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電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究

文檔作者：蘭金茹王奔孟慶波華曉萍吳晨光文檔來源：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月22日
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34 《電氣開關(guān)}(2006．No．1)
文章編號：1004-289X(2006)01—0034-04
電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究
蘭金茹王奔孟慶波華曉萍吳晨光
(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)
摘 要：針對電力系統(tǒng)中存在大量的非線性負(fù)荷，介紹了一種綜合解決電能質(zhì)量問題的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。分析了
電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和工作原理；介紹了基于同步旋轉(zhuǎn)Park變換的d—q檢測方法以及用三角波作為載波的
PWM 控制方式；最后介紹了用于解決電壓跌落和浪涌的動態(tài)調(diào)節(jié)三角載波的控制方式。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；有源電力濾波器；用戶電力技術(shù)；瞬時無功理論
中圖分類號：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
Study on Power Quality Conditioner
LAN Jin-ru W ANG Ben MENG Q g一6o HUA Xiao-ping WU Chen-guang
(School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China)
Abstract：Since nonlinear loads are widespreadly used，power quality conditioner capable of solving most
known power quality problems is presented．The structure and working principle of power quality conditioner
are introduced．The detecting method based on synchronous rotary Park transformation and the SPW M control—
ling method are discussed．Finally a new improved PWM strategy which can dynamically adjust the amplitude of
the triangle carrier wave during the voltage sags or swells is simply introduced．
Key words：power quality；Active Power Filter；Custom Power；instantaneous reactive power theory
l 引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性電力電子器件
和裝置在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。這些設(shè)備的運(yùn)
行使電網(wǎng)中電壓和電流波形畸變越來越嚴(yán)重，諧波?虧
染日益嚴(yán)重。另外，沖擊性、波動性負(fù)荷，例如電弧爐、
大型軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等，運(yùn)行中不僅會產(chǎn)生大量的高
次諧波，而且還會產(chǎn)生電壓波動、跌落、三相不平衡、供
電中斷等電能質(zhì)量問題，電網(wǎng)輸出的交流電并不是穩(wěn)
定的正弦波，使供電質(zhì)量不斷惡化。另一方面，隨著各
種復(fù)雜的、精密的、對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷普
及，人們對電能質(zhì)量的要求越來越高，因而電能質(zhì)量成
為目前研究的熱點。
用戶電力技術(shù)(Custom Power)是用來解決配電
系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的控制技術(shù)。隨著人們對電能質(zhì)量
要求的進(jìn)一步提高，用戶電力技術(shù)以成為改善配電系
統(tǒng)電能質(zhì)量的必備技術(shù)手段之一。本文介紹一種電能
質(zhì)量調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器由動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)和有
源電力濾波器(APF)串聯(lián)在一起組合而成。其目的在
于根據(jù)配電電網(wǎng)的實際情況和要求，全面集中地對電
網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行綜合補(bǔ)償，從而全面經(jīng)濟(jì)地解決配
