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电能质量调节器的研究

文档作者：兰金茹王奔孟庆波华晓萍吴晨光文档来源：西南交通大学电气工程学院		点击数：	更新时间： 2021年06月22日
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34 《电气开关}(2006．No．1)
文章编号：1004-289X(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 Power Quality Conditioner
LAN Jin-ru W ANG Ben MENG Q g一6o HUA Xiao-ping WU Chen-guang
(School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China)
Abstract：Since nonlinear loads are widespreadly used，power quality conditioner capable of solving most
known power quality problems is presented．The structure and working principle of power quality conditioner
are introduced．The detecting method based on synchronous rotary Park transformation and the SPW M control—
ling method are discussed．Finally a new improved PWM strategy which can dynamically adjust the amplitude of
the triangle carrier wave during the voltage sags or swells is simply introduced．
Key words：power quality；Active Power Filter；Custom Power；instantaneous reactive power theory
l 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?亏
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(Custom Power)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(DVR)和有
源电力滤波器(APF)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 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；
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《电气开关)(2006．No．1) 35
、一ic 2
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；
对于三相电能质量凋节器，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8O
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、 一 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 一i 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。
=
cosmt cos( 一警) cos( 十 )
一sin山￡一sin( 一 ) 一sin( + )
得到调节信号AUd，AUa叠加到检测电路的直流分量
上，使调制波或指令信号i／中包含一定的基波有功电
三相基准正弦电压‰ 、Ubr‰ 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
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3G 《电气开关~(2006．No．1)
蛔
I
一换I 一 腾薤L墨c二 兰n
图3 检测电网电压波动值Au和谐波分量矾的原理框图
一q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“df、Uqt、 ，再进行d—
q反变换，就可以得到电网电压增量值Au +“ h、△‰
+‰h、Au + 。用“ 、“ 、“ 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‰ 一Au +
h、 bc：：= b+ bh、 cc— A uc+ 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
“ +"( )一“ ( )
+¨( )一f ( )
式中， 为当前采样周期数；k为采样数。
4．1 并联型APF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 、 、 与载波
三角波进行比较，而是将指令信号与补偿量i 、i 、i
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DVR的控制方式
串联型DVR的控制方式与并联型APF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～o．9(标么值)，持续时间达0．5～3O
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0．5～3O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。
PW M
信号
PW M
信号
图4 A相的SPWM 控制电路的框图
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《电气开关))(2006．No．1) 37
图5 动态调节三角载波PWM 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(UPS)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LC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。
参考文献
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收稿日期：2005一O3—25
作者简介z
兰金茹(1978一)，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(196o一)．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 血一400～500mA，漏电保护器的分断时间丁
≤2．0s；第二级分路开关的额定漏电动作电流 △n一
300"--400mA，漏电保护器的分断时间丁 ≤1．5s；第三
级分路开关的额定漏电动作电流 血一200 300mA，
漏电保护器的分断时间丁 ≤1．0s；第四级分路开关的
额定漏电动作电流 血一6O～100mA，漏电保护器的分
断时间丁 ≤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 血≤30mA，漏电保护器
的分断时间丁 ≤O．1s。
终端用户』 30mA 7 n《0·Is
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

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