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大连理工大学博士论文 配电网络电能扰动辨识与电能质量调节研究 摘要 电能作为各行各业的基本动力能源，其质量问题受到广泛的重视。本文在深 入研究电能质量问题本质的基础上，基于小波理论、自适应控制理论，采用数 字信号处理技术，比较深入地进行了配电网络电能扰动辨识和电能质量综合调 节系统的理论研究，通过实验样机和计算机仿真完成了与之相关的实验研究， 为在1 0 k v 配电网络系统中实现电能质量综合调节做了一些有意义的工作。 传统电能质量调节系统最大的障碍是大功率电力电子器件的成本。为了解 决这一问题，作者在研究电能扰动的调节中，首先提出了无源粗调电力电子器 件细调、改善电能质量与改善功率因数相结合的混合式电能质量综合调节器 肌r p q c ( h y b r i d u n i f i e dp o w e r q u a l i t y c o n d i t i o n e r ) 设计方案。m z p q c 由电能 质量监测分析系统和电能质量调节系统构成，统一规划设计。电能质量监测分 析系统采用双d s p 实现系统的采样、信号处理，完成电能质量全程监测与分析； 电能质量调节系统则采用有源与无源、改善电能质量与改善功率因数相结合的 策略，有源部分以三电平p w m 为主电路，由并联和串联a p f ( a c t i v ep o w e r f i l t e r ) 相结合、共用直流电源，构成其主体框架，并以无源调节配合有源调节 来降低系统的综合造价，力图将电能质量调节技术在1 0 k v 配电系统中得到实用 与推广。 为了对电能质量综合调节系统在理论上进行描述，作者应用空间坐标系变 换和开关函数的概念，建立了系统的数学模型。电能质量调节系统的核心单元 是p w m 变流器，结合本文应用提出了三相a b c 坐标系下电能质量综合调节系 统的并联补偿单元和串联补偿单元的基本数学模型。为了实现三相系统的解耦 控制，推导出由坐标系下系统的数学模型，从数学意义上将三相时变非线性系 统转化为两相系统。在此基础上作了进一步解耦，得到两相线性系统数学模型， 摘要 为电能质量调节的分析和仿真研究奠定了理论基础。 补偿指令信号的检测是电能质量调节装置的控制环节之一，本文提出了基 于小波理论的预测检测策略，跟踪基波信号，以半周期为采样更新速度，应用 小波变换法对信号的基波分量进行递推式预报，并取其与实时信号之差做为参 考然后产生与之大小相等、相位相反的信号作为h u p q c 的实时补偿指令信 号。硬件实现采用d s p 技术，软件应用m a l l a t 算法，速度快，抗噪声性能好。 仿真与实验结果表明，预测检测可有效地避免坐标变换或采样、计算过程引起 的时滞，改善h u p q c 补偿的实时性，从而提高调节系统的补偿精度，为实现 对配电系统中电能“污染”的治理提供了一种较理想的信号检测方法。 对于电能质量调节器来讲，p w m 跟随指令参考信号的控制性能在很大程度 上影响着装置的补偿效果，本文选择无差拍电压空间矢量控制为系统控制策略， 这种控制方法具有采样频率低，开关频率与采样频率的差距小，能有机地产生 零矢量、跟踪精确以及无抖振等优点，动态响应快。研究中针对无差拍控制性 能受系统参数变化的影响，提出了应用“在线限定记忆最小二乘”的参数辨识 方法，分期实时地修正其控制参数，使之对系统的参数变化具有自适应性。仿 真结果表明，本文提出的控制参数自适应的无差拍矢量控制方法，可以改善 p w m 的跟随控制特性，进而有利于电能质量调节系统性能的改善。 电能质量的监测分析是改善电力系统电能质量的基础工作，本文应用快速 傅立叶变换( f f t ) 和小波变换技术，提出电能质量的混合分析方法，针对电能 扰动成分的特点，进行分别处理。对于反复出现的周期性的扰动信号，采用f f t 方法提取扰动信息，而对于瞬态扰动信号则应用小波变换小尺度分解对信号奇 异性敏感的特点，使用m a l l a t 算法提取瞬态扰动信息，以此降低小波分解的尺 度；同时对信号的小波系数进行了的阀值压缩，有效地减少了电能质量全程监 测数据的存储量。 电能质量监测分析系统是h u p q c 的组成部分之一，作者设计并成功地研 制了一台电能质量监测分析实验样机。其主体设计采用d s p 芯片为核心，系统 主要由下位机、上位机和数据通讯等构成，实现了就地采样、分析、液晶显示 和短时储存；远方计算机展示和数据库管理等功能。试验结果表明，该样机可 以进行电能质量全过程监测以及分析谐波和典型的瞬态干扰信息，捕捉信息的 速度可达声级。它目前已通过现场试验，并在进行产品化设计。 大连理工大学博士论文 通过本文的工作，希望为研制新型实用的电能质量调节器打下基础，为改善 电能质量，消除电力污染，完成1 0 k v 配电网络电能质量综合调节系统的实用化 做出贡献。 关键词：电能质量；三电平p w m 变流器；电压空间矢量控制；自适应：无差 拍控制；小波变换；预测检测：数字信号处理；限定记忆的最小二乘 法 摘要 i n v e s t i g a t i o n so np o w e rd i s t u r b a n c ec l a s s c i f i c a t i o n a n d p o w e r q u a l i t y c o n d i t i o n e ri nd i s t r i b u t i o ns y s t e m a b s t r a c t e l e c t r i ce n e r g yi sak i n do fb a s i cp o w e ri nt h ew o r l d p o w e rq u a l i t yp r o b l e m s a r ew i d e l ya t t e n t i v eb yc u s t o m s b a s e do nw a v e l e tt h e o r y ，a d a p t i v ed e a d b e a tv e c t o r c o n t r o lt h e o r ya n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，a