动态电压恢复器综述

1、动态电压恢复器综述由于动态电压恢复器是一种比较理想的用户端电压电能质量的保护装置，所以其研究成为了国内外的一个热点。尤其是在理论研究方面。目前动态电压恢复器的理论研究主要集中在主电路拓扑结构、检测算法、控制方法、补偿策略等方面。在主电路拓扑结构方面，主要研究不同的三相系统逆变器结构对故障电压补偿效果的区别，高压大功率逆变器在DVR中的应用等；在检测算法方面，主要研究如何快速准确的检测出电网电压的幅值，相位以及频率的变化并生成负载电压的参考指令；在控制方法的研究方面，主要的热点是如何快速准确的捕捉畸变电压，并对其进行很好的补偿，保证系统具有良好的动态性能；在补偿策略方面，主要研究如何在储存能量一

2、定的情况下尽量的延长补偿电压凹陷的时间。动态电压恢复器不仅在理论研究方面取得了很多的成果，而且有不少产品已经投入使用，并取得了良好的效果。第一台工业应用的DVR由西屋公司于1996年研制成功，安装在美国北卡罗里纳州Duke电力公司靠近一个自动化纺织厂的12.47KV系统上，以便对全厂提供电压凹陷保护。另外在Orian Rugs(USA)，Bonlac Foods(Australia)，Caledonian Paper(UK)等公司的网络中均串入了DVR。如澳大利亚的Bonlac食品公司在对DVR试运行后进行的数据统计表明，该公司每年减少了2，453，400澳元的损失；据美国输配电杂志报道，由A

3、BB公司制造的两台容量各为22.5MVA的DVR于2000年在以色列一家著名的微处理器制造厂投入运行，用以防止因电压凹陷引起全厂跳闸而可能造成以百万元计的产品成为废品，它可以弥补500ms的三相电压凹陷的35%和单相电压凹陷的50%。可见，DVR的应用可以大大提高用户的电压质量和经济效益。由此可见，动态电压恢复器是一种非常有应用前景的电能质量补偿装置，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，最有效的手段。世界上第一台DVR由Westinghouse公司于1996年研制成功，并安装在Duke电力公司的12.47kV系统上，该装置的容量为2MVA，主要

4、用于抑制纺织厂供应电压的凹陷。随后ABB公司研制的22kV/4MVA的DVR也成功地应用于半导体生产厂的故障电压恢复，它可在系统电压发生凹陷时迅速地(几毫秒内)提供补偿电压以维持负荷电压恒定。此外ABB公司还推出了基于IGCT的DVR，由于IGCT结合了GTO和IGBT的优点，这种动态电压恢复器性能优越，逆变器可靠性高，效率和安全性也很。由ABB公司制造的两套DVR(单套容量均为22.5MVA)，于2000年在以色列一家著名的微处理器制造厂投入运行，用以防止因电压凹陷引起全厂跳闸而造成数百万美元的产品成为废品的巨大经济损失。该DVR可补偿持续时间达500ms的三相电压下跌35%和单相电压下跌5

5、0%的电压凹陷。德国Siemens公司的SIPCON-S系列产品采用的是串联补偿的原理可以补偿电网电压波动和谐波。根据西门子1998年的产品资料，可以总结出以下特点。（1）系统因故障电网电压降到额定值的50时，SIPCON-S仍能正常工作；（2）一般情况下SIPCON-S的容量为负载的2050；（3）系统电压的过冲或凹陷的补偿可在23ms之内完成；（4）可以补偿电网电压不平衡；（5）SIPCON-S产品的容量为几十KVA到1MVA，可以对6MVA的负载进行补偿。除了上述的动态电压恢复器实例，世界上还有很多厂家和研究机构正在研究各自的DVR，如日本的柱上式，美国威斯康欣大学等。国内对电能质量补偿

