（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）雙路供電集成電源的研究與開發(fā).pdf

聲明 本人鄭重聲明 此處所提交的碩士學(xué)位論文 雙路供電集成電源的研究與 開發(fā) 是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間 在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 和取得的研究成果 據(jù)本人所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外 論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得華北電力大學(xué)或其他教 育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢 獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名瀲日 期 趔醣斜留 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué)校有權(quán) 保管 并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件 學(xué)校可以采用影印 縮印或 其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文 學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱 學(xué)校 可以學(xué)術(shù)交流為目的 復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文 同意學(xué)校可以用不同方式在不同 媒體上發(fā)表 傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容 涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定 作者簽名 曲 日 期 拯私馴目 導(dǎo)師簽名 騶蠡 蔽 e t 期 刪 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 電能質(zhì)量問題 第一章緒論 電能作為人們廣泛使用的能源 其應(yīng)用程度是一個國家發(fā)展水平和綜合國力的主要 標(biāo)志之一 在滿足工業(yè)生產(chǎn) 社會和人民生活對電能需求量的同時 提高對電能質(zhì)量的 要求是一個國家工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá) 科技水平提高 社會文明程度進(jìn)步的表現(xiàn) 是信息時代 和信息社會發(fā)展的必然結(jié)果 是增強(qiáng)用電效率 節(jié)能降損 改善電氣環(huán)境 提高國民經(jīng) 濟(jì)的總體效益以及工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保證 時至今日 電力工業(yè)面向市場經(jīng)濟(jì) 引進(jìn)競爭機(jī)制 以求最小成本與最大效益 電能質(zhì)量的優(yōu)劣已經(jīng)成為電力系統(tǒng)運(yùn)行與管 理水平商低的重要標(biāo)志 控制和改善電能質(zhì)量也是保證電力系統(tǒng)自身可持續(xù)發(fā)展的必要 條件i n 一個理想的電力系統(tǒng)應(yīng)以恒定的頻率和正弦波 按規(guī)定的電壓水平對用戶供電 在 三相交流電力系統(tǒng)中 各相電壓和電流處于幅值大小相等 相位互差1 2 0 的對稱狀態(tài) 由于系統(tǒng)各元件的參數(shù)并不是理想線性的或?qū)ΨQ的 負(fù)荷性質(zhì)各異且隨機(jī)變化 加之調(diào) 控手段不完善以及運(yùn)行操作 外來干擾和各種故障等原因 使電網(wǎng)的實際運(yùn)行狀態(tài)與理 想狀態(tài)產(chǎn)生了偏差 這就是電能質(zhì)量問題的由來 雖然電能質(zhì)量問題在電能輸送分配和使用的一開始就已經(jīng)提出 但隨著時代的進(jìn)步 和科技的發(fā)展 當(dāng)代電力系統(tǒng)已經(jīng)賦予了它新的概念和內(nèi)容 現(xiàn)代工業(yè)的工藝制造和設(shè) 備要求 高科技作用的實現(xiàn) 以及生產(chǎn)力和產(chǎn)品競爭力的提高越來越依賴高質(zhì)量的電力 供應(yīng) 電能質(zhì)量問題已不僅僅是電力系統(tǒng)中電壓和頻率等的基本技術(shù)問題 它已被提升 為關(guān)系到整個電力系統(tǒng)及設(shè)備的安全 穩(wěn)定 經(jīng)濟(jì) 可靠運(yùn)行 關(guān)系電氣環(huán)境工程保護(hù) 關(guān)系整個國民經(jīng)濟(jì)的總體效益和發(fā)展戰(zhàn)略的高度來認(rèn)識了 自2 0 世紀(jì)8 0 年代以來 隨 著半導(dǎo)體整流器 晶閘管調(diào)壓裝置及變頻調(diào)速器等新型電力負(fù)荷的迅速發(fā)展 基于計算 機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置在用戶負(fù)荷中的廣泛應(yīng)用 現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu) 發(fā)生了重大變化 電能質(zhì)量越來越受到電力企業(yè)和用戶的關(guān)注 據(jù)統(tǒng)計 電網(wǎng)用電負(fù)荷中異步電動機(jī)占的比例最大 電氣原動力中占9 0 用電量占 6 0 以上 電網(wǎng)電壓和頻率的偏差 諧波 三相電壓不平衡以及電壓波動和閃變等 均會直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速 力矩和發(fā)熱 從而影響生產(chǎn)工效和產(chǎn)品質(zhì)量 電力電子技術(shù) 和電弧爐的廣泛應(yīng)用 在帶來技術(shù)經(jīng)濟(jì)上一系列效益的同時 使電網(wǎng)諧波含量增加 導(dǎo) 致了電氣設(shè)備壽命縮短 網(wǎng)損增大 系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加 并聯(lián)電容器不能 正常運(yùn)行 同時可能引發(fā)繼電保護(hù)和自動裝置的非故障性動作 導(dǎo)致儀表指示和電度計 量不準(zhǔn)以及計算機(jī) 通信受干擾等一系列問題 即使各級電網(wǎng)諧波電壓均為標(biāo)準(zhǔn)值 由 于諧波引起的損耗及電氣設(shè)備絕緣壽命的縮短所造成的等值損失電量也很可觀 約為用 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 電量的0 7 如果電網(wǎng)中諧波嚴(yán)重超標(biāo)或發(fā)生諧波諧振 則損耗將大大增加 2 1 根據(jù)i e e es t d1 1 5 9 1 9 9 5 電力系統(tǒng)中各種擾動引起的電能質(zhì)量問題主要分為穩(wěn)態(tài) 問題和暫態(tài)問題兩大類 穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題以波形畸變?yōu)樘卣?