（电力系统及其自动化专业论文）动态电压恢复器的研制.pdf

一一一一一一一一一一 1 p j 丝t 大 学 ( 北 京 ) 硕 士 学 位 论 文 第一章绪论 1 . 1 电压暂降 电能是现代社会的主要能源，是人类现代文明的最重要的物质基础之一，高质 量的电力供应已成为现代社会生产、生活得以顺利进行和稳定发展的基本条件。上 世纪八十年代以来，一些新型电力负荷对电能质量的要求不断提高，电能质量已成 为电力企业和用户共同关心的问题。电能质量诸多问题中，由电压波动，包括电压 瞬时低下、升高、闪变等造成的危害最为普遍。统计表明，大型电力用户，幅度超 过 2 0 %的暂降年发生率在 1 0 -2 0次左右。许多高度自动化连续生产过程，每次暂 降发生造成的经济损失达数十万至数百万美元之多。可见，减少或减缓电压波动的 发生及其造成的危害是提高供电质量的重要内容。 电压暂降或下跌是指供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象。 在电网中这种现象的持续时间大多为0 . 5 -1 . 5 s 。 国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 将电压暂降定义为供电电压有效值快速下降到额定值的9 0 %- - 1 0 %， 然后回升 一 至正 常值附近;而国际电工委员会 ( i e c ) 则将其定义为下降到额定值的9 0 %一1 4 0 ， 持 续时间 为i o m s - i m i n o 引起电压暂降的原因很多，但主要是雷击、短路故障和大型异步电动机启动等 p 1雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压暂降或供电中断的主要 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。 据文献资料介绍， 因雷击而引起的电压暂降次数部分地区约占总次数的6 0 % , 并且持续时间一般超过 5 个周波，所以在方圆几千平方公里内的任意处的雷击都将 会影响到该区域内的任一敏感负荷的正常、安全运行。 系统故障是引起电压暂降或供电中断的又一主要原因之一。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 无延时地予以切除。此外即使无延时保护，从监测到故障到断路器开断故障，目前 最快也需要 3 -6个周波。在故障期间，当在故障线路及其邻近线路上接有敏感负 荷时，将会因电压暂降而被跳闸退出工作。另外，当保护动作后伴随着重合闸时， 由此而引起的电压暂降次数将成倍数增加。并且，规定时间间隔的连续跳闸是造成 瞬时供电中断的主要因素之一。 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 电压暂降，这种电压暂降下降幅度不大，影响范围也小。 其他如开关操作、电容器组或变压器投切等也有可能引起电压暂降。 羔型生量! ! 盔堂g ! 室2 翌圭堂垡笙塞 1 2 相关数据和调研报告 下图所示为日本关西电力公司的典型统计结果。可以看出，大多数电压暂降为 跌幅2 0 以内，持续时间l o o m s 以内的故障。 图1 i 电压暂降幅度与持续时间统计 下图是用电设备受电压暂降以及供电中断的影响，可以看出电压暂降对于电力 系统的用电设备的影响巨大。 0o l 00 501 0 20 5 12 持续耐词( s ) 图1 2 用电设备受电压暂降及供电中断的影响 为了了解国内用户对电能质量中电压暂降的感受程度，我们做了相应的调研。 凋研单位有中科院北京半导体研究所、中国有色金属研究总院( 半导体上市公司) 、 瑞萨四通集成电路有限公司、山特维克( s a n d w i k ) 刀锯公司、中国网通( 从事 i n t e r n e t 和i p 业务) 、卢卡欺伟利达廊重制动器有限公司( 机床制造) 等。这些 单位的工业生产过程经常因为供电系统电压暂降而遭到破坏，发生次数从5 6 次 年至2 0 一3 0 次年不等。不但造成了很大的经济损失，有时还会对员工的人身安全 造成伤害。为了解决这些问题，上述公司采用的方法有加装u p s 、配置备用电源、 加装稳压器等。 下图为瑞萨四通集成电路有限公司供电部门使用时代集团生产的电能质量监测 装置监测到的某次供电系统电压暂降的录波图。 2 塑垄奎兰g ! 塞2 堡主堂堡垒壅 图1 3 电压暂降录波图 1 3 研究现状和解决方法 电压暂降的危害，可以从三方面采取措施来加以解决： ( 1 ) 减少公用电网的故障。 ( 2 ) 降低设备对电压暂降的敏感度或易受影响用户在设备订货合同上向制造商 明确这方面的技术要求。 ( 3 ) 加装处理装置。传统的做法是采用不问断电源( u p s ) 、采用备用线路以及 安装备用发电机或其他设备。这些方法不是最佳和最经济的，价格昂贵而且效率很 低，运行功率损耗也较大。为了克服上述一般方法的不足，找出投资少、效果好、 能耗低的补偿方法一直是电力研究人员努力的目标。用户电力技术( c u s t o mp o w e r l 是上世纪九十年代开发的新技术，可以解决电压暂降、凸起、瞬时间断等配电系统 扰动所引起的种种问题。 