ag电子游戏官网注册
成功案例
航空航天 公用建筑 工业制造 轨道交通 军工

一种利用dvr 组成upqc 系统的方法

TIME:2019-12-19   click:

  内容提示:一种利用 DVR 组成 UPQC 系统的方法 梁亮 李建林 高志刚 李梅 许洪华 (中国科学院电工研究所,北京市 海淀区 100080) 摘要:统一电能质量控制器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)是目前一种新型的电能质量补偿装置。本文详细介绍了其中的动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)部分。提出了一种针对模拟 DVR 设备的改进方法。根据得到的实验结果进行了分析,指出了本系统的不足之处和改进方向。证明了这种改进方法是可行的,基本实现了利用 DVR 组成 UPQC 系统的目的。 关键词:统一电能质量控制器,动态电压恢复器,串行通信,CPLD,逆变器 1.引言 随着社会自...

  一种利用 DVR 组成 UPQC 系统的方法 梁亮 李建林 高志刚 李梅 许洪华 (中国科学院电工研究所,北京市 海淀区 100080) 摘要:统一电能质量控制器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)是目前一种新型的电能质量补偿装置。本文详细介绍了其中的动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)部分。提出了一种针对模拟 DVR 设备的改进方法。根据得到的实验结果进行了分析,指出了本系统的不足之处和改进方向。证明了这种改进方法是可行的,基本实现了利用 DVR 组成 UPQC 系统的目的。 关键词:统一电能质量控制器,动态电压恢复器,串行通信,CPLD,逆变器 1.引言 随着社会自动化化水平的不断提高, 电力对于社会的重要性越来越高。 在现今的社会中电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需要,也要满足其对电能质量的要求。我国电力工业发展在相当长的一段时间内, 电能质量问题显得并不是很突出, 大多数用户首先考虑的都是对电能“量”的要求,对“质”的要求相对较低。 因此导致传统电力系统的电能质量问题一般仅是关注系统在稳态情况下供电是否可靠。在传统企业中,短时间的电压电流变化对设备的影响不大, 也不会给产品质量带来很大的问题。 随着电子和信息技术的飞速发展,企业中广泛采用自动生产线、精密加工机械、计算机系统、机器人等先进技术,对于这些敏感的电力电子设备或信息设备来说, 即使几个周波(几十至上百个毫秒)的供电中断或电压跌落都将影响这些设备的正常工作, 造成巨大的经济损失。 因此供电系统故障或电能质量恶化所带来的影响正变得日益严重。 电能质量问题已引起电力用户和供电企业的广泛关注。目前改善电能质量的主要手段,如无源滤波器、静止无功补偿装置等,并非是解决◆●△▼●电能质量问题最有效的方法, 无法满足人们对电能质量所提出的更高要求。1976 年 L. Gyugyi等人利▲=○▼用由基于大功率晶体管的脉宽调制(PWM)变流器构成有源电力滤波器(APF)来消除电网谐波。 但当电网电压和负载电流同时发生畸变时,单独的串连 APF(DVR)和并联 APF 都难以达到理想的补偿效果[1] 。而日本学者 Akagi 在 1996 年首次提出的,由串并联有源滤波器整合起来所构 成的统一电能质量调节器 UPQC ( Unified Power Quality Conditioner )[2] ,则不仅可以补偿由非线性负载产生的谐波、无功、不平衡电流,还可以调节负载端电压至额定幅值的三相对称电压,消除瞬时电压波动, 使用户免受电网电压不平衡和幅值波动的影响, 是具有综合的电能质量调节功能的一种电能质量控制器[3] ,被公认为是极有发展前途的一种装置, 也得到了广泛深入的研究。 2. 电能质量问题 在我国颁布的有关电能质量五个方面的标准中[4-9],除了谐波标准涉及到电流质量问题以外, 其余的标准都是针对供电电压提出来的。 这些标准详细地规定了不同运行状态下不同用户对系统供电电压的具体要求。图 1[10]中给出几种常见的电压问题的具体波形。 