（电力系统及其自动化专业论文）基于智能控制的动态电压恢复器的研究.pdf

s u b j e c t ：t h es t u d yo fd y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r ) b a s e do n a u t o m a t i ec o n t r o l s p e c i a l t y ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n n a m e ；l e 睁a n i n s t r u c t o r - f uz h o u x i n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) w i l 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 y , al o to fs e n s i t i v ee l e c t r i ce q u i p m e n t s w e r ew i d e l ya p p l i e d , p o w e rc o l l s u m e l 苫d e m a n dh i g h e rq u a l i t yp o w e rs u p p l y b a u s eo fa n f i n ed y n a m i cf u n c t i o no fo y n a l m cv o l t a g er e s t o r e x ( d v r ) m a k ei tt h em o s te f f e c t i v ed e v i c e t os o l v ed y n a l n i cv o l t a g eq u a r r yp r o b l e m s 。d v ri so n eo ft h eh o t t e s tt o p i ci nt h i sf i e l d , b e c a u s ei tc o u l dc o m p e n s a t eb o t hs t e a d ys t a t ea n dd y n a m i cv o l t a g eq u a l i t yp r o b l e m s , s u c ha s v o l t a g es a g ，v o l t a g es w e l l ，t h ei m b a l a n c eo f t h r e e - p h a s ev o l t a g ea n dh a r m o m c i nt h i sp a p t h ea d v a n t a g e so fd v ra n dt h ep o w e rq u a l i 哆p r o b l e m s 辩e x p o u n d e d f i r s t l y , t h em a i nc i r c u i ta n dw o r k 蛐o f d v ri sd i s c u s s e di nt h i sp i p v o l t a g ed e t e c t i n g m 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 y t h i sp a p e r 面r e s e a r c hi nc o n t r o lm e t h o d so fd v r , a n a l y z i n gt h ed i s a d v a n t a g e so f n t r o lm e t h o do fd v p , a p p t y i n gf u z z yt h e o r yi nc o n t r o l s y s t e mo fd v r , d e s i g n i n gt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n u o l b u i l d i n gt h em a i nc i r c u i ta n dc o n l r o ls y s t e mb a s e do nm a t l a b s i m u f i n k , b ya n a l y z i n go f v o l t a g ed i s u l l b 锄c ea n dt h ea d a p t a b i l i t yo fl o a dv a r i a t i o n , e d u c e st h a tf u z z ys e l f - t u n i n gp i d e x c e e d sf u z z y n t r o la n dp i d n t r o l ，i m p r o v e dr e s p o n s i b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fs y s t e m m e a n w h i l ei tc s ni m p r o v et h ev o l t a g ed i s t m b a n c ea n da d a