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1、2 0 0 8 中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集5 7 3 基于电力电子技术的电能质量控制技术刘富永，李宗民( 烟台东方电子信息产业股份有限公司，山东烟台2 6 4 0 0 0 )摘要：本文较全面地介绍了基于电力电子技术的电能质量控制技术，重点介绍了D V R 、S T A T C O M s F c L ，并以天津无缝钢管公司的案例为背景，对上述3 种方案进行了仿真分析，肯定了3 种方案的可行性。关键字：电力电子；电能质量：控制技术；仿真0 引言电能质量控制是近年来电力系统和电力电子技术领域的一个热门话题，国外国内学术界都对这一问题投入了巨大的关注。电能质量包括电压质量、频率质量和供电
2、可靠性三方面。其中又以电压质量问题最为普遍。随着对电能质量敏感的负荷口益增多，电能质量问题产生的危害越来越大。学术界公认，电能质量问题只能以电力电子技术为核心手段来加以解决。近年来配电系统的电能质量控制技术得到了长足的进步，其中最具有代表性的有配电系统静止无功补偿器( D S 州r C O M ) ，动态电压恢复器( D V R ) ，超导故障限流器( S F C L ) I lJ 。本文以天津钢管公司的“三相短路引起母线残压低故障”为案例，来对上述三种装置进行理论分析与仿真研究。该公司作为我国最大的石油管材生产基地，世界四大无缝铡管公司之一，每年发生这样的事故3 到5 起，造成了巨大的经济损
3、失。故障发生后，系统出现很大的短路电流，1 0 于伏母线电压下降2 0 至6 0 ，与故障无关的部分电气设备由于瞬时低压不能正常运转，影响了公司的正常生产。在这一背景下，运用上述3种装置来提高该公司的电能质量，必将带来巨大的经济效益与社会效益。1 电能质量控制装置理论分析与应用1 1 动态电压恢复器( D V R )动态电压恢复器( D y n a m i cV o l t a g eR e s t o r e r s ，D V R ) 是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和重要负荷之间。它具有很好的动态性能，当发生电压暂降或凸起时，能在很短的时间( 几个毫秒) 内将故障处电压恢复到正常
4、值。在配电系统正常供电情况下，D V R 工作在备用状态，对系统无任何影响。当系统电压发生暂降或凸起的时候，D V R 立即( 几毫秒以内) 向系统注入补偿电压。用以补偿故障下的电压差，使负荷端感受不到系统电压的任何变化，始终工作在要求的电压等级。D V R 注入电压的幅值和相角均可控制，补偿所需的有功和无功都由D V R 提供，补偿时间可以根据敏感负荷的要求以及系统故障的特征来预先配置，是目前国际上采用越来越多的新型电能质量补偿装置，其结构示意图如图l 所示。图1D V R 结构不意图F i g 1D V Rs t r u c t u r e1 1 1D V R 数学模型为了提高D V R
5、的性价比，就要采用合适的控制策略，因此有必要对D V R 的数学模型进行分析与研究。D V R 等效电路如图2 所示，其中负荷等效阻抗为尺，和厶，变压器变比为l ：，l ，变压器等效阻抗为R l ，漏抗为厶，滤波阻抗为尺，、L ，滤波电容为C ，。D V R 前端电压 系统) 为V ，后端电压( 负荷) 为H ，负荷电流为，。j5 7 4 2 0 0 8 中图电力系统保护与控制学术研讨会论文集组图2D V R 等效电路F g 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fD V R 根据对D V R 电路的分析，可得出以下方程v l = v c + l f
6、R ，+ L f 百d fI = I c + n I t，c c ：d Y f 6= 扣榔+ 厶剡K = K Y d y rV z = l l R + 厶警解方程组得：K2 K 一矿( 尽+ 鸥) + n 4 主鬻=啦僻蝎毒耘茎! 兰丝2 兰 K式中， K 斗钙半，川批螂埒野蝌+ 劲唧K 2 = n ( L t s + R t )K 鹊诫) 】增鹊诫坶弓郴呐) 每弓+晦弓( 尽+ 8 ) + 与+ ，红+ t d 木J + ，f ( 碍+ 尽) + 露由此得控制策略如图3 所示1 1 2D V R 应用研究天津无缝钢管公司配电系统1 0 K V 母线采用的是双母线分段运行方式，所有负荷以并联的
7、方式挂在母线上，用P S C A D 软件为其建立的仿真模型如图4 所示： 一j 广：甜啦裔牛* + i 窜l 蟾舞蚤怪昏图4 系统等效电气示意图F i g 4t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fs y s t e m线路电气参数如图4 所示。假设O 2 s 时系统发生短路故障，故障持续时间为0 2 s ，未加装D V R时母线电压如图5 所示：f y【l iL 二二：一一二：一。一一_ 二二一二， 。 图5 未加装D v R 时母线电压F i g 5t h eb u sv o l t a g ew i t h o u tD V R动态电压恢复器是一
8、种串联型补偿装置，当系统侧电压K 发生瞬时跌落时，D V R 可迅速( 半2 0 0 8 中国电力系统保护与拧制学术研讨会论文集5 7 5 个周波内) 注入补偿电压，注入补偿电压垤，其幅值、相角均可控、可调。使敏感负荷感受不到系统电压发生的任何变化。加装D V R 时系统等效电路图如图6 所示：图6 加装D V R 时的仿真模型F i g 6t h es i m u l a t i o nm o d ew i t hD V R图7 为装设D V R 的系统某馈线发生短路故障后系统电压与负荷端电压的仿真波形：形：图7 三相电压( 有效值) 波形F i g 7t h ew a v ec u r v