用户电力技术是指把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户 对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电力。这其中的主要产 品有固态断路器+ 静态补偿器s t a t c o m 、动态电压恢复器d v r ( d y n a m i cv o l t a g e r e s t o r e r ) 等。 d v r 装置是多学科、多领域交叉发展的产物。现代电力电子技术的发展，带来 了可供选择的多种电路拓扑结构以及先进的调制技术。电力电子器件的发展带来了 更高可靠性、更高开关频率、更低损耗的功率器件，这其中包括已经得到大规模使 用的i g b t 和i g c t 器件以及智能功率模块i p m 。这些可以工作在较高开关频率( 1 0 k 以上) 的功率器件是研制d v r 装置的基础。现代控制理论的发展使我们拥有了更 3 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 多的算法选择，这些控制理论的使用增强了系统的经济性、稳定性、可靠性，使装 置趋于职能化。微处理器的发展为我们实现各种较复杂的算法提供了物质基础。在 以往，实现较高的开关频率和实现较复杂的控制算法一直是一对矛盾。当前高速、 高集成度的微处理器使上述两者达到了一定程度的统一。面向控制领域的处理器其 优化的硬件设计使软件的设计任务大大简化，这不仅减轻了开发者的负担，更重要 的是减小了系统软件的规模，从而为实现更复杂的算法打下了基础。 上述这些技术的发展使d v r 装置的实现成为可能，而d v r 装置进一步向大功 率、智能化方向发展仍然依赖于这些技术的进一步发展。 1 d v r 的功能 d v r 是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和重要负荷之间。它具有 很好的动态性能，当发生电压暂降或凸起时，能在很短的时间( 几个毫秒) 内将故 障处电压恢复到正常值。 下图说明了d v r 在配电系统电压暂降时如何将电压迅速恢复到正常值。在配电 系统正常供电情况下，d v r 工作在备用状态，其损耗是相当低的。当系统电压发生 暂降或凸起的时候，d v r 装置立即( 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，使其迅速恢复正常。注入电压的幅值和相角均可控制，补偿所需 的有功和无功都由d v r 提供，d v r 装置所需要补偿的持续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，以达到最经济、最合理的效果。 配电站 ，t 引厂 线路电压暂降补偿电压 电i f , 恢复i e 常 输电系统切换1 li 删l1 1 或清除故障 一+ + ! u u 而 动态电压恢复器 被保护的 敏感负荷 d v r 图1 4d v r 补偿电压暂降的原理图 2 d v r 的主电路结构 d v r 电路拓扑结构如下图所示。主功率回路系统由储能装置、能量接口、直流 电容器、逆变器、滤波器及串接耦合器组成。储能装置提供d v r 补偿时所需要的 4 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 有功功率，而能量接口的作用是将储能装置中的能量取出。控制单元完成信息的采 集、处理、运算及驱动脉冲的产生。保护回路则实现系统短路或过负荷情况下对d v r 主回路的保护。各种类型的d v r 装置的具体硬件电路各不相同，但都含有图示的 主要组成部分。对于其中的单个部件，可以有很多种电路的实现方式，进行装置的 设计时，应从装置的性能要求、造价要求、安装尺寸要求、系统接线方式、负载特 性、装置容量等各方面综合考虑，以选择最合适的电路结构，达到高性能和高经济 性的统一。 图1 5d v r 装置电路结构示意图 3 d v r 的应用 对于电压敏感性的负荷，可以通过加装d v r 装置来达到改善其电能质量的目 的。而d v r 装置作为c u s t o m p o w e r 家族中的重要成员，其典型的应用可以参照以 下电路图 3 1 ： 5 一竺j ! 里垄盔堂g ! 室! 堡圭堂垡堡壅 馈线有源滤波器dvr 图1 ，6c u s t o m p o w e r 中d v r 的应用 从图中可以看出有源滤波器( a p f ) 并联于线路而动态电压恢复器( d v r ) 串 联于线路，这样做的目的是a p f 专注于电流型电能质量问题的治理，而d v r 则专 注于电压型电能质量问题。两装置共用储能单元和能量接口，都可以单独运行实现 其自身的功能。a p f 和d v r 装置同时运行可以使系统的电流和电压波形都保持在 一定的标准水平以内，从而实现了统一电能质量调节器所期望达到的目标。 世界上的第一台d v r 装置由美国西屋公司研制成功，并于1 9 9 7 年8 月在美国 d u k e 电力公司投入运行 4 1 【5j ( 下图1 。