p t a b i l i t yo f l o a dv a r i a t i o n a i mt oc h a r a c t e r i s t i co ft h em i d d l ea n dl o wt e n s i o nd i s t r i b u t i o ns y s t e m , c o m p a r i n gt h e d e s i g ns c h e m e so f 4m a i np a r t so fd lt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yo f t h r e e - p h a s ef o u r - w i r e d v ri sc o n f m e d as i m u l a t i o nm o d e lo ft h et h r e e - p h a s ef o m - w i r e dd v rb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ki s p r o p o s e d , u s i n gf u z z ys e l f - t u n i n gp l d c o n t r o ls t r a t e g y , c o m p a r et r u t h o f i n s t a n t a n e o u sv o l t a g e a n da b s o l u t ev o l t a g ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g y ag r e a td e a lo f r e s e a r c ho nc o m p e n s a t i n gv o l t a g e s a g , s w e l l , u n b a l a n c e , a n dh a r m o n i c so fd v ra r ec a r r i e do u ti nu o ft h ec o n t r o lm e t h o d p r e s e n t e di nt h i s1 3 a 蝉t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t e dt h a tt h et h r e e - p h a s ef o u r - w i r e dd v r m e e t st h ed e s i g n i n gr e q u e s t k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t yv o l t a g es a gd y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r f u z z yc o n t r o l f u z z ys e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l 压姿错技大攀 学位论文独创- 眭说明 本人郑重声明：所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所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做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：汐曦 日期： e 7 - j ) 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：雷蕺 指导教师签名：俏麟 叩年6 月夕日 1 绪论 l 绪论 近几十年来，随着我国改革开放的深入和市场经济发展，越来越多高新技术企业的 兴建以及社会电气化程度的日益提高，各种基于微处理器控制的新设备不断涌现，如现 代化工商业中变频调速设备、机器人、自动化生产线、精密数控机床、可编程控制器、 计算机信息管理系统等。这些计算机设备、微电子设备以及电力电子设备等敏感负荷的 不断增加，使得电力市场的形势发生了根本变化，电力客户对供电企业提供的电能质量 提出了更高的要求，而且在有的时候甚至提出了高于国家标准的特殊用电要求。这就要 求供电系统不仅要安全、经济，更要保持优质运行。同时，大量非线性负荷的增加，又 将影响系统的电气运行环境，成为制约电能质量提高的因素。因此，必须对电能质量综 合治理，才能提高抵抗局部干扰和故障的能力，维护电网安全可靠运行。高质量电力供 应已成为现代社会生产、生活正常进行的基本条件。电能质量作为衡量电能产品的主要 标准，越来越多的引起重视。 1 1 选题背景和研究意义 1 1 1 电能质量和电能质量的标准 不同角度对电能质量的理解都有所差掣”。从供电角度看，电能质量是指供电的参 数符合国家标准及供电的可靠性：从用电设备生产商的角度看，电能质量是指提供设备 所要求的电能特性：从用户角度看，电能质量问题是指一切会引起用电设备运行故障的 供电电压、电流及频率等的异常扰动。通常，电能质量问题主要反映为电压质量问题。 