動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器綜述

1、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器綜述由于動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是一種比較理想的用戶端電壓電能質(zhì)量的保護(hù)裝置，所以其研究成為了國(guó)內(nèi)外的一個(gè)熱點(diǎn)。尤其是在理論研究方面。目前動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的理論研究主要集中在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、檢測(cè)算法、控制方法、補(bǔ)償策略等方面。在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，主要研究不同的三相系統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)對(duì)故障電壓補(bǔ)償效果的區(qū)別，高壓大功率逆變器在DVR中的應(yīng)用等；在檢測(cè)算法方面，主要研究如何快速準(zhǔn)確的檢測(cè)出電網(wǎng)電壓的幅值，相位以及頻率的變化并生成負(fù)載電壓的參考指令；在控制方法的研究方面，主要的熱點(diǎn)是如何快速準(zhǔn)確的捕捉畸變電壓，并對(duì)其進(jìn)行很好的補(bǔ)償，保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能；在補(bǔ)償策略方面，主要研究如何在儲(chǔ)存能量一

2、定的情況下盡量的延長(zhǎng)補(bǔ)償電壓凹陷的時(shí)間。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器不僅在理論研究方面取得了很多的成果，而且有不少產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，并取得了良好的效果。第一臺(tái)工業(yè)應(yīng)用的DVR由西屋公司于1996年研制成功，安裝在美國(guó)北卡羅里納州Duke電力公司靠近一個(gè)自動(dòng)化紡織廠的12.47KV系統(tǒng)上，以便對(duì)全廠提供電壓凹陷保護(hù)。另外在Orian Rugs(USA)，Bonlac Foods(Australia)，Caledonian Paper(UK)等公司的網(wǎng)絡(luò)中均串入了DVR。如澳大利亞的Bonlac食品公司在對(duì)DVR試運(yùn)行后進(jìn)行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，該公司每年減少了2，453，400澳元的損失；據(jù)美國(guó)輸配電雜志報(bào)道，由A

3、BB公司制造的兩臺(tái)容量各為22.5MVA的DVR于2000年在以色列一家著名的微處理器制造廠投入運(yùn)行，用以防止因電壓凹陷引起全廠跳閘而可能造成以百萬(wàn)元計(jì)的產(chǎn)品成為廢品，它可以彌補(bǔ)500ms的三相電壓凹陷的35%和單相電壓凹陷的50%?？梢?jiàn)，DVR的應(yīng)用可以大大提高用戶的電壓質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是一種非常有應(yīng)用前景的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，各國(guó)的專家學(xué)者們已經(jīng)達(dá)成了這樣的共識(shí)：動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是改善電壓型電能質(zhì)量問(wèn)題的最經(jīng)濟(jì)，最有效的手段。世界上第一臺(tái)DVR由Westinghouse公司于1996年研制成功，并安裝在Duke電力公司的12.47kV系統(tǒng)上，該裝置的容量為2MVA，主要

4、用于抑制紡織廠供應(yīng)電壓的凹陷。隨后ABB公司研制的22kV/4MVA的DVR也成功地應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)廠的故障電壓恢復(fù)，它可在系統(tǒng)電壓發(fā)生凹陷時(shí)迅速地(幾毫秒內(nèi))提供補(bǔ)償電壓以維持負(fù)荷電壓恒定。此外ABB公司還推出了基于IGCT的DVR，由于IGCT結(jié)合了GTO和IGBT的優(yōu)點(diǎn)，這種動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器性能優(yōu)越，逆變器可靠性高，效率和安全性也很。由ABB公司制造的兩套DVR(單套容量均為22.5MVA)，于2000年在以色列一家著名的微處理器制造廠投入運(yùn)行，用以防止因電壓凹陷引起全廠跳閘而造成數(shù)百萬(wàn)美元的產(chǎn)品成為廢品的巨大經(jīng)濟(jì)損失。該DVR可補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間達(dá)500ms的三相電壓下跌35%和單相電壓下跌5