7 ) 。西门子公司在1 9 9 9 年的i e e e 会议上介 绍了他们的d v r 的运行情况【6 】，这台装置是为了保证4 7 m v a ，年电压暂降约3 7 次 的用户的电能质量的。a b b 公司在2 0 0 0 年i e e e 会议上介绍了安装在瑞士的d v r 的运行情况 7 1 。在日本，柱上式d v r 也已经投入运行f 8 。这些装置的运行目的是为 了取得足够的运行经验，以及在实际中检验装置的性能从而加以进一步改善。大量 的应用还有待于这些方面。各国的专家学者们已经达成了这样的共识：动态电压恢 复器是改善电压型电能质量问题的最经济、有效的手段 9 1 【l 0 】【1 1 10 在国内，很多高等 院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。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等。这些研究单位对于 d v r 的运行原理、电路结构都进行了大量的深入研究并研制了相应的样机。但是与 国外相比，我们并没有相应的运行经验，所研制的样机还有待于工业环境的检验。 另外，在容量和电压等级方面，我们的研制成果与国外还有很大的差距。 6 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 图1 7世界上第一台d v r 样机图1 8a b b 公司d v r 结构图 下图1 9 是西门子公司安装在某电网上的d v r 装置的效果图。可以看到，从 1 9 9 5 年5 月至1 9 9 7 年5 月( 未安装d v r ) ，发生多次电能质量问题。1 9 9 7 年5 月 至1 9 9 8 年4 月，安装d v r 后，避免了多次电能质量问题的产生。在d v r 装置离 线的1 9 9 8 年5 月，又发生了多次电能质量问题。这充分说明了d v r 装置对改善电 网电能质量的重要作用。 图1 9 西门子d v r 补偿效果图 1 4 本文所做自 2 - r 作 鉴于d v r 装置对于改善电力系统电能质量的重要作用，华北电力大学电能质量 研究所提出了研制实验样机的课题。本论文的工作包括样机研制的整个过程，主要 有以下几点： 7 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 1 论文前期进行了系统的用户调研，了解了电力系统用户所面临的实际电能质量 问题。从而使样机的研制紧跟实际的需求。 2 在d v r 装置的主电路设计工作中，论文对于装置的每一个组成部分，都将可以 采用的方案进行了深入的研究，选用最合理的方案。d v r 作为电力电子技术的 典型应用，在设计过程中，作者充分借鉴了诸如变频器、u p s 等的设计经验， 力求实现较优化的主电路设计。 3 作为论文工作的重点，设计了d v r 装置的控制器。控制器实现了装置各种电气 量的采集、运算以及输出，使主电路得到了良好的控制。控制器的资源可以保证 实现复杂的算法和控制速度。 4 ，论文对于电能质量扰动的检测进行了深入的理论探讨，选用了适合装置使用的 方法。在逆变器控制上，论文比较了各种常用的算法，提出了实时性好、简单易 行的控制手段。同时对于装置的能量流动情况进行深入的分析。 5 对应于算法的实现，论文在控制器平台上设计了相应的软件。通过与控制器以 及主电路的联合调试，进一步优化软件，力求使装置达到高性能和稳定性的统一。 6 论文完成了1 2 k v a 实验室样机的研制，并进行了电阻性负载情况下装置对于电 压暂降等问题的补偿实验。在实验的过程中，解决了样机带负载能力低、电压泵 升、运行不稳定等问题。 8 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 第二章l v c 型d v r 装置工作原理和系统组成 2 . 1 引言 d v r装置从总体上讲可分为两类: 基于相电压补偿、 各相相互独立的相电压补 偿型 d v r和基于线电压补偿、各相相互关联的线电压补偿(l i n e v o l t a g e c o m p e n s a t i o n - l v c ) 型d v r 。 相电 压补 偿型d v r具有控制方便， 可补偿零序电 压的优点，但存在每相需设单独的功率回路、功率器件多、体积大、造价高，且不 易处理电压泵升等问题。线电压补偿型 d v r则具有结构紧凑、功率器件少、易处 理电压泵升问题、但无法补偿零序电压等特点。由于我国中压配电网普遍采用中性 点不接地系统，且许多三相负载为无中性线的对称负载。因而线电压补偿型 d v r 有广泛的应用场合。本文正是针对这类d v r展开讨论。 2 . 2 2 . 2 . 1 p-尼 望 ij -毛三 -仑呈 - 4 =. l v c 型 d v r的结构介绍和工作原理 l v c 型 d v r 的结构介绍 ，a一下蕊 于 采 王 妇 l， 摘髻 图 2 . 1 三耳郭 一一 一 一 士 u扮 l v c型d v r 的主电路结构 我们研制的实验样机的容量为 1 2 k v a，装置的电路结构如上图所示。