主要包括諧波 間諧波 噪聲 電壓以及頻率波動 三相不平衡等 暫態(tài)電能質(zhì)量問題通常以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時 間為特征 分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類 主要包括電壓暫降 電壓驟升 短時斷電 等 歐洲電力部門的一份調(diào)查表明 電壓暫降引起的用戶投訴占整個電能質(zhì)量問題的 8 0 以上 而由諧波 開關(guān)操作過電壓等引起的電能質(zhì)量問題投訴不到2 0 電壓暫降 問題的嚴(yán)重性受到世界各國的廣泛關(guān)注 國際電工委員會 i e c 美國電氣電子工程師 協(xié)會 i e e e 以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會 e n c 在二十世紀(jì)九十年代都先后制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 對電壓暫降進(jìn)行了定義 2 0 世紀(jì)9 0 年代后 國外學(xué)術(shù)期刊關(guān)于電壓暫降的討論明顯 增多 某些理論成果已經(jīng)用于工程實際 為避免電壓暫降的危害起到了積極的作用 隨 著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平不斷提高 各種敏感設(shè)備 可編程 控制器 p l c 調(diào)速驅(qū)動器 a s d 計算機(jī) p c 在工業(yè)負(fù)荷中所占比重f 益增多 電壓暫降問題正逐漸成為我國電力工作者所關(guān)注的最為重要的電能質(zhì)量問題 2 3 1 1 2 電壓暫降的定義及其產(chǎn)生的原因 目前 電壓暫降已經(jīng)成為電能質(zhì)量中最為突出的問題 歐美發(fā)達(dá)國家在2 0 世紀(jì)9 0 年代初將電壓暫降列為電能質(zhì)量指標(biāo)之一 并加以定義 電氣與電子工程師協(xié)會 i e e e 標(biāo)準(zhǔn)中將電壓暫降 v o l t a g es a g s 定義為 供電電壓的有效值 v o l t a g er m s 跌落為 原電壓有效值的1 0 0 o 9 0 持續(xù)0 5 周波到3 0 周波后恢復(fù)正常電壓 而在國際電工委 員會 i e c 標(biāo)準(zhǔn)中卻把電壓暫降稱為v o r a g e l i p s 電壓跌落幅值為正常值的1 母0 當(dāng)輸配電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障 感應(yīng)電機(jī)啟動 雷擊 開關(guān)操作 變壓器以及電容 器組的投切等事件時 均可引起電壓暫降 其中 短路故障 感應(yīng)電機(jī)啟動和雷擊是引 起電壓暫降的最主要原因 雷擊時造成的絕緣子閃絡(luò)或?qū)Φ胤烹姇贡Ｗo(hù)裝置動作 從而導(dǎo)致供電電壓暫降 這種暫降影響范圍大 持續(xù)時間一般超過l o o m s 電機(jī)全電壓啟動時 需要從電源汲取的電流值為滿負(fù)荷時的5 0 0 8 0 0 這一大電 流流過系統(tǒng)阻抗時 將會引起電壓突然下降 這種暫降的持續(xù)時間較長 但暫降程度較 小 不會對用戶造成嚴(yán)重的影響 通過采取適當(dāng)?shù)拇胧?可有效消除電機(jī)啟動所引起的 暫降的不利影響 短路故障可能會引起系統(tǒng)遠(yuǎn)端供電電壓較為嚴(yán)重的跌落 輸配電系統(tǒng)中的多數(shù)故障 為單相接地故障 該故障是產(chǎn)生電壓暫降的最主要原因 據(jù)統(tǒng)計 單相 兩相和三相電 壓暫降占該類電壓暫降的比例分別約為6 6 1 7 和1 7 2 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 電壓暫降問題影響工業(yè)生產(chǎn)過程中電壓敏感的電氣設(shè)備 例如電子設(shè)備等 的 正常工作 甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失 1 3 電壓暫降問題的危害 由以上產(chǎn)生電壓暫降的原因來看 系統(tǒng)即使按最高可靠性設(shè)計也無法避免電壓暫降 的產(chǎn)生 目前 新型電力電子設(shè)備的廣泛使用 使電壓暫降成為干擾工業(yè)過程和軟件應(yīng)用的 重要原因 例如 調(diào)速驅(qū)動器 a s d 由于其卓越的調(diào)速驅(qū)動性能在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣 泛應(yīng)用 如何避免電壓暫降對其正常工作的影響成為工業(yè)用戶所關(guān)心的問題 文獻(xiàn) 6 和文獻(xiàn) 7 對調(diào)速驅(qū)動器的工作特性作了相應(yīng)的分析和研究 實際上廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn) 過程的過程控制裝置 p r o c e s sc o n t r o l l e r p l c t 業(yè)機(jī)器人等都是對電壓暫降十分敏 感的負(fù)荷 表1 1 詳細(xì)列舉了電壓暫降給各種敏感設(shè)備帶來的不良影響 5 1 設(shè)備名 電壓暫降造成的影響 制冷電機(jī)控制器電壓低于8 0 時 控制器切除制冷電機(jī) 導(dǎo)致巨大的生產(chǎn)損失 當(dāng)電壓低于8 5 芯片被毀 測試儀停止工作 內(nèi)部電子電路主 某公司芯片測試儀 板故障 可編程控制器 目前的p l c 當(dāng)電壓低于8 0 時 停止工作 一些f o 設(shè)備 當(dāng)電 p l c 壓低于9 0 持續(xù)幾個周波 就會被切除 由機(jī)器人控制的精密加工機(jī)械 為保證產(chǎn)品的質(zhì)量和安全 工作電 精密機(jī)械工具 壓門檻值一般設(shè)為9 0 當(dāng)電壓低于此值 持續(xù)2 3 個周波時 被跳閘 當(dāng)電壓低于7 0 持續(xù)時間超過6 個周波時 a s d 被切除 而對 調(diào)速驅(qū)動器 a s d 于一些精細(xì)加工業(yè)中的電機(jī) 當(dāng)電壓低于9 0 持續(xù)時間超過3 個周波時 電機(jī)會被跳閘而退出運(yùn)行 有報告表明當(dāng)電壓低于5 0 持續(xù)時間超過1 個周波 接觸器就 交流接觸器 會脫勾 也有報告表明當(dāng)電壓低于7 0 甚至更高 接觸器就會脫 勾 計算機(jī)當(dāng)電壓低于6 0 持續(xù)1 2 個周波時 計算工作將受到影響 直流電機(jī)當(dāng)電壓低于8 0 時 直流電機(jī)被跳閘 在現(xiàn)代工業(yè)中 廣泛應(yīng)用著這些設(shè)備 任一設(shè)備的作業(yè)中斷都將可能導(dǎo)致整個流水 線 甚至全廠作業(yè)的中斷 