设备以及各种各样的过程控制系统来处理工作和事务 不少用户对 电能的利用都要经过电力电子装置的转换或控制 这些装置给人们的生 产 生话带来方便和效率的同时 使电力系统的非线性负荷明显增加 谐波污染加重 严重影响了电能质量 从而导致矛盾的局面 就全球范围而言 从8 0 年代末开始电力工业放松管制 引入竞争机 制 开放电力市场成为世界潮流 在电力市场运行机制下 不同的发电 公司包括独立电能生产者在发电侧实行竞争 输配电系统 即电力公司 与发电分离独立经营管理 为发电公司和用户提供转送电能服务 用户 侧也可以作为实体参加价格控制 在这样一个开放和鼓励竞争的运行环 境下 电网可以择优选择高质量 低价格的电厂上网 电力用户也可选 择电价合适 同时电能质量较高的供电公司来为其提供电力 在这种机 制的影响下 如何改善电能质量已经成为电力公司所面临的一个重要课 题 用户电力技术 c u s t o mp o w e r 由此应运而生 1 1 电能质量问题的提出 现代生产和现代生活离不开电力 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差或波 形的畸变 都会对电力用户以及电网的安全 经济运行等带来不良的影 响 西安理工大学硕士学位论文 i 1 1 电能质量的定义 虽然人们不断地提及 电能质量 这个术语 但是迄今为止 人们对 电能质量的定义却存在着不同的认识 还小能给出一个准确统一的定义 这是因为人们看问题的参照系不同所致 例如供电部门定义电能质量为 供电质量 包含电压与频率的合格率 供电可靠性等 电力用户定义电能 质量为提供的电源使生产设备正常运行的特性 事实上 电能质量问题 终究是由电力用户的生产需求驱动的 用户是电能的最终使用者 如果 送达用户的电能其质量指标的变化不影响用户设备的性能和寿命 那么 电能质量就是合格的 反之 如果送达用户的电能其质量指标的变化已 影响到用户设备的正常运行 效率 产品质量及寿命 那么电能质量就 是不合格的 也就是说 用户的衡量标准应成为定义电能质量及其指标 的主要依据 因此 本文对电能质量采用如下的定义 1 电能质量是任 何明显引起电压电流或频率偏移并由此导致用户装置故障或误动作的电 能问题 电能质量主要包括以下几项内容 1 频率 我国交流电网的额定频率是5 0 h z 这和世界上大部分国家是 一致的 也有一部分国家电网频率采用6 0 h z 电压 国家标准g b l 5 6 9 3 标准电压 对电力系统标称电压 电气 殴备额定电压和电气设备最高电压作了规定 电压偏差是指电力系统电 压缓侵变化时 实际电压与系统标称电压之差 严格的讲 电压质量的 含义包括对缓慢变化的电压偏差的要求及对电压波动和闪变的要求 后 者是快速的电压变动 由大型的电弧炉或其它冲击性负荷引起的 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 还要求三相对称 电网运行中的频率 电压可能与额定值产生偏差 波形也会发生畸 变 我们把电量实际值与额定值之差称作偏差 偏差可以用有名值表示 如h z v 也可以用对额定值的百分数来表示 波形畸变则可以用谐 第一章绪论 波含量来定量描述 1 1 2 电能质量问题的分类 电能质量问题范围很广 但主要分为电流质量和电压质量问题 在 实际系统中 电压与电流有着紧密的联系 例如 短路产生的短路电流 在经过电路阻抗造成负载电压下降或完全消失 闪电产生的涌浪电流经 过电力系统时会产生很高的脉冲电压 导致用电设备绝缘损坏 由非线 性负荷引起谐波电流流经系统时 产生的畸变电压会影响其它的用户 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 因此 本文讨论的电能质量问题主要是系统的电压质量 针对过去对各种扰动引起的电能质量问题的提法不一 i e e e 第2 2 标准协调委员会 电能质量 和其它委员会推荐以下几种术语来描述主要 的电能质量干扰 1 a 电压跌落 电压的有效值降至额定值的1 0 9 0 持续时间为 0 5 个周期至一分钟 b 电压中断 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3 s 至6 s 为暂时中断 持续时间大于6 0 s 为持 续中断 c 