（电气工程专业论文）动态电压恢复器检测系统和充电装置技术的研究.pdf

中科院电工所博士后出站报告 三= ! = = = = = = = ! = = ! = = ! ! = ! = = ! 。 = i l l l ! ! ! ! ! ! = 竺! = ! ! = = ! ! a b s t r a c t d y n a m i cv o l t a g er e g u l a t o r ( d v r ) i sam e m b e ro ff l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) ，i tc a ns o l v et h ev o l t a g es t a b i l i t yp r o b l e mo f p o w e rs y s t e me f f e c t i v e l yb e c a u s eo fi t sd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n ds m a l l c a p a c i t a n c e t h ep e r f o r m a n c eo fd v rc a nb e i m p r o v e db yu s i n g s u p e r - c a p a c i t o r , w h i c hh a sb e t t e rc h a r a c t e r i s t i c st h a no t h e re n e r g ys t o r a g e d e v i c e s i nt h ep r o j e c to n2 0 0 k wd v ro f s u p e r - c a p a c i t o rs t o r a g ee n e r g y , t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ha n dd e s i g nt e s ts y s t e m ，d i g i t a l f i l t e ra n dc h a r g i n gs u p p l y f o r m e e t i n gt h e d e m a n d so f d v r ，t e s ts y s t e ma d o p t sd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa si t sc e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t s i tc a nc o l l e c tv o l t a g e d a t ao fp o w e rs y s t e ma c c u r a t e l a n da c h i e v ec o l l e c t e dd a t af i l t e rq u i c k l y b y i t so w n s t r o n g c a l c u l a t i o n a b i l i t y t e s ts y s t e m h a sr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nw i t ho t h e r s y s t e m so fd v rt h r o u g hc a n c o n t r o l l e rb u i l d i nd s p n o w , t h e r ea r em a n yd i g i t a lf i l t e ra l g o r i t h m ，b u tt h e i rc a l c u l a t i o n s p e e da n dr e s u l ta r en o tg o o de n o u g ht oa d o p t e db yd v r v o l t a g e i n c r e m e n ti n e r t i a lf i l t e ra l g o r i t h mw i t ha m p l i t u d ed i s t i n g u i s h i n ga b i l i t y , c a nc o n q u e rt h ep h a s ed e l a y p r o b l e mo ft h ec o n v e n t i o n a li n e r t i a l f i l t e r , a n de n s u r et h ec r e d i t a b i l i t yo ff i l t e r e dv o l t a g ew a v e f o r ma tt h ep o i n to f a m p l i t u d es u d d e nc h a n g e t h i ss i m p l ea n dh i g he f f i c i e n c ya l g o r i t h mi s a p p l i c a b l ef o rd v rw e l l c o m p