造成的損失非常巨大 因此工業(yè)用戶對供電質(zhì)量的要求比其 中單個敏感用電設(shè)備更高 尤其是當(dāng)今個人計算機(jī)的應(yīng)用十分普遍 當(dāng)電壓下降到額定 3 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 值的6 0 及以下時 可能造成計算機(jī)程序紊亂 數(shù)據(jù)丟失 這也就是一些重要的計算 機(jī)設(shè)備都要裝配不停電電源 u p s 的原因 同樣 對基于單片機(jī)原理的數(shù)控設(shè)備 復(fù)印 機(jī) 銀行自動提款機(jī)等都會遇到類似的問題 4 一個現(xiàn)場實例 某石化企業(yè)在生產(chǎn)過程中 發(fā)生 晃電 現(xiàn)象 石化企業(yè)將電壓暫 降和供電暫時中斷稱為 晃電 供電電壓開始下降 當(dāng)電壓低于7 0 時 壓縮機(jī)油 泵的保護(hù)機(jī)構(gòu)動作 油泵跳閘停機(jī) 為保護(hù)價格昂貴的生產(chǎn)設(shè)備 工廠控制系統(tǒng)會發(fā)出 指令 強(qiáng)迫相關(guān)的部分設(shè)備停運(yùn) 從而引起生產(chǎn)線上一系列風(fēng)機(jī) 離心泵的連鎖停機(jī) 如果停機(jī)的生產(chǎn)設(shè)備重啟機(jī)的時間過長 將會導(dǎo)致整個生產(chǎn)線停工 這種 晃電 不僅 給石化企業(yè)造成了巨大的損失 而且停工后 整個生產(chǎn)恢復(fù)緩慢 浪費大量的原材料 嚴(yán)重時會損害生產(chǎn)設(shè)備 由此可見這種 晃電 現(xiàn)象對石化企業(yè)的生產(chǎn)有很大的危害 同時有資料表明 在歐美等國家 一次電壓暫降造成的事故 其經(jīng)濟(jì)損失至少在數(shù) 百萬美元以上 1 4 電壓暫降的抑制措施及其現(xiàn)狀 1 4 1 電壓暫降問題的現(xiàn)狀 由于電壓暫降和短時中斷的成因比較復(fù)雜 而且有很大比例的成因是不可控的 所 以 想從成因上阻止電壓暫降和短時中斷的發(fā)生難度很大 可以說不可能徹底避免其發(fā) 生 換個角度考慮 電壓暫降和短時中斷之所以危害很大 就是因為很多用電設(shè)備對其 太過敏感 降低設(shè)備對電壓暫降和短時中斷的敏感度 提高其抗擾動的能力 就可以讓 用戶把損失降到最小 甚至可以完全避免由于電壓暫降和短時中斷所帶來的損失 但是 我國輸配電網(wǎng)和西方發(fā)達(dá)國家還有很大的差距 在歐美發(fā)達(dá)國家 電壓暫降的幅度極少 超過百分之三十 圖1 1 為日本關(guān)西電力公司的典型統(tǒng)計結(jié)果 可以看出 大多數(shù)電壓 暫降為跌幅2 0 以內(nèi) 持續(xù)時問l o o m s 以內(nèi)的故障 圖i 1 日本關(guān)西電力公司暫降統(tǒng)計結(jié)果 而我國大部分電網(wǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個標(biāo)準(zhǔn) 無論是電壓暫降的幅度還是頻次都高于 發(fā)達(dá)國家的平均水平 表1 2 是瑞薩四通公司測試儀中得到的幾組典型數(shù)據(jù) 很具有代 4 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 表性 表1 2 瑞薩四通公司測試儀中得到的幾個典型數(shù)據(jù) 發(fā)生日期 持續(xù)時間 m s a 相電壓 v c 相電壓 v 年 a e 1 2 0 0 2 1 0 2 9 3 0 0 m s 1 4 8 7 5 4 9 3 1 4 8 9 3 9 2 2 0 0 2 l i o l8 0 m s 1 4 8 8 8 4 0 5 1 5 9 4 0 1 2 0 0 2 1i 0 61 0 0 m s 1 5 5 1 0 3 5 5 11 5 5 1 5 6 5 1 2 0 0 3 4 1 7 8 0 m s 1 5 1 3 5 1 0 1 5 1 3 9 7 3 1 2 0 0 3 6 2 78 0 m s 1 5 8 1 4 1 1 4 11 5 8 1 5 0 4 2 0 0 3 7 1 51 0 0 m s 1 4 5 1 4 3 4 5 1 i5 1 4 2 5 3 1 2 0 0 3 8 1 51 0 0 m s 1 5 8 1 2 2 2 2 8 1 15 8 1 4 8 6 4 2 0 0 3 8 3 11 6 0 m s 1 4 5 1 3 1 0 3 4 11 4 5 1 4 3 1 3 8 2 0 0 3 9 2 65 5 4 m s 1 4 5 2 2 8 4 8 1 4 5 2 2 8 4 8 1 所以 研制一種經(jīng)濟(jì)的 適合我國電網(wǎng)的實際情況的抑制電壓暫降的裝置可以說是 迫在眉睫 1 4 2 電壓暫降抑制措施 電壓暫降主要由系統(tǒng)故障和干擾引起 對不同要求用戶造成的危害程度與其用電設(shè) 備對電壓暫降的敏感度有關(guān) 因此 要減少電壓暫降的影響需要供電方 設(shè)備制造方以 及用戶等各方面的協(xié)力合作 共同解決 即 目前 抑制電壓暫降的主要措施如下 1 減少公用電網(wǎng)的故障 供電方可以從檢查事故的一般起因著手 例如動物接觸帶 電體 污閃 架空線碰觸樹木及遭雷擊等 采取相應(yīng)措施減少或杜絕這類事故的發(fā)生 2 降低設(shè)備對電壓暫降的敏感度 用戶在設(shè)備訂貨合同上向制造商明確這方面的 技術(shù)要求 使設(shè)備具備一定的抗暫降能力 或通過調(diào)整內(nèi)部某些環(huán)節(jié)參數(shù)解決 如果電 壓暫降是由于用戶大電動機(jī)啟動引起的 應(yīng)改進(jìn)啟動方式 如由全壓啟動改為降壓啟動 由硬啟動改為軟啟動等 或增加公共連接點口c c 的短路容量 3 加裝補(bǔ)償裝置 一般用戶可采用穩(wěn)壓變壓器 電磁合成器等較便宜的設(shè)備減少 電壓暫降造成的停產(chǎn)事故 由于用戶在承受多次電壓暫降的同時也要承受為數(shù)相對較少 的斷電事故 對供電電壓變動敏感的用戶可采用比較昂貴的不問斷電源系統(tǒng) u p s 固 態(tài)切換開關(guān) s s t s 或動態(tài)電壓恢復(fù)器 d v r 等靈敏 快速的電壓變動補(bǔ)償裝置 1 5 論文所作的工作 通常的工業(yè)生產(chǎn)中 為了減小電壓暫降 供電中斷等電能質(zhì)量問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失 5 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 保證生產(chǎn)的連續(xù)性 對較重要的生產(chǎn)用電設(shè)備采用雙路供電或是多路供電 即 當(dāng)主電 源發(fā)生供電中斷等電能質(zhì)量問題時 將生產(chǎn)設(shè)備從主電源切換到備用電源 但目前雙路 供電投切主要使用機(jī)械備自投 由于其投切時間長 所以無法抑制電壓暫降等電能質(zhì)量 問題對用電設(shè)備的影響 本論文正是在雙路或多路供電基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上 