图 1 几种动态电压质量问题的波形示意图 IEEE第22标准协调委员会和其他一些国际委员会推荐使用以下一些术语来描述电压质量的几个主要方面,它们是: 电压骤降: 指系统电压有效值下降至标称电压的1%-90%, 持续时间为0.5周期至1.5s[11]的电压跌落过程, 通常是由系统故障或大型负荷快速投入引起的。 电压骤升: 和电压骤降相对应的电压升高超过标称电压 1.1-1.8p.u.的过程。 供电中断:指系统电压下降到 0.01p.u.以下[11]。 电压波动: 即电压方均根值一系列的变动或连续的改变。 闪变:即灯光▲★-●照度不稳定造成的视感,是由波动负荷,如电弧炉、轧机、电弧焊机等◇=△▲引 起的。 电压谐波: 一般定义为电网基波频率的整数倍分量。除此之外还有分数次谐波,次谐波•□▼◁▼等。 电压不平衡: 电压不平衡通常是由于故障或负载不平衡造成的。电压不平衡发生时,交流电压中含有明显的负序、零序分量。 过电压和欠电压:指持续时间大于 60s 的持续电压升高和降低的过程, 典型的过电压值为 1.1-1.2p.u.,而欠电压为 0.8-0.9p.u.。 3. UPQC 系统 UPQC 是统一电能质量控制器(Unified Power Quality Conditioner )的英文缩写,它可以快速补偿供电电压的突然升高和下降, 波动和闪变,谐波电流和电压、各相电压的不平衡以及故障时的瞬间电压中断等, 是一项具有综合功能的电能质量控制器。本文介绍的UPQC 系统是由一台与系统串联的动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)和一台与系统并联的有源电力滤波器(Active Power Filter,APF )联合组成的。 3.1 DVR 简介 K1K1K2K2K3K3TT直流连接连接充电器充电器逆变器逆变器直流K4K4T2T2负载侧负载侧系统侧系统侧 图 2 常见的 DVR 系统主电路结构图 Westinghouse 公司于 1997 年首次发表了有关动态电压恢复器的文章[12], ABB 公司也很快利用新型的IGCT大功率开关器件研发并生产了兆瓦级的动态电压恢复器装置(DVR)[13]。这些公司的产品资料中介绍了 DVR 的基本原理、主电路结构以及控制方法。 1999 到 2001 年, 世界上很多高校和科研机构对动态电压恢复器进行了更加深入的研究[14-15],使串联补偿装置在功能和效率方面有了进一步的发展, 使系统在综合性、 经济性、可靠性方面有了很大发展。 从综合性上来说, 人们使用串联装置实现了抑制电压浪涌,消除电压谐波,消除不平衡电压等一系列新的功能[16-19]。 串联型电能质量控制器已经从简单的 DVR 动态电压恢复功能向综合性更强的方向发展。 从经济性上来说, 串联性电能质量控制器都具有在系统电压未发生跌落时自动工作在旁路状态的功能[20], 这样只要选用低通态损耗的器件,就可以获得较高的运行效率,降低运行成本[13]。 而电力电子器件的发展正好在硬件方面提供了条件。 串联型电能质量控制器补偿电压畸变的过程中需要与系统有一定的有功交换, 储能单元的容量和结构会影响到这个有功交换的过程。 所以直流储能单元性能的好坏直接决定了系统的实际性能, 因此可以通过优化串联型电能质量控制器与系统的能量交换过程和•●采用新型储能单元,例如超导储能,来改善 DVR系统的性能。 3.2 APF 简介 图 3 并联型有源电力滤波器系统构成 对有源滤波器可以这样来定义: 将系统中所含有害电流(高次谐波电流、无功电流及零序负序电流) 检出, 并产生与其相反的补偿电流, 以抵消输电线路中的有害电流的半导体电力变换装置。 变流装置在检测系统的控制下将直流电能转变为有害电流源所需要的能量, 或者说:补偿装置所产生的电流波形正好与有害电流的频率幅值完全相同, 而相位正好相差 180, 从而达到补偿或抵消有害电流的效果[21]。 与无源滤波器(PF) 相比, 电力有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿, 而且补偿特性不受电网阻抗的影响. 国外电力有源滤波器的研究以日本为代表, 已进入实用化阶段, 随着容量的逐步提高, 其应用范围也从补偿用户自身的谐波问题向改善整个电力系统供电质量的方向发展. 在装置技术方面, 主要朝提高补偿容量、改善补偿性能、降低成▼▲本和损耗、 多功能化和装置小型化等方向发展, 在应用方面, 主要致力于针对不同谐波源制定相应的对策, 解决最优配置、有源滤波器的相互干扰及其对电网上装设的 LC 滤波器的影响以及停电和瞬间保护等问题.