電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題，為用戶提供可靠的高質(zhì)量電能。
2 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和工作原理
2．1 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的組成
圖1為電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖。逆變器1和
輸出變壓器T組成動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，并通過變壓器T
的二次側(cè)在電路的輸入端與負(fù)載串聯(lián)，其作用是對電
網(wǎng)輸出電壓的波動和諧波進(jìn)行補(bǔ)償；逆變器2和濾波
電感L2組成有源濾波器，并通過濾波電感L2在電路
的輸出端與負(fù)載并聯(lián)，其作用是對負(fù)載所需的無功與
諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。直流電容c 既是直流濾波電容，
也是逆變器2的儲能電容。
電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器應(yīng)用于配電系統(tǒng)，可以使用戶全
面綜合地提高配電電網(wǎng)供電質(zhì)量。具有如下功能：
對電網(wǎng)電壓的波動、跌落、浪涌和諧波進(jìn)行補(bǔ)償，
使負(fù)載上的電壓為穩(wěn)定純凈的正弦波電壓；
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《電氣開關(guān))(2006．No．1) 35
、一ic 2
圖1 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖
對負(fù)載電流中的無功分量和諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償，
使電網(wǎng)的輸出電流為與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波電
流，使電網(wǎng)的輸出功率因數(shù)為1；
隔斷電網(wǎng)與負(fù)載之間的諧波相互干擾，使電網(wǎng)的
諧波電壓不干擾負(fù)載，負(fù)載的諧波電流也不污染電網(wǎng)；
對于三相電能質(zhì)量凋節(jié)器，還可以補(bǔ)償三相負(fù)載
的不對稱電流。
2．2 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的工作原理
電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的基本工作原理：首先由檢測電
路檢測出畸變的電壓、電流信號；其次由控制電路產(chǎn)生
補(bǔ)償信號；然后形成PWM 信號，通過驅(qū)動電路來控制
逆變器開關(guān)器件的通斷，從而補(bǔ)償系統(tǒng)中存在的電壓、
電流的畸變分量，使電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量的污染被消
除。因此，畸變量的檢測和補(bǔ)償信號的產(chǎn)生是電能質(zhì)量
調(diào)節(jié)器的重要組成部分。
3 三相電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的檢測原理
近年來，人們已經(jīng)提出了許多諧波檢測方法。瞬時
無功理論檢測法與其它方法相比有較好的實時性。三
相瞬時無功理論由日本學(xué)者赤本泰文在上個世紀(jì)8O
年代初首先提出，此后經(jīng)過其他學(xué)者不斷研究逐漸得
到完善，現(xiàn)在已經(jīng)包括P—q法、 一 法和d—q法。P
— q法首先得到應(yīng)用，僅適用于對稱三相且無畸變的
情況；i 一i 法不但對電源電壓畸變有效，也適用于不
對稱三相電網(wǎng)的檢測；基于同步旋轉(zhuǎn)Park變換的d—
q法，不僅簡化了對稱無畸變下的電流增量檢測，而且
也適用于不對稱、有畸變的電網(wǎng)電壓的檢測。目前，d
—q法是諧波實時計算中所采用的主要方法，本文把d
— q變換(或d—q反變換)作為檢測的核心，分別輔以
其它環(huán)節(jié)，構(gòu)成三相電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的檢測電路。
3．1 補(bǔ)償電流的檢測
d—q檢測法適用于三相四線制系統(tǒng)，可以檢測零
序電流，這是因為d—q變換電路中增加了一個對應(yīng)于
零序的相。采用此方法檢測負(fù)載諧波電流與無功電流
的原理框圖如圖2所示。
=
cosmt cos( 一警) cos( 十 )
一sin山￡一sin( 一 ) 一sin( + )
得到調(diào)節(jié)信號AUd，AUa疊加到檢測電路的直流分量
上，使調(diào)制波或指令信號i／中包含一定的基波有功電
三相基準(zhǔn)正弦電壓‰ 、Ubr‰ 經(jīng)過d—q變換、低
通濾波后，得到三相基準(zhǔn)正弦參考電壓在d-q坐標(biāo)系
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3G 《電氣開關(guān)~(2006．No．1)
蛔
I
一換I 一 騰薤L墨c二 蘭n