n da b o v e s t u d i e do nt h e p r o p e r t yo fp o w e rq u a l i t yi s s u e s ，p o w e r d i s t u r b a n c ec l a s s i f i c a t i o na n dp o w e r q u a l i t y c o n d i t i o n e ra r cs t u d i e d s o m ee x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n ss u p p o r tt h er e s e a r c h e s a l lt h ew o r k sc o n t r i b u t et or e a l i z et h eu n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n i n gi n 10 k v d i s t r i b u t i o ns y s t e m s t h es u p r e m eo b s t a c l eo ft r a d i t i o n a lp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r si st h ec o s to f p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e si nt h es y s t e m i nt h i sp a p e r ，ah y b r i du n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n d i t i o n e r ( h u p q c ) ，t h ep o w e r e l e c t r o n i cc o n d i t i o n e ri sc o m b i n e dw i t hag r o u po f p a s s i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，i sp r e s e n t e dt o s o l v et h ep r o b l e m t h es t r u c t u r eo f h u p q cc o n s i s t so fap o w e rd i s t u r b a n c em o n i t o r i n g a n da n a l y z i n gs u b s y s t e m ，a p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e ra n d t h e i rc o n t r o ls y s t e m ，e t c a l lo f p a r t so fh u p q c a r e d e s i g n e du n d e rau n i f i e dp l a n t h ed o u b l ed s p d e v i c e sa r eu s e dt os a m p l ed a t aa n d p r o c e s st h es i g n a l s i nt h ep o w e rd i s t u r b a n c em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gp a r t t h e p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e ri n t e g r a t e sa c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n w i t hp a s s i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n a n di m p r o v i n gp o w e rq u a l i t y 、析t hi m p r o v i n gp o w e r f a c t o r t h e c o n d i t i o n e rc i r c u i tc o n s i s t so ft r i - l e v e lp w mc o n v e r t e r s ，i nw h i c ht h e r ea r et w o a c t i v ep o w e rf i l t e r s ( a p f ) t h a ti sas h u n ta p fa n das e r i e sa p f t h e yh a v eau n i q u e d cu n i t t h eo v e r a l lc o s to f t h ec o n d i t i o n e rs y s t e mw i l ld r o ps i n c et h ep a s s i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nd e v i c ec o o p e r a t e sw i t ht h ea c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e t h a t w i l lb e h e l p f u l t o a p p l y t h e p o w e rq u a l i t y c o n d i t i o n e r t e c h n o l o g y i n10 k v d i s t r i b u t i o ns y s t e m i v 大连理工大学 雌士论文 i no r d e rt od e s c r i b et h eh u p q c s y s t e mt h e o r e t i c a l l y ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fh