自1976 以来 L. Gyugi 提出了并联有源滤波器方案[2] , 到目前为止已经研究出了有关有源滤波器的近十几种滤波方案, 它们各有优缺点, 分别应用于不同场合. 3.3 UPQC 主电路拓扑结构 UPQC 系统的主电路拓扑结构如图 2-4[22]所示。DVR 和 APF 通过公共的直流电容单元相连接。 pCsCcomC1C1L2 LcomL图 4 UPQC 系统主电路拓扑结构图 4. DVR 部分改进方案 原有的 DVR 设备是采用模拟控制的方法运行的。在设计时并没有考虑到今后与 APF组成 UPQC 进行运行的这种方式, 因此并没有预留出和 APF 进行交流的通信接口。本文提出▼▼▽●▽●了一种对原有系统进行改进从而实现 DVR设备和 APF 设备联合进行实验的方案。原有DVR 是以模拟方○▲-•■□式来实现电压补偿效果的,由电网信号采集得到的参考波是对 DVR 进行控制的关键信号。 因此考虑采用一块 CPLD 芯片根据 APF 传送过来的同步信号通过 DA 芯片来为 DVR 提供模拟参考波,这样就可以将以前的模拟控制方式转化为数字和模拟的混合控制方式。 这种控制方式结合了模拟电路可靠和数字电路容易实现控制算法的优点。 CPLD 电路板上具有一片 Xilinx 公司xc95288xl 的 CPLD 芯片以及一片四通道的DA 芯片。其中 CPLD 芯片负责串行接收 APF发送过来的数据, 同时通过板上拨码开关的状态来决定让DA输出接收到的数据来构成参考电压波形还是独立输出正弦波构成参考电压波形。这样就实现了 DVR 能够自如切换于与APF 联合运行和自己独立运行。 图 5 CPLD 芯片程序结构图 5. 实验系统介绍 实验系统如下图所示: 图 6 试验系统接线中的三相调压器额定输入电压380V,输出电压范围 0~433V,容量 15KVA,额定输出电流 20A。 图 6 中负载部分,有 10和 175两种规格的电阻来实现不同的负载实验条件。 图 6 ▽•●◆中的压跌落发生器由旁路开关、 功率电阻、带常闭节点的按钮组成。通常电压跌落发生器是串联进系统和负载之间的, 如果旁路开关闭合那么输入和输出之间就相当于直接连通,按钮不起任何作用,对系统没有任何影响。如果旁路开关闭合,按钮未按下时,常闭节点就相当于旁路开关的作用, 也相当于系统和负载直接相连。但是当按钮按下时,常闭节点变成断开状态, 相当于在系统和负载之间串联了一个电阻, 因此造成了负载侧电压下降的效果。 图 7 电压跌落发生器结构图 6. 实验结果及分析 6.1 信号发生部分实验结果 图8时DA芯片发出的正弦调制参考波实验波形。每周波 128 点 图 8 DA 芯片按照同步信号输出的正弦参考波 6.2 空载试验结果 进行空载实验时得到的结果是当◆■调压器输出的系统电压达到 150V(有效值)左右时,DVR 输出的补偿后电压能够达到 220V 的额定值,如图 9 所示。图 9~11 中 CH1 为系统电压,CH2 为补偿后电压。这和 DVR 直流单元整流变压器采用了Y果能够采用 1:1 的变压器就可以将连接方法更改为YY 接法,那时系统电压达到 110V时就可以能够将负载电压补偿到 220V。但是此时补偿后的电压波形存在较大的谐波分量,这是由于直流电容上的电压比较低, 因此系统以补偿后的电压有效值为有效考虑的因素从而造成了波形质量较差。在图 10 中可以看到此时由于系统电压已经比较高了因此系统的电压质量出现了一定的改善。图 11 说明 DVR在系统电压达到了 220V 之后能够自动将DVR 切除出系统,减小无味的损耗,提高系统效率。 接法是相符合的。 如 图 9 系统电压达到 150V 时的补偿效果 图 10 系统电压为 200V 时的补偿效果 图 11 系统电压达到 220V 时 DVR★-●=•▽ 旁路运行的结果 6.3 单相负载实验结果 单相负载实验时系统所连接的负载大小为 87.5以及 20,这样 20单相负载电流的大小就为 11A。 而系统的额定电流大小为10A。系统的过流保护值为 20A。在实验中遇到了系统发生过流保护的情况, 经过大家讨论认为这有可能是调压器升压过快造成出现了电压的尖峰,导致系统发生了过流保护。在我们降低了升压速度之后系统就没有再出现过过流保护的状况了。 其他的实验结果基本跟空 载实验相同。通过单相负载试验验证了 DVR系统的保护系统能够正常工作, 在遇到负载电流过大时能够及时地封锁 IGBT 的触发脉冲,从而起到保护 IGBT 的作用。