文章编号:1004—2X(2006)01-0034-04
电能质量调节器的研究
兰金茹 王奔 孟庆波 华晓萍 吴晨光
(西南交通大学电气工程学院,成都 610031)
摘 要:针对电力系统中存在大量的非线性负荷,介绍了一种综合解决电能质量问题的电能质量调节器。分析了电能质量调节器的结构和工作原理;介绍了基于同步旋转Park变换的d-q检测方法以及用三角波作为载波的PWM控制方式;最后介绍了用于解决电压跌落和浪涌的动态调节三角载波的控制方式。
关键词:电能质量;有源电力滤波器;用户电力技术;瞬时无功理论
中图分类号:TN713 文献标识码:B
Study on Pow er Q uality Conditi oner
L A N J in-ru W A N G B en M EN G Q ing-bo H UA X iao-p ing W U Chen-g uang (Schoo l of E lectrical Engineering,Sou thw est J iao tong U n iversity,Chengdu,610031,Ch ina)
A b stract:Since non linear loads are w idesp readly u sed,pow er quality conditi oner cap ab le of so lving m o st know n pow er quality p rob lem s is p resen ted.T he structu re and w o rk ing p rinci p le of pow er quality conditi oner are in troduced.T he detecting m ethod based on synch ronou s ro tary Park tran sfo rm ati on and the SPWM con tro lling m ethod are discu ssed.F inally a new i m p roved PWM strategy w h ich can dynam ically adju st the am p litude of the triangle carrier w ave du ring the vo ltage sags o r s w ells is si m p ly in troduced.
Key w o rds:pow er quality;A ctive Pow er F ilter;Cu stom Pow er;in stan taneou s reactive pow er theo ry
1 引言
随着电力电子技术的发展,非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了广泛应用。这些设备的运行使电网中电压和电流波形畸变越来越严重,谐波污染日益严重。另外,冲击性、波动性负荷,例如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等,运行中不仅会产生大量的高次谐波,而且还会产生电压波动、跌落、三相不平衡、供电中断等电能质量问题,电网输出的交流电并不是稳定的正弦波,使供电质量不断恶化。另一方面,随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及,人们对电能质量的要求越来越高,因而电能质量成为目前研究的热点。
用户电力技术(Cu stom Pow er)是用来解决配电系统电能质量问题的控制技术。随着人们对电能质量要求的进一步提高,用户电力技术以成为改善配电系统电能质量的必备技术手段之一。本文介绍一种电能质量调节器,该调节器由动态电压调节器(DV R)和有源电力滤波器(A PF)串联在一起组合而成。其目的在于根据配电电网的实际情况和要求,全面集中地对电网的电能质量进行综合补偿,从而全面经济地解决配电网的电能质量问题,为用户提供可靠的高质量电能。
2 电能质量调节器的结构和工作原理
2.1 电能质量调节器的组成
图1为电能质量调节器的结构框图。逆变器1和输出变压器T组成动态电压调节器,并通过变压器T的二次侧在电路的输入端与负载串联,其作用是对电网输出电压的波动和谐波进行补偿;逆变器2和滤波电感L2组成有源滤波器,并通过滤波电感L2在电路的输出端与负载并联,其作用是对负载所需的无功与谐波电流进行补偿。直流电容C d既是直流滤波电容,也是逆变器2的储能电容。
电能质量调节器应用于配电系统,可以使用户全面综合地提高配电电网供电质量。具有如下功能:对电网电压的波动、跌落、浪涌和谐波进行补偿,使负载上的电压为稳定纯净的正弦波电压;
图1 电能质量调节器的结构框图
对负载电流中的无功分量和谐波分量进行补偿,使电网的输出电流为与电网电压同相位的正弦波电流,使电网的输出功率因数为1;
隔断电网与负载之间的谐波相互干扰,使电网的谐波电压不干扰负载,负载的谐波电流也不污染电网;
对于三相电能质量调节器,还可以补偿三相负载的不对称电流。
2.2 电能质量调节器的工作原理