提出一種全新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 即基 于雙路供電的集成電源 i n t e g r a t e dp o w e rs u p p l y 縮寫為i p s 該裝置可以在一定程度 上解決雙路供電電壓暫降問題 實現(xiàn)了主備用電源之間的無縫切換 目前對于雙路供電 i p s 的研究未見報道 鑒于i p s 裝置對于改善電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要作用 華北電力大學(xué)電能質(zhì)量研究 所提出了研制基于雙路供電集成電源的課題 本論文的工作包括樣機(jī)研制的整個過程 主要有以下幾點 1 論文前期進(jìn)行了系統(tǒng)的用戶調(diào)研 了解了電力系統(tǒng)用戶所面臨的實際電能質(zhì)量問 題 從而使樣機(jī)的研制緊跟實際的需求 2 本論文針對雙路供電發(fā)生暫降的相關(guān)性 雙路供電同時發(fā)生暫降的概率等問題進(jìn) 行了研究 通過相關(guān)性分析及典型供電網(wǎng)絡(luò)計算 探討了采用雙回供電方式電壓暫降的 特征 3 i p s 裝置的主電路設(shè)計 i p s 是電力電子技術(shù)的典型應(yīng)用 在設(shè)計過程中 本論文 充分借鑒了諸如變頻器 u p s d v r 等的設(shè)計經(jīng)驗 選用最合理的方案 力求實現(xiàn)較優(yōu) 化的主電路設(shè)計 4 作為論文工作的重點 設(shè)計了i p s 裝置的控制器 控制器實現(xiàn)了裝置各種電氣量 的采集 運(yùn)算以及輸出 使主電路得到了良好的控制 控制器的資源可以保證實現(xiàn)復(fù)雜 的算法和控制速度 5 論文對于電能質(zhì)量擾動的檢測進(jìn)行了理論探討 選用了適合裝置使用的方法 在 逆變器控制上 論文采用了實時性好 簡單易行的控制手段 6 對應(yīng)于算法的實現(xiàn) 論文在控制器平臺上設(shè)計了相應(yīng)的軟件 通過與控制器以及 主電路的聯(lián)合調(diào)試 進(jìn)一步優(yōu)化軟件 力求使裝置達(dá)到高性能和穩(wěn)定性的統(tǒng)一 7 論文完成了6 7 k v a 實驗室樣機(jī)的研制 并在帶負(fù)載情況下進(jìn)行了實驗 驗證裝 置對于電壓暫降等問題的抑制效果 6 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 引言 第二章雙回供電電壓暫降的相關(guān)性研究及減緩措施 電壓暫降問題的解決需要電力部門和用戶的通力合作 同時也必須得到設(shè)備供應(yīng)商 和標(biāo)準(zhǔn)化組織的支持 目前主要從干擾源消除 電壓暫降傳播途徑的抑制以及提高用電 設(shè)備的工作電壓范圍三方面進(jìn)行綜合考慮 通常而言 對供電要求較高的企業(yè) 機(jī)關(guān) 樓字 均采用相對獨立的雙路供電系統(tǒng) 人們正努力研發(fā)切換時間為半個周波甚至無間 隙的主電源和備用電源的切換 以期減少對敏感負(fù)荷供電中暫降發(fā)生的次數(shù) 由此引出 的一些重要問題包括 雙路供電發(fā)生暫降的相關(guān)性如何 雙路供電同時發(fā)生暫降的概率 有多大 當(dāng)采用切換過程本身不造成電壓暫降的切換方式時 雙路供電能在多大程度上 減少電壓暫降 本章正是以解決這些問題為出發(fā)點 通過相關(guān)性分析及典型供電網(wǎng)絡(luò)計 算 探討了采用雙回供電方式電壓暫降的特征 研究了基于雙路供電的電壓暫降減緩措 施 并在雙路供電相關(guān)性研究的基礎(chǔ)上提出了一種新的拓?fù)潆娐?以抑制電壓暫降對工 業(yè)生產(chǎn)的影響 2 2 電網(wǎng)雙路供電電壓暫降相關(guān)性研究 2 2 1 相關(guān)性研究方法 1 電壓暫降的隨機(jī)預(yù)估 電壓暫降的隨機(jī)預(yù)估法將故障的發(fā)生視為隨機(jī)事件 通過已有的故障統(tǒng)計建立系統(tǒng) 模型 從理論上預(yù)估由故障導(dǎo)致的電壓暫降 目前常用的隨機(jī)預(yù)估法主要有 故障點法 和臨界距離法 本論文采用故障點法進(jìn)行研究 故障點法 首先在系統(tǒng)內(nèi)選取適當(dāng)?shù)亩搪伏c 進(jìn)行短路計算從而得到由這些點造成的節(jié)點電壓 暫降值 圖2 1 為計算電壓暫降幅值的電壓分割原理圖 髓艟 圖2 1 電壓分割原理 z 為開環(huán)網(wǎng)絡(luò)電源阻抗 zz 為負(fù)荷公共連接 p c c 點與三相短路故障點 包括故 障阻抗 之間的阻抗值 電源電壓為1 0p 1 l 忽略負(fù)荷電流 則故障點與p c c 點之間 7 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 的電壓暫降幅值為 r r z 2 芝再 2 1 當(dāng)發(fā)生不對稱故障時 還要考慮系統(tǒng)的正序 負(fù)序及零序網(wǎng)絡(luò)等值電路圖和故障阻 抗 暫降的持續(xù)時間取決于線路和變電站元件的保護(hù)動作時間 電壓暫降發(fā)生頻次是電壓暫降的重要特征 電力系統(tǒng)中的故障是隨機(jī)事件 將電力 元件分成若干組 母線 輸電線路 配電變壓器等 再根據(jù)運(yùn)行記錄得到這些元件的 故障率 采用故障率來預(yù)估電壓暫降的頻率 具體方法是 假定線路的某部分發(fā)生故障 計算這一故障所導(dǎo)致的電壓暫降 再根據(jù)統(tǒng)計的故障率得到電壓暫降的發(fā)生頻率 在系 統(tǒng)的各個部分及元件上重復(fù)類似的計算 即可得到系統(tǒng)中不同地點 不同程度的電壓暫 降發(fā)生頻率 故障點法易于編制程序 可借助計算機(jī)對電壓暫降進(jìn)行分析計算 在故障點選取數(shù) 足夠的情況下可取得滿足精度的預(yù)估結(jié)果 2 廣義諾頓定理 本論文提出研究多口網(wǎng)絡(luò)的電壓暫降相關(guān)性研究可采用廣義諾頓定理 如圖2 2 所 示 一個含源多1 2 1 網(wǎng)絡(luò)n 可用一個每一端口并聯(lián)電流源的非含源多口網(wǎng)絡(luò)n 等效代 替 非含源網(wǎng)絡(luò)n 是由置含源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部全部獨立電源為零值形成的 并聯(lián)電流源的電 流值等于全部端口短路時相應(yīng)端口的短路電流 圖2 2 廣義諾頓定理 利用數(shù)字短路試驗來確定多端口網(wǎng)絡(luò)的諾頓等值電路 一個2 端口的諾頓等值電路 方程可以表示成公式 2 2 其中 j 為端口電流 d 為端口電壓 恐為2 維諾頓等值電流列向量 為2 x 2 階 諾頓等值導(dǎo)納矩陣 黝圈 協(xié)2 簡記為 j 一 0 一k 7 2 3 首先 端口1 2 短路 即令玩 晚為0 記此時端口電流為t 乞 根據(jù)式 2 2 8 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 i n l i l l 其次 端口1 開路 而端口2 短路 即令玩為0 記此時端口電流為 1 的電壓為玩 根據(jù)式 2 2 有 剛珧糾 將式 2 4 代入式 