87.5负载时的波形如图 12 所示。DVR 系统在系统电压达到150V 左右时补偿后电压达到了 220V。 图 13 说明在系统电压达到 170V 左右时波形有了很大的改善。 图 12 系统电压达到 150V 时的补偿效果 图 13 系统电压达到 170V 左右时的补偿效果 6.4 三相负载实验结果 三相负载试验时我们采用了三项不平衡负载进行实验, 这样更能够体现出系统在不同负荷条件下的表现。我们在 A、B 相各采用了一台 2Kw 的电炉作为其负载。C 相负载选用了一个 175的电阻作为负载。 这就意味着 C相的负载功率为 276W。经过试验证明三相负载电压基本达到了设计要求。 当负载较轻的 C相电压被补偿到了 220V 的标准电压时,由于A、B 相的负载较轻因此这两项出现了 5V 左右的过电压,达到了 225V 的有效值。我们认为这是基本可以接受的结果因为它的数值是标准电压的 102%,属于可以接受的范围。波形和上面的试验基本一致, 这里就不再显示相关的◇•■★▼图形了。 6.5 单相电压跌落实验结果 单相电压跌落的试验我们连接了比较小的负载,使用了 175的电阻作为 C 相的负载。这是考虑到直流单元的容量比较小,如果使用了比较大的负载会造成系统补偿不了几个周波后就会由于直流测电压下降造成补偿能力下降。使实验效果不易被观察到。 图 14 DVR 单相电压跌落试验结果 图 15 DVR 单相电压跌落试验结果局部放大图 从图 14 中可以看出系统在补偿了一个周波后负载电压还是出现了明显的下降, 这就是前面提到的直流单元容量不足造成的。 这可以通过采用大容量的电容或者超导储能装置来达到增加直流单元容量的目的。 从而提高系统的补偿能力。 7.结论 本文提出了一种针对模拟运行方式 DVR的改进方法, 利用 CPLD 芯片和 DA 芯片实现数模混合的控制方法。 采用串行通信的方式实现 APF 和 DVR 的通信。 经过实验验•☆■▲证说明这种改进方案是可行的。 参考文献 [1] 蒋平,王宝安,赵剑锋,戴先中(Jiang Ping, Wang Baoan, Zhao Jianfeng,Dai Xianzhong). 配电网串并联复合有源电力滤波器的仿真研究(Simulation Analysis of Series-Parallel Active Power Filter for Distribution System). 电力系统 自 动 化 (Automation of Electric Power Systems)[J],2002,26 (19),36-40. [2] AkagiH. New Trends in Active Filter for Power Conditioning. IEEE Trans on Ind Application, 1996,32 (6);1312-1322. [3] Hideaki Fujita,Hirofumi Akagi.The Uinfied Power Quality Conditioner:The Integration of Series Active Filters and Shunt Active Filters.IEEE Trans on Power Electronics,1998,13(2):315-322. [4] 国家技术监督局.电能质量 公用电网谐波(GB/T14549-93).北京:中国标准出版社,1993 [5] 国家技术监督局.电能质量 电压允许波动与闪变 (GB/T12326-2000). 北 京 : 中 国 标 准 出 版社,2000 [6] 国家技术监督局.电能质量 供电电压允许偏差(GB/T12325-90).北京:中国标准出版社,1990 [7] 国家技术监督局.电能质量 三相电压允许不平衡度(GB/T15543-95).北京:中国标准出版社,1995 [8] 国家技术监督局.电能质量 电力系统频率允许偏 差 (GB/T15945-95). 北 京 : 中 国 标 准 出 版社,1995 [9] 国家技术监督局.电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 (GB/T18481-2001). 北京:中国标准出版社,2001 [10]唐志, 串联型电能质量控制器实验样机的研制:[硕士学位论文]。北京:清华大学电机系,2002 [11] 孙树勤.