圖3 檢測電網(wǎng)電壓波動值A(chǔ)u和諧波分量礬的原理框圖
一q變換后與直流基準(zhǔn)參考值進(jìn)行比較，得到電網(wǎng)電
壓在d—q坐標(biāo)系下的增量電壓“df、Uqt、 ，再進(jìn)行d—
q反變換，就可以得到電網(wǎng)電壓增量值A(chǔ)u +“ h、△‰
+‰h、Au + 。用“ 、“ 、“ 作為調(diào)制波指令信號對
逆變器進(jìn)行控制，即可得到三相補(bǔ)償電壓‰ 一Au +
h、 bc：：= b+ bh、 cc— A uc+ ch。
4 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制方式
因為檢測和計算時間的延遲，無論是對于串聯(lián)補(bǔ)
償器還是并聯(lián)補(bǔ)償器，要實現(xiàn)實時的完全的補(bǔ)償都是
很困難的。因此可以應(yīng)用預(yù)測控制理論來改善補(bǔ)償效
果，即采用本周期計算的補(bǔ)償量對下一周期的值進(jìn)行
補(bǔ)償
“ +"( )一“ ( )
+¨( )一f ( )
式中， 為當(dāng)前采樣周期數(shù)；k為采樣數(shù)。
4．1 并聯(lián)型APF的控制方式
三相電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中的并聯(lián)部分采用三角波比
較SPWM 控制方式，但它與一般的SPWM 控制方式
不同，它不是直接用調(diào)制波指令信號 、 、 與載波
三角波進(jìn)行比較，而是將指令信號與補(bǔ)償量i 、i 、i
的反饋信號進(jìn)行比較，將它們的差值經(jīng)放大器放大后，
再與載波三角波進(jìn)行比較。其控制電路的框圖如圖4
所示。這種控制方式是基于將指令信號與補(bǔ)償量的差
值控制到最小來設(shè)計的，其優(yōu)點是諧波含量小，所含諧
波與三角波頻率相同，諧波頻率固定，濾波比較容易。
4．2 串聯(lián)型DVR的控制方式
串聯(lián)型DVR的控制方式與并聯(lián)型APF的控制
方式基本上是相同的，如圖4所示。
電壓跌落和浪涌在電力系統(tǒng)中較為常見，但目前
國內(nèi)外對兩者尚無統(tǒng)一的定義。通常認(rèn)為電壓下降至
正常電壓的0．1～o．9(標(biāo)么值)，持續(xù)時間達(dá)0．5～3O
周波時就稱之為電壓跌落；而當(dāng)電壓上升到正常電壓
的1．1～1．8(標(biāo)么值)，持續(xù)時間達(dá)0．5～3O周波時就
稱之為電壓浪涌。電壓跌落和浪涌作為電能質(zhì)量問題
的一種，它對用戶的危害絕不遜于電壓、電流諧波的危
害。
但是當(dāng)出現(xiàn)電壓跌落和浪涌時，應(yīng)用上述SPWM
控制方式對其進(jìn)行補(bǔ)償，效果并不理想，這是因為在電
壓跌落或浪涌期間串聯(lián)部分檢測到的電壓畸變量幅值
大大超過了三角載波的幅值。通常在未出現(xiàn)電壓跌落
或浪涌時，電壓畸變量幅值與三角載波幅值的比例(調(diào)
制度)M取為0+95左右，M 過小，則PWM 信號中的
開關(guān)高頻諧波成分過大，給高頻濾波帶來困難；M 取
值如果超過1，則PWM 信號中將會引入并不希望的
低頻諧波，而且其中的基波也不能達(dá)到所希望的幅值。
電壓跌落和浪涌在電力系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)。但是，從
時間角度考慮，它們與僅含有電壓諧波的情況相比，時
間太短以至于可以忽略不計。這樣在設(shè)定電能質(zhì)量調(diào)
節(jié)器串聯(lián)側(cè)PWM 控制中的調(diào)制度M 時則可以直接
取典型值為0．95。而當(dāng)出現(xiàn)電壓跌落或浪涌時，為了
保證補(bǔ)償效果，調(diào)制度M 仍然取為0．95，這樣在電壓
跌落或浪涌期間就要將三角載波的幅值作相應(yīng)的放大
— — 稱之為動態(tài)調(diào)節(jié)三角載波幅值的PWM 控制技
術(shù)。圖5即為該原理的波形示意圖。其中三角載波的
放大比例系數(shù)可由電壓跌落或浪涌發(fā)生期間的電壓畸
變量的峰值除以電壓跌落或浪涌發(fā)生前的電壓畸變量
的峰值得到。
動態(tài)調(diào)節(jié)三角載波幅值的PWM 控制技術(shù)是根據(jù)
調(diào)制信號的幅值變化動態(tài)地調(diào)節(jié)三角載波幅值，從而
讓調(diào)制度M 維持在較好的典型值，最終調(diào)制出的
PWM 波形中充分含有調(diào)制信號中的各種分量。因此
對電壓跌落和浪涌具有良好的補(bǔ)償效果。
PW M
信號
PW M
信號
圖4 A相的SPWM 控制電路的框圖
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《電氣開關(guān)))(2006．No．1) 37
圖5 動態(tài)調(diào)節(jié)三角載波PWM 控制方式的波形示意圖
5 結(jié)論
電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中的兩個逆變器的功能可以互
換。逆變器1可以作為動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器使用，也可以作
為串聯(lián)有源電力濾波器使用；逆變器2可以作為并聯(lián)
有源電力濾波器使用，也可以作為并聯(lián)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)
器使用。當(dāng)逆變器1作為串聯(lián)有源電力濾波器使用，逆