l v c型 d v r适用于三相三线制系统。 a , b . c三相系统电压经过开关s 1 、 接触器j 1 和熔 断器， 进入三相不可控二极管整流器。由整流器向电容器c 1 和c 2 充电。 整流器采 用富士 6 r i 7 5 g - 1 6 0 ，其参数为 7 5 a / 1 6 0 0 v 。在整流器的直流侧加装了 平波电 抗 l l 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 和充电电阻r l 。平波电抗器的作用是降低二极管整流器交流侧电流波形的畸变率。 充电电阻的作用是在电容器充电时降低充电电流。电容器充电到80%的时候， 将继 电器k l 合上，充电电阻被短路。图中用c l 和c z 表示两组电容器，每组采用三个 3300u f的电容并联而成。电容器的均压是需要注意的问题， 通常采用加入均压电阻 的方式。 本装置采用三相桥式逆变器输出能量。逆变器采用三菱公司智能功率模块 ( ipm) 。考虑到装置的容量和一定的裕度，我们选用 p m75c 劝、 1 20，其参数为 7 5 a/ 1 2 0 0 v。 餐 聋 1l _ j 韭 )一 ( 气 1 ) 可 .叫耳 片除 幸 精 卜廿 卜 义 罄涂涂.淤 一比一 l 11一 图22 工 p m 模块内部结构图 图2 . 3 工 p m 供电电路原理图 ip m内部结构如上图2 2 所示，工作频率可达20k h z ，其内部集成了i g b t单 元、驱动电路以及保护电路。保护电路可以提供短路 ( 过流)保护、温度保护以及 欠压保护。 ipm模块的供电需要提供4 路隔离的巧v电源， 为此采用专用集成电路 m5 7 1 4 0( 如上图2 3) 。输入的2 0 v电压经过m5 7 1 4 0 后产生三路的3 0 毫安的1 5 v 供电回路和一路 1 00毫安的1 5 v回路。 前者给上三个桥臂供电， 后者给下三个桥臂 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 供电。 i p m模块的驱动信号由d s p的p wm信号经过电平转换与光电隔离而来。四 路故障报警输出( f o ) 提供了读取桥臂状态的功能。 正常运行时f o 保持高电平( 1 5 v ) 状态， 在某一桥臂发生故障时， 此桥臂的f o输出一 1 0 毫秒的低电平脉冲信号。 此 信号由d s p的1 / 0口读入，从而在发生故障的情况下，封锁脉冲输出。 输出侧滤波器的设计是非常重要的工作，本文综合考虑装置采用的开关频率、 滤波器损耗、谐波放大特性、基波相移特性以及串联谐振特性等，通过仿真计算分 析与实际调试相结合的方法， 采用r 型l c滤波器结构， 参数为c = 6 u f , l = 0 . 0 1 5 3 h a 逆变器输出的补偿电压量通过串联变压器祸合进入主回路。系统需要测量的电 气量有电源侧电压、负载侧电压、负载电流、补偿电流和直流侧电压等。 2 . 2 . 2 l v c型 d v r 的工作原理 由于 l v c型 d v r通过线电压补偿实现电压调节。因此，补偿算法只需采集某 两线电压，如图中v b 1 , v b 1 经数字滤波及锁相后与参考电压比较，产生差值 叽 。 ， 矶 。 然后经过均衡分配运算产生每相桥臂采用双极性 s p w m 波相应的 d u a , a u b , d u , 。 该s p w m波经f 型l c 滤 波 器， 滤除开 关频 率成 份后， 输 入到串 接 变压器，串接变压器将补偿的线电压串联迭加到供电回路。 控制单元对系统电压的幅值及相位进行监测。当检测到电压瞬时突变时，依据 系统电压瞬时值、相位、参考电压及直流母线电压，给出逆变器控制 p wm信号。 逆变器 p wm输出开关频率通过综合考虑控制单元的响应时间、功率器件的功耗及 滤波器的成本选定。本装置选用 1 3 .2 k的升关频率。d v r装置的容量则依据需要补 偿负荷的容量及补偿的电压变动范围来确定。本装置为 1 2 k v ao 装置的输出电压经过滤波器和串联变压器后，会有一定程度的幅值损失，从而 使负载侧达不到要求的电压值，可以采用反馈控制的方法解决这个问题。 在系统电压正常的情况下，d v r装置处于后备状态，串联变压器不向系统注入 电压，装置的功耗很低。在检测到系统发生电压问题时装置立即投入补偿量，系统 电压恢复正常后，补偿量为零，装置再次处于后备状态。 2 . 3 各种类型d v r 的电路结构比较 l v c型d v r的主电路结构如上图所示， 下面分析其各组成部分的设计以及可以 采用的多种设计方案。 ( 1 )d v r能量源 从图 中 可以 看出 ， 本 装置 采 用 三 相 不 可 控 整 流 的 方 式， 从 系 统 侧 取得 能 量 注 入 直流侧电容 ( c i 和 c 2 ) 。 这样的能量流动方式保证了该装置可以长时间地补偿电压 差量 1 2 1采用不可控二极管整流器降低了系统的造价和控制要求。 其主要缺点是能 一一一一 一一一一一一一止兰些t 木 学 ( i l 京 ) 硕 士 学 位 论 文 量只能从系统向电容器单向流动，从而在电压凸起时容易产生直流电压泵升的现 象。