u p q ci sd e r i v e db yt h ec o n c e p t so fs p a c ec o o r d i n a t et r a n s f o r ma n dt h es w i t c h f u n c t i o n s i n c ep w mc o n v e r t e r sa r et h ek e yp a r to fh u p q c ，a c c o r d i n gt ot h e a p p l i c a t i o no f t h i sp a p e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h es e r i e sa n ds h u n tp a r t so f t r i l e v e lp w mc o n v e r t e r si sp r e s e n t e di na b cc o o r d i n a t es y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft r i - l e v e lp w m c o n v e r t e r , i nd qc o o r d i n a t es y s t e m ，i sd e r i v e d f o rt h eu n c o u p l i n gc o n t r o li nt r i - p h a s ep o w e rs y s t e m a b o v et h i s ，t w o p h a s el i n e a r m o d e li so b t a i n e d a sar e s u l t ，t h em o d e lc a nb eu s e da saf o u n d a t i o no ft h et h e o r e t i c a n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nt ot h eh u p q c i ti so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t sf o rt h ec o n t r o lo f h u p q c t od e t e c tt h er e f e r e n c e c o m p e n s a t i o ns i g n a l t h ep r e d i c t i v es t r a t e g yi sp r e s e n t e db a s e do nw a v e l e tt h e o r y , t h a tm e a n st r a c i n gt h ef u n d a m e n t a ls i g n a la n dr e p l a c i n gw i t hs a m p l i n gd a t ae v e r y h a l fc y c l e t h ef u n d a m e n t a ls i g n a li sf o r e c a s t e ds t e p b y s t e pi nah a l f c y c l ee a r l i e r a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep r e d i c t e df u n d a m e n t a la n dt h er e a lt i m es i g n a li st h e r e f e r e n c ec o m p e n s a t i o n s i g n a l t h eh a r d w a r e c o n s i s t so fd s pd e v i c e s t h es o f t w a r e i sr e a l i z e db ym a l l a ta l g o r i t h mo fw a v e l e tt r a n s f o r m a sar e s u l t ，t h et i m ed e l a yi s r e d u c e db yt h ep r e d i c t i v ed e t e c t i o ns c h e m ef o rs a m p l e ，c o o r d i n a t et r a n s f o r m ，o r c a l c u l a t i o np r o c e s se f f e c t i v e l y a n dt h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to f h u p q c i si m p r o v e d i ti sab e t t e rd e t e c t i o ns c h e m ef o rp o w e rp o l l u t i o nt ob ec h e c k e di nd i s t r i b u t i o n s y s t e m t h e c o m p e n s a t i o n r e s u l to f h u p q c i se f f e c tb yt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fp w m c o n v e r t e r st h a ti su s e dt ot r a c er e f e r e n c ec o m p e n s a t i o ns i g n a l i nt h i sp a p e r , an e w c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h ea d a p t i v ed e a d b e a tv o l t a g es p a c ev e c t o ri s p r e s e n t e