a r e dw i t ho t h e re n e r g ys t o r a g ed e v i c e s ，t h ec h a r g i n gt i m eo f s u p e r - c a p a c i t o ri sv e r ys h o r t c h a r g i n gs u p p l yt h a tc a np r o v i d ec o n s t a n t c u r r e n ti s d e s i g n e dt o e n s u r et h e s e c u r i t yo fs u p e r c a p a c i t o rd u r i n g c h a r g i n gp r o c e s s ，i th a sh i g hp r e c i s i o no u t p u tc u r r e n ta n dw i d e r a n g e o u t p u tv o l t a g e ，a n dc a nf i n i s hc h a r g i n gp r o c e s ss a f e t l y k e yw o r d s ：d y n a m i cv o l t a g er e g u l a t o r , t e s t s y s t e m ，d i g i t a lf i l t e r ， c h a r g i n gs u p p l y 一一 中科院电工所博士后出站报告 出站报告说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在合作导师指导下进行的 研究工作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包 含为获得中国科学院电工研究所或其他研究教育机构的学位论文所使 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。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留、论文使用的规 定，即：电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅 和借阅，电工研究所可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解码后也遵循此规定) 签名：之叛合作导师签名：聋毕日期：坦组罗 中科院电工所博士后出站报告 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 电力系统面临的问题 电力能源与国民经济的发展息息相关，直接影响到现代化的工业 生产和人们的正常生活，目前交流输电系统运行和发展面临着各种各 样的问题【l - 7 】，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 电力需求( 对系统输电容量需求) 持续增加，对供电质量要 求愈来愈高，急需在现有的交流输电系统中提高其输电能力。交流输 电系统的输电能力受到系统的静态稳定、暂态稳定、动态稳定、电压 稳定和热稳定的限制，传统交流输电系统由于前四种稳定的限制，使 其输电能力远远低于其热稳定极限。 ( 2 ) 交流输电系统的功率可控性差，即不容易控制输电网络中的 功率流向。在互联系统中，当改变某条线路的功率时，会同时改变其 它线路的功率，或导致环流，使整个系统的潮流都重新分布。功率分 布的自由潮流常造成功率绕送和功率倒流的问题，这将导致输电系统 的大量电能损耗和输电能力下降。 ( 3 ) 传统输电系统中用于提高输电能力和稳定性的设备有串联电 容补偿、并联电容补偿、并联电抗补偿、电气制动电阻和移相器等， 它们可通过调整线路电压、阻抗和功角来改变系统潮流分布和改善系 统稳定性，但这些设备都是机械操作的，反应速度慢，从而限制了其 控制能力和快速性。 以上这些问题的存在，对电网的稳定性带来不利的影响，会导致 电压骤升、骤降、闪变等一系列动态电压质量问题【8 l l 】，一些常见的 动态电压质量问题具体定义如表1 1 所示。 自19 9 1 年起，加拿大电气协会c e a 开始的一项为期三年的电能 质量调查，共有2 2 个电力公司参加了本次调查，在5 5 0 个地点( 工业、 商业和民用) 进行了监测。其工业用户组的调查结果表明：每个用户 中科院电工所博士后出站报告 侧监测点每相每月平均发生3 8 次电压跌落，电源侧平均4 次。民用组 调查结果：用户侧8 5 的监测点每相每月平均发生l o 2 0 次电压跌落， 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2 3 次电压跌落，电源侧为l 一2 次。 表1 - 1 常见动态电压质量问题的定义 电压质量问题电压持续时间 电压骤降1 0 9 0 1 0 m s 1 r a i n 电压骤升 1 l o 1 8 0 1 0 m s 1 m i n 闪变o 1 稳态 电压不平衡0 5 3 稳态 断电 l m i n 谐波 5 稳态 电网电压扰动的存在严重影响了现代化的工业生产，特别是对于 电子制造业、纺织业、食品业、造纸业、化工业、冶金业等行业中， 拥有大量的非常敏感的电气设备，对各种类型的动态电压扰动极为很 敏感，即使是微小的扰动，也很容易导致产品的作废，造成巨大的经 济损失。 