频率偏差 各国对此均已做出明确规定 d 电压上升 电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 1 8 0 持续 时间为0 5 个周期至一分钟 e 电压瞬变 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 f 过电压 电压为额定值的1 1 0 1 2 0 持续时间大于一分钟 g 欠电压 电压为额定值的8 0 9 0 持续时间大于一分钟 h 谐波 频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流 由电力系 西安理工大学硕士学位论丈 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 i 问谐波 电压和电流的频率不是基波频率的整数倍 间谐波主要 由静止变频器 周波变频器 感应电机和电弧设备产生 电力载波信号 也认为是一种问谐波 j 电压缺口 持续时间小于0 5 个周期的周期性电压扰动 电压缺 口主要是电力电子装置由一相换至另一相时参与换相的电路瞬时短路造 成的 与电压缺口有关的频率分量很高 采用谐波分析仪器测量可能是 很困难的 k 电压波动 闪变 电压波动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 1 1 0 这种电 压波动通常称为电压闪变 闪变 一词是从电压波动引起电灯的闪动得 束的 在输电和配电系统中电压闪变主要是由电弧炉引起的 总的归纳起来 电能质量问题可以分为三类 第一类是电压偏移 包括电压跌落 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 每 项的定义 按照i e e es t d 1 1 5 9 1 9 9 5 如图卜1 所示 我国在 慨陡i 皇墨窒墨i 望皇里 正常运行 哪r 丁 1 蚓藤 低电压 l 匠鲢i 望壁i鲎堡墅塞 o 5 e l r c l e3 s e cl m i n 时面 图1 1i e e es t d u 5 9 一1 9 9 5 中的有关问题 参考i e ce m c 一6 1 0 0 0 系列标准和i e e es t d 标准后 已经颁布的电能质量 第一章绪论 系列国家标准有 供电电压允许偏差 电压允许波动和闪变 公用 电网谐波 三相电压允许不平衡度 和 电力系统频率允许偏差 等 五项标准 1 1 3 电能质量问题的危害 电网电压的偏差 不平衡 波动 瞬变 谐波对电网和其它系统的 危害除了会影响电能质量敏感负荷的正常工作外 还有以下几个方面 使电网中的元件产生附加的损耗 降低了发电 输电及用电设备 的效率和使用寿命 产生机械震动 噪声和过电压 使变压器局部严重过热 导致继电保护和自动装置的误动作 并可能使电气测量仪表计量 不准确 邻近的通讯系统产生干扰 轻者产生噪声 降低通讯质量 重者 导致信息丢失 使通讯系统无法正常工作 谐波使电容器 电缆等设备过热 绝缘老化 寿命缩短 甚至损 坏 谐波还会导致公用电网中局部的并联谐振和串联谐振 从而使谐 波放大 这就使得上述两种危害的可能性增大 甚至引起严重事故 在电压不平衡较严重时 会引起零点电位飘移 影响计算机的正 常工作 电压波动和闪变对数字系统形成干扰 造成误动作 电网电压和频率的偏差 谐波含量 三相不平衡以及电压波动和 闪变等 均会直接影响电机的转矩和发热 从而影响生产工效和产品质 量 1 1 4 传统解决电能质量问题的办法 解决电能质量问题的方法分为两种 一种称之为负荷调整 就是设 西安n r 大学硕士学位论丈 法使生产设备自身降低对各种干扰的敏感程度 另一种方法就是安装补 偿装置来抑制或抵消电网中的干扰 这里主要讨沦第二种情况 目前电力企 世对电能质量的控制手段仍主要依赖于对供电电压的调 整 传统的补偿方法有利用变压器分接头 有载调压变压器 加装并联 电容器 同步调相机 静止补偿器等调压方法 调节变压器分接开关进 行调压 多为有载调压开关 尤其是配电变电所 有载调压开关的调节甚 为频繁 因为现在的用电负荷 尤其是城市里 峰谷差距大 典型的一天内 就有早峰和晚峰两个峰 导致有载调压开关因此操作频繁 容易损坏 调 节档数也设计得多而细 影响到有载分接开关本身的可靠性 