2 5 可以得到 持 l 一 u 2 0 一厶 u i 2 4 丘 端口 2 5 2 6 當(dāng)端口2 開路 而其它端口短路 記錄此時的端口電流和端口2 的電壓 既可求出 諾頓等值導(dǎo)納矩陣的第2 列元素 端口l 的自導(dǎo)納為y l l m i i 十曬2 9 端口2 的自導(dǎo)納為y 2 2 m z z m 1 2 端口l 2 的互 導(dǎo)納為y l fy 2 i m 1 2 如圖3 m 1 2 越大 兩系統(tǒng)相關(guān)性越差 反之 相關(guān)性越強(qiáng) 因此 可定義r 赤表示雙回供電網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)度 對于大型網(wǎng)絡(luò) 其原理同上 但計算 量較大 可用計算機(jī)編程實現(xiàn) 一 一 i 岫 圖2 3 二端口實例 3 不對稱相關(guān)性 三相變壓器的連接方式會改變不平衡電壓暫降的類型 當(dāng)某次暫降通過y 變壓器 時 由于消除了零序分量 單相接地故障轉(zhuǎn)變成相間故障類型 當(dāng)此暫降再次通過y a 變壓器時 再次轉(zhuǎn)變成最初的暫降類型 但缺少零序分量 文獻(xiàn)分析并給出了直接接地 系統(tǒng)中變壓器連接方式對單相接地故障的影響 如表2 1 相電壓線電壓 變壓器連接方式 abca b b c a c y 一y0 6 4 40 9 8 60 9 8 80 7 9 61 0 0 00 8 3 5 一y 1 0 8 3 50 7 9 61 0 0 00 7 4 50 9 2 60 9 5 9 y 2 0 9 5 90 7 4 50 9 2 60 8 3 50 7 9 61 0 0 0 表2 1變壓器連接方式對電壓暫降類型的影響 9 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 2 仿真模型 本文建立某雙回供電系統(tǒng)模型 如圖2 4 運(yùn)用p s c a d e m t d c 軟件進(jìn)行仿真計算 得出系統(tǒng)中不同位置發(fā)生故障引起負(fù)荷側(cè)電壓暫降的幅值與時間 1 模型假設(shè)條件 a 本仿真不考慮保護(hù)設(shè)備和初始相位角的影響 并假設(shè)暫將波形為矩形波 b 不同電壓等級發(fā)生故障的概率不同 c 相同電壓等級線路上的故障服從均勻分布 每條線路設(shè)置3 個短路點 線路首端 中端和末端 d 由于變壓器故障 保護(hù)動作將引起供電中斷 不屬于電壓暫降現(xiàn)象 因此本論 文不考慮變壓器故障 曲接地方式 1 1 0 k v 及以上下線路采用中性點直接接地 1 0 k v 采用小電流接地 f 故障類型 分為單相接地短路 兩相接地短路 相問短路和三相短路 2 此雙回供電系統(tǒng)如圖2 4 包括兩個獨立電源 每條線路分別包括5 0 0 k v 2 2 0 k v 1 1 0 k v 1 0 k v 線路各一條 4 個變壓器和一個容量為1 m v a 的負(fù)荷 分析當(dāng)聯(lián)絡(luò)線分別 為l o l 0 2 l 0 3 和i 0 4 時 此雙回供電線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性問題 5 0 0 2 2 0 l 4 2 2 0 1 1 0 l 5 1 1 0 1 0 l 6 1 0 0 3 8 圖2 4雙回供電系統(tǒng) 3 系統(tǒng)各元件故障概率統(tǒng)計 如表2 2 2 6 母線故障統(tǒng)計 故障類型母線故障次數(shù) 年 單相接地0 0 5 8 4 兩相接地 0 0 1 3 6 相間短路 0 0 0 4 8 三相接地0 0 0 3 2 表2 2母線故障統(tǒng)計 1 0 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 0 0 k v 聯(lián)絡(luò)線故障統(tǒng)計 故障類型故障次數(shù) k n d 年各故障點故障次數(shù) 年 單相接地o 0 8 6 40 0 2 3 0 4 兩相接地 o 0 1 8 40 0 0 4 9 0 7 相間短路0 0 0 1 60 0 0 0 4 2 7 三相接地o 0 0 1 60 0 0 0 4 2 7 表2 35 0 0 k v 聯(lián)絡(luò)線故障統(tǒng)計 2 2 0 k v 線路故障統(tǒng)計 l l 線路各故障點l 4 線路各故障點 故障類型故障次數(shù) k i n 年 故障次數(shù) 年故障次數(shù) 年 單相接地 o 2 1 60 0 3 6o 0 4 3 2 兩相接地 0 0 4 60 0 0 7 6 6 70 0 0 9 2 相間短路 o 0 0 40 0 0 0 6 6 70 0 0 0 8 三相接地 0 0 0 40 0 0 0 6 6 70 0 0 0 8 1 l o k v 線路故障統(tǒng)計 l 2 線路各故障點l 5 線路各故障點 故障類型故障次數(shù) k i n 年 故障次數(shù) 年故障次數(shù) 年 單相接地0 4 3 80 0 4 3 8 o 0 5 8 4 兩相接地0 1 0 2o 0 1 0 2o 0 1 3 6 相間短路0 0 3 60 0 0 3 60 0 0 4 8 三相接地0 0 2 40 0 0 2 40 0 0 3 2 表2 51 l o k v 線路故障統(tǒng)計 l o k v 故障統(tǒng)計 l 3 線路各故障l 6 線路各故障點 故障類型故障次數(shù) k i n 年 點故障次數(shù) 年故障次數(shù) 年 單相接地3 5 7 7o 1 1 9 2 3 30 2 3 8 4 6 7 兩相接地1 4 7 90 0 4 9 30 0 9 8 6 相間短路0 5 2 2o 0 1 7 40 0 3 4 8 三相接地 0 3 4 8o 0 1 1 60 0 2 3 2 表2 6l o k v 線路故障統(tǒng)計 1 1 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 3 統(tǒng)計分析及結(jié)論 1 暫降發(fā)生概率 經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出 當(dāng)b 為聯(lián)絡(luò)線時 此雙回供電網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷所經(jīng)受的總電壓暫降發(fā) 生的頻次為n 5 2 9 5 2 次 年 而引起兩路負(fù)荷端電壓同時發(fā)生電壓暫降的頻次 按幅 度為9 0 和8 0 統(tǒng)計時 分別為n o 4 2 5 4 謝年 n 齟譬嘶 o 2 5 4 3 撕年 因此 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時 引起兩路負(fù)荷端電壓同時發(fā)生有效暫降占總暫降次數(shù)的概率分別 為 p 一 等一s 7 p 等一 s 吣 同理可得聯(lián)絡(luò)線為l n 2 b 3 l 肼時的概率 如表2 7 2 m 1 2 及相關(guān)度r 的計算 通過數(shù)字短路實驗 并結(jié)合廣義諾頓定理得出雙回網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)度r 