d t h i sc o n t r o ls c h e m eh a sal o w e r s a m p l ef r e q u e n c ya n d as m a l l e rd i f f e r e n c eb e t w e e n s w i t c hf r e q u e n c ya n ds a m p l ef r e q u e n c y i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sp r o d u c i n g z e r ov e c t o r so r g a n i c a l l y , t r a c i n ge x a c t l y , n o n s h a k i n g ，e t c ，a n di t sd y n a m i c r e s p o n s e i sb e t t e r s i n c et h ed e a d b e a tc o n t r o l p r o p e r t y i se f f e c t b yt h eo p e r a t i n gs y s t e m p a r a m e t e r s ，t h ed e a d b e a tc o n t r o lp a r a m e t e r sa r ec o r r e c t e du s i n gt h es c h e m e ，c a l l e d o nl i n el e a s tm e a n s q u a r em e t h o d w i t hm o v i n g r a n g e ”，i nr e a lt i m eb ys t a g e s s ot h e 摘要 c o n t r o l l e ri sa d a p t a b l et ot h ec h a n g eo f o p e r a t i n gs y s t e mp a r a m e t e r s a sar e s u l t ，t h e t r a c i n gc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ci si m p r o v e d ，a n d t h ec o m p e n s a t i o ne f f e c t i v e n e s si sa l s o i m p r o v e d t h em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n go fp o w e rd i s t u r b a n c ei st h eb a s i cw o r kt o i m p r o v ep o w e rq u a l i t y i n e l e c t r i c p o w e rs y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n t s ah y b r i d a l g o r i t h ma b o u tf f t a n dw a v e l e tt r a n s f o r m a l lt h ei n f o r m a t i o ni so b t a i n e dw i t h f f tf o rc y c l i c a ld i s t u r b a n c es i g n a l s a n df o ri n s t a n t a n e o u sd i s t u r b a n c es i g n a l st h e i n f o r m a t i o ni s g o t t e nt h r o u g h s m a l ls c a l e s d e c o m p o s i t i o n o fw t t h em a l l a t a l g o r i t h mi sv e r ys e n s i t i v et or a r ep r o p e r t yo fs i g n a l s a tt h es a m et i m e ，t h ew a v e l e t c o e f f i c i e n t sa r ec o m p r e s s e da c c o r d i n gt os o f tt h r e s h o l d s s ot h ea m o u n to f m e m o r y i sr e d u c e dt om o n i t o r i n gd a t ae f f e c t i v e l y p o w e rd i s t u r b a n c em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g s u b s y s t e m i so n e p a r t o ft h e h u p q cs y s t e m as a m p l ed e v i c ef o rp o w e rd i s t u r b a n c em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g e x p e r i m e n ti sd e v e l o p e di nt h i sw o r k d s p d e v i c e sa r eu s e dt oc o n s t r u c tt h ed a t a p r o c e s sh a n d l e r a n dt h es y s t e mc o n s i s t s o fd o w nh a n d l e r , u ph a n d l e r , a n dd a t a c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s a m p l i n g ，a n a l y s i s ，d i s p l a ya n ds h