进而影响到 变压器的正常运行 对电力企业而言 既大大增加了初期投入和维护的成 本 又增加了运行中的风险 投切固定电容器进行无功补偿调压 一般的 3 5 k v 电鹾等级的终端变电所 对于2 0 n 1 9 h 容量左右的配电变压器 一般配 置2 3 m v a r 的固定电容器 分若干级进行投切 这些静止型的调压手段 凋节不连续 分级调节经常导致欠补偿和过补偿 反应速度慢 一般为 l o o m s 数量级 难以胜任现代供电复杂而快速的调压需要 而且这些方法 瓣稳态电压质量问题如过电压和欠电压有一定作用 对电网发生故障造 成的电压突升 跌落 不对称 波动等暂态电能质量问题却不能实时 动态地对电能质量进行有效的补偿 采用l c 无源滤波器可以降低谐波电 流和补偿无功功率 由于其结构简单 投资小 故一直被广泛使用 但 这种方法最大的缺点就是其性能要受到电嘲阻抗和运行参数的影响 易 和系统发生并联谐振 导致谐波电压放大 使l c 滤波器过载甚至烧毁 此外 它只能补偿固定频率的谐波 补偿效果不是很理想 从以上我们可以看到 传统的补偿方法不能很好的解决当前的电能 质量问题 这就要求我们寻求一些新方法 新途径 1 2 用户电力技术 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 近年 第一章绪论 来在提高配电网电能质量和供屯可靠性方面出现了一种崭新的控制方法 基于现代电力电子技术的 用户电力技术 c u s t o mp o w e r 1 2 1 用户电力技术的含义 美国著名的电力专家n g h i n g r a n i 分别于1 9 8 6 年和1 9 8 8 年提出 灵 活交流输电系统 f a c t s f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 和 用 户电力 c u s t o mp o w e r 两个概念 基于电力电子技术的柔性交流输电系统 f a c t s 通过控制电力系统 的基本参数来灵活控制系统潮流 使输送功率更接近线路的热稳定极限 是提高输电系统输送容量的有效措施 目前主要的f a c t s 装置有 静止 无功补偿器 s v c s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r 静止同步补偿器 s t a t c o m s t a r i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r 可控串联补偿电容器 t c s c t h y r i s t o tc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r 统一潮流控制器 u p f c u n i t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r 等 其中串联补偿装置如t s s c t c s c 等可使得输电线路的阻抗变小 相当于缩短了输电线路的长度 因此是 提高系统输送容量和暂态稳定性的重要手段 而并联装置s t a t c o m 通过 与系统进行无功功率交换 以维持线路电压稳定 因此是抑制系统电压 波动 闪变和提高系统稳定性特别是电压稳定性的有力工具 u p f c 则综 合了串 并联补偿的功能 能对线路电压 阻抗 相位进行控制 从而 实现控制潮流 阻尼振荡 提高系统稳定性等 而作为f a c t s 技术在配电系统应用的延伸 用户电力技术 也有 称d f a c t 8 技术 成为改善电能质量有力工具 n g h i n g o r a n i 提出的用 户电力这个概念包含两层意思 1 第一层是电力供应商将为它们的用户 提供增值的电能 即以较少的供电中断和电压波动为电力用户提供高质 量的电能 第二层意思指的是为达到此目的 必须对目前遇到的各种问 题采用综合性的解决办法 而这些解决办法最突出的特点是在配电系统 的供电端使用电力电子控制器 具体的说 用户电力技术是将电力电子 7 西安理工大学硕士学位论文 技术 微处理机技术 控制技术等高新技术用于中 低压的配电系统 以减少电网中存在的谐波 消除电压波动和闪变 各相电压的不对称和 供电的短时中断 