电压波动与闪变.北京:中国电力出版社,1998 [12] Woodley, N.H.,Morgan, L.,Sundaram, A. Experience with an inverter-based dynamic voltage restorer Power Delivery, IEEE Transactions on , 1999.Vol: 14 Issue: 3.1181 -1186 [13] Chan, K.,Kara, A.,Westermann, D. Integrated gate commutated thyristor based dynamic voltage restorer POWERCON 98. Aug. 1998 vol:1.635 - 638 [14] Hong-Seok Song,Hyun-Gyu Park,Kwanghee Nam An instantaneous phase angle detection algorithm under unbalanced line voltage condition PESC 99. Vol: 1.533-537 [15] Il-Yop Chung,Sang-Young Park,Seung-Il Moon,Seong-Il Hur The control and analysis of zero sequence components in DVR system. Power Engineering Society Winter Meeting,2001.vol:3.1021 - 1026 [16] Ran Cao,Jianfeng Zhao,Ping Jiang,Guoping Tang Series power quality compensator for voltage sags, swells, harmonics and unbalance. Transmission and Distribution Conference and Exposition.vol:1 .543 - 547 [17] Stephen W. Middlekauff, E.Randolph Collins System and Customer Impact: Considerations for Series Custom Power Devices. Power Delivery , IEEE Transactions on 1998 Vol: 13 Issue: 1 .278 - 282 [18] Quaia, S.,Tosato, F. Unsymmetrical three-phase voltage sag compensation through no energy stored voltage boosters Electrotechnical Conference, May 1996. Volume: 2.921 - 926 [19] Alali, M.A.E.,Saadate, S.,Chapuis, Y.A.,Braun, F. Energetic study of a series active conditioner compensating voltage dips,unbalanced voltage and voltage harmonics CIEP 2000.80 - 86 [20] Haque, M.H. Voltage sag correction by dynamic voltage restorer with minimum power injection IEEE Power Engineering Review May 2001 Vol: 21 Issue: 5.56 - 58 [21] 张桂斌 王广柱 魏殿杰, 有源电力滤波器综述, 山东电力技术,1998 年第 1 期(总第 99 期) [22] 张秀娟.▪▲□◁ 姜齐荣. 韩英铎. 一种新型的单相统一 电 能 质 量 调 节 器 。 电 力 系 统 自 动 化 . 2004,vol28,NO23 梁 亮(1983)中科院电工所研究生,研究△▪▲□△方向为变速恒频风力发电技术 李建林(1976)中科院电工所博士后,研究方向为变速恒频风力发电技术

ag电子游戏官网注册

上一篇:高原城市西宁实现电能替代近2亿千瓦时 下一篇:没有了