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，它的制定主要 是针对频率、电压、波形和三相电压不平衡度等内容。其中包括闭： 国际标准：i e e e - 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 - 3 标准( 国际电工委员会制定的电压波动和闪变的标准) 国内标准：g b l 2 3 2 5 9 0电能质量供电电压允许偏差 g b 厂r 1 4 5 4 9 - 9 3电能质量公用电网谐波 g b l 2 3 2 6 - 9 0电能质量电压允许波动和闪变 g b 厂r 1 5 5 4 3 1 9 9 5电能质量三相电压允许不平衡度 g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5电能质量电力系统频率允许偏差 1 1 2 电能质量问题 电能质量问题可划分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题。稳态电能质量问题 西安科技大学硕士学位论文 的研究已趋于深入，它是电能质量的主要问题，影响范围广，程度深，其主要性能指标 是：电网频率、电压偏差、不平衡度、谐波、电压闪变。目前，i e c 及我国均有严格的 标准( 国内为g b 标准) ，此方面的检测设备，监控系统，专业性分析软件，工程治理 手段均较为成熟，而且越来越被大家熟知和接受。暂态电能质量问题的研究起步较晚， 国内刚刚有所认识，它属于稳态电能质量问题的延伸，影响范围小，但后果却比较严重； 暂态电能质量问题其实质就是暂态电压质量问题，或者是电网遭受外来干扰、侵袭及内 部故障、操作所带来的系统冲击问题，其主要的性能指标是：电压脉冲、浪涌、电压暂 降、电压中断及电压切痕。目前，国际国内还没有此方面的统一标准，但一般采用其指 标参数的幅值和持续时间来描述( 有时考虑其上升和下降率，发生频率等) 。目前，在 所有暂态电能质量问题中，电压暂降的影响最为严重。基于此本文对电压暂降进行了阐 述，重点研究了基于智能控制技术的动态电压跟踪控制方法与方案，以有效提高电网的 供电质量。 暂态电能质量问题产生的原因较为复杂，发生的频度较为偶然，引起的暂态电能质 量的主要原因可归结为以下几个方面： 一 电力系统短路故障；线路对地放电；电力系统正常的开关操作；储能性电器设备的 正常操作；一些典型的冲击性负荷的生产过程。 暂态电能质量问题对于传统工业及一般性负荷影响不大，它主要影响电子类设备的 正常工作，或者影响由新型电子类设备所控制的传统工业过程。 1 1 3 电压暂降 近几十年来，随着数字式自动控制技术在工业生产中的大规模应用，如变频调速设 备、可编程控制器、各种自动化生产线以及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用， 对供电质量要求越来越苛刻，不论系统是处于正常稳态还是故障暂态，均需要保证电压 幅值偏差要很小，一般只允许在额定值的l o 或更小的范围内波动，即高动态稳定性。 因此，对于哪怕是几个周期的电压暂降或供电中断都会影响这些设备的正常工作。因此， 对电压暂降的研究是十分有必要的。 ( 1 ) 电压暂降 电压暂降是指供电电压均方根值在短时间突然下降的事件，其典型持续时间为 0 5 3 0 个周波。不同与电压波动，它是指电压均方根值的大幅度快速下降。国际电工 委员会( i e c ) 将其定义为下降到额定值的9 0 1 ；电气与电子工程师协会( m e e ) 将其定义为下降到额定值的9 0 1 0 在电压暂降的分析中，通常将暂降时的电压均 方根值与额定电压均方根值的比值定义为暂降的幅值，将暂降从发生到结束之间的时间 定义为持续时间。此外，电压暂降往往伴随着电压相位的突然改变，称之为相位跳变。 电压出现相位跳变，是由系统和线路的电抗和电阻的比值不同，或不平衡暂降向低压系 2 1 绪论 统传递引起的。电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三个 特征量。 由于以往的绝大多数用电设备对电压的短时突然变化不敏感，因此电压暂降并未引 起人们的关注。随着用电设备的技术更新，特别是2 0 世纪8 0 年代以来，数字式自动控 制技术在工业生产中得到大规模应用，如变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动 生产线以及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用，对供电系统的电压质量提出了更 高的要求，该问题才引起各有关部门与研究人员的广泛关注。据介绍，由于一次电压暂 降而使某生产线重新启动需花费5 0 0 0 0 美元 3 1 ；统计表明，在欧洲和美国，电力部门与 用户对电压暂降的关注程度比对其他有关电能质量问题的关注程度要强很多。这其中一 个重要的因素是，在电能质量的诸多原因中，由电压暂降引起的用户投诉占整个电能质 量问题投诉数量的8 0 以上，而由谐波、开关操作过电压等引起的电能质量问题投诉数 量所占不到2 0 【4 j 。专家们认为，电压暂降己上升为最重要的电能质量问题，已成为信 息社会对供电质量提出的新挑战。 ( 2 ) 电压暂降的成因和危害 当输配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷击、开关操作、变压器以及电容 器组投切等事件时，均可引起电压暂降。