从而提高供电可靠性和电能质量的新型的综合技术 用户i l 力技术为电力供应商在系统侧以最经济的方法综合解决电能质景 问题提供了一种新途径 从以上的介绍可以看出f a c t s 技术和c u s t o mp o w e r 技术都是电力电 子技术在电力系统中的应用 这是他们的共同之处 但有必要将二者区 分一下 首先 二者的应用范围不同 f a c t s 主要应用于高压的输电系统 而用户电力技术用于中 低压的配电系统 其次 二者的控制目的不同 f a c t s 设备的主要作用是调整线路的参数 控制线路的潮流 提高输电线 路的传输极限 使输电线路的潮流能按照预定计划实现控制 提高全网 的经济性 而c u s t o mp o w e r 设备主要是用来提高供电质量 即减小谐波 畸变 电压波动与闪变 消除各相电压才i 平衡 使电压的幅值和功率因 数符合要求并保证供电可靠性 用户电力技术与配网自动化技术相结合不仅满足特殊负荷对供电质 量的严格要求 而且满足一般用户对电能质量的要求 是配电网成为能够 提供不同质量电能的柔性化配电系统以满足电力工业发展的需要 1 2 2 用户电力技术的发展现状 用户电力技术 c u s t o mp o w e r 正是根据信息电力时代产生的 更 加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 用 户电力实现的基础是蓬勃发展的现代电力电子技术及相关的检测和控制 技术 这些技术应用于配电领域 即d f a c t s 柔性配电技术 如 d s t a t c o m 配电静止同步补偿器 s s t s 固态切换开关 s s c b 固态断路 器 d v r 动态电压恢复器 a p f 有源滤波器 s m e s 超导储能系统 等 d f a c t s 装置使用的原理就是通过检测电能质量的相关参数 控制快速的 第一章绪论 电子开关 动作时间在m s 级 进行相应的补偿 提供满足特定用户需求 的电能质量 这些参数不但包括传统电能质量要求的稳态特性指标 也包 括现代电能质量延展的暂态特性指标 如上所述 在d f a c t s 技术出现之 前 传统的调整手段是无法胜任暂态特性的控制的 目前 国际知名公司 及研发机构对该领域的研究进行了大规模的投入 其中 美国e p r i 瑞典 a b b 公司 德国s i e m e n s 公司已有了d s t a t c o m 和d v r 的商业化产品 并有 数十例在配电网和特殊的用户端投入了运行 这些装置既能对在稳态 特性起到补偿的效果 如提供快速的无功支撑 稳定电压波形 消除谐波 抑制波动和闪变 又能进行动态补偿电压跌落和短时的供电中断 能够为 敏感用户提供优质的电能 当然 实现用户电力的前提是现代电力电子技 术发展的水平尤其是可控硅器件的水平和经济适用性 目前 全控型器件 如g t o 门极可关断晶闸管 阻断电压可达4 5 k v 通流可达4 k a i g b t 绝缘栅双极晶体管 阻断电压可达2 k v 通流可达6 k a 这两种器件技 术上都发展的比较成熟 在轻型直流输电 变频器等设备中得到广泛的应 用 新涌现的器件如i g c t 集成门极换向晶闸管 阻断电压可达4 5 k v 通流可达1 7 k a 可关断频率达数k h z 器件的发展 一方面使得器件本 身的可靠性不断提高 这对于应用于电力系统而言 是尤为重要的 另一 方面 使得器件的控制策略更加灵活 控制速度更加快捷 应用到电力系 统 才能做到真正的柔性输配电 对于器件的经济适用性而言 随着器件 水平的发展 应用的扩展 成本在不断降低 均衡其应用带来的效益 从国 外发达国家来看 用户电力技术已经逐渐成为电力公司和用户的最优选 择 1 3 课题背景 电能质量问题除了包括众所周知的电流波形畸变问题 稳态电压问 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 量问题 尤其是近5 1 0 年 基于计算机 微处理器的管理 分析 检 西安理工大学硕士学位论文 测 控制的用电设备和各种电力电子设备的大量使用 它们对于系统比 一 般的电机设备更加敏感 对供电质量要求也更苛刻 不论系统是处于 正常稳态还是故障暂态 均需保证幅值偏差很小 如只容许在额定值的 1 0 或更小的范围内波动 