o r t e nm e m o r yo nt h es p o t ， d i s p l a y i n ga n dm a n a g i n gd a t ab yr e m o t ec o m p u t e ra r er e a l i z e d t h ep r o p e r t yo ft h i s s a m p l ed e v i c eh a sb e e nt e s t e di nt h el a b o r a t o r y a sar e s u l t ，h a r m o n i c sa n dt y p i c a l i n s t a n t a n e o u sd i s t u r b a n c e sa r ea n a l y z e d t h er a p i dc a t c h i n gi n f o r m a t i o ni si n 脚 d e g r e e n o w ，t h i ss y s t e mh a sp a s s e da l lt h et e s t sf o rc u s t o m sd e m a n d s ，a n di t i si n t h es t a g eo f p r o d u c t d e s i g n a 1 1t h ew o r k sd e s c r i b e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc o n t r i b u t eaf o u n d a t i o nw o r kt o d e v e l o pan e wa n dp r a c t i c a lp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r t h ei d e ai st oi m p r o v et h e p o w e rq u a l i t y , t op r o t e c tp o w e rs y s t e mf r o mh a r m o n i c sc o n t a m i n a t i o ni nt h e 10 k v d i s t r i b u t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , t r i l e v e lp w mc o n v e r t e r , v o l t a g es p a c ev e c t o rc o n t r o l ， a d a p t i v e ，d e a d b e a tc o n t r o l ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，p r e d i c td e t e c t i o n ，d s p , l e a s tm e a n s q u a r em e t h o d w i t hm o v i n g r a n g e v i 大连理工大学博士论文 配电网络电能扰动辨识与电能质量调节研究 前言 现代杜会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发 展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，人们对电能的需求 日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。电能质量对于电网和电器设各 的安全、经济运行，保障产品质量以及生产和人民生活的正常秩序均有重要意 义。 从上世纪8 0 年代以来，一方面现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变 化，并对供电方的电能质量造成了严重的干扰或“污染”，而另一方面伴随着高 技术的新型电力负荷迅速发展，它们对电能质量不断地提出更高的要求，致使 电能质量问题逐渐受到电力企业和用户的共同关注。我国在1 9 9 3 年发布了国家 标准电能质量，公用电网谐波，并且随着国家对电力生产和电网的运行实行 公司制改造，1 9 9 8 年又制定了电力法，将电能质量监督列入了电力系统九大 监督项目之一。目前电能质量问题已成为电气工程领域的前沿课题。 在电力市场机制下，电能质量很大程度上影响着电力供应商和用户之间的关 系，甚至在某种意义上代表着电力公司的竞争优势，以至于影响到电力公司的 经济效益。为了满足用户的要求，电力公司研制新型实用的电能质量调节器用 于改善电能质量，消除电力污染，是一项长期而重要的任务，它既是对电力设 备的一种改进，也可作为提高竞争能力的重要手段。 本文旨在对电能质量问题本质进行深入研究的基础上，应用小波理论、自适 应控制理论和数字信号处理技术，以配电网络电能扰动辨识和电能质量综合调 节为主线，提出以无源系统为粗调的混合式电能质量综合调节器新型结构方案， 并从理论上进行了较为深入的探讨。为了验证本文提出的新方法，研制了基于 全数字控制的电能质量监测与分析样机，为实现1 0 k v 配电网络电能质量综合调 节系统的实用化研究奠定了基础。 大连理工大学博士论文 第一章绪论 1 1 引言 现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发 展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，人类社会对电能的 需求曰益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。 理想的三相交流电力系统应以恒定的频率和正弦波形、按规定的电压水平 向用户供电，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差1 2 0 。的对称状 态。然而，实际上由于各元件参数的非理想线性和对称，负荷性质各异且变化 的随机性，调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这 种理想的状态并不存在，因此就产生了电能质量问题。 