如表2 7 l e ll 0 2l o il 0 4 m 1 2 3 5 0 2 4 43 5 4 4 42 2 3 7 92 1 4 8 6 r 0 0 2 8 50 2 8 2 20 4 4 6 8 0 4 6 5 4 p 塒m 8 0 3 3 7 9 6 4 4 8 2 9 1 2 5 4 3 0 1 3 0 5 巴 4 8 0 1 8 8 4 7 4 1 2 8 2 8 4 6 2 9 2 8 1 5 3 對比分析 對比兩線絡(luò)同時發(fā)生電壓暫降的概率與相關(guān)度r 兩種分析方法的結(jié)果是相互對應(yīng) 的 相關(guān)度r 越小 兩條線路負(fù)荷側(cè)同時發(fā)生有效電壓暫降概率越小 反之則概率越大 4 分析結(jié)果 通過以上研究發(fā)現(xiàn) 聯(lián)絡(luò)線位置不同 兩線路負(fù)荷側(cè)母線同時發(fā)生電壓暫降的概率 有很大差別 當(dāng)聯(lián)絡(luò)線處于5 0 0 k v 電壓等級時 此統(tǒng)計概率較低 線路間可采用快速切 換開關(guān) 故障發(fā)生瞬間將故障線路負(fù)荷切換到非故障線路 從傳播途徑上抑制電壓暫降 現(xiàn)象的影響 以提高敏感負(fù)荷運(yùn)行安全性和減少經(jīng)濟(jì)損失 2 3 基于雙路供電的電壓暫降減緩措施 由上述研究可以看出 當(dāng)聯(lián)絡(luò)線處于5 0 0 k v 電壓等級時 兩路同時發(fā)生電壓暫降的概 率較低 因此 基于雙路供電的電壓暫降減緩措施更具有實用性 它能充分利用現(xiàn)有的 兩路獨立電源 真正實現(xiàn)兩路電源互為備用的思想 雙路供電固態(tài)切換開關(guān) s s t s 是一 種基于雙路供電減緩電壓暫降的有效措施 成為了專家學(xué)者們研究的一個焦點 1 2 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 1 雙路供電固態(tài)切換開關(guān) s s t s 的仿真研究 三相雙路供電s s t s 主電路如圖2 5 所示 9 它包括主電源和備用電源側(cè)的兩個晶閘 管模塊 這兩個晶閘管模塊將負(fù)載接入主電源或備用電源 每個晶閘管模塊由三個晶閘 管單元構(gòu)成 相應(yīng)地連接主或備用電源的a b c 三相 每一個晶閘管單元由一對反 并聯(lián)晶閘管組成 例如 p p l p n l 和a p l a n l 以保證通過正 反向電流 旁路機(jī)械只 和4 開關(guān)分別與晶閘管模塊a 和p 并聯(lián) 當(dāng)晶閘管模塊退出運(yùn)行時 由旁路機(jī)械開關(guān) 給負(fù)載供電 隔離開關(guān)m 1 m 2 和m 1 m 2 分別將兩個晶閘管模塊從主電路中完全 隔離出來 以方便晶閘管的檢修 維護(hù)和測試 fh b 圖2 5 三相雙路供電s s t s 的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) s s t s 是串聯(lián)在電壓暫降敏感負(fù)荷與主 備用電壓之間的裝置 正常運(yùn)行時 主電源 通過s s t s 的晶閘管模塊p 給敏感負(fù)荷供電 如圖2 5 所示 當(dāng)主電源發(fā)生電壓暫降并 且電壓暫降的幅值超過敏感負(fù)載正常運(yùn)行所能承受的限值時 s s t s 的控制系統(tǒng)發(fā)出切 換指令 將敏感負(fù)荷切換至備用電源 切換控制是s s t s 控制系統(tǒng)的核心部分 對于s s t s 的各種不同切換控制策略 很 多國外文獻(xiàn)都有研究 本論文提出一種全新 快速的切換控制方式 該控制策略通過監(jiān) 測晶閘管模塊中各晶閘管的端電壓 判斷晶閘管中電流的極性 然后根據(jù)電流極性觸發(fā) 另外一個晶閘管模塊中對應(yīng)的晶閘管 切換過程完成之后 敏感負(fù)荷由電壓質(zhì)量相對較 好的備用電源供電 如果主電源電壓恢復(fù)正常供電 為確保主電源完全恢復(fù) s s t s 切 換控制系統(tǒng)延時4 5 個周波 而后封鎖晶閘管模塊a 的門極觸發(fā)信號 在各相電流過零 點處觸發(fā)晶閘管模塊p 基于e m t d c p s c a d 軟件的雙路供電s s t s 數(shù)字仿真波形如圖2 6 所示 主要參數(shù) 說明如下 主 備用電源相電壓0 4 l v r m s 頻率5 0 h z 容量1 m v a 電阻0 0 1 5 o 電抗0 4 7 1q 敏感負(fù)荷承受極限值是額度電壓的8 0 主備用電源故障前相差1 0 度 本論文以主電源相位為參考 主電源a 相發(fā)生接地故障 電壓下降5 0 波形由 上到下 分別為主電源側(cè)三相電壓 主電源電壓砌值和切換信號 主備用電源的a 相 13 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 電流 s s t s 的輸出三相電壓 從仿真波形可看出 b o 4 9 1 s 故障發(fā)生 f i o 4 9 3 s 檢測 到主電源發(fā)生故障 t 2 o 4 9 5 s 投切操作完成 s s t s 的輸出的三相電壓波形恢復(fù)正常 s s t s 的總體投切時間4m s 其中檢測時間2 m s 切換時間2 m s 圖2 6當(dāng)主電源a 相發(fā)生接地故障時s s t s 切換仿真波形 值得注意的是 s s t s 在切換的過程中 各相電壓的瞬時值等于主 備用電源電壓瞬 時值的平均值 因此 雙路供電固態(tài)切換開關(guān)只能減小電壓暫降的幅值 但并不能完全 消除電壓暫降 為了消除s s t s 的不足之處 本論文提出一種全新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 即 基于雙路供電i p s 該裝置根據(jù)兩路電源的實際情況 自動完成負(fù)載在主備用電源之間 平滑投切 為負(fù)載提供一個高質(zhì)量的正弦電壓 2 3 2 雙路供電集成電源 i p s 目前 雙路供電切換主要采用基于機(jī)械開關(guān)的備自投方式 極少數(shù)場合采用晶閘管 投切方式 機(jī)械開關(guān)存在投切過程延時大 靈活性差的問題 晶閘管投切方式存在可靠 性低 易發(fā)生相位跳變等問題 因而 雙路供電雖然大大提升了供電的可靠性 但對于 電壓暫降這類對電力設(shè)備危害最大的電能質(zhì)量問題無能為力 遠(yuǎn)未發(fā)揮雙路供電對提升 電能質(zhì)量的作用 以下介紹的i p s 則可以在很大程度上解決上述問題 提供高質(zhì)量供電 解決方案 i p s 是一種基于雙路供電抑制電壓暫降和短時中斷的裝置 可以很好地解決雙路供 電電壓暫降問題 實現(xiàn)了主備用電源之間的無縫切換 與u p s 類似 i p s 從其運(yùn)行方式 上分 也可以分為在線式和后備式兩種 串聯(lián)在電網(wǎng)和負(fù)荷之間或者與主電源并列作為 1 4 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 高質(zhì)量的備用電源 對電網(wǎng)側(cè)發(fā)生的電壓故障進(jìn)行屏蔽 后備式在沒有故障發(fā)生的時候 處于備用狀態(tài) 