英国1 9 9 5 年就电能质量问题对容量超过1 m w 的1 0 0 家用户做了 调查，结果显示在1 2 个月里，6 9 的用户的生产过程因电能质量问题 而受到破坏，其中4 5 的用户遭到多次扰动，在事故原因调查结果统 计中发现8 3 的事故由电压跌落和瞬时供电中断造成。 因此如何确保敏感负荷的在电网波动的情况下正常运行，成为电 力用户急需解决的问题 1 1 2 灵活交流输电系统 灵活交流输电系统 1 2 - 2 3 】( 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 s ， f a c t s ) 也称柔性交流输电系统，这一概念是由美国电力研究院 ( e p r i ) 的n a r a i ng h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年首先提出的。f a c t s 技术 是一种综合电力电子技术、计算机技术、微电子技术、通信技术和控 制技术而形成的用于控制交流输电的新技术。它采用了可靠、高速的 大功率可控硅元件代替目前交流系统中传统的阻抗控制元件、功角控 中科院电工所博士后出站报告 制元件以及电压控制元件等中的机械式高压开关，配以通讯和控制系 统，从而实现交流输电系统的灵活、快速控制。并且可以方便地调节 系统参数，有利于实现整个系统的高度自动化。 基于大功率可控硅技术的f a c t s 控制器较多，表l 一2 给出了部分 f a c t s 控制器的性能。 表1 2 部分f a c t s 控制器的性能对照 性能 抑 有无电电无谐暂电制 名称 功功压流 功波态压故 控控控控 补抑稳稳障 制制制制 偿制定定电 流 静止无功补偿器 ( s v c ) + + 静止同步补偿 ( s t a t c o m ) + + + + 可控制动阻抗 ( t c b r ) + + 静止同步串联补 偿器( s s s c ) + 可控串联电容补 偿( t c s c ) + + + 可控串联电抗器 ( t c s r ) + 可控电j 土调节器 ( t c v r ) + 可控相角调节器 ( t c p a r ) + 可控移相器 ( t c p r ) + + 动态电压恢复器 ( d v r ) + 注：+ 表不具有该项功能，一表示不具有。 f a c t s 技术对交流输电系统的主要作用有以下几个方面： ( 1 ) 潮流控制，可有效地控制输电网潮流流向，实现潮流按规定 输电路径分布。 ( 2 ) 提高现有输电系统的输电能力、可靠性和供电质量，可使输 电系统的安全运行能力接近热极限。 t 1 科阮屯上所碍士后出珀报吉 ( 3 ) 增强各地区网之问的功率交换能力，备用容量相互融通，从 而可减少系统热备用容量( 对于美国电网可从1 8 减小到1 5 或更 小) 。 ( 4 ) 实现事故限制，防止连锁性事故扩人，减少事故恢复时间及 停电损失。 ( 5 ) 抑制系统的低频振荡和次同步振荡。 ( 6 ) 节省输电线路建设的投资，如美国2 3 0 k v 7 6 5 k v 输电线路 的每英里平均造价为3 0 万美元，而改用f a c t s 装置的费用仅为线路 的1 0 。 113 动态电压恢复器 动态电压恢复器。4 7 1 ( d y n a m i cv o l t a g er e g u l a t o r ，d v r ) ，作为 f a c t s 家族中的重要成员，具有补偿电压与供电回路阻抗无关、设备 容量小、动态响应快等特点。其良好的动态性能和容星上的相对优势 使其成为治理动态电压问题最经济、有效的手段之一。 动态电压恢复器的硬件电路丰要由储能装置、逆变装置、无源滤 波器和串联变压器等几个部分构成，其基本结构及与系统的连接如图 1 1 所示。 广、j 电网电潭侧 唯 例i ld v r 的基本结构及与系统的莲接蹦 ( 1 ) 直流储能单元，其功能是存储和提供d v r 在动态补偿过程 中所需的能量。目前主要采用的是蓄电池储能，还有飞轮储能、超导 储能等系统； ( 2 ) 逆变器单元，功能是实现d c a c 变换： ( 3 ) 滤波器，用丁消除逆变器输出的高次谐波，以免对电阅造成 污染； 蝥翌 一i = = = f 卜一 障 _ _ t 网 中科院电工所博士后出站报告 ( 4 ) 变压器，其功能是实现电压的注入和电气隔离。 此外还存在有用于直流储能单元和直流电压母线相联接的 d c d c 变换器，检测电压、电流的检测系统和故障情况下的保护装置 等。 d v r 的工作原理为：利用检测系统检测出电网电压和电流，经过 对采集到的数据分析、判断后，如果需要补偿，则利用补偿策略确定 出补偿电压的幅值和相位；然后生成逆变器所需的p w m 信号；再由 驱动电路去控制的功率开关；逆变器输出的电压由l c 滤波器滤除高 次谐波后，再经过串联变压器注入电网，最终产生与补偿指令相同的 补偿电压来抵消电源侧电压中的各种扰动，以提高系统的电能质量。 