6、装置的研究总的来说还处于刚起步的阶段。1998年，我国国内的高等学校和科研单位才开始对动态电压恢复器进行研究。目前，研究仍然处于理论研究和样机研制阶段，也取得了一些成果，清华大学，华北电力大学，西安交通大学，东南大学，中国科学院电工研究所等都对DVR进行了大量的研究实验并研制出DVR的试验样机，所研制的DVR样机还有待于工业环境的检验。但与国外相比还有很大的差距,主要是在容量和电压等级方面，目前针对DVR的研究集中在如下几方面：（1）能量存储单元的充放电技术。（2）不同电压等级下(特别是高电压等级)主电路结构的选择。（3）电压凹陷检测算法以及补偿指令的产生。（4）DVR补偿电压凹陷的动态控制方

7、法。电能质量问题包括暂态电能质量和稳态电能质量两个方面,它直接影响电力系统的供电安全及用户设备的正常运行。传统的电能质量问题都是基于系统稳态而言的,如高次谐波、三相电压不平衡以及长期的电压过高与过低等。经过多年的努力,稳态电能质量有了相当的提高,且实际系统中的许多机电设备在电压幅值变化相对较大的范围内均能正常工作。随着电力市场化的逐步推进以及工业自动化的发展,一方面,配电网中非线性负荷对电网的电能质量构成了严重的威胁;另一方面,配电网中诸如计算机等用电设备对系统干扰更加敏感,它们对电能质量提出了高可靠性、高暂态恒定性、高可控性的要求。理想的供电电压应该是纯正的正弦波形，具有标称幅值和标称频率，

8、并且三相对称。然而因为从发电到用电各环节中的非离线因素的影响，施加到负载上的电压幅值、频率、波形中的一相或几相可能偏离标称值或标准状态。电压波形、幅值和频率偏离标称值达到一定的范围时，电力用户和电网的运行就会受到一定程度的影响和损害，这就产生了电能质量问题。电能质量问题主要分为电流质量问题和电压质量问题。本文研究的动态电压恢复器是针对负载侧电压的动态补偿装置，因此文中所涉及到的电能质量问题主要指电力系统的电压质量。 根据IEEE第22标准协调委员会(电能质量)推荐,电能质量问题主要包括以下几种:(1) 电压不平衡（Voltage unbalance）：是指三项典雅的幅值或相位不对称。不平衡的程

9、度用不平衡度（电压负序分量和正序分量的均方根值百分比）来表示，典型的三项不平衡是指不平衡度超过2%，短时超过4%。在电力系统中，各种不平衡工业负荷以及各种接地短路故障都会导致三相电压的不平衡。(2) 电压凹陷（sags）：电压有效值降至额定值的10%-90% ,持续时间为0.5-30个周期。(3) 电压中断 (interruptions) ：在一相或多相线路中完全失去电压 (低于额定值的10% )一段时间。持续时间0.5个周期至 3为瞬时中断；持续时间3至60s为暂时中断；持续时间大于60s为电压中断。(4) 电压上升（swells）：电压或电流有效值升至额定值的110%以上，典型值为额定值的

10、110% -180% ,持续时间为0.5-30个周期。(5) 电压瞬变(transient)：是指在一定时间内电压在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。(6) 过电压(over-voltages)：电压为额定值的110%-120%，持续时间大约为1min。(7) 欠电压(under-voltages)：电压为额定值的80%-90%，持续时间大约为1min。(8) 电压波动(fluctuations)(闪变 )：电压波动 (闪变 )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90% -110%。这种电压波动

11、常称为电压闪变。 电压凹陷（sags，又可称dips）是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短的一段时间后又恢复到正常水平的现象。目前，多数都用持续时间和凹陷的幅值来作为描述电压凹陷的特征量。大量的统计数据表明，电压凹陷是发生在频率最高、影响最严重、造成的经济损失最大的一类动态电能质量问题，美国300多个电能质量检测器从1993年到1995年的观测数据表明，高达92%的扰动事件是电压凹陷，他们的持续时间大多数不到2秒钟。持续时间在2秒钟到10分钟之间的电压中断仅占4%，其余的电能质量问题占余下的4%。日本关西电力公司统计结果显示：大多数电压凹陷为跌幅20%以内、持续时间100ms以