5、0%的電壓凹陷。德國(guó)Siemens公司的SIPCON-S系列產(chǎn)品采用的是串聯(lián)補(bǔ)償?shù)脑砜梢匝a(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)和諧波。根據(jù)西門(mén)子1998年的產(chǎn)品資料，可以總結(jié)出以下特點(diǎn)。（1）系統(tǒng)因故障電網(wǎng)電壓降到額定值的50時(shí)，SIPCON-S仍能正常工作；（2）一般情況下SIPCON-S的容量為負(fù)載的2050；（3）系統(tǒng)電壓的過(guò)沖或凹陷的補(bǔ)償可在23ms之內(nèi)完成；（4）可以補(bǔ)償電網(wǎng)電壓不平衡；（5）SIPCON-S產(chǎn)品的容量為幾十KVA到1MVA，可以對(duì)6MVA的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。除了上述的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器實(shí)例，世界上還有很多廠家和研究機(jī)構(gòu)正在研究各自的DVR，如日本的柱上式，美國(guó)威斯康欣大學(xué)等。國(guó)內(nèi)對(duì)電能質(zhì)量補(bǔ)償

6、裝置的研究總的來(lái)說(shuō)還處于剛起步的階段。1998年，我國(guó)國(guó)內(nèi)的高等學(xué)校和科研單位才開(kāi)始對(duì)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器進(jìn)行研究。目前，研究仍然處于理論研究和樣機(jī)研制階段，也取得了一些成果，清華大學(xué)，華北電力大學(xué)，西安交通大學(xué)，東南大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院電工研究所等都對(duì)DVR進(jìn)行了大量的研究實(shí)驗(yàn)并研制出DVR的試驗(yàn)樣機(jī)，所研制的DVR樣機(jī)還有待于工業(yè)環(huán)境的檢驗(yàn)。但與國(guó)外相比還有很大的差距,主要是在容量和電壓等級(jí)方面，目前針對(duì)DVR的研究集中在如下幾方面：（1）能量存儲(chǔ)單元的充放電技術(shù)。（2）不同電壓等級(jí)下(特別是高電壓等級(jí))主電路結(jié)構(gòu)的選擇。（3）電壓凹陷檢測(cè)算法以及補(bǔ)償指令的產(chǎn)生。（4）DVR補(bǔ)償電壓凹陷的動(dòng)態(tài)控制方

7、法。電能質(zhì)量問(wèn)題包括暫態(tài)電能質(zhì)量和穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面,它直接影響電力系統(tǒng)的供電安全及用戶設(shè)備的正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題都是基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)而言的,如高次諧波、三相電壓不平衡以及長(zhǎng)期的電壓過(guò)高與過(guò)低等。經(jīng)過(guò)多年的努力,穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量有了相當(dāng)?shù)奶岣?且實(shí)際系統(tǒng)中的許多機(jī)電設(shè)備在電壓幅值變化相對(duì)較大的范圍內(nèi)均能正常工作。隨著電力市場(chǎng)化的逐步推進(jìn)以及工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,一方面,配電網(wǎng)中非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅;另一方面,配電網(wǎng)中諸如計(jì)算機(jī)等用電設(shè)備對(duì)系統(tǒng)干擾更加敏感,它們對(duì)電能質(zhì)量提出了高可靠性、高暫態(tài)恒定性、高可控性的要求。理想的供電電壓應(yīng)該是純正的正弦波形，具有標(biāo)稱幅值和標(biāo)稱頻率，

8、并且三相對(duì)稱。然而因?yàn)閺陌l(fā)電到用電各環(huán)節(jié)中的非離線因素的影響，施加到負(fù)載上的電壓幅值、頻率、波形中的一相或幾相可能偏離標(biāo)稱值或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。電壓波形、幅值和頻率偏離標(biāo)稱值達(dá)到一定的范圍時(shí)，電力用戶和電網(wǎng)的運(yùn)行就會(huì)受到一定程度的影響和損害，這就產(chǎn)生了電能質(zhì)量問(wèn)題。電能質(zhì)量問(wèn)題主要分為電流質(zhì)量問(wèn)題和電壓質(zhì)量問(wèn)題。本文研究的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是針對(duì)負(fù)載側(cè)電壓的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，因此文中所涉及到的電能質(zhì)量問(wèn)題主要指電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。 根據(jù)IEEE第22標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會(huì)(電能質(zhì)量)推薦,電能質(zhì)量問(wèn)題主要包括以下幾種:(1) 電壓不平衡（Voltage unbalance）：是指三項(xiàng)典雅的幅值或相位不對(duì)稱。不平衡的程