其中，短路故障、感应电机启动和雷击是引起 电压暂降的主要原因。 雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电会使保护装置动作，从而导致供电电压暂降。 这种暂降影响范围大，持续时间一般超过l o o m s ，造成的暂降幅值比较难以计算，与当 地气候，电网电容性设备的材料结构外型以及污闪面积等因素有关。 电机全电压启动时，需要从电源汲取的电流值为满负荷时的5 0 0 8 0 0 ，这一大 电流流过系统阻抗时，将会引起电压突然下降。这种暂降的持续时间较长，但暂降程度 较小，不会对用户造成严重的影响。 短路故障可能会引起系统远端供电电压较为严重的电压暂降，这种扰动传播的强度 与电网结构及电器参数存在密切的关系，它能够由低电压等级向高电压等级传播，影响 工业生产过程中对电压敏感设备( 例如电子设备) 的正常工作，甚至造成严重的经济损 失。短路干扰产生的暂降幅值可通过理论计算或数学模拟或动态模拟获取，其手段可根 据具体情况选择，其持续的时间与系统保护装置及保护设备，开关设备的固有动作时间 有关，一般可持续l o o m s 左右。另需注意，重合闸设备的动作使得这种扰动更加复杂。 储能性电器设备的正常操作亦是产生电压暂降的主要因素。一些典型的冲击性负荷 的生产过程也会产生电压暂降，如交( 直) 流炼钢电弧炉会使同一电压等级的母线上形 成电压扰动；轧机，提升机，绞车，电焊设备等具有冲击性负荷的设备均会在工作过程 中成为产生电压暂降的动力源。 在许多发达国家，电压暂降已成为影响大工商业用户的最主要的电能质量问题。随 3 西安科技大学硕士学位论文 着经济的快速发展，复杂电子设备在各用电部门中得到了广泛应用，这些设备中有很多 对短时间的电压变化较为敏感。据调查，短时的电压暂降就可引起计算机系统紊乱( 幅 值下降大于1 0 ，持续时间大于o 1 s ) 、调速设备跳闸( 幅值下降大于1 5 ，持续时间 0 5 周波) 以及机电设备误操作等。电压暂降问题是使这些设备不能正常工作的主要原 因。表1 1 给出了国外有关资料所提供的电压暂降对一些电力设备的影响【4 】。从表中可 迸一步看出解决电压暂降问题的重要性。目前，在许多国家已开展了电压暂降的长期监 测工作。如加拿大电气协会( c e a ) 自1 9 9 1 年起开始的一项为期3 年的电能质量调查，其 主要目的是了解加拿大电能质量的状况嘲。共有2 2 个电力公司参加了本次调查，选择了 5 5 0 个供电点( 包括工业、商店和民用) 进行了监测。其工业用户组的调查结果表明： 每个用户侧监测点每相每月平均发生3 8 次暂降( 即平均每天均有电压暂降发生) ，电源 侧平均为4 次。用户侧8 5 的监测点每相每月平均发生1 0 2 0 次电压暂降，电源侧为 5 6 次。商业用户组的调查结果表明：用户侧7 0 的监测点每相每月平均发生过2 3 次电压暂降，电源侧为l 2 次。 表1 1 电压暂降对一些设备的影响 设备名称电压暂降造成的影响结果 制冷电子控制器 可编程控制器( p l c ) 精密机械设备 调速电机( v s d ) 交流接触器 计算8 1 当电压低于8 0 时。控制器动作将制冷电机切除，导致巨 大的经济损失： 早期的产品，当电压低于1 0 时，仍能持续工作1 5 个周期； 新产品，当电压低于5 0 时，p l j c 停止工作；据介绍两年 ，当电压低于8 1 时，p l c 停止工作；一些i 0 设备，当电 压低于9 0 ，持续时间仅几个周期，就会切除： 机器人控制金属部件进行钻和切割等精密加工，为保证产 品质量和安全，工作电压低于此值，持续时间超过2 个至3 个周期时，就会被跳闸： 当电压低于7 0 ，持续时问超过6 个周期时，会被切除： 有研究表明当电压低于5 0 ，持续时间超过1 个周期时。接 触器脱扣；而有的研究表明，当电压低于8 0 时，甚至更 高，接触器就会脱扣： 当电压低于6 0 持续时间超过1 2 个周期，计算机工作收 到影响，如数据丢失等： 1 1 4 解决电压暂降问题的对策 各种缓解电压暂降的措施包括以下几个方面： ( 1 ) 减少故障数目以及缩短故障清除时间； ( 2 ) 改变供电方式； ( 3 ) 提高用电设备的抗扰能力； ( 4 ) 安装缓解设备； 4 1 绪论 一般情况下，用户很难对配电网络或使用电设备本身有所作为，所能展开的只是在 供电系统与用电设备的交界处安装缓解设备，来保证优质电能的输出。传统的抑制电压 暂降的装置有： 变压器分接头调节器、有载调压变压器、加装并联电容器等调节器，该类产品 一般都可在一个半周期内完成调整，由于受变压器分接头的调节范围限制，仅在一定程 度上减轻电压暂降的影响。 谐磁振变压器c v t ( c o n s t a n tv o l t a g et r a n s f o r m e r ) ，这种装置在电压暂降到正常 值7 0 时仍可以提供平稳电压支持，效率在7 0 - 7 5 ，体积稍大。 目前，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和应用，为解决 电压暂降问题开拓了广阔的前景。