裝置的控制部分一直在工作 監(jiān)測主電源的電壓 當(dāng)發(fā)生電壓暫降或短 時中斷的時候迅速 幾個毫秒以內(nèi) 地把重要負(fù)荷從主電源切換過來 后備式i p s 的工 作原理圖如圖2 7 所示 圖2 7 后備式i p s 工作原理圖 由于備用狀態(tài)下沒有功率通過 后備式的功耗非常低 開關(guān)器件的壽命也相應(yīng)增長 但后備式i p s 存在和后備式u p s 一樣的缺點 就是響應(yīng)特性不如在線式 而且只能消除 電壓暫降和短時中斷對負(fù)荷的影響 對其他的電能質(zhì)量問題仍然無能為力 而在線式滿 足了響應(yīng)時問的要求 可以無延時的對電壓暫降和短時中斷進(jìn)行補(bǔ)償 由于負(fù)荷是通過 i p s 連接到電網(wǎng) 所以電網(wǎng)側(cè)的所有的電能質(zhì)量問題都不能對負(fù)荷造成影響 缺點就是 由于其是全功率通過 功耗較大 在線式i p s 的工作原理圖如圖2 8 所示 圖2 8 在線式i p s 工作原理圖 1 5 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 本論文對上述兩種i p s 進(jìn)行了研究 由于在線式i p s 既可以解決電壓暫降 短時中 斷 又能同時解決其他電能質(zhì)量問題 因此本課題側(cè)重研究在線式i p s 并研制了輸出 線電壓3 8 0 v 容量6 7 k v a 的樣機(jī) 目前 本課題研制的雙路供電i p s 尚未見研究先例 1 6 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 引言 第三章在線式ip s 裝置的原理及其主回路實現(xiàn) 在線式i p s 是基于i g b t 的三相電壓源變流器 串聯(lián)在兩路電源與敏感負(fù)載之間的 一種在線運(yùn)行裝置 其中 主 備用電源經(jīng)整流橋l 和整流橋2 整流后并聯(lián)到同一直流 母線上 在i p s 工作時互為備用 在線式i p s 的主電路結(jié)構(gòu)如圖3 1 所示 圖中 d c a c 構(gòu)成逆變器 為負(fù)載提供高質(zhì)量的正弦電壓 在i p s 的交直交變換過程中會產(chǎn)生一定的 電壓損失 因此在i p s 的輸出端加裝一個電壓提升環(huán)節(jié) 使i p s 的最終輸出電壓達(dá)到額 定電壓 圖3 1在線式i p s 電路結(jié)構(gòu)示意圖 在線式i p s 裝置利用整流與逆變環(huán)節(jié)將重要負(fù)荷與電網(wǎng)隔離開來 使負(fù)載免受電壓 暫降 電壓暫升 電網(wǎng)諧波 三相不對稱等電能質(zhì)量問題的影響 裝置的主要組成部分 有主回路 控制電路 保護(hù)電路 主功率回路系統(tǒng)由不可控整流橋 直流平波電抗器 b o o s t 電路 直流母線 全控型逆變器 濾波器 升壓變壓器等組成 控制電路中采 用t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 作為主控芯片 完成信息的采集 處理 運(yùn)算及驅(qū)動脈沖的產(chǎn)生 反饋控制 保護(hù)回路則實現(xiàn)系統(tǒng)短路或過負(fù)荷情況下對i p s 主回路的保護(hù)以及主回路與 電網(wǎng)之間的切換 3 2 主電路結(jié)構(gòu)概述 在線式i p s 裝置采用了基于正弦脈寬調(diào)制s p w m 控制的電壓源型逆變器方式 控制 單元依據(jù)所要產(chǎn)生的電壓波形的瞬時值 計算出產(chǎn)生每相橋臂s p w m 波相應(yīng)的開關(guān)策 略 經(jīng)v s i 逆變器放大 得到大功率驅(qū)動波形 該輸出經(jīng)r 型l c 濾波器 濾除開關(guān)頻 率成份 由于電能經(jīng)過整流逆變之后會產(chǎn)生電壓損失 使逆變器輸出的電壓達(dá)不到敏感 負(fù)載所需額定電壓 因此我們在i p s 逆變器的輸出側(cè)加裝了自耦變壓器 提升i p s 的最 終輸出電壓 使其達(dá)到額定電壓 同時自耦變壓器能夠提供中性點 所以在線式i p s 既 適用于三相三線制負(fù)載也適用于三相四線制負(fù)載 本課題研制的工業(yè)樣機(jī)的額定電壓為 1 7 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 8 0 v 額定容量為6 7 k a 裝置的電路結(jié)構(gòu)如圖3 2 所示 圖3 2 在線式i p s 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖3 2 中 t l t 6 構(gòu)成逆變器 為負(fù)載提供高質(zhì)量的正弦電壓 l l l 3 與c 3 c 5 構(gòu)成l c 濾波器 濾除逆變器產(chǎn)生的高次諧波 自耦變壓器提升i p s 輸出電壓 使i p s 的最終輸出電壓達(dá)到額定電壓3 8 0 v i a t 7 和d l 構(gòu)成b o o s t 升壓電路 當(dāng)主 備 用電源同時發(fā)生電壓暫降 直流母線電壓跌落到一定數(shù)值時 可以利用該b o o s t 電路 提升母線電壓 同時b o o s t 電路還用于功率因數(shù)校正 提高整個i p s 裝置的功率因數(shù) r 0 和k 5 是充電電阻及其旁路開關(guān) 其作用是限制i p s 上電瞬間的母排電容充電電流 i p s 輸入側(cè)上電后 直流母線電容經(jīng)充電電阻r 0 充電 充電結(jié)束后 旁路開關(guān)k 5 閉合 旁路充電電阻 i p s 進(jìn)入正常工作狀態(tài) k i k 2 k 4 是i p s 裝置的隔離開關(guān) 可以把 i p s 裝置從電網(wǎng)中隔離出來 以方便i p s 的檢修 維護(hù)和測試 k 3 是i p s 裝置的旁路開 關(guān) 當(dāng)裝置出現(xiàn)故障退出運(yùn)行時 i p s 裝簧會自動將負(fù)載切到旁路上 由主電源給負(fù)載 供電 以保證快速恢復(fù)生產(chǎn) 3 3 裝置輸入端結(jié)構(gòu)與整流單元 配電網(wǎng)中兩路相對獨立的電源經(jīng)斷路器 熔斷器 壓敏電阻接入i p s 其中 斷路 器的作用是控制裝置電源的輸入 熔斷器主要作用是裝置輸入的過流保護(hù) 壓敏電阻起 到防止輸入過電壓 保護(hù)整流橋的作用 主 備用電源接入i p s 后 分別接一組整流橋 將交流變成直流以后并聯(lián)起來 這 種整流橋在直流側(cè)并聯(lián)有多種作用 一是將兩路交流電源整流后相連接 解決了兩路交 流電源因相位和幅值不同而不能直接并聯(lián)的問題 使雙路供電實現(xiàn)了真正意義上的互為 備用 二是兩路電源共同分擔(dān)i p s 所帶的敏感負(fù)載 并且兩個電源分擔(dān)的功率自然分配 線電壓高的電源承擔(dān)的功率多 三是當(dāng)某路配電網(wǎng)電源因故障而發(fā)生了電壓暫降 短時 中斷 甚至是停電時 i p s 所帶的負(fù)載會自動切換到電能質(zhì)量較好的電源 實現(xiàn)了負(fù)載 1 8 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 