电能质量调节器的基本工作原理:首先由检测电路检测出畸变的电压、电流信号;其次由控制电路产生补偿信号;然后形成PWM信号,通过驱动电路来控制逆变器开关器件的通断,从而补偿系统中存在的电压、电流的畸变分量,使电力系统中电能质量的污染被消除。因此,畸变量的检测和补偿信号的产生是电能质量调节器的重要组成部分。
3 三相电能质量调节器的检测原理
近年来,人们已经提出了许多谐波检测方法。瞬时无功理论检测法与其它方法相比有较好的实时性。三相瞬时无功理论由日本学者赤本泰文在上个世纪80年代初首先提出,此后经过其他学者不断研究逐渐得到完善,现在已经包括p-q法、i p-i q法和d-q法。p-
q法首先得到应用,仅适用于对称三相且无畸变的情况;i p-i q法不但对电源电压畸变有效,也适用于不对称三相电网的检测;基于同步旋转Park变换的d-q 法,不仅简化了对称无畸变下的电流增量检测,而且也适用于不对称、有畸变的电网电压的检测。目前,d-q 法是谐波实时计算中所采用的主要方法,本文把d-q 变换(或d-q反变换)作为检测的核心,分别辅以其它环节,构成三相电能质量调节器的检测电路。
3.1 补偿电流的检测
d-q检测法适用于三相四线制系统,可以检测零序电流,这是因为d-q变换电路中增加了一个对应于零序的相。采用此方法检测负载谐波电流与无功电流的原理框图如图2所示。
i d-q=
i d
i q
i o
=
2
3
co s X t co s(X t-
2P
3
) co s(X t+2P
3
)
-sin X t -sin(X t-
2P
3
) -sin(X t+2P
3
)
1
2
1
2
1
2
i a L
i bL
i c L
=
i g d+i p d
i g q+i p q
i0
d-q变换将静止坐标系中的相量变换到以基波角速度旋转的坐标系中,变换后的信号与原信号频率相差一个基波频率,即50H z,是一种减小一个基频的差频变换。图2所示为该检测法的检测过程。将三相负载电流i a L、i bL、i c L进行d-q变换,再用低通滤波器(L PF)滤除交流分量并将无功电流成分去掉,然后经d -q反变换即可得到不含谐波和无功成分,只含有功成分的基波正弦电流i ap、i bp、i cp。最后用负载电流减去基波正弦电流,便可得到谐波和无功电流i ah+i aq、i bh+ i bq、i ch+i cq,即
i3ac=i aL-i ap=i oq+i ch
i3bc=i bL-i bq=i bq+i bh
i3cc=i c L-i cp=i cq+i ch
用i3ac、i3bc、i3cc作为调制波指令信号对逆变器进行控制,即可得到三相补偿电流i ac=i aq+i ah、i bc=i bq+i bh、i cc =i cq+i ch。
图2虚线框部分是直流侧电容电压的控制电路。其中U dr是U d的给定值,U dr与U d之差经P I调节器后得到调节信号△U d,△U d叠加到检测电路的直流分量上,使调制波或指令信号i3c中包含一定的基波有功电流。逆变器输出的补偿电流注入电网,使得在有源电力滤波器的补偿电流i c中包含一定的基波有功电流分量,从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧进行能量交换,将直流电压U d调节到给定值。
3.2 补偿电压的检测
三相电网电压增量(电压波动值±△u a、±△u b、±△u c和谐波分量u ah、u bh、u ch)的检测也采用瞬时无功理论的d-q检测法。其检测原理如图3所示。
三相基准正弦电压u ar、u br、u cr经过d-q变换、低通滤波后,得到三相基准正弦参考电压在d-q坐标系下的直流基准参考值;电网三相电压u a、u b、u c经过d-q
图2
检测负载谐波电流与无功电流的原理框图
图3 检测电网电压波动值△u 和谐波分量u h 的原理框图
变换后与直流基准参考值进行比较,得到电网电压在d -q 坐标系下的增量电压u df 、u qf 、u 0f ,再进行d -q 反变换,就可以得到电网电压增量值△u a +u ah 、△u b +u bh 、
△u c +u ch 。用u 3ac 、u 3bc 、u 3cc 作为调制波指令信号对逆变器
进行控制,即可得到三相补偿电压u ac =△u a +u ch 、u bc =△u b +u bh 、u cc =△u c +u ch 。
4 电能质量调节器的控制方式
因为检测和计算时间的延迟,无论是对于串联补偿器还是并联补偿器,要实现实时的完全的补偿都是很困难的。因此可以应用预测控制理论来改善补偿效果,即采用本周期计算的补偿量对下一周期的值进行补偿。
u (n +1)
c
(k )=u (n )c (k )i (n +1)
c
(k )=i (n )c (k )
式中,n 为当前采样周期数;k 为采样数。
4.1 并联型A PF 的控制方式
三相电能质量调节器中的并联部分采用三角波比较SPWM 控制方式,但它与一般的SPWM 控制方式
不同,它不是直接用调制波指令信号i 3ac 、i 3bc 、i 3
cc 与载波三角波进行比较,而是将指令信号与补偿量i ac 、i bc 、i cc 的反馈信号进行比较,将它们的差值经放大器放大后,再与载波三角波进行比较。其控制电路的框图如图4所示。这种控制方式是基于将指令信号与补偿量的差值控制到最小来设计的,其优点是谐波含量小,所含谐波与三角波频率相同,谐波频率固定,滤波比较容易。4.2 串联型DV R 的控制方式