9、度用不平衡度（電壓負(fù)序分量和正序分量的均方根值百分比）來(lái)表示，典型的三項(xiàng)不平衡是指不平衡度超過(guò)2%，短時(shí)超過(guò)4%。在電力系統(tǒng)中，各種不平衡工業(yè)負(fù)荷以及各種接地短路故障都會(huì)導(dǎo)致三相電壓的不平衡。(2) 電壓凹陷（sags）：電壓有效值降至額定值的10%-90% ,持續(xù)時(shí)間為0.5-30個(gè)周期。(3) 電壓中斷 (interruptions) ：在一相或多相線路中完全失去電壓 (低于額定值的10% )一段時(shí)間。持續(xù)時(shí)間0.5個(gè)周期至 3為瞬時(shí)中斷；持續(xù)時(shí)間3至60s為暫時(shí)中斷；持續(xù)時(shí)間大于60s為電壓中斷。(4) 電壓上升（swells）：電壓或電流有效值升至額定值的110%以上，典型值為額定值的

10、110% -180% ,持續(xù)時(shí)間為0.5-30個(gè)周期。(5) 電壓瞬變(transient)：是指在一定時(shí)間內(nèi)電壓在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)量之間的變化，電壓瞬變可以是任意極性的單方向脈沖或是第一個(gè)峰值為任意極性的衰減振蕩波。(6) 過(guò)電壓(over-voltages)：電壓為額定值的110%-120%，持續(xù)時(shí)間大約為1min。(7) 欠電壓(under-voltages)：電壓為額定值的80%-90%，持續(xù)時(shí)間大約為1min。(8) 電壓波動(dòng)(fluctuations)(閃變 )：電壓波動(dòng) (閃變 )是指電壓幅值在一定范圍內(nèi)有規(guī)律地或隨機(jī)地變化。其電壓幅值的變化通常為額定值的90% -110%。這種電壓波動(dòng)

11、常稱為電壓閃變。 電壓凹陷（sags，又可稱dips）是指在某一時(shí)刻電壓的幅值突然偏離正常工作范圍，經(jīng)很短的一段時(shí)間后又恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象。目前，多數(shù)都用持續(xù)時(shí)間和凹陷的幅值來(lái)作為描述電壓凹陷的特征量。大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電壓凹陷是發(fā)生在頻率最高、影響最嚴(yán)重、造成的經(jīng)濟(jì)損失最大的一類動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，美國(guó)300多個(gè)電能質(zhì)量檢測(cè)器從1993年到1995年的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，高達(dá)92%的擾動(dòng)事件是電壓凹陷，他們的持續(xù)時(shí)間大多數(shù)不到2秒鐘。持續(xù)時(shí)間在2秒鐘到10分鐘之間的電壓中斷僅占4%，其余的電能質(zhì)量問(wèn)題占余下的4%。日本關(guān)西電力公司統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：大多數(shù)電壓凹陷為跌幅20%以內(nèi)、持續(xù)時(shí)間100ms以

12、內(nèi)的故障。(1) 故障引起的電壓凹陷故障引起的電壓凹陷發(fā)生時(shí)電壓幅值突然下跌,結(jié)束時(shí)快速恢復(fù)。系統(tǒng)某個(gè)位置的凹陷深度由故障類型和與故障點(diǎn)的距離決定。凹陷持續(xù)時(shí)間取決于保護(hù)的類型,在半個(gè)工頻周期到數(shù)秒間變化。一般是當(dāng)輸電網(wǎng)或者配電網(wǎng)中出現(xiàn)電路故障時(shí)，電流急劇增大，在公共電壓連接點(diǎn)產(chǎn)生電壓凹陷，同時(shí)凹陷沿著電網(wǎng)擴(kuò)散而給大量用戶造成問(wèn)題。故障分為對(duì)稱和不對(duì)稱故障，因此產(chǎn)生的電壓凹陷也可能是對(duì)稱的，也可能是不對(duì)稱的。(2) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的電壓凹陷感應(yīng)電機(jī)全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的5-10倍，這一大電流流經(jīng)系統(tǒng)阻抗時(shí)，會(huì)引起電壓的突然下降。這種凹陷的深度取決于感應(yīng)電機(jī)特性和連接處的短路容