另外，电容器上的低频 i o o h z 纹波也是问题之一，它会导致逆变器输出的补偿 电压精度下降，增加了控制的难度。 除本文的这种采用不可控整流器从系统取得能量的方式外，比较常用的还有以 一 卜 几种: a .利用可控整流器从系统取得能量。这样的做法克服了不控整流时能量只能单向 流动的特点，解决了电压凸起时的直流电压泵升问题。缺点是增加了控制要求 和系统的成本。 b .利用大电容储能。当系统未发生电压暂降时，系统通过逆变器给电容器充电， 当充电到一定数值时，d v r装置从系统中切除;当系统发生电压暂降时，逆变 器向系统输出功率，在电容电压跌落到一定数值前，可以基本维持用户电压不 变。 储能电容器的容量决定了d v r在故障期间可以提供的能量。 其设计参数与 系统容量以及补偿要求有关。随着超级电容的出现，这种储能方式的应用前景 十分广阔。 c .利用蓄电池储能。采用这种方式可以在储能单元之前向系统并联接入 a c -d c 变换器，从而起到充电器的作用，又可以采用电流控制方式补偿系统的电流谐 波和无功电流，起到a p f的作用。这种储能方式目前也有相应的应用实例。 d .其余的储能方式。包括超导储能 ( s me s ) ，飞轮储能等等，飞轮储能的主要组 成部分是飞轮、轴承等。关键部分是轴承，摩擦小的轴承才能使飞轮储能效率 高。现有的电磁轴承摩擦小、寿命长，但是用来稳定和定位飞轮的控制系统较 复杂。与其他储能形式相比，飞轮储能效率高、寿命长、没有污染、可以地下 安装。超导储能是一种新型的储能方式。具有能量密度大、转换效率高、可四 象限运行、冲放电快等优点。s me s应用的突出问题是成本较高，随着对超导 储能的不断深入的研究，其成本将会大幅度下降，其应用前景是十分广阔的。 ( 2 )逆变器 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 全桥逆变器、三单相全桥逆变器和三相半桥逆变器等，不同结构的逆变器有不同的 功能。目 前 d v r装置中使用较多的是前两种方式。三单相全桥逆变器各相输出完 全独立，可以补偿零序电压、控制简单，但是与全桥逆变器相比器件成本较高。桥 式逆变器都存在桥臂直通的问题，所以采用上述这两种桥式逆变器结构都需要可靠 的桥臂保护手段来防止桥臂直通问题。推挽逆变器的最大优点是在任何时刻都只有 最多一个开关器件工作， 不存在桥臂直通问题， 在输出功率相同时开关损耗也较小， 但是其功率器件的开关集电极电压应力为电容电压的两倍，适用于低压的大功率变 换器。 ( 3 )合方式 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 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 合和采用电容器橘合。 1采用串联变压器结构 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。此种祸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， 并带来了相移， 影响装置的 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。当逆变器的结构可变时，其输出电压可变，变压器变比也是可以变化的。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 1 3 1 由于串联变压器所带来的上述种种设计的不便之处 1 3 在电压等级较低的应用中 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 可以考虑省去串联变压器的使用， 而采用电容器将d v r补偿电压祸合到系统中去。 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。 线路敏感负荷线路敏感负荷 r b厂 b d c - a c f -整流单元 变压器t 1 整 流单元 一 幸 一 逆变单元 a c - d c i 士 逆变单元 图2 . 4 电容器电压祸合示意图 上图2 . 4 为采用电容器藕合的两种典型电路， 左图使用变压器t 1 接于整流单元 的前端。 t 1 为工频变压器， 这样做的好处是， 可以通过改变变压器的变比来改变直 流侧电压幅度以满足补偿电压幅度的要求。一般设计成一定变比的升压变压器 ( 从 系统侧看) ，从而增加可补偿的最大电压。 右图在整流单元后加接了d c -a c变换器、变压器、a c -d c变换器。整流单 元输出的直流电压经过 d c -a c变换器后成为较高频率的交流电压 ( 高于工频) ， 变压器使用高频变压器。从而其体积将比工频变压器大大缩小。两图中逆变单元输 出端的电抗器与祸合电容器一起可以构成滤波电路，从而改善了注入系统的电压波 形。 在高压配电网的应用中，一般使用串联变压器将补偿电压注入，但是国外也有 学者提出使用电容器祸合的方式: 储能 标 a开 关器 件串 并 联 方 式 图 2 . 