电能质量问题可大致分为电压质量和电流质量问题。电压质量问题指的是 会影响用户设备正常运行的不理想的系统电压，包括电压的闪变( f l i c k ) 、瞬时过 电压( s w e l l ) 、谐波畸变( h a r m o n i c s ) 、各种电压不平衡( u n b a l a n c e ) 等情况：电流 质量问题指电力电子设备等非线性负荷给电网带来的电流畸变，包括流入电网 的谐波电流以及无功、不平衡负荷电流、低频负荷变化造成的闪烁等【1 。5 】。此外， 频率不稳定也属于电能质量问题。 造成电能质量问题的原因很多，其中电力电子技术广泛应用引入大量非线 性负荷，对电网的冲击是一个重要的原因。电力电子装置自2 0 世纪7 0 年代以 来给现代工业带来了节能和能量变换技术，同时给电能质量也带来了新的损害， 如今已成为电网的主要谐波污染源。 谐波畸变和瞬时尖峰脉冲对通信设备和电子设备会产生严重干扰，导致通 信质量降低或信息丢失：谐波令电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气 设备过热、产生振动和噪声，绝缘老化，寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；谐 波还会引起电力系统局部发生并联谐振或串联谐振，使谐波含量被放大，致使 电容器等设备烧毁，这些对电力系统内部的危害势必更进一步n g f j 供电质量的 恶化。 电能质量对于电网和电器设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验 以及生产和人民生活的正常秩序等均具有重要意义。从2 0 世纪8 0 年代以来， 蔓= 兰堡垦 伴随着高技术的新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量不断提出的更高要 求，电能质量问题逐渐受到电力企业和用户的共同关注( 6 。文献 7 】引用了美国 电力科学研究院j a n ec l e m m e n s e n 粗略估计，认为当今和电能质量相关问题在美 国每年造成的损失高达2 6 0 亿美元。提高电能质量，制定相关标准、开发和采 用相应的技术措施非常必要，并且仍有大量工作。目前电能质量的某些问题已 成为电气工程领域前沿性课题。 一些研究表明 8 l 在电力市场机制下，用户的期望值增加，虽然大多数是关于 价格期望，但关于质量的期望是相随的。一旦用户可以选择电力供应商，那么 供应商和用户之矧的关系就变得非常重要，而电能质量很大程度上影响着这种 关系，甚至在某种意义上代表着电力公司的竞争优势，以至于影响到电力公司 的经济效益。总之，电力公司为了满足用户的需要，研制新型实用的电能质量 调节器用于改善电能质量，消除电力污染，是一项长期而重要的任务，它既是 对电力设备的一种改进，也可作为提高竞争能力的重要手段。 在供电电能质量问题上电网与电力负荷之间存在着相互影响，改善供电质 量要从两个方面着手：一方面要抑制或消除负荷产生的谐波电流、无功功率、 三相不平衡及闪变对电网的影响；另一方面又要尽量使电网中可能出现的供电 中断、电压跌落、电压波动、谐波与不平衡电压等于扰不要影响到负荷的正常 运行。长期以来为了保证能持续正常工作，有些用户要额外地配备不间断电源、 备用供电线或备用发电机以及电能质量调节设备，用于谐波抑制的装置主要有 无源l c 滤波器和有源电力滤波器【9 1 ，无功补偿装置有同步调相机、并联电容器、 静止无功补偿装置( s v c ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 和静止无功发生器( a s v g ) 【1 0 。i 】等，它们的共同特点是通常由用户根据自己的需求配各，安装在用户一侧。 近年来，基于电力电子技术的灵活交流输电系统f a c t s 技术在配电系统的延伸 d f a c t s 技术( 又称c u s t o m e rp o w e r 用户电力技术) 已成为改善电能质量 的有力工具。该技术的核心器件i g b t 和g t o 具有更快的开关频率，并且关断 容量已达兆伏安级，使得d f a c t s 装置具有更快的响应特性。新的开发趋势是 电力公司为了满足未来发展的需要，应用d f a c t s 技术将新型调节装置安装在 系统侧来改善系统的运行状况，提高电网的电能质量。这些新型的控制器包括 固态电路开关( s s b ) 、故障电流限制器( f c l ) 、动态电压调节器( d v r ) 、配 电网静态调相器( ds t a t c o n ) 、微型超导磁蓄能器( m i c r 0 一s m e s ) 、静止 无动补偿器( s v c ) 、重合器( r e c l o s e r ) 等【1 1 。本论文所研究的电能质量综 合调节系统亦属于安装在系统侧的新型控制器，力图有效地改善配电网络的电 查垄堡兰查堂竖主笙塞 能质量。 1 2 配电系统电能质量监测与分析的研究进展 1 2 1 电能质量的基本问题 电能受扰动的程度通常用电能质量来描述，电能质量这一研究领域的许多文 献和报告使用的相关术语如下：电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) 即用实际的电压 与理想电压间的偏差( 这里指的是广义的偏差，包括幅值、波形、相位等等) ， 反映供电企业向用户供给的电力是否合格( 不包括由于频率造成的质量问题和 用电( 电流) 对质量的影响) 。电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) b p 对用户取用电流提出 恒定频率、标准正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，来保证系统 以高功率因数运行。这个定义有助于电网电能质量的改善，并降低线损，但其 不能概括大多数因电压原因造成的质量问题。供电质量( q u a l i t yo fs u p p l y ) 应包 括技术含义和非技术含义两部分：技术含义包括电压质量和供电可靠性；非技 术含义是指服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 包括供电企业对用户投诉与抱怨的反 应速度和电力价格等。