9、 eo fd u 比- p h a s ev o l t a g e ( R M S ) 图8 为系统A 相电压与负荷A 相电压的波协l，i绷i觚l必4一4 一_ ，o l 图8A 相电压波形F i g 8t h ew a v ec u r v eo fAp h a s ev o l t a g e由图7 、8 可十分清楚的看出，对于由馈线故障引起的母线跌落问题，动态电压恢复器可较好的解决此难题。D V R 反应迅速，较快提高母线电压，补偿电压谐波含量少，负荷端几乎感受不到系统电压的变化。采用D V R 装置，可大大提高大无缝公司的电能质量，装置反应迅速、谐波含量少、可反复自动投切、易于维护，
10、是解决因馈线短路故障引起的电压跌落问题的较好的措施“。随着国内高新技术企业的发展，对动态电压质量的问题越来越重视，D V R 的应用也将越来越广泛。1 2 静止同步补偿器( S T A T C O M ) 传统上抑制电压闪变都采用静止无功补偿器( S V C ) 。然而S V C 的响应速度慢( 几十毫秒以上) ， 装置本身容易引起谐波，渐渐地被采用P W M 控制的与电力系统并联的电压源变流器，即S T A T C O M 所取代。S T A T C O M 具有响应速度快( 响应时间小于l O m s ) ，补偿电流不依赖系统电压，谐波抑制能力强，占地面积仅为同容量S V C的5 0 ，有
11、功损耗可比S V C 低2 个百分点，因此在配电系统中得到越来越多的应用“。1 - 2 1S 1 A 1 O M 控制策略分析图9 为S T A T C O M 通过电抗器连接到1 0 K V 母线的电路图。图9S T A T C O U 控制策略分析图F i g 9t h ec o n t r o l l a b l es t r a t e g yo fS T A T C O Mf o ra n a l y z i n g我们令旷伊s s i n 烈= 彦潭n ( 缸了2 ：)妒如n ( 烈+ 等其中U 。为三相线电压的有效值。将S T A T C O M 的总损耗用R 表示可以得到：2
12、0 0 8 中国电力系统保护与拧制学术研讨会论文集一5 7 7 一线路，故障电流就被大电感L 所限制。由于超导线圈是自动投入或退出限流状态，限流器反应时间、恢复时间几乎为零7 - 8 j 。圈1 2 研跆型趟导取障限流器F i g 1 2S c h e m a t i cd i a g r a mo fS F C Lw i t had i o d eb r i d g e为简化起见，假定短路故障发生在电源电压过零瞬间( 当t = O 时，初相角口= O ) ，由基尔霍夫电压定律( K V L ) 得到：, s i n 耐+ K = L 等两边积分得：渺，= 鼢t 吲专c 。锄嗤叫酌i L (
13、O ) = 7 0 ，所以A = L ，o ，则“归j 。+ V m a x ( “ m a x ( 1 - c o s t a ) + 导r叫。+ 詈式中n 。是相电压的峰值。1 3 2 超导故障限流器的应用研究超导故障限流器在实际应用中是串联在故障线路中，将其应用在图4 所示的天津无缝钢管公司配电系统等效电气线路中，得如图1 3 所示的仿真波形。可见，加装超导故障限流器后，不仅能有效地限制故障发生后的冲击电流，而且能维持母线电压在8 K V 左右，使负荷能正常运行，对系统几乎不会造成影响。桥式超导故障限流器可以毫秒级地不失超地限制短路故障电流。为超导故障限流器在电网中的实用化作了有意义的探
14、索。专家们预言，超导故障限流器最有望在配电网中应用，而且，近些年来，面向配电系统的S F C L 已经接近实用化水平，适用于输电系统的S F C L 研究也在计划中。一，斫觎f1：； 一黜l 一一一一J j图1 3 加装S F C L 时母线电压与故障线路电流波形F i g 13t h ew a v ec t l r v eo fb u sv o l t a g ea n dt h ef a u l tc i r c u i tw i t hS F C L2 结论电能质量好坏直接影响社会生产、生活的各个方面，提供和维护高品质的电力能源，不仪是电力部门的责任，也是全社会欠同追求的I ：1 标。本
15、文提供的三种方案，是当今电能质量控制技术研究的热门领域。相信，随着电力电子技术、柔性交流输电技术、信息产业的发展，我们所面临的电能质量问题会得到一个很好的解决。参考文献 1 朱桂萍，王树民电能质馈控制技术综述 J 电力系统自动化，2 0 0 2 ，2 6 ( 1 9 ) ：2 8 3 1 2 M a h i n d aV i l a t h g a m u w a ，A A D R a n j i t hP e r e r a ，P e r f o rm a n c eI m p r o v e m e n to ft h eD y n a m i cV o l t a g eR e s t
16、o re rW i t hC l o s e d L o o pL o a dV o l t a g ea n dC u r r e n t M od eC o n t r o l ，I E E Et r a n s a c t i o n so np o w e re l e c t r o n i c s ，v o l17 ，N O5 , S e p t e m b e r2 0 0 2 ，8 2 4 8 3 4 3 姜齐荣，沈斐，韩英铎现代电能质量拧制技术 J 电力电子技术，2 0 0 4 ，3 8 ( 6 ) ：2 - 7 4 王兆安，杨村，刘进军谐波抑制和无功功率补偿北京：机械工q k 出版社，1 9 9 8 5 B o e n i g H J F a u l t