动态电压恢复器的补偿方式主要有相位补偿和能量补偿【4 弘4 9 1 ，具 体可以分为： ( 1 ) 跌落前相位补偿( p r e s a gc o m p e n s a t i o n ) ，即时刻保持补偿 后的电压与发生电压跌落前的电源侧电压相位、幅值都相同，因此可 以保证负载处的电压在电源侧电压发生波动时恒定不变，但是这种补 偿方式会消耗储能装置中的能量。原理示意图如图1 2a ) 所示，图中 矾表示跌落前电压，醍表示跌落后电压，v r 表示动态电压恢复器 的输出电压。 ( 2 ) 同相位补偿( i n p h a s ec o m p e n s a t i o n ) ，即时刻保持补偿后 的电压与实时检测到的电源侧电压同相位，与负载电流和波动前的电 压相位无关，采用这种补偿方式可以使d v r 输出的电压幅值最小。 原理示意图如图1 2b ) 所示。 ( 3 ) 能量最优补偿( e n e r g yo p t i m a lc o m p e n s a t i o n ) ，即保持d v r 的输出电压与负载电流相垂直，这样d v r 不输出有功功率，只输出 无功功率。与前两种方式相比，采用能量最优补偿时，d v r 输出的电 压幅值最大。 a ) 下陷前相位补偿b ) 同相位补偿 图1 2d v r 的补偿方式 中科院电工所博士后出站报告 1 1 4 电力储能在电力系统中的应用 对于动态电压恢复器而言，其储能装置性能的好坏，将会直接影 响它的补偿能力，目前在电力系统中所使用和正在研究的电力储能装 置主要有以下几种 5 0 - 5 3 】： ( 1 ) 蓄电池储能，通过电能和化学能之间的相互转化，来存储能 量。主要使用的是镉镍蓄电池和铅酸蓄电池。 ( 2 ) 飞轮储能，通过电动发电机系统与外界进行能量交换。当飞 轮储存能量时，飞轮储能系统作为电动机运行，飞轮加速。当飞轮释 放能量时，飞轮储能系统作为发电机运行，飞轮减速。电动发电机和 电力变频装置可以采用多种组合方式。 ( 3 ) 超导储能，超导储能是利用由超导导线制成的线圈，将电网 供电励磁所产生的磁场能量储存起来，在需要时再将此储存能量送回 电网或作它用。 ( 4 ) 压缩空气气体储能，系统由两个独立的部分组成，充气( 压 缩) 循环和排气( 膨胀) 循环。压缩时，电动机发电机作为电动机工 作，将高压空气压入地下储气室。用电高峰时，电动机发电机作为发 电机发电，这时从储气室出来的空气先经过回热器预热，然后在燃烧 室内进一步加热后进入膨胀系统。 ( 5 ) 抽水蓄能储能，用电低谷时，利用多余的电能将下位水库的 水抽至上位水库，在用电高峰时，上位水库放水发电。 上面所介绍的电力储能技术，其相互间的性能比较如表1 3 所示。 从表中的数据可以看出，目前只有蓄电池储能技术具有较好的可 用性，并且已经在电力储能的实际应用中起到了巨大的作用。但是蓄 电池本身有着无法克服的缺点： ( 1 ) 充电时间长，时间长达数小时，无法适应电网负荷的频繁变 动； ( 2 ) 功率密度小，在负荷突变的情况下，瞬间提供的能量补偿较 小； ( 3 ) 寿命短，只能循环使用几百次，铅酸蓄电池的一般使用年限 仅为3 5 年，镉镍蓄电池为1 0 2 0 年； ( 4 ) 对工作环境要求高，铅酸蓄电池一般在一2 0 0 c 时就不能正常 中科院电工所博士后出站报告 放电，因此要有专门的房间，占地面积大，并且会释放出有毒的气体， 对环境有污染。 ( 5 ) 蓄电池的漏电流较大，需要经常充电，维护困难。 表1 - 3 不同电力储能技术间的比较 蓄电池 抽水蓄能压缩空气 飞轮储能超导储能 储能储能气体储能 效率( ) 9 07 06 0 5 09 0 储能容量商中晶两两 模块性 是是否否否 循环寿命无限几百次几千次几千次无限 充电时间m l nhhhh 地点可用性 极高 中低低很低 储能测定极好差极好极好极好 建设时间以周计月年年年 环境影响 良好 大 极大极大很好 事故后果低中岛中高 环境控制无显著一磐一止匕无 热需求液氮提高无高液氮 可用性正在开发已应用受地理限制受地理限制正在开发 综上所述，目前电力系统急需一种新型、高效、实用的储能系统 来替代传统的蓄电池储能，以进一步满足某些特定场合对储能装置的 实际需求。 1 1 5 超级电容器 超级电容裂5 4 5 8 】( s u p e r c a p a c i t o r 或u l t r a c a p a c i t o r ) 是近年来出现 的种新型能源器件，与常规电容器不同，其容量可达法拉级甚至数 千法拉。它兼有常规电容器功率密度大、充电电池能量密度高的优点， 可快速充放电，而且寿命长，将发展成为一种新型、高效、实用的能 量储存装置，是介于蓄电池和电容器之间的一种新型的能源器件，其 主要优点如下： ( 1 ) 很高的功率密度 中科院电工所博士后出站报告 超级电容器内阻很小，并且在电极溶液界面和电极材料本体内部 均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高达数千 瓦每千克，是任何一种化学电源都无法比拟的，是二般蓄电池的数十 倍。 ( 2 ) 极长的充放电循环寿命 超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可 达万次以上。当今蓄电池的充放电循环寿命只有数百次，为超级电容 器的几十分之一。 ( 3 ) 非常短的充电时间 从目前已经做出的超级电容器充电试验结果来看，在电流密度为 7 m a j c m 2 时( 相当于一般蓄电池充电电流密度) ，全充电时间只要 1 0 1 2 m i n ，而蓄电池在这么短的时间内是无法实现全充电的。 ( 4 ) 妥善解决了储能设备高功率密度和高能量密度输出间的矛盾 一般说来，能量密度高的贮能体系其功率密度不会太高；同样， 一个贮能体系的功率密度比较高，其能量密度就不会很高，许多电池 体系就是如此。超级电容器在可以提供1 5 k w k g 高功率密度输出的 同时，其能量密度可以达到5 2 0 w k g 。将它与蓄电池组合起来，就 会成为一个兼有高能量密度和高功率密度输出的贮能系统。 ( 5 ) 贮存寿命极长 超级电容器充电之后贮存过程中，虽然也有微小的漏电电流存在， 但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动乃是在电场的作用下 产生的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质。再者， 所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，因而超级电容器的贮 存寿命几乎是无限的。 ( 6 ) 可靠性高 超级电容器在工作过程中没有运动部件，维护工作极少，更不必 像蓄电池那样需要充电维护，因而超级电容器的可靠性是非常高的。 目前在西铁城光电动能手表中使用了由超级电容器和太阳能电池组成 的动力源，可使手表终身可靠工作。 表1 4 是超级电容器与常规电容器、蓄电池的性能比较。从表中 的数据中可以看出，超级电容器除能量密度较低外，其它性能完全优 于蓄电池，因此可以应用于电力系统中作为储能装置，通过替代蓄电 中科院电工所博士后出站报告 池，或和蓄电池相结合的方式来满足电力系统的发展对电力储能装置 的需求。 表1 - 4 超级电容器与常规电容器、蓄电池的性能比较 常规电容器超级电容器蓄电池 充电时间 0 3 s0 3 s - 3 m i n1 5 h 放电时间 o 3 s0 3 s - 3 m i no 3 3 h 能量密度( w h k g ) 1 0 s 9 5 9 5 7 0 8 5 超级电容器与蓄电池、飞轮等储能器件一样，在电力储能系统中， 作为储能单元不能和电网直接相联，需要有必不可少的外围硬件电路 来完成能量的转换，并且还要有相应的控制算法。 1 2 研究现状 1 2 1 动态电压恢复器的研究现状 第一台工业应用的动态电压恢复器由w e s t i n g h o u s e 公司于1 9 9 6 年研制成功，并安装在d u k e 电力公司的1 2 4 7 l 【v 系统上，装置的容 量为2 m v a ，主要用于抑制纺织厂供应电压的上凸( s w e l l ) 和下凹 ( s a g ) 。随后a b b 、西门子等公司也相继开发出各自的相关产品来 保证敏感负荷对电压质量的要求。 近年来，国内学者也开始对d v r 进行研究。目前主要有以下研 究成果： ( 1 ) 清华大学研制出一台单相d v r 实验装置，在负载为8 0 0 w 的情况下进行了对电压跌落的补偿实验，系统的响应时间为4 m s ： ( 2 ) 西安交通大学研制成功三相四线制d v r 装置，容量为6 k w ； ( 3 ) 东南大学研制成功“7 5 k v a 串联型电能质量补偿装置”，装 置能有效地抑制电源电压跌落、上升、不对称和谐波等畸变，从而保 证用户的电压质量。该装置采用高性能的d s p 数字化控制单元、先进 的测量方法、保护完善和运行可靠的i g b t 功率变换器，补偿范围为 中科院电工所博士后出站报告 3 0 - - - + 3 0 、采样频率1 2 8 k h z 。 此外还有华北电力大学等少数高校和科研单位进行了相关的研 究。但目前国内外所研制的动态电压恢复器，其储能装置采用的基本 是蓄电池储能、飞轮储能和超导储能，在这些储能装置中，有的性能 不理想，有的技术还不完善，因此限制了动态电压恢复器的进一步发 展。特别是国内的研究仍处于实验阶段，所研究的d v r 装置容量较 小，性能与实际的工业需求相差较多。 1 2 2 超级电容器的应用现状 自从1 9 5 7 年美国人b e c k e t 发表第一篇关于超级电容器的文章以 来，超级电容器的发展不断推陈出新，而且出现了众多名称，比如 “u l t r a c a p a c i t o r ”、“e l e c t r o c h e m i c a lc a p a c i t o r ，e c ( 电化学电容器) ”、 “e l e c t r i c a ld o u b l e - - l a y e rc a p a c i t o r ，e d l c ( 双电层电容器) 等等。 1 9 8 3 年，日本n e c 公司率先将超级电容器推向商业化市场，从此， 超级电容器引起了人们的广泛兴趣，研究开发热潮开始席卷全球。目 前，对超级电容器的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 混合型电动车的加速或起动电源 在电动车起动、爬坡等特殊情况下由超级电容器提供峰值功率， 同时在刹车、空载时回收机械能量。其它时间由蓄电池提供能量支持， 这样可以大大延长蓄电池的使用寿命，降低总成本。 ( 2 ) 优秀的贮能装置 现有超级电容器产品，其电容范围有4 - - 一2 7 0 0 法拉，它不仅已经 用作光电动能电子手表和计算机存储器等小型装置的电源，而且还可 用于固定电站。在边远的缺电地区，超级电容器可以和风力发电装置 或太阳能电池组成混合电源，即使在无风或夜间情况下，也可以提供 足够的电能。卫星上使用的电源大多是太阳能电池与镉镍电池组合的 混合电源；一旦装上了超级电容器，那么卫星的脉冲通讯能力定会得 到改善。 ( 3 ) u p s 系统和应急电源 当今的u p s 系统大多使用铅酸蓄电池作为应急电源。由于它的充 电接受能力远不如超级电容器，在频繁停电的情况下使用时，就会因 中科院电工所博士后出站报告 长期充电不足而使电池硫酸盐化，从而缩短使用寿命。超级电容器在 这种情况下，由于可以在数分钟内充足电，就完全不会受到频繁停电 的影响。另外，在某些特殊情况下，超级电容器的高功率密度输出特 性，会使它成为很好的应急电源。 ( 4 ) 脉冲电源 激光探测器或激光武器需要大功率脉冲电源，若为移动式的，就 必须有大功率的发电机组或大容量的蓄电池，其重量和体积会使激光 武器的机动性大大降低。超级电容器可以高功率输出并可在很短时间 内充足电，完全可以满足要求。 1 3 主要研究内容 由于动态电压恢复器对于提高电网稳定性，消除电网动态电压波 动对负荷的不利影响具有显著的作用，所以针对目前的国内外研究现 状，充分利用超级电容器这新型储能器件在电力储能中的特点，将 研制“以超级电容器为储能装置的容量为2 0 0 k w ，适用于3 8 0 v 低压 配电网的动态电压恢复器 作为课题的研究方向。本人在该课题中主 要研究内容包括： ( 1 ) 研制适用于动态电压恢复器的检测系统 动态电压恢复器针对电网的三相电压进行补偿，这就要求检测系 统能够对电网电源侧的三相电压进行实时、精确的检测。检测系统不 仅能够对工频电压及其谐波和电压闪变进行检测，而且还要能及时的 捕捉到电压突变的产生，因此检测系统必须具有响应速度快、检测频 率范围宽、精度高、线性度好等特点。 此外，由于d v r 采用的是模块化设计，因此检测系统还必须具 有与d v r 主中央处理器进行实时通讯的能力，通过对通讯方式的选 取将会进一步提高d v r 的整体性能。 ( 2 ) 研究适用于动态电压恢复器的数字滤波算法 由于检测系统采集到的数据中不仅仅包含电网电压信息，而且还 包含有电路中的干扰信号，以及a d 转换本身的误差，这些干扰信号 和误差会严重影响d v r 对电网状态的分析和判断，因此要采用数字 滤波算法对采集到的数据进行处理，在确保真实电压信号不失真的前 中科院电工所博士后出站报告 提下，有效滤除干扰信号和a d 误差的影响。 ( 3 ) 设计为超级电容器组提供充电的充电装置 为了保障d v r 能够正常工作，在完成一次电网补偿后，需要及 时的对超级电容器组进行充电，使其电压恢复到额定值。虽然利用 d v r 自身的逆变装置可以实现这一功能，但是这会造成负荷侧电压幅 值或相位的波动，背离了d v r 的使用原则，因此需要有专门的充电 装置，在电网电压正常的情况下，来完成对超级电容器组的充电过程。 中科院电工所博士后出站报告 第2 章动态电压恢复器检测系统的设计 动态电压恢复器的检测系统，其主要的功能是实时检测电网电压， 同时为了避免由于检测电路中的干扰信号而引起的误判断，所以还要 对检测到的电网电压数据进行滤波，然后再送至d v r 主中央处理器 进行下一步的分析工作。检测系统主要包括有硬件电路和软件算法两 大部分。 2 1 检测系统硬件结构 检测系统的硬件电路主要包括有中央处理器( c p u ) 、传感器、放 大滤波电路、通讯电路等部分组成，总体框图如图2 1 所示。 传 感 器 2 1 1 中央处理器 图2 1 检测系统结构框图 中央处理器作为检测系统的核心控制器，采用的是t i 公司生产的 1 6 位定点d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，与其它d s p 相比，该型号的 d s p 具有以下特点： ( 1 ) 4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0 m h z ) ， 确保了其强大的实时控制能力； ( 2 ) 片内有高达3 2 k 字节的f l a s h 程序存储器，2 k 的单口 r a m ，完全可以满足编程的需求，不用单独增加片外的程序和数据存 储器，因此可以减小电路体积，简化结构，增加可靠性； ( 3 ) 1 6 路a d 采集通道，a d 转换精度为l o 位，对额定工作 范围内电压的分辨率小于l v ，因此可以满足对多路电信号进行精确采 集的需求； 中科院电工所博士后出站报告 ( 4 ) 片内集成了局域网络( c a n ) 2 0 通讯模块，和串行通信接 口( s c i ) 模块，为d s p 之间数据传递提供了多样、灵活的手段。 此外t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 还具有4 0 个可单独编程或复用的通用输入 输出引脚( g p i o ) ，以及5 个外部中断，所有这些功能、特点使得该 型号d s p 完全可以满足动态电压恢复器对检测系统控制器的要求。 