用户电力技术c p ( c u s t o m p o w e r ) 就是将电力电子、 计算机和现代控制理论等高新技术运用于供电、配电系统，形成一系列的电能质量控制 技术和设备，可较好地解决稳态、暂态电能质量问题，从而大大提高了电网的电能质量。 1 1 5 用户电力技术 1 9 8 8 年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 博士提出了用户电力技术的概 念1 9 9 6 年日本北海道大学和茨城大学的学者正式提出了与上述概念相似的 f r i e n d s ( f l e x i b l er e l i a b l ea n di n t e l l i g e n te l e c t r i ce n e r g yd e l i v e r ys y s t e m ) 州1 7 j 并组织 f r i e n d s 研究会。我国学者将这一新概念称为定制电力嗍或定质电力唧或d f a c t s 技术 1 1 0 l 或f e e d 技术【1 1 1 虽然名词有所不同，但实质是一致的，都反映出现代信息社会的发 展对提高供电可靠性、改善电能质量的迫切要求和所应采取的先进技术手段。这种技术 将电力电子技术、微处理机技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配用电系统，以 减小波形畸变、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。用户电力技术与配电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，使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，为未来电力市场提供技 术保障，同时在保证社会可持续发展的前提下对多种新能源合理开发利用，满足环保的 要求。此种新技术也可看作是柔性交流输电系统f a c t s 技术在配电系统中的延伸 但值得一提的是f a c t s ( 灵活柔性交流输电系统) 与c p 存有异同点，其相同点是 二者都是电力电子技术在电力系统中的应用，但是二者的应用范围有所不同，前者主要 应用于高压的输电系统，后者用于中、低压的配电系统；其次，二者的控制目的有所不 同。前者的主要作用是调整线路的参数，控制线路的潮流，使得输电线路的潮流能按照 预定计划实现控制，提高输电线路的传输极限，提高全网的经济性；而后者主要用于提 高供电质量，即减小谐波畸变、电压波动与闪变、消除各相电压不平衡，使得电压的幅 值和功率因数符合要求并保证供电可靠性【1 2 1 5 西安科技大学硕士学位论文 随着这一技术研究的不断深入，已推出了一系列基于现代电力电子技术的、旨在提 高配电网电能质量和供电可靠性的新型电能质量补偿器。以下各种装置功能各不相同， 但也并非相互孤立，它们之间的结合可以扩展彼此的功能。这些器件包括1 1 3 】： ( 1 ) 有源电力滤波器或调谐滤波器( a p f 或t f ) ：用于动态抑制谐波、补偿无功 的电力电子装置，能补偿大小和频率都变化的谐波及变化的无功，分为串联型和并联型； ( 2 ) 蓄电池储能系统( b e s s ) ：含有储能元件，能够消除电压扰动，在瞬时供电 系统中也可维持负荷的电压恒定，但目前容量都不大，且费用相对较高； ( 3 ) 配电静止同步补偿器( d s t a t c o m ) ：用于补偿配电网的过电压、欠电压及 电压波动等； ( 4 ) 功率因数控制器( p f c ) ：主要用来提高负载的输入侧功率因数，降低电力电 子设备对电网的污染； ( 5 ) 动态电压恢复器( d t ) ；英文全称为d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ，是一种放置 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的由于电压瞬时暂降、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； ( 6 ) 不间断电源( u p s ) ：目前使用最广泛的一种补偿设备，可以保持负荷电压为标 准的正弦波形，还可以消除短时停电对负荷产生的影响，对大容量负荷来说配置成本较 高。主要用于提高信息处理系统的供电可靠性，其输出是恒频恒压的正弦电压； 表1 2 给出了各种电能质量补偿装置能解决的电能质量问题列表。其中主要应用 在抑制电压暂降的补偿装置有不问断电源和动态电压恢复器。因为d v r 相对于u p s 具 有更高的灵活性和更好的经济性。所以，它是当前抑制电压暂降的最有效、最有前途的 补偿装置。 表1 2 各种电能质量补偿装置能解决的电能质量问惠列表 6 1 绪论 1 2 动态电压恢复器的发展现状分析 1 2 1d v r 的技术发展 世界上第一台d v r 装置是由美国西屋公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o r p o r a t i o n ) 和 美国电科院( e p r i ) 合作研制的。1 9 9 6 年8 月，西屋公司在d u k e 电力公司位于南加州 安德森的1 2 4 7 k v 变电站安装了这台d v r ，用于解决一家自动化纺织厂的供电电压问 题【1 4 1 1 5 1 。