5 储能 单 元储能 单 元储肩 掸元 b右 籽 高压配电网中电容器电压祸合方式 这两种结构都采用三个单相全桥的方式。a图中采用开关器件串联分压。这种 结构需要注意串联功率器件之间的均压问题和并联桥臂之间的均流问题。b图采用 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 将多个逆变器串联的方式，这种结构不需要考虑功率器件之间的均压问题，但是各 个逆变器的输出必须保持一致。 ( 4 ) 输出 侧滤波器 1 4 1 在 d v r装置中，如果采用电容器祸合方式，则逆变器输出钡 帅g 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， 如图中 a, b , c所示: 一 _一一 逆变器侧滤波器 图2 . 6 输出侧滤波器安装位置图 如果在逆变器出口装设滤波器 ( a处) ， 那么将滤除输出电压中的高次谐波 ( 主 要是开关频率及其整数倍) ，这将降低串联变压器的设计容量。这种方法最大的问 题是滤波器容易带来补偿电压的相移以及幅度的衰减。因此必须根据装置的容量设 计相移小，衰减少的滤波器。同时还要对控制器的参数进行优化设计，加入一定的 补偿措施。 如果将滤波器安装于线路上 ( b处) ，可以利用l 3 的设计消除串联变压器漏抗 分布参数的影响。同时由于 l 3 , c 3的存在，使测量负载电流变得容易，从而可以 进行电 流模式控制。但这种方式并没有解决串联变压器的设计难题。如果采用串联 变压器跨接电容器滤波的方式( c处) ， 则可以利用串联变压器的漏抗作为滤波电感， 但串联变压器仍然要承受高次谐波，同时这种方式滤波效果也不是很好。 综合考虑设计的难度和装置应用的范围，我们采用在图中a处装设l c滤波器 的设计方案。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第三章检测方法的研究和仿真 3 . 1 引言 将所需补偿的畸变电压分量快速准确地检测出来是d v r装置的关键技术之一。 因为只有把畸变分量准确地检测出来才能实现对畸变电压的补偿。 对于电网中的电压事件一暂降、凸起、 谐波、不平衡、闪变等， d v r装置所选 择的检测算法必须综合考虑。目前，在电力有源滤波器中所使用的检测算法有以下 几 种 1 1 5 1 : 利用 模拟 滤 波器 检测、 基 于f r y z 。 时 域 分 析 有功电 流分 离法、 基于 频 域分 析的f f t法、基于a k g i 瞬时无功功率理论的检测法、基于傅立叶级数的检测法、 基于自适应千扰抵消原理的自 适应闭环检测法等。虽然以上方法均可以检测出电压 谐波，但不是受参数影响大、满足不了实时性，就是不能将电压的暂降、凸起、闪 变或不对称检测出来。然而 d v r装置不但要求能将电压谐波补偿掉，还要能将配 电网电压的暂降、凸起、闪变或不对称补偿掉。 3 . 2 基于 d - q 变换的检测方法 3 . 2 . 1 软件锁相 在需要跟踪系统相位的情况下，一般有两种选择，一是采用常用的数字锁相环 电路 ( 如 c d 4 0 4 6 ) 、二是采用微处理器进行软件锁相。在我们的装置中，上述两种 方法都进行了尝试。 采用锁相环电路 ( 硬件法) 直接将锁相值送入d s p中，降低了 计算量，但需要增加相应的硬件;软件法电路结构简单，精度也较高，但是增加了 d s p的计算量。在实际应用中，我们经常采用硬件和软件同时锁相，互为备用。 t ms 3 2 0 f 2 4 0的事件管理模块 e v有 4个捕获单元，每个单元可以捕获其相关 输入引脚发生跳变的时刻。任一捕获单元可以选择定时器 2 或 3 作为它的时基，当 检测到捕获输入引脚上出现指定的跳变 ( 上升沿或者下降沿)时，就将定时器2 或 3 的计 一 数值捕获并存储在相应的两级f i f o队列中，同时将相应的标志位置位。 系统电压波形经过过零检测后，被整形成与之同频率的方波信号。正弦波的过 零点对应方波的上升或下降沿。 利用此信号结合d s p的捕获功能就可以 进行软件锁 才 目 。 华北电力大学( 北京 ) 硕士学位论文 过零点过零点过零点 公 乍 二系统电压 上升沿 卡 乍钾 过零 检测 信号 跟踪系统的相位 井 .一 一- 升- 一 - 斗一 一. 4 一- 升 一一 一琦 一 。 牛 存储在 f l a s h 中的 正弦表 图3 . 1 软件锁相原理图 在程序中由软件根据过零点的检测实现同步于系统的目标。为了避免误锁相， 需要进行相应的相位判断，具体做法如下流程图所示。 由图中可见， 在每一次检测到过零点时， d s p 将计数器的值捕获进入f i f o ， 我 们设定一个变量“ ， a 中存放过零时刻捕获进来的这个值。 a 的值在每次系统过零时 更新。图中所示的幅值为 1 5 0 0的定时器用作产生系统所需要的锯齿波 ( 用作产生 p wm) 。我们利用此计数器进行计数。根据变量 a的值、经过的计数周期数以及当 前的计数器值，就可以计算出当前时刻对应相位的数值。 可以 看出， 算出的相位值直观地表示出来是一个频率为5 0 h z 的锯齿波。 