12、内的故障。(1) 故障引起的电压凹陷故障引起的电压凹陷发生时电压幅值突然下跌,结束时快速恢复。系统某个位置的凹陷深度由故障类型和与故障点的距离决定。凹陷持续时间取决于保护的类型,在半个工频周期到数秒间变化。一般是当输电网或者配电网中出现电路故障时，电流急剧增大，在公共电压连接点产生电压凹陷，同时凹陷沿着电网扩散而给大量用户造成问题。故障分为对称和不对称故障，因此产生的电压凹陷也可能是对称的，也可能是不对称的。(2) 感应电动机启动引起的电压凹陷感应电机全电压启动时，启动电流是稳态运行时的5-10倍，这一大电流流经系统阻抗时，会引起电压的突然下降。这种凹陷的深度取决于感应电机特性和连接处的短路容

13、量，凹陷持续的时间较长。 （3）变压器激磁涌流引起的电压凹陷变压器激磁电流可达正常值的几十倍甚至几百倍,足以形成电压凹陷。其特点是电压突然下跌,结束时缓慢恢复,但三相的电压降是不一样的。此外,还伴随有一定量的二次谐波畸变。其他的如：开关操作、电容器组的投切以及上述各种因素的组合都会引起电压凹陷。电压凹陷已被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的较严重的动态电能质量问题。电压凹陷对设备造成最直接的影响就是由于电压较额定电压低，当凹陷持续时间较长时，设备得不到足够的能量而无法正常工作；电压凹陷同时会引起一些保护继电器动作，直接将设备推出运行；对于大多数微机及微电子控制设备，电压凹陷的恢复过程，会引

14、起微机的重新启动。会造成相当大的经济损失。电压凹陷对现代社会造成的危害总结为以下四个方面：（1）电压凹陷对人们的日常生活有很大的影响。（2）电压凹陷对信息业有很大的影响。（3）电压凹陷对大型敏感工业用户造成很大的危害。（4）电压凹陷对现代社会广泛应用的电子设备影响也很大。敏感用户为了减小电压凹陷的影响,可以装设各种补偿装置。目前用于治理电压凹陷的主要补偿装置如下。（1） 不间断电源(UPS)UPS的优点是它让负荷能在断电和凹陷时都能正常运行。它的缺点是损耗大,而且蓄电池需要维护和周期性的更换,这导致成本的增加、容量大、费用高。（2） 磁谐振变压器(CVT)CVT的基本结构是一个三绕组

15、变压器,原边作为输入,副边接负荷,第三边调整电容器。CVT运行在饱和区域调整负荷端电压。在电压凹陷下降到正常值的70%仍能使负荷安全过渡。在满负荷时CVT的效率可以达到70%75%。为了对满负荷提供足够的凹陷保护,CVT的容量常常比满负荷的正常容量大。（3） 静止开关切换(STSS)当负荷有备用电源(或独立电源)时,发生故障后可以通过STS来供应负荷电压。电源用电力电子开关反并联的形式连接到负荷。通常负荷由一个电源转换到另一个需要一个半周期。（4） 多分接头变压器多分接头变压器由电力电子开关在每个分接头构成,用来对电压变动进行调节。目前市场上产品的最低反应时间是一个半周期。它只能对凹陷幅值进行有限补偿。鉴于较慢的反应速度和有限的凹陷补偿能力,这种方式在缓解凹陷的应用上并不广泛。 (5) 电动机发电机组(MG)MG通过电动机驱动交流发电机给负荷供电。旋转机器的中间时期可以对凹陷进行补偿