另外在o r i a nr u g s ( u s a ) 、b o n l a co o d s ( a u s w a l i a ) 、c a l e d o n i a np a p e r ( o k ) 等公司 的网络中均串入了d v r 。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。随后a b b 公司研制的2 2 k v 4 m v a 的d v r 也成功地应用于半导体生产厂的故障电压恢复系统d e t 3 j 。另据美国输配电杂志 报道，由a b b 公司制造的两台容量各为2 2 5 m v a ( 这是目前世界上此类装置中最大的 容量) 的d v r 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 7 1 。在日本，柱 上式d v r 也已经投入运行【旧。此外，世界上还有很多厂家和研究机构都在研制各自的 d v r 。 ， 我国目前对d v r 的研究正处于开始阶段，很多高校和研究机构也已经在几年前开 始开展这方面的研究工作。例如清华大学、西安交通大学、华北电力大学、东南大学、 中国电力科学研究院等都相继研制出了小容量样机。由于我国的起步晚，运行经验的缺 乏，使得我们的研制成果与国外还有很大的差距。 目前，关于d v r 的研究主要集中在三个方面： 根据系统的不同电压等级及接线方式确定d v r 的主电路结构； 电压暂降的检测方法以及暂降补偿指令信号的产生及它的补偿方式； 动态电压恢复器补偿电压的动态跟踪控制方法； 本文的研究重点是对动态电压恢复器动态跟踪控制方法的研究。 1 2 2 电压的动态跟踪控制技术研究方法、 电压动态跟踪控制是d v r 的一个重要环节，不仅要考虑d v r 系统的动态特性，也 要考虑系统的稳态输出特性，而且还要考虑负荷适应能力。电压动态跟踪能力不仅与 d v r 主电路拓扑结构和参数设置有关，主要取决于d v r 所采用的控制方法，因此电压 动态跟踪控制方法的选取是d v r 技术研究的重点和难点，最初的设备中通常采用开环 控制的方式，这种方式实现简单、响应速度快，但是在实际的应用中，不能够消除负载 电流对补偿效果的影响，使得系统的稳定性受到一定的限制。为了更好地实现综合补偿 装置的要求，提高动态电压恢复器的性能指标，采用闭环控制是提高输出电压品质的最 好途径。针对动态电压恢复器的控制方法，目前研究及应用比较广泛的控制方法有以下 7 西安科技大学硕士学位论文 几种： ( 1 ) p i d 控制 p i d 控制是一种最常用的控制方法，有着理论完善、稳定性好、稳态精度高和易于 工程实现的优点。采用比例、积分、微分等典型的控制模块，加上几个校正网络，就可 以实现预定的控制目标。目前对i ) v r 的控制方法研究中，p i d 控制是研究最多的控制方 法，这种控制方法简捷易于工程实现，但该方法的缺点是【1 7 1 必须事先知道被控对象精确 的数学模型，控制器的设计不易优化；同时在控制上也存在响应有超调、对系统参数摄 动和抗负载扰动能力差等不利因素。 ( 2 ) 无差拍控制方式 文献 1 8 】提出一种无差拍控制方式，它的主要思想是根据系统的状态空间方程和当 前的状态信息计算出下一个周期的开关控制量。最终达到使输出量跟踪给定量的日的。 无差拍控制具有可以消除稳态误差、尽快结束过渡过程以及控制精度高的优点，但是该 方法控制效果依赖于系统状态空问表达式中参数的精确度，存在鲁棒性差、瞬时响应超 调量大等特点。 ( 3 ) 自适应控制方法和自校正方法【1 9 1 是针对参数不稳定和模型不明确的控制方法，在很大程度上降低了对建模精度的要 求，但是需要使用大量的先验数据，而且需要对模型进行在线辨识，算法复杂，计算量 大，限制了其应用范围。 ( 4 ) 人工神经网络( a m 町控制网 人工神经网络控制方法是一种非线性控制，由于d v r 的逆变器本身就是非线性器 件，因此，该控制方法用在d v r 的控制方面较线性控制方法具有更好的适应性，同时 a n n 具有很强的抗干扰能力。但a n n 需要大量的样本离线训练，样本的选取和数量决 定了a n n 控制的效果。 另外，还有文献【2 l 】提出空间矢量控制方法，这种方法通过参考矢量所处的区域确 定开关量以及计算作用时间，其优点是减小开关损耗，实现解耦控制，尤其适用于三相 全桥逆变器的控制，但实现起来比较复杂，需要进行复杂的计算；文献【2 2 】的滑模变结 构控制方法，这种方法利用开关规则来使得被控对象的状态到达预期的超平面上。滑 动”，以至于达到预期的性能，其优点是对参数的变化和外部的干扰不敏感，即具有强 的鲁棒性，适合于电力电子的闭环控制，但是稳定性不够理想文献【2 3 】的重复控制方 法，这种方法是假定前一个周期出现的基波波形畸变将在下一个周期的同一时间重复出 现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波 周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面各周期中将出现的重复性畸 变，其优点是可以使系统获得良好的稳态性能，易于实现，但不能够获得好的动态性能， 其动态响应速度较差。文献【2 4 】将王l 模型匹配技术应用于u p q c 的逆变器输出波形的 8 1 绪论 跟踪控制中，实现了u p q c 综合的电压、电流波形跟踪补偿，其跟踪效果令人满意，为 波形跟踪控制技术的研究提供了一条新的有效途径。 