串联型DV R 的控制方式与并联型A PF 的控制方式基本上是相同的,如图4所示。
电压跌落和浪涌在电力系统中较为常见,但目前
国内外对两者尚无统一的定义。通常认为电压下降至正常电压的0.1～0.9(标么值),持续时间达0.5～30周波时就称之为电压跌落;而当电压上升到正常电压的1.1～1.8(标么值),持续时间达0.5～30周波时就
称之为电压浪涌。电压跌落和浪涌作为电能质量问题的一种,它对用户的危害绝不逊于电压、电流谐波的危害。
但是当出现电压跌落和浪涌时,应用上述SPWM 控制方式对其进行补偿,效果并不理想,这是因为在电压跌落或浪涌期间串联部分检测到的电压畸变量幅值大大超过了三角载波的幅值。通常在未出现电压跌落或浪涌时,电压畸变量幅值与三角载波幅值的比例(调制度)M 取为0.95左右,M 过小,则PWM 信号中的开关高频谐波成分过大,给高频滤波带来困难;M 取值如果超过1,则PWM 信号中将会引入并不希望的低频谐波,而且其中的基波也不能达到所希望的幅值。
电压跌落和浪涌在电力系统中经常出现。但是,从时间角度考虑,它们与仅含有电压谐波的情况相比,时间太短以至于可以忽略不计。这样在设定电能质量调节器串联侧PWM 控制中的调制度M 时则可以直接取典型值为0.95。而当出现电压跌落或浪涌时,为了保证补偿效果,调制度M 仍然取为0.95,这样在电压跌落或浪涌期间就要将三角载波的幅值作相应的放大——称之为动态调节三角载波幅值的PWM 控制技术。图5即为该原理的波形示意图。其中三角载波的放大比例系数可由电压跌落或浪涌发生期间的电压畸变量的峰值除以电压跌落或浪涌发生前的电压畸变量的峰值得到。
动态调节三角载波幅值的PWM 控制技术是根据调制信号的幅值变化动态地调节三角载波幅值,从而让调制度M 维持在较好的典型值,最终调制出的PWM 波形中充分含有调制信号中的各种分量。因此对电压跌落和浪涌具有良好的补偿效果
。
图4 A 相的SP WM 控制电路的框图
图5 动态调节三角载波P WM控制方式的波形示意图
5 结论
电能质量调节器中的两个逆变器的功能可以互换。逆变器1可以作为动态电压调节器使用,也可以作为串联有源电力滤波器使用;逆变器2可以作为并联有源电力滤波器使用,也可以作为并联动态电压调节器使用。当逆变器1作为串联有源电力滤波器使用,逆变器2作为并联动态电压调节器使用,并且内部直流侧接有蓄电池时,此电能质量调节器还可以当在线不间断电源(U PS)或有功功率调节器使用,夜间储能,白天用电高峰时放能;若电网掉电,还可以向用户的重要负载继续供电。
电能质量调节器可以和L C无源滤波器混合使用,来减小电能质量调节器的容量,降低初期投资,采用混合式结构是近期所采用的最为经济的方案。
电能质量调节器在我国电网中的实际应用距发达国家还存在一定的差距,但随着电力市场的形成,供电质量问题的日益尖锐,势必会促进电能质量调节器的广泛应用。鉴于高压大功率场控开关器件的商用化,电能质量调节器的容量可以很大。因此,它既可以解决整条配电线路的供电质量问题,也可以解决用户的供电质量问题。电能质量调节器,是未来配电自动化的一个重要发展方向,值得认真研究和开发。
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作者简介:
兰金茹(1978-),女,西南交通大学,电力系统及其自动化专业硕士研究生。
王奔(1960—),男,教授,西南交通大学,主要研究方向:电力系统的非线性及变结构控制;电力电子。
(上接第33页)
总保护主要是防止主干线路、分支线路发生断线、接地等故障造成的设备事故及人身间接触电。与分支保护相似,该级保护的额定动作电流、动作时间应比分支保护大一个级差。一般选择时,其额定动作电流大于被保护线路的最大不平衡漏电流的两倍以上,同时该额定动作电流也应是分支保护动作电流的两倍以上;额定动作时间也与末级保护有一个级差。
图2为五级保护系统,漏电总开关的额定漏电动作电流I$n=400～500mA,漏电保护器的分断时间T n ≤2.0s;第二级分路开关的额定漏电动作电流I$n= 300～400mA,漏电保护器的分断时间T n≤1.5s;第三级分路开关的额定漏电动作电流I$n=200～300mA,漏电保护器的分断时间T n≤1.0s;第四级分路开关的额定漏电动作电流I$n=60～100mA,漏电保护器的分断时间T n≤0.5s;通过电缆到第五级终端用户漏电保护开关的额定漏电动作电流I$n≤30mA,漏电保护器的分断时间T n≤0.1s
。
图2 漏电保护开关分级保护示意图
低压供电系统内实行分级保护后,可使每个用户均有两级以上的漏电防护措施,上级保护可以起到下级保护的后备保护作用,不仅对低压电网所有线路末端的用电设备创造了安全运行条件,同时对人身安全也提供了直接接触和间接接触多重保护;通过动作灵敏度和动作时间的配合,不但提高了保护效果,而且大大减少了频繁跳闸而造成大面积停电的次数,提高了供电可靠性,最大限度地缩小了发生故障时停电的范围,发现和查找故障点也更加容易,对减少触电事故、保障作业安全有着积极的作用。
收稿日期:2005-07-27下载本文