在d s p 的fl a s h 存储器中， 预先存入了对应于此数值的正弦波波形表， 从而由此算出的数值 就- - 一 对应于系统的相位。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 计数倦值 / / / 一 7 / 图3 . 2 软件锁相程序流程图 在装置的研制过程中，会出现逆变器输出端产生噪声的情况，经过检查发现这 是由于锁相问题引起逆变器输出短时间紊乱，从而在输出滤波器上产生冲击造成 的。锁相的失败或者不准确主要是由于过零检测不准确造成的。如下图所示: 华北电力大学 北京) 硕士学位论文 过零点 七 时刻 过零点过零点 丫二 丫 _丫二议 - - ,l 李 带 系统电压 上升沿 一 汗 二 艺 呈 谧异二过零检测信号 图3 . 3 误锁相示意图 我们规定d s p的捕获发生在过零检测信号的上升沿。 在图中所示的t 时刻，系 统电压由正变负，过零检测信号应该形成一个下降沿，但是在实际电路中，会出现 图中所示的误跳变，从而导致 d s p出现误捕获， 将当前时刻记作零相位。 这样导致 的后果是使误锁相延续半个周波，引起较严重的后果。 处理这种情况的方法很多，比 较简单的方法是加上相位的判断，即在系统的相位还 未达到或接近于3 6 0 度的情况下， 屏蔽捕获事件。 这样可以避免系统相位为i s o 度时的 误锁相 ( 上图3 .3 ) 。当然，由于硬件电路的不确定性，在任一时刻，都可能发生锁相失 败， 我们可以把前后两时刻的相位差值限 制在一定的范围之内， 从而减小相位差太大引 起的问题。 3 . 2 . 2 数字滤波 系统电压量经过a d c芯片读入d s p中，必须滤除其中的高频量。采用常用的 滤波器是较好的选择。事实证明，此滤波器的设计对于系统的性能也有着很大的影 响，设计的标准是使数字量经过滤波器后的幅值衰减和相位偏移尽可能小，同时达 到滤波的目的。 数字滤波算法在每个采样周期都进行，因此算法的设计应当力求简单易实现， 不要耗费太多的计算时间，有利于提高实时性。比较各种滤波器算式，我们选用巴 特fly 斯滤波器，其算法简单，能满足滤波要求。滤波器的阶数和截止频率的选择应 该综合考虑其幅频特性和相频特性。可以通过理论推导和仿真计算的方法得到。 根据数字信号处理理论，数字滤波器的系统传递函数和差分方程如下 6 1 . 一 一 一 兰i ! 皇垄茎堂g ! 塞! 堡主堂笪堡塞 图3 3 误锁相示意图 信号 我们规定d s p 的捕获发生在过零检测信号的上升沿。在图中所示的t 时刻，系 统电压由正变负，过零检测信号应该形成一个下降沿，但是在实际电路中，会出现 图中所示的误跳变，从而导致d s p 出现误捕获，将当前时刻记作零相位。这样导致 的后果是使误锁相延续半个周波，引起较严重的后果。 处理这种情况的方法很多，比较简单的方法是加上相位的判断，即在系统的相位还 未达到或接近于3 6 0 度的情况下，屏蔽捕获事件。这样可以避免系统相位为1 8 0 度时的 误锁相( 上图3 3 ) 。当然，由于硬件电路的不确定性，在任一时刻，都可能发生锁相失 败，我们可以把前后两时刻的相位差值限制在一定的范围之内，从而减小相位差太大引 起的问题。 32 2 数字滤波 系统电压量经过a d c 芯片读入d s p 中，必须滤除其中的高频量。采用常用的 滤波器是较好的选择。事实证明，此滤波器的设计对于系统的性能也有着很大的影 响，设计的标准是使数字量经过滤波器后的幅值衰减和相位偏移尽可能小，同时达 到滤波的目的。 数字滤波算法在每个采样周期都进行，因此算法的设计应当力求简单易实现， 不要耗费太多的计算时间，有利于提高实时性。比较各种滤波器算式，我们选用巴 特渥斯滤波器，其算法简单，能满足滤波要求。滤波器的阶数和截止频率的选择应 该综合考虑其幅频特性和相频特性。可以通过理论推导和仿真计算的方法得到。 根据数字信号处理理论，数字滤波器的系统传递函数和差分方程如下 1 6 1 ： 1 9 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 h g ) ( 鼢“ ( 1 + 鼢1 y g ) = b k x ( n) 一q y 0 一i ) 从而可知：二阶滤波器的差分方程为 ( 3 1 ) ( 3 2 ) y 0 ) = 6 ( 1 皿0 ) + 6 ( 2 ：0 1 ) + 6 0 弦0 2 ) 一a ( 2 ) y ( n 一1 ) - a ( 3 妒0 2 ) ( 3 3 ) 三阶滤波器的差分方程为 l ，0 ) = 6 ( 1 弦0 ) + b ( 2 ) x ( n - 、1 ) + 6 ( 3 ) x 0 2 ) + 6 ( 4 弦0 3 ) 一a q 沙0 1 )( 3 4 ) 一“( 3 ) ，0 2 ) 一a ( 4 ) y ( n 一3 ) 进行数字滤波器设计时，比较常用的方法是由模拟滤波器进行数字化，工程上常用 的有两种变换法一脉冲响应不变法和双线性变换法。 利用m a t l a b 自带的滤波器设计工具包( f i l t e rd e s i g nt o o l b o x ) ，我们省去了很 多繁重的推导和计算工作，可以直接得出差分方程的系数，便于编程实现。 