针对d v r 这种非线性、周期时变以及参数不稳定的结构特点，同时为了提高d v r 控制系统的稳定裕度、动态响应速度、负载调节特性以及稳定精度。本论文在对当前控 制方法的研究分析基础上，采用先进的智能控制即模糊控制作为d v r 的控制方法，主 要原因有模糊控制方法无须对系统建立精确的数学模型，通过对系统特征的模糊描述， 大大降低获取系统动态和静态特征量付出的代价，同时由于模糊控制有较强的鲁棒性， 对外来干扰、过程参数变化和非线性因素均不敏感，可以很好地满足系统的负载调节特 性，因此，将模糊控制方法引入到动态电压恢复器中是本论文最初的出发点，经仿真分 析后得出在稳态误差、负载适应性等问题上，单纯的模糊控制不能满足系统的控制设计 要求， 因此，将模糊控制与其它控制方式相结合，扬长避短，以达到理想的控制效果，是 本论文的第二个出发点，在此基础上，设计了基于参数模糊自整定的p i d 控制策略，来 实现d v r 控制系统的上述目标 1 3 本文的研究内容 t 本论文针对电能质量补偿技术展开研究，在了解动态电压恢复器的工作原理的基础 上，对d v r 动态跟踪控制方法进行了深入的研究，主要工作体现在以下几个方面： ( 1 ) 论文对电能质量，暂态电能质量问题以及对当前电能补偿技术进行阐述。对动 态电压恢复器进行了理论分析，从而指出d v r 研究的实际意义。 ( 2 ) 在d v r 的主电路设计工作中，对装置的每一个组成部分进行了分析，针对我国 低压配电系统，设计了三相四线制主拓扑结构图。同时对各种电压检测方法和补偿策略 进行了分析，给出了d v r 控制设计方案，从而保证了d v r 合理、可靠运行。 ( 3 ) 针对d v r 的结构以及对当前d v r 控制现状的优缺点分析，将先进的智能模糊控 制技术应用于动态电压恢复器的控制策略中，设计了基于模糊控制的动态电压恢复器控 制系统，并在此基础上设计了参数模糊自整定p i d 控制策略，在m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真软件上搭建了主电路和控制系统，通过大量的仿真优化了d v r 的参数，验证了此 控制策略的正确性和可行性。通过分析证明系统能有效补偿电压暂降，抑制电压谐波和 负载电流突变对系统输出的干扰。 ( 4 ) 针对本论文所采用的三相四线制主电路，采用瞬时电压检测方法，完全补偿策略 以及所设计的控制策略，对整个系统进行了三相对称暂降、不对称暂降、三相不平衡以 及负载适应性分析，从仿真结果可以得出本控制策略满足系统的控制要求。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 动态电压恢复器的工作原理 2 1d v r 的主电路拓扑结构 d v r 是面向电力负载的串联型动态电压质量调节装置，它相当于一个串联在电力 系统和电力负荷之间动态受控的电压源，主要应用在中低压配电网中，用于保护敏感负 荷免受电压暂降的危害。目前动态电压恢复器的基本电路拓扑结构主要如图2 1 所示 【a 日 嘲 一 图2 1 动态电压恢复器结构图 从结构图可以看出，d l 应具有直流母线电压单元、逆变单元、无源滤波器和串 联变压器等几个环节。 ， ( 1 ) 直流母线电压单元 其功能是提供动态电压恢复器在动态补偿过程中所需要的能量，直流母线电压单元 主要有以下两种方式：储能单元和整流单元。 采用储能装置供电即去掉图2 1 点线后所剩部分，采用这种结构不仅能够提供无 功调节，还可以提供有功调节，能够在电网失电的情况下短时补偿供电，起到u p s 的 功能。因为采用独立的直流储能供给，所以保证了直流母线电压的稳定；但是，由于储 能装置有容量的限制，使得它只能提供短时补偿，限制了持续补偿电压暂降的时间，而 且储能装置价格不菲，维护费用较高，增加了d v r 装置的成本。这种结构主要应用在 中压场合，现已投入工业生产应用的d v r 都采用这种结构。 采用整流单元提供直流母线电压即如图2 1 加点线结构，这种结构可以克服蓄电 池容量受限的弊端，能够长时间在线工作。它有可控整流和不可控整流两种。可控整流， 不仅可以维持直流母线上电容两端电压的稳定，而且可以有效解决电压泵升的问题，但 是可控整流本身又存在控制复杂，容易污染电网电流，降低网侧的功率因数等一些不利 因素。 本论文采用不可控整流作为直流母线电压单元，不可控整流结构简单，成本低，可 1 0 2 动态电压恢复器的工作原理 操作行强，可以较容易的实现长时间的持续供电，使系统对稳态电压和暂态电压均可补 偿。其主要缺点是能量只能从系统向电容器单向流动，从而在电压暂升时容易产生能量 倒灌现象。 ( 2 ) 逆变单元 其功能是实现d c - a c 变换，根据控制单元给出的控制命令，把直流电压转换成一 定幅值、相位的交流电压。其核心单元是一个基于全控器件的电压源型p w m 逆变器。 因为是用电能参量电压的变化增量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变化增量的数值和波形，所以也称为d e l t a 逆变器。对于三相d v r 的 逆变器拓扑结构主要有三相桥和三单相桥两种。