在雙路電源之間的無縫 無延時切換 由于在線式i p s 是基于s p w m 調(diào)制技術(shù) 其逆變器具有調(diào)壓作用 所以整流器采用 不可控橋式整流電路 二極管整流橋與晶閘管整流器相比 這種方案存在成本低 無需 控制等優(yōu)點 但其也存在諧波較大的缺點 在采用6 脈動整流方式時通常需加裝濾波器 本裝置采用兩組三相不可控整流橋并聯(lián)得到直流電壓 并加裝了平波電抗器以減小諧 波 3 4 直流環(huán)節(jié) 電能從整流單元輸出以后 經(jīng)過充電電阻及其旁路開關(guān) b o o s t 電路 輸送到直流 母排平波電容器上 充電電阻及其旁路開關(guān)的作用是限制i p s 功率回路上電時直流母線 平波電容的充電電流 i p s 功率回路輸入電源接入之前 直流母線上沒有電壓 在i p s 工作初期 需要給直流母線平波電容預(yù)充電 在直流母線上建立電壓 為了防止電容的 充電電流過大 損壞整流橋和直流電容器 在裝罱剛剛接入電源時 直流電流經(jīng)過充電 電阻 這樣可以保證在直流電容充電過程中 直流電流不會過大 在直流母線電壓建立 起來以后 旁路開關(guān)閉合 將充電電阻短路 消除充電電阻器上的能量損耗 此時i p s 進(jìn)入正常工作狀態(tài) 充電電阻的旁路開關(guān)是由一個延時閉合繼電器控制的接觸器 該延 時閉合繼電器在裝置接入電源以后的數(shù)分鐘內(nèi)是斷開的 此時裝置直流電流經(jīng)過充電電 阻器流入直流母線 在此之后 延時閉合繼電器閉合 旁路開關(guān)將充電電阻短路 輸入 的直流電流不再經(jīng)過充電電阻 由于i p s 采用三相不控整流 所以裝置的輸入側(cè)會向電網(wǎng)注入較大的諧波電流 尤 其是三次諧波 b o o s t 電路的主要作用主要就是功率因數(shù)校正 使i p s 對配電網(wǎng)呈現(xiàn) 電阻特性 提高i p s 的功率因數(shù) 減小其對配電網(wǎng)的諧波污染 同時 在母線電壓低于 一定范圍時 b o o s t 電路還能提升直流母線電壓 以保證i p s 輸出穩(wěn)定的額定電壓 目前 對b o o s t 電路的研究還在進(jìn)行中 直流環(huán)節(jié)的直流平波電容 由多個直流電容器經(jīng)過并聯(lián)與串聯(lián)組成 對于電容器串 聯(lián)均壓問題 本裝置采用了電阻均壓法 另外 直流平波電容器參數(shù)的選取十分關(guān)鍵 一方面 要求電容器的電容量和耐壓水平足夠大 以保證逆變器工作時直流電壓基本保 持不變 這對逆變器穩(wěn)定工作很有利 另一方面 選擇過大的電容容量和耐壓水平會造 成裝置成本增加 因此 裝置設(shè)計中電容器容量的選擇主要依據(jù)仿真分析的結(jié)果進(jìn)行 電容器耐壓水平的選擇則在典型方法的基礎(chǔ)上 根據(jù)本裝置的特點 適當(dāng)降低電容值的 耐壓值 直流母排設(shè)計對逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要 導(dǎo)線或銅條連接方式 在發(fā)生較大擾 動時 系統(tǒng)極易出現(xiàn)振蕩 造成過壓 過流 本裝置借鑒了諸如變頻器 u p s d v r 等 的設(shè)計經(jīng)驗 選用最合理的方案 將母線設(shè)計為扳式結(jié)構(gòu) 保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性 直 1 9 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 流母排設(shè)計圖如下圖所示 3 5 逆變單元 圖3 3 直流母排正極板 左 和負(fù)極板 右 設(shè)計圖 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展 帶來了可供選擇的多種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及先進(jìn)的調(diào)制技 術(shù) 電力電子器件的發(fā)展帶來了更高可靠性 更高開關(guān)頻率 更低損耗的功率器件 這 其中包括已經(jīng)得到大規(guī)模使用的i g b t 和i g c t 器件以及智能功率模塊m m 這些可以 工作在較高開關(guān)頻率 2 0 k h z 以上 的功率器件是研制i p s 裝置的基礎(chǔ) 現(xiàn)代控制理論 的發(fā)展使我們擁有了更多的算法選擇 這些控制理論的使用增強(qiáng)了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性 穩(wěn)定 性 可靠性 使裝置趨于職能化 微處理器的發(fā)展為我們實現(xiàn)各種較復(fù)雜的算法提供了 物質(zhì)基礎(chǔ) 在以往 實現(xiàn)較高的開關(guān)頻率和實現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法一直是一對矛盾 當(dāng) 前高速 高集成度的微處理器使上述兩者達(dá)到了一定程度的統(tǒng)一 面向控制領(lǐng)域的處理 器其優(yōu)化的硬件設(shè)計使軟件的設(shè)計任務(wù)大大簡化 這不僅減輕了開發(fā)者的負(fù)擔(dān) 更重要 的是減小了系統(tǒng)軟件的規(guī)模 從而為實現(xiàn)更復(fù)雜的算法打下了基礎(chǔ) 本裝置選擇i g b t 作為三相全控逆變橋 i g b t 通常有母m 形式和分立形式兩種 考慮到功率的擴(kuò)展性和開發(fā)人員的熟悉程度 本項目選用了雙單元分立形式的i g b t 模 塊構(gòu)成逆變器 逆變器有半橋式 全橋式和推挽式等結(jié)構(gòu)形式 推廣到三相系統(tǒng)中 就 有三相全橋逆變器 三單相全橋逆變器和三相半橋逆變器等 不同結(jié)構(gòu)的逆變器有不同 的功能 三單相全橋逆變器各相輸出完全獨立 控制簡單 但是與三相全橋逆變器相比 器件成本較高 三相半橋逆變器結(jié)構(gòu)簡單 控制也容易得多 橋式逆變器都存在橋臂直 通的問題 所以采用上述這兩種橋式逆變器結(jié)構(gòu)都需要可靠的橋臂保護(hù)手段來防止橋臂 直通問題 推挽逆變器的最大優(yōu)點是在任何時刻都只有最多一個開關(guān)器件工作 不存在 橋臂直通問題 在輸出功率相同時開關(guān)損耗也較小 但是其功率器件的開關(guān)集電極電壓 應(yīng)力為電容電壓的兩倍 適用于低壓的大功率變換器 綜合成本和可行性等因素 本裝 置決定選用三相半橋逆變器 逆變器的控制采用了典型的s p w m 控制模式 i g b t 的工作頻率是整個裝置的重要指標(biāo) 綜合考慮d s p 計算處理能力 i g b t 功耗 散熱器的設(shè)計以及濾波器等各方面因素 項目研制的在線式i p s 裝置中i g b t 的開關(guān)頻 2 0 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 率選取1 3 2 k i i z 另外 在發(fā)生振動場合下 直流母排會對i g b t 模塊產(chǎn)生比較大的應(yīng) 力 這就要求盡可能減小直流母線與i g b t 之間的電感