图3 4 滤波器幅频和相频特性 图3 5 滤波器系数 在工具包中输入滤波器的形式、阶数、采样频率和滤波器截止频率后，进行滤波器 分析，工具包会给出设计完的滤波器的幅频和相频特性( 图3 4 ) 以及滤波器系数 2 0 一些! ! 皇垄盔堂! ! ! 壅2 堡：! 堂垡笙壅 ( 图3 5 ) 。根据此系数就可以进行程序的编制，大大简化了设计工作量。 在d s p 中实现数字滤波器主要利用其方便的乘加指令，简单易行。 为了降低d s p 的运算量，采用硬件化的数字滤波器也是一种很好的选择，比较 常用的是基于现场可编程门阵列f p g a 的硬件结构，由a d c 读入的数据经过f p g a 后进入d s p ，由于其可编程的特性，可以在系统中实现不同类型、阶数和截止频率 的滤波器，具有很大的灵活性。 32 3 检测方法 1 一一般的检测方法。对于电压暂降的幅值检测，一般有以下方法 1 7 ： a 有效值计算方法。原理是计算电压的有效值进行判断，由于在实时计算中， 计算速度要求非常高，因此一般取半个周期的采样数据进行滑动平均处理。 b ， 峰值电压法。原理是求取电压的峰值进行判断，算法简单，但反应速度较慢。 c 基波分量法。电压的基波分量可利用f f t 进行计算。从实时性方面考虑，可 以根据对称性利用半个周期的电压采样值虚构一个周期的数据序列进行f f t 。 2 伴随着相位跳变的电压暂降的检测算法。系统中电压的暂降一般除了幅度会发生 变化外，还伴随着相位的跳变，主要有以下检测方法： a 单相电压变换平均值法。 b 瞬时电压d - q 分解法。 各种检测方法有不同的使用场合，对于进行电压暂降分析与检测的装置来说， 不要求精确检测暂降的起始时刻，但对暂降幅值和相位跳变要求准确检测。因此可 采用周期单相电压变换平均值法和瞬时电压d - q 分解法。对于进行电压暂降实时补 偿的装置来说，要求快速确定是否发生电压暂降，同时要求对暂降幅值和相位跳变 能快速、准确的检测。这时可采用电压有效值检测法与缺损电压法相结合的方法。 但是考虑到相位跳变的影响和实时性要求，以采用单相电压变换平均值法和瞬时电 压d - q 分解法最为合适，其中瞬时电压d - q 分解法动态性能最好。 综合考虑各种算法的实时性和有效性，本文确定了以广义瞬时无功功率理论为 基础的瞬时电压d 。q 分解变换检测方法。这种算法可以有效地检测出上述各种电压 问题。 检测原理如下图所示，系统三相交流电压眈，圪，圪) 经过采样和数字滤波后进入 d o 变换和锁相p l l 环节。p l l 环节提供了d q 变换所需的相角c o t ，d o 变换如下： 黔网 2 1 ( 3 5 ) 一 一一一一一一一一一一进逃鱼丝, * 0 5 -t , ) 硕 士 学 位 论 文 图3 . 5 ) 。根据此系数就可以进行程序的编制，大大简化了设计工作量。 在d s p中实现数字滤波器主要利用其方便的乘加指令，简单易行。 为了降低d s p的运算量， 采用硬件化的数字滤波器也是一种很好的选择，比较 常用的是基于现场可编程门阵列f p g a的硬件结构， 由a d c读入的数据经过f p g a 后进入 d s p ，由于其可编程的特性，可以在系统中实现不同类型、阶数和截止频率 的滤波器，具有很大的灵活性。 3 . 2 . 3 检测方法 1 . 一般的检测方法。对于电压暂降的幅值检测，一般有以下方法l7 : a . 有效值计算方法。原理是计算电压的有效值进行判断，由于在实时计算中， 计算速度要求非常高，因此一般取半个周期的采样数据进行滑动平均处理。 b 峰值电压法。原理是求取电压的峰值进行判断，算法简单，但反应速度较慢。 c .基波分量法。电压的基波分量可利用 f f t进行计算。从实时性方面考虑，可 以 根据对称性利用半个周期的电压采样值虚构一个周期的数据序列进行f f t . 2 . 伴随着相位跳变的电压暂降的检测算法。 系统中电压的暂降一般除了幅度会发生 变化外，还伴随着相位的跳变，主要有以下检测方法: a . 单相电压变换平均值法。 b .瞬时电压d - q 分解法。 各种检测方法有不同的使用场合，对于进行电压暂降分析与检测的装置来说， 不要求精确检测暂降的起始时刻，但对暂降幅值和相位跳变要求准确检测。因此可 采用周期单相电 压变换平均值法和瞬时电 压d - q 分解法。对于进行电压暂降实时补 偿的装置来说，要求快速确定是否发生电压暂降，同时要求对暂降幅值和相位跳变 能快速、准确的检测口这时可采用电压有效值检测法与缺损电压法相结合的方法。 但是考虑到相位跳变的影响和实时性要求，以采用单相电压变换平均值法和瞬时电 压d - q 分解法最为合适，其中瞬时电 压d - q 分解法动态性能最好。 综合考虑各种算法的实时性和有效性，本文确定了以广义瞬时无功功率理论为 基础的瞬时电压d - q 分解变换检测方法。这种算法可以有效地检测出上述各种电压 问题。 检测原理 如下图 所示， 系 统三 相 交 流电 压帆 , v b , v ) 经过采 样和数字滤 波后 进入 d q变换和锁相p l l 环节。 p l l 环节提供了d q变换所需的相角“， d - q变换如下: c l v e (