的基波正弦电力的町使用性 即高动态稳定 特性 丽哪怕几个周期的供电中断或电压跌落都会影响这些设备的正常 工作 虽然各种电能质量问题对系统造成的危害还在研究中 但是电压 跌落和供电中断已被认为是影响设备正常工作 安全运行的最严重的动 态电能质量问题 其中尤其以电压跌落更为严重 1 3 1 电力系统中的电压跌落 对于电压跌落 美国电力电子工程师协会 i e e e 用语为v o l t a g e s a g 国际电工委员会 i e c 用语为v o l t a g ed i p 为了统一起见 这里 采用i e 既规定v o l t a g es a g i e g e 对电压跌落是这样定义的 电压或电 流的有效值降至额定值的1 0 9 0 持续时间为0 5 个刷期至一分钟 前面说过 电压跌落和电压中断是最严重的电能质量问题 而这两 者相比较 电压跌落更易发生 这主要是因为当系统发生故障 通常只 会引起发生故障的馈线下游的短时供电中断 但会引起相邻馈线上所有 负荷的电压跌落 自动重合闸也会使电压跌落成倍的增加 据统计 因电压跌落引起的事故次数大约是因完全供电中断引起事故次数的1 0 倍 1 3 2 引起电压跌落的原因 7 1 引起电压跌落的原因很多 但主要是雷击 短路故障和大型异步电 动机启动等 a 因雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压跌落的 主要原因之一 由于电力系统暴露在大自然中 在雷雨季节的多雷地区 极易受到雷击干扰 因雷击引起的电压跌落次数有的约占总次数的6 0 第一章绪论 并且持续时间一般超过5 个周期 所以在方圆几千平方公里内任意处的 雷击都将会影响该区域内任一敏感负荷的正常 安全运行 b 系统短路故障是引起电压跌落的又一主要原因 目前配电系统中 的线路主保护是电流保护 该保护最大的缺陷是线路中相当大部分区域 上的故障不能无延时的切除 此外 即使无延时保护 从监测到故障至 断路器开断故障 目前最快也需要3 6 个周期 因此在故障期间 当在 故障馈线及其相邻馈线上接有敏感负荷时 将会因电压跌落而被跳闸退 出工作 另外 当保护动作后伴随重合闸时 引起的电压跌落次数将成 倍增加 c 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五倍 以上 会引起电压跌落 这种电压跌落下降幅度不大 影响范围也小 d 此外 如开关操作 电容器组或变压器投切等也有可能引起电压 跌落 1 3 3 对电压跌落的调研 引起电压暂降的原因很多 而且是不可避免的 这使每个用户都有 可能受到电压跌落的危害 从1 9 9 1 年开始 加拿大电气协会 c e a 用 三年时间对电能质量问题进行了专门调查 3 1 1 0 在5 5 0 个供电点上 包括 工业 商业和民用 进行实际监测 其中对工业用户测量结果表明 平 均每个用户侧监测点每月发生3 8 次电压跌落 即平均每天都有电压跌落 发生 给工业生产造成严重损失 所以人们关注电压跌落问题是很自然 的事情 雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电会引起供电电压暂降 而 且影响范围大 持续时间一般超过1 0 0m s 架空的输配电线路暴露在外 造成的瞬时故障要比永久性故障要多 所以引起的电压暂降的机会比供 电中断要多 输电线路故障引起的电压暂降要比配电线路故障引起的电 压暂降严重 表1 1 为某工厂供电点一年内测得的电压暂降统计结果o 4 4 1 西安理工大学硕士学位论文 表1 一l 电压暂降统计结果 l电压跌落幅值 1 0 2 02 0 3 0 3 0 4 0 4 0 i 发生概率 6 l1 84o 由该表可以看出 电压暂降的幅值一般小于4 0 电压暂降的幅值与 测量的供电点位置有关 但这个测量结果可认为具有代表性 电压幅值 下降3 0 4 0 对用户的p l c 可编程逻辑控制器 和a s d 调速器 可 造成失灵或停止运转 导致1 厂的全部或部分停产 对于计算机 其安 全工作电压为9 0 1 1 0 当电压下降到7 0 及以下时 若持续时间超过 2 0m s 就无法工作 i b m 公司统计表明 4 8 5 的计算机数据丢失都是由 电压不合格造成的 对于由计算机控制的自动生产线 机器人 机器手 精密加工等 