變器2作為并聯(lián)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器使用，并且內(nèi)部直流
側(cè)接有蓄電池時，此電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器還可以當(dāng)在線不
間斷電源(UPS)或有功功率調(diào)節(jié)器使用，夜間儲能，白
天用電高峰時放能；若電網(wǎng)掉電，還可以向用戶的重要
負(fù)載繼續(xù)供電。
電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器可以和LC無源濾波器混合使
用，來減小電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的容量，降低初期投資，采
用混合式結(jié)構(gòu)是近期所采用的最為經(jīng)濟(jì)的方案。
電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器在我國電網(wǎng)中的實際應(yīng)用距發(fā)達(dá)
國家還存在一定的差距，但隨著電力市場的形成，供電
質(zhì)量問題的日益尖銳，勢必會促進(jìn)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的
廣泛應(yīng)用。鑒于高壓大功率場控開關(guān)器件的商用化，電
能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的容量可以很大。因此，它既可以解決整
條配電線路的供電質(zhì)量問題，也可以解決用戶的供電
質(zhì)量問題。電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，是未來配電自動化的一個
重要發(fā)展方向，值得認(rèn)真研究和開發(fā)。
參考文獻(xiàn)
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構(gòu)、原理、控制與應(yīng)用EM]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，
2004．7
E3-] 刊、輝，魏慶海，鄒積巖，李衛(wèi)東．電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技
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- — — 247
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EJ3．電網(wǎng)技術(shù)．2002．26(11)：8O一83
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力系統(tǒng)自動化．2002．26(19)：28—31
收稿日期：2005一O3—25
作者簡介z
蘭金茹(1978一)，女，西南交通大學(xué)。電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)碩士研
究生。
王奔(196o一)．男。教授，西南交通大學(xué)，主要研究方向；電力系統(tǒng)的非
線性及變結(jié)構(gòu)控制；電力電子。
(上接第33頁)
總保護(hù)主要是防止主干線路、分支線路發(fā)生斷線、
接地等故障造成的設(shè)備事故及人身間接觸電。與分支
保護(hù)相似，該級保護(hù)的額定動作電流、動作時間應(yīng)比分
支保護(hù)大一個級差。一般選擇時，其額定動作電流大于
被保護(hù)線路的最大不平衡漏電流的兩倍以上，同時該
額定動作電流也應(yīng)是分支保護(hù)動作電流的兩倍以上；
額定動作時間也與末級保護(hù)有一個級差。
圖2為五級保護(hù)系統(tǒng)，漏電總開關(guān)的額定漏電動
作電流 血一400～500mA，漏電保護(hù)器的分?jǐn)鄷r間丁
≤2．0s；第二級分路開關(guān)的額定漏電動作電流 △n一
300"--400mA，漏電保護(hù)器的分?jǐn)鄷r間丁 ≤1．5s；第三
級分路開關(guān)的額定漏電動作電流 血一200 300mA，
漏電保護(hù)器的分?jǐn)鄷r間丁 ≤1．0s；第四級分路開關(guān)的
額定漏電動作電流 血一6O～100mA，漏電保護(hù)器的分
斷時間丁 ≤0．5s；通過電纜到第五級終端用戶漏電保
護(hù)開關(guān)的額定漏電動作電流 血≤30mA，漏電保護(hù)器
的分?jǐn)鄷r間丁 ≤O．1s。
終端用戶』 30mA 7 n《0·Is
圖2 漏電保護(hù)開關(guān)分級保護(hù)示意圖
低壓供電系統(tǒng)內(nèi)實行分級保護(hù)后，可使每個用戶
均有兩級以上的漏電防護(hù)措施，上級保護(hù)可以起到下
級保護(hù)的后備保護(hù)作用，不僅對低壓電網(wǎng)所有線路末
端的用電設(shè)備創(chuàng)造了安全運(yùn)行條件，同時對人身安全
也提供了直接接觸和間接接觸多重保護(hù)；通過動作靈
敏度和動作時間的配合，不但提高了保護(hù)效果，而且大
大減少了頻繁跳閘而造成大面積停電的次數(shù)，提高了
供電可靠性，最大限度地縮小了發(fā)生故障時停電的范
圍，發(fā)現(xiàn)和查找故障點也更加容易，對減少觸電事故、
保障作業(yè)安全有著積極的作用。
收稿日期 2005—07-27

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