13、量，凹陷持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)。 （3）變壓器激磁涌流引起的電壓凹陷變壓器激磁電流可達(dá)正常值的幾十倍甚至幾百倍,足以形成電壓凹陷。其特點(diǎn)是電壓突然下跌,結(jié)束時(shí)緩慢恢復(fù),但三相的電壓降是不一樣的。此外,還伴隨有一定量的二次諧波畸變。其他的如：開(kāi)關(guān)操作、電容器組的投切以及上述各種因素的組合都會(huì)引起電壓凹陷。電壓凹陷已被認(rèn)為是影響許多用電設(shè)備正常、安全運(yùn)行的較嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。電壓凹陷對(duì)設(shè)備造成最直接的影響就是由于電壓較額定電壓低，當(dāng)凹陷持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備得不到足夠的能量而無(wú)法正常工作；電壓凹陷同時(shí)會(huì)引起一些保護(hù)繼電器動(dòng)作，直接將設(shè)備推出運(yùn)行；對(duì)于大多數(shù)微機(jī)及微電子控制設(shè)備，電壓凹陷的恢復(fù)過(guò)程，會(huì)引

14、起微機(jī)的重新啟動(dòng)。會(huì)造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。電壓凹陷對(duì)現(xiàn)代社會(huì)造成的危害總結(jié)為以下四個(gè)方面：（1）電壓凹陷對(duì)人們的日常生活有很大的影響。（2）電壓凹陷對(duì)信息業(yè)有很大的影響。（3）電壓凹陷對(duì)大型敏感工業(yè)用戶造成很大的危害。（4）電壓凹陷對(duì)現(xiàn)代社會(huì)廣泛應(yīng)用的電子設(shè)備影響也很大。敏感用戶為了減小電壓凹陷的影響,可以裝設(shè)各種補(bǔ)償裝置。目前用于治理電壓凹陷的主要補(bǔ)償裝置如下。（1） 不間斷電源(UPS)UPS的優(yōu)點(diǎn)是它讓負(fù)荷能在斷電和凹陷時(shí)都能正常運(yùn)行。它的缺點(diǎn)是損耗大,而且蓄電池需要維護(hù)和周期性的更換,這導(dǎo)致成本的增加、容量大、費(fèi)用高。（2） 磁諧振變壓器(CVT)CVT的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)三繞組

15、變壓器,原邊作為輸入,副邊接負(fù)荷,第三邊調(diào)整電容器。CVT運(yùn)行在飽和區(qū)域調(diào)整負(fù)荷端電壓。在電壓凹陷下降到正常值的70%仍能使負(fù)荷安全過(guò)渡。在滿負(fù)荷時(shí)CVT的效率可以達(dá)到70%75%。為了對(duì)滿負(fù)荷提供足夠的凹陷保護(hù),CVT的容量常常比滿負(fù)荷的正常容量大。（3） 靜止開(kāi)關(guān)切換(STSS)當(dāng)負(fù)荷有備用電源(或獨(dú)立電源)時(shí),發(fā)生故障后可以通過(guò)STS來(lái)供應(yīng)負(fù)荷電壓。電源用電力電子開(kāi)關(guān)反并聯(lián)的形式連接到負(fù)荷。通常負(fù)荷由一個(gè)電源轉(zhuǎn)換到另一個(gè)需要一個(gè)半周期。（4） 多分接頭變壓器多分接頭變壓器由電力電子開(kāi)關(guān)在每個(gè)分接頭構(gòu)成,用來(lái)對(duì)電壓變動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前市場(chǎng)上產(chǎn)品的最低反應(yīng)時(shí)間是一個(gè)半周期。它只能對(duì)凹陷幅值進(jìn)行有限補(bǔ)償。鑒于較慢的反應(yīng)速度和有限的凹陷補(bǔ)償能力,這種方式在緩解凹陷的應(yīng)用上并不廣泛。 (5) 電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組(MG)MG通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)給負(fù)荷供電。旋轉(zhuǎn)機(jī)器的中間時(shí)期可以對(duì)凹陷進(jìn)行補(bǔ)償