2 1 2 传感器 由于动态电压恢复器的补偿对象是电压，所以要利用电压传感器 对电网电源侧的电压进行实时检测。为了能够及时、准确地捕捉到电 网电压骤变的发生，系统对电压传感器的要求如下： ( 1 ) 输入侧与输出测之间可靠电气隔离，确保电网侧的强电与 控制电路的弱电互不干扰； ( 2 ) 工作频率范围宽，为了能够对电压骤变进行快速的捕捉和准 确的判断，电压传感器的输出电压波形在突变处要能真实地反映出输 入电压波形的特征，即对高频电压信号具有良好的通过能力； ( 3 ) 线性度范围宽，非线性度小，精度高； ( 4 ) 时滞小，即输出电压波形滞后于输入电压波形的相位小； ( 5 ) 为了减小干扰对传感器输出信号的影响，应采用电流输出型 的电压传感器。 以上面的几点要求为依据，经过型号的选择和对比，在所设计的 检测系统中采用了北京星格测控技术有限公司的产品s p t 2 0 4 a 型电 压传感器，其具体的性能指标如表2 1 所示。 表2 1 电压传感器的性能指标 型号额定输入非线 线性范围 隔离耐压相移饱和 输出性度电压 s p t 2 0 4 a2 m a 2 m a 2 5 0 0 v o 7 5 v c c待机 - i r s 1 0ua 1 0 l la 一i r s 2 0 0 pa斜率控制 0 4 v c c v a s 0 6 v c c v r s o 3 v c c 高速 - i r s 5 0 0ua 由于所设计的d v r 各模块之间的距离很短，并且传送的数据量 大，因此8 2 c 2 51 选择了高速工作模式，即管脚8 直接接地。管脚5 在使 用过程中为悬空状态。 2 2 软件编程 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 即支持汇编语言，又支持c 语言编程。考虑到 检测系统的任务不仅仅是对电压信号进行采集，同时还要对采集到的 数据进行数字滤波，而在滤波算法中不可避免的要使用到大量的、复 杂的数学公式，因此选择c 语言编写程序，会使程序更加简洁，可读 性更强。程序由主程序和a d 中断子程序两大部分组成。 2 2 。1 主程序 检测系统的主程序流程图如图2 5 所示。主要包括以下内容： ( 1 ) 系统初始化，置“s x m ”位，清“o v m ”位，清“c n f 位，清中断标志寄存器，关闭看门狗，允许i n t l 中断，设置s c s r l 寄存器， ( 2 ) i o 初始化，将i o p e 设为输入端口，利用其第3 位来检测 d v r 主中央处理器发出的“开始”信号； ( 3 ) 定时器初始化，利用d s p 内部事件管理器b 的定时器4 来 触发a d 转换。将定时器4 设为连续增计数模式，选用内部时钟且4 分频，允许其周期中断触发a d 转换； ( 4 ) a d 初始化，利用第2 转换通道对电压信号进行采集： ( 5 ) c a n 初始化，设置i o p c 6 、i o p c 7 为c a n r x 、c a n t x ， 中科院电工所博士后出站报告 传送波特率设为1 m ，屏蔽所有c a n 中断，邮箱3 设为发送邮箱。 ：薹二 广v 一 l 一竺j 壶：二 臣二壶：橐司 n 亘y 竺t 砸蜩 l 宣 n y ， ! ( 结束) 。 图2 - 5 主程序流程图 一1 9 一 中科院电工所博士后出站报告 2 2 2 中断子程序 定时器定时时间到达触发a d 转换，a d 转换器完成对规定的通 道进行采集后，会生成中断信号，此时d s p 响应该中断信号进入中断 子程序。a d 中断子程序的任务有以下两点： ( 1 ) 读取a d 采集结果，将结果保存到规定的数组中，并进行 数字滤波； ( 2 ) 将滤波后的数据利用c a n 总线传送给d v r 主中央处理器。 中断子程序的流程图如图2 - 6 所示。 ，一一、 ( 开始) 一， 2 3 实验 丫 ：b 辱a d r e s u l t i 2 】滤波后的数据 放入c a n 总线的邮箱3 中 ，一一 ! 一一 兰! ! ! 三竺：竺：! 登竺! 竺 二墨1 二二 ( 素一、 ( 、堂墅) 图2 - 6 中断子程序流程图 以前面所介绍硬件电路和软件编程为依据，研制了实验用d v r 的检测系统，进行了相关的实验。实验过程中，采用电压突变发生器 ( v d s - - 2 2 0 v b ) 来模拟电压骤降的发生。图2 7 为示波器显示的电 中科院电工所博士后出站报告 压突变发生器输出电压波形。检测系统通过电压传感器，a d 转换对 实际电压波形进行采集，并将采集到的数据通过c a n 总线发送至 d v r 主中央处理器。图2 8 为利用d v r 主中央处理器接收到的检测 数据而绘制成的检测电压波形。 ； 羚 ：；烈jj 弧；：弧j ；氧j j 氧i 泰 瓜_ 灸 ；羚；l ， 1 ，v t - v - i _ f ，t l l i _ ：娃ii 鹾i ；磷ji 鞣 图2 7 实际电压骤降波形 图2 - 8 检测电压波形 从实验结果的对比可以看出，通过检测系统对电压波形的采集和 数据传递，d v r 主中央处理器得到的电压数据基本上是真实、正确的。 