在电压暂降时也会停止工作或产品质量的下降 此外 美国e p r i 对电压跌落也进行了长期 广泛的实测调研 结果 表明许多电压跌落的幅值是变化的 且有的还伴随着相位的突变 不对 称以及波形的畸变 另外绝大多数的电压跌落幅值小于4 0 额定值 且持 续时间不足1 0 个周期 因此 如果能够持续2 0 0m s 补偿3 0 的负荷容 量 则可以消除9 5 以上的电压跌落 医此 为了更好的改善电能质量 系统化综合补偿技术是解决电能 质量问题的最终途径 1 4 动态电压恢复器 d v r 及其发展状况 在几种用户电力装置中 动态电压恢复器 d v r 是出现较晚的一种 串联型补偿装置 其良好的动态性能和高的性价比使得它成为治理动态 电压问题特别是电压跌落的最经济 有效的手段 w e s t i n g h o u s e 公司为美国电科院 e p r i 研制的世界上第一台动态电 压恢复器d v r d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r 于1 9 9 6 年8 月投入工业运行 目前 d v r 已得到了广泛的应用 o r i a nr u g s u s a b o n l a c 第一章绪论 f o o d s a u s t r a l i a c a l e d o n i a n u k 等公司供电的网络中已串入d v r d v r 的最大容量现在已达到2 2 5 m v a 由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 己与2 0 0 0 年投入运行 d v r 的投入运行带来了 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 试运行后进行 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 可见 动 态电压恢复器的应用可以大大提高用户电能质量和经济效益 世界上很多高校和科研机构对动态电压恢复器进行了深入的研究 对 d v r 的功能和效率也提出了更高的要求 这些研究内容主要针对三个方面 分别是 综合性 经济性和可靠性 从综合性上来说 人们对串联装置提出了抑制电压浪涌 消除电压谐 波 消除电压不平衡等一系列新的要求串联装置在三相三线制和三相四线 制系统中都得到了广泛的应用 d v r 已经从简单的动态电压恢复功能向综合 性更强的方向发展 为了适应综合性的要求 串联型电能质量控制器的控制方法是研究的 内容之一 最初的设备中通常采用前馈控制的方法 尽管前馈控制具有实 现简单 响应速度快的优点 但是不能够消除负载电流对补偿效果的影响 针对这个问题 随后又出现了一种前馈和反馈控制结合的方法 反馈控制 的引入使得补偿效果得以提高 实现起来也更加方便 为了更好地实现综 合性补偿装置的要求 提高装置的性能指标 必须改变传统的应用于动态 电压调节器上的前馈控制方式 采用闭环控制是提高输出电压品质的最好 途径 从经济性上来说 由于大部分情况下系统电压畸变而引起的功率畸变 相对正常功率而言都比较小 因此 补偿装置需要提供的功率相对较小 制造成本就比较低 另外 当系统电压正常的时候 串联型电能质量控制 器可以工作在旁路状态 只要选用低通态损耗的器件 就可以获得很高的 运行效率 降低运行成本 串联型电能质量控制器补偿电压畸变的过程中需要与系统有 定的有 西安理工大学硕士学位论文 功交换 这个有功交换的过程会影响到储能单元的容量和结构 储能单元 通常是昂贵和需要维护的 因此 优化串联型电能质量控制器与系统的能 量交换过程 降低储能单元的成本就成为提高装置经济性的一个重要内容 串联装置的电压补偿能力指装置可以提供的最大输出补偿电压的大 小 电压补偿能力设计的越高 装置就具有越大的补偿范围 装置的成本 也就越高 如何在不提高装置电压补偿能力的前提下获得最大的补偿范围 是提两经济性的另一个重要内容 从呵靠性上来泌 尽可能提高设备的适应性 包括 负载适应性 系 统电压畸变适应性以及提供适当的可靠性设计 如冗余设计 方案等 但是 国内对d v r 的研究起步比较晚 主要是对国外成果的学习和 理论的探索 因此 本文针对d v r 的研究现状对其电压补偿策略 控制 策略进行研究是十分有必要的 