由于我国大部分中低压电网都采用的是 三相四线制结构，三相电压不平衡的情况很常见，因此，本论文采用的是三单相桥结构 作为逆变器拓扑结构。 ( 3 ) 滤波器单元 其功能是有效滤除开关谐波，保证基波幅值以及相位的不失真传递，并且确保低次 谐波不予放大，避免对电网造成污染。通常采用r 型结构来实现。滤波电路的参数设计 和安装位置对于d v k 的工作具有重要意义。从研究文献中总结得出，目前滤波器的安 装位置大致有三种情况如图2 2 所示； 将滤波器放在逆变器侧( a 处) ，串联变压器的电网侧的电压和电流将不含高次 谐波，对于动态电压恢复器的运行有利。 放在变压器电网侧( b 处) ，可以减少一个滤波电感，但是对变压器的设计容量 会增大，而且滤波效果欠佳。 将滤波器放置在串联变压器电网侧和负载之间( c 处) ，可以把串联变压器漏感 分布参数引入滤波器中，消除其影响。缺点是高频谐波电流只能被变压器绕组中的电感 部分削弱，高频分量的电流将流经电网形成谐波污染。 ( 4 ) 串联变压器单元 图2 2 输出滤波嚣示意图 西安科技大学硕士学位论文 其功能是实现电压的注入和电气隔离。采用串联变压器隔离有以下优点： 降低逆变器直流侧电压等级或者减小直流侧电流的大小，提高装置的可靠性和 选择开关器件的灵活性； 隔离电网和逆变器，使装置的直流母线电压可以直接从电网整流获取。 但是串联变压器的引入，也会带来如下缺点： 由于变压器的非线性，会导致电流畸变，污染电网电流，同时由于谐波电流在 电网内阻抗上的压降，使得电网电压的采样受干扰，导致补偿量检测失真； 变压器的漏抗会增加滤波环节的相移； 变压器的短路阻抗降低了开环控制的精度； 变压器的引入，增加了系统的成本。因此，在有些装置的设计中，考虑到变压 器本身的非线性特点和成本因素，不采用串联变压器，而是直接将逆变器的滤波单元接 入电网。 本论文在综合考虑系统设计的基础上，选择采用串联变压器接入电网的形式 2 2 本研究所采用的d v r 主电路 由于低压配电网多为三相四线制，在发生非对称电压暂降时，存在负序和零序电压。 因此动态电压恢复器不仅要补偿电压暂降，也要补偿电压的不对称。同时为了使控制简 单、可靠性高，本研究采用三相独立式拓扑结构，即由三个单相全桥逆变器控制的动态 电压恢复器补偿电压。目的是为了更灵活地对三相电压进行控制，并提供对系统电压不 对称情况的补偿。这样可以分相控制，互不影响，如果一相出现问题其他两相可以继续 运行，尽管所用的功率器件较多，但容易协调，而且当系统需要补偿基波零序电压或3 k ( k = l ，2 ，3 ) 次谐波时，易于实现，所以它既可以应用于三相对称系统，又能够应 用于三相不对称的场合。主拓扑图如图2 3 所示。 图2 3 主电路结构拓扑图 2 动态电压恢复器的工作原理 2 3 动态电压恢复器的工作原理 d v r 是一种电压源型电力电子补偿装置，串接在电源与重要负荷之间，具有良好 的动态性能。在配电系统正常供电的情况下，d v r 工作在备用状态，其耗损是相当低 的。当电网发生某种电压质量问题时，d v r 会在几个毫秒之内向系统注入电网正常状 态和故障状态下的电压差，使得负载上的电压保持恒定不变，而当系统电压恢复正常后， d v r 再次处于后备状态。 利用传感器、检测系统检测出电网电压，经过对采集到的数据分析、判断，如果需 要补偿，则利用控制环节生成逆变器所需的p w m 信号；再由驱动电路去控制逆变器功 率开关的开通和关断；逆变器输出的电压由l c 滤波器滤除高次谐波后，经过串联变压 器或直接通过滤波器电容注入电网，最终产生补偿电压抵消电网侧电压波动，确保负载 侧电压的稳定运行，提高系统的电能质量。 动态电压恢复器的介入，相当于在电网和负载之间串入一个受控电压源，受控电压 源发出的电压抵消了电网电压的各种畸变量，为负载提供了优质电能。图2 4 为动态电 压恢复器的等效电路图和补偿矢量图： 图2 4d v r 等效电路图和补偿矢量图 2 4 动态电压恢复器的功能 ( 1 ) 消除电压暂降或电压暂升：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暂降现象。 ( 2 ) 减少电压谐波：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，以削弱配电系统中的电压谐波。 ( 3 ) 同时还有消除电压波动，调节电压三相不平衡和不问断供电的功能。 总的来说，d v r 主要用于解决动态电压质量问题，以补偿电压暂降为主要目标， 兼顾治理谐波、电压波动、不平衡等稳态电压质量问题。 2 5 电压暂降检测方法 只有实时、准确地检测到电压幅值和相位的变化，才能够进行快速判断，为后面的 西安科技大学硕士学位论文 补偿环节做好准备。当系统电压发生暂降时，d v r 需要检测出电压暂降的发生、结束 时刻，使得动态电压恢复器可以快速投入和退出运行 2 5 1 传统检测电座暂降的方法 ( 1 ) 有效值计算法 根据连续周期信号有效值的定义，电压有效值可利用时间域一个周期数字均方根运 算得到： ， 眠甄 、f n 智 ( 2 1 ) 式中：n 为每周期的采样数，柚为时间域被采样电压； 为了实时检测电压有效值的骤然变化，实际中常采用一个周期数据序列的滑动平均 计算： 一f 一 矾”2 恃，磊。订 ( 2 2 在电压暂降实时检测中，计算速度的快慢是十分重要的，为了加速测量过程，常用 的方法是取半个周期的采样数