但是，由于初步的实验只是用于对检测系统的硬件电路设计、c a n 总 线通讯，以及软件编程的可行性进行验证，因此在软件编程中没有加 入数字滤波算法，即绘制图2 8 所示电压波形时利用的数据是没有经 过数字滤波的采集数据。 中科院电工所博士后出站报告 2 4 本章小结 在本章的内容中，首先对检测系统的硬件电路进行了设计，介绍 了中央处理器、电压传感器，相关芯片的选择及使用，并且分析了各 种电路的具体功能和参数。其次讨论了检测系统的软件编程，明确了 主程序和子程序的分工，给出了相应的软件流程图。最后通过实验对 实际的硬件电路和编写的采集、通讯程序进行了验证，实验结果表明 所设计的检测系统实现了对电网电压的快速采集，和c a n 总线的实 时通讯，可以满足d v r 对检测系统的实际需求。 中科院电工所博士后出站报告 第3 章适用于d v r 的数字滤波算法 目前，应用于软件编程中的数字滤波算法很多，例如平均值法、 惯性滤波法、巴特沃思逼近法、切比雪夫逼近法等等f 5 9 巧3 1 ，这些滤波 算法都已经比较完善，分别适用于不同的工程实践场合，并且效果明 显。但是对于数字滤波，d v r 有着其独特的需求： ( 1 ) 滤波算法简单、速度快，其运算速度直接决定了检测系统的 检测频率。对于检测系统来说，在相邻的两次a d 转换之间，不仅仅 要完成数字滤波，而且还要完成滤波后数据的c a n 总线发送，由于 c a n 总线在波特率一定的情况下，通讯时间是固定的，因此只能通过 缩短滤波算法运算时间的方法，来满足提高a d 采集频率的要求； ( 2 ) 具有良好的低通特性。所采取的滤波算法必须对电网的工频 电压，以及其低次谐波具有良好的通过能力，而对电路的高频干扰信 号和d 自身的转换误差要有明显的滤除作用，这样才能保证d v r 对当前电网电压的状态做出正确的分析和判断； ( 3 ) 对电压幅值突变的鉴别。当电网电压发生突变时，由于低通 滤波器对高频信号的滤除作用，使得滤波后的电压突变波形具有明显 的失真，不能真实的体现出电网的实际状态，导致d v r 无法对电压 突变做出及时、准确的判断，从而极大的影响了d v r 的整体性能。 因此d v r 所采用的滤波算法必须在能够有效消除高频干扰信号的前 提下，确保电压突变处的电压波形真实性，即具有电压幅值突变的鉴 别能力。 从以上这三点可以看出，目前现有的各种数字滤波算法是无法直 接应用于d v r 的。在所设计的d v r 检测系统中，以传统的惯性滤波 为基础，改正了其滤波前后相位滞后的缺点，并添加了电压幅值突变 的鉴别算法，从而形成了适用于d v r 数字滤波的新算法。 3 1 电压惯性滤波 电网电压通过电压传感器、放大滤波电路和a d 转换后，变为动 中科院电工所博士后出站报告 态电压恢复器检测单元所需要的数字量。设x ( 1 ) 、x ( 2 ) x ( n ) ，表示 a d 转换后的r 1 个原始数据，y ( 1 ) 、y ( 2 ) y ( n ) 表示与x ( 1 ) 、x ( 2 ) x ( n ) 相对应的滤波后数据，则惯性滤波算法可以用公式表示为 砌) ( 卜扣川) + 和) ( 3 - 1 ) 式中 采样周期； 只滤波时间常数， 如果令 口= ( 3 2 ) 、7 if 则公式( 3 1 ) 可以简化成为 y ) = o - c t ) y ( n - 1 ) + a x ( n )( 3 3 ) 当采样周期正固定时，随着滤波时间常数t 的增加，口的值变小， 算法对高频信号的滤除效果愈加明显。但是采用惯性滤波，虽然可以 有效的滤除干扰信号和a d 转换误差对电压波形的影响，使其更加平 滑，但是与滤波前相比，滤波后的电压波形不仅存在有明显的时滞， 并且在电压幅值突变处波形畸变明显，如图3 1 所示，不能反映出电 网的真实状况，这使得惯性滤波无法直接应用于动态电压恢复器的数 字滤波中。 a ) 电压正常时的对比b ) 电压突变时的对比 图3 1 惯性滤波前后电压波形对比 中科院电工所博士后出站报告 3 2 电压增量惯性滤波 通过三角函数的推导可知，对于波形为正弦波的电网电压，相邻 几个采样点的采样数据x ( m ) 、x ( m + 1 ) x ( n 1 ) 、z ( n ) ，它们彼此间前后 的电压增量x ( m + 1 ) - x ( m ) 、x ( m + 2 ) - x ( m + 1 ) x ( n ) x ( n 1 ) 的变化也是符 合正弦波规律的，并且可以同样反映出电网电压的波动，因此完全可 以通过对电压的增量x ( m + 1 ) - x ( m ) 、x ( m + 2 ) - x ( n l + 1 ) x ( n ) 一x ( n 1 ) 进行 滤波来达到对电压幅值x ( i n + 2 ) x ( n 1 ) 、文n ) 滤波的目的。设a y ( m ) 、 a y ( m + 1 ) a y ( n ) 为滤波后的电压增量，其滤波算法公式可以表示为 每( 雅) = ( 1 - o t ) ( y ( n - 1 ) - y ( n 一2 ) ) + 口( 万) - y ( n 1 ) ) ( 3 4 ) 对电压增量进行惯性滤波后，电压值) ，( n ) 为 y ( 以) = y ( n - 1 ) + 缈( 以)( 3 - 5 ) 将公式( 3 4 ) 带x ( 3 5 ) 可得 j ，( 订) = y ( n - 1 ) + ( 1 -