1 5 本文的研究内容 本文主要对应用于配电系统的动态电压恢复器进行研究 基于电力 电子技术的d v r 以其良好的动态性能和灵活的控制方式已被认为是解决 电能质量问题最有效的用户电力控制器 特别对电压跌落问题有很好的 补偿效果 本文d v r 研究内容分为以下几个方面 分析d v r 的工作原理 对d v r 主电路及i v r 工作模式及投入 退 出策略等内容进行了研究 基于瞬时无功功率谐波检测法 提出了一种适用于d v r 的电压检 测方法 讨论了d v r 的几种电压补偿策略 提出了一种新的补偿策略 丰d v r 控制策略的分析与研究 丰通过仿真软件对所提出的串联测补偿策略 控制策略实现仿真 从 而验证其可行性 并得出结论 第二章d v r 主电路的研究 2d v r 主电路的研究 2 1d v r 组成和原理 一个典型的d v r 的结构图如图2 1 所示 从图中可以看到d v r 主要 由电压源逆变器 串联变压器 蓄能装置和滤波器几部分组成 d v r 的工 作原理是当系统电压发生畸变 主要是电压跌落 时 由蓄能装置提供 直流电能 经过逆变器获得所需的电压波形 再通过串联变压器补偿系 统电压 图2 1 一个典型的d v r 结构图 2 2d v r 的功能 动态电压恢复器可具有阱下功能 2 0 1 消除电压跌落或电压突升 d v r 通过向配电系统注入一个可连续改变 的电压分量抵消电源电压的波动成分 从而消除配电系统中经常发生的 电压跌落或电压突升等现象 减少电压谐波 d v r 可通过向网络注入与电压各次分量大小相等 方 向相反的补偿电压 以消除配电系统中的电压谐波 限制故障电流 当馈线发生短路故障时 d v r 可通过注入滞后于故障 电流相位9 0 的电压分量以提高馈线实际阻抗 达到限制故障电流的目 的 厂罔 曩量 4 jj l 1 l j l s 一 一 一 u 一 一 置一 一 一 一 嶷一 一藩 西安理工犬学硕士学位论文 2 3d v r 的主电路 采j j 不同的主电路结构 d v r 会有不矧的补偿效果 不同的性能价格 比 d v r 的主电路主要由基f 全控器件的电压源逆变器 串联变压器 输 出滤波嚣和直流储能单元等四部分构成 2 3 1 逆变器 d v r 的核心单元是 个基于全控器件的电压源逆变器 补偿电压就是 通过逆变器对直流电压的逆变产生的 l 逆变器的结构 逆变器有半桥式 全桥式和推挽式等结构形式 推广到三相系统中 就有三相全挢逆变器 三相半桥逆变器和三单相全桥逆变器等 不同结 构的逆变器有不同的性能 单相半桥逆变器如图2 2 所示 它使用两只开关器件 其器件成本 较全桥逆变器节省 但在直流侧需要电容分压 从而存在直流侧两个电 容均压的问题 如果直流侧电容不能很好地均压 逆变器输出电压品质 将受到很大的影响 同时 由于直流侧经过了分压 直流侧电压的利用 率降低为1 2 极大的降低了d v r 的补偿性能 v d d l d 2 图2 2 单相半桥逆变器 全桥逆变器如图2 3 所示 它比半桥逆变器多用两只开关器件 装 置的成本提高 桥式逆变器普遍存在桥臂直通的问题 两种桥式逆变器 都需要可靠的桥臂保护手段来防止桥臂直通 第二章d v r 主电路的研究 一 l 菇i 耍 图2 3 电压型单相逆变电路 推挽逆变器如图2 4 所示 它不存在桥臂直通的问题 但是 功率 器件的开关集电极电压应力为电容电压的2 倍 它的最大优点在于低输 入电压时 任何时候最多只有1 个开关器件工作 因而在输出功率相同 时开关损耗较小 适用于低压输入的大功率变换器 负载 厂r 1 t j 一 2 4 推挽式单相逆变器 三相四桥臂逆变器如图2 5 所示 它是在三相桥式逆变器的基础上 增加一个桥臂 该桥臂的作用是形成输出中点 减小不平衡负载时三相 输出的不对称度 逆变器的输出端采用谐振直流环节时 四个桥臂的功 率管均可实现零电压开关 虽然该逆变器的控制比较复杂 仍时目前研 究的一个热点 三单相全桥逆变器由三个单相逆变器组合而成 每相逆变器相互独 立 只要控制三相基准正弦波互差1 2 0 0 将三台的输出点连在一起作为 中线 就可以实现三相四线制的输出 西安理工走学硕士学位论文 2 5 三相四桥臂逆变器 2 单相全桥式逆变器的原理 奉论文逆变器采用分相控制的三单相全桥结构 其优点在于各相输 出的补偿黾压之