用电质量( q u a l i t y o f c o n s u r a p t i o n ) 应包括电流质量和非 技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等，它反映供、用双方相互作用影 响中用电方的责任和义务。电能指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的 指标有着不同的定义。参考国际电工委员会标准，从电磁现象及相互作用和影 响角度考虑，给出了引起干扰的基本现象分类，如表1 1 所列。 表1 1基本的电磁干扰现象 低频传导现象高频传导现象 谐波、间谐波感应连续波电压与电流 信号电压单项瞬态 电压波动振荡瞬态 电压跌落与短时瞬态高频辐射现象 电压不平衡磁场 电网频率变化电场 低频感应电压电磁场( 连续被、瞬态) 交流网络中的直流 低频辐射现象静电放电现象 磁场 电场 i e e e 关于电力系统电磁现象的种类和特征进一步用其数字特征加以描述 ( 见表1 2 ) 。对于稳态现象，利用幅值、频率、频谱、调制、缺口深度和面积 第一章概论 等特征来描述；而对于非稳态现象则利用上升率、幅值、相位移、持续时间、 频谱、频率、发生率、能量强度等特征来描述。根据电磁干扰现象的不同特点 确定电能质量指标。 袁1 2电力系统电磁现象的种类和特征 种类舆型频谱成分典型持续时问典型电压幅值 冲击纳秒级5 a s 上升 i m s 瞬 振荡低频( 5 k h z0 3 5 0 m s 0 - - 4 p u 中频5 5 0 0 k h z2 0us 0 8 p u 态 高频05 5 k h z5us 0 4 p u 即时中断 0 5 - 3 0 周渡( 0i p u 短 跌落0 s 3 0 焉波0 i 0 9 p u 期 升高05 - 3 0 周波1 1 一i8 d u 电 瞬时中断3 0 周波3 s f ( ) i p u 跌落3 0 周波一3 s0l o 9 d u j 五 升高3 0 周波3 sll j4 p u 变 暂时中断3 s l m m 0i p u 动 跌落3 s - i m l n0 i - 09 0 u 升高3 s jm i r a1 1 14 p u l 王：j c 日电胝波动持续中断) 1 m l n 0 0 p u 欠i 电压) l m l n0 8 - 0 9 d u 过电压) l r a i ni i i2 p u 电压不平街稳态0 5 2 波形失真直流偏移稳态0 0 i 谐波0 1 0 0 “稳态0 2 0 间谐波 0 6 k l - l ；,稳态 0 2 缺口稳态 噪声稳态o 1 ，乜压波动 2 5 h z持续0l 7 频率偏差 x ，t h e n t l e o n ，t 3 a o 行 ( 2 ) i fv f as x ，t h e nt t ao f f , t 3 a o n ( 3 ) i fv ，e r a y ，t h e nt 2 。o n ，t 4 a o f f ( 4 ) i fv ，c f a 。 ( 2 5 3 ) 7 目。1 一id l ，。叫，。，+k 。讲，。，出l ，螺+ co 2 5 3 式( 2 5 3 ) 中当心和d i h + 的极性一致时，采样点处的l a i 。l 的值将变小， 此时为正值。这样就反映了补偿电流跟随性能的好坏。于是，巩成为了主 电路设计的一个指标，将仉控制为一个适当的值，就可以保证补偿电流的跟随 性能。 的平均值；的取值可由下式确定： i ；z 量坠 ( 2 5 4 ) 式中r ：。补偿电流值令信号的最大值。系数 取不同值时，补偿后的电源 电流i ，的总谐波畸变率不同。仿真结果表明， 取0 3 0 4 时，补偿效果最佳。 为了保证仉取非负值，同时为了不使装置容量增加，以及器件和电容的耐压 大连理工大学博士论文 相应地增加，主电路的参数设计可由以下两个公式决定： u ，3 e 。( 2 5 5 ) ：竺f 2 5 6 1 9 ” 式中，三二一一为相电压的峰值 并非是一个固定的值，而是在i 附近波动，若以按式( 2 5 5 ) 取下限， 即取u ，= 3 e ，则轧有可能为零或很小，使得电流跟随性能变差。一般取 u ，= 1 5 3 e 。时，仉的值较为理想，装置的补偿特性较好。 电流控制周期t 。的长短决定了装置能补偿的谐波最高次数及对开关器件工 作频率的要求。一般如越长，i ，纹波越长：站越短，i ，纹波越小。 2 5 2 开关器件参数选择及主电路容量的确定 开关器件的额定参数是选择开关器件的主要依据。其中，额定电压由直流 测电压u c 决定，并适当考虑安全余量。额定电流由补偿电流k 决定。 主电路的容量由下式确定： s _ ；3 e ，( 2 s 7 ) 由上式可知：主电路的容量与补偿电流有关，因而与补偿对象的容量及补偿的 目的有关。 2 6 本章小结 本章首先提出无源调节配合有源调节、改善电能质量与改善功率因数的混 合式电能质量综合调节器h u c p c 模式，可以很大程度上解决目前制约高压大 容量电力电子装置的成本问题，并给出了原理结构设计。在进一步的理论分析 中，本章借用空间坐标系变换和开关函数的概念，提出了三相a b c 坐标系供电 质量综合调节系统的并联补偿单元和串联补偿单元的基本数学模型。而且，为 了实现三相系统的解耦控制t 进一步推导出由坐标系下的系统数学模型。该数 学模型从数学意义上将三相时变非线性系统转化为两相系统，最后给出了主电 路参数的设计方法。本章为其它章节的理论分析、仿真研究和实际装置设计奠 定了理论基础。 参考文献 【1 】j 蜘u nl i u ，z h a o a nw a n g c o n v e r t e ra n a l y s i sa n df i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fh y b “dt y p e 第二章电能质量调节系统的主体设计及数学模型 s e r i e sa c t i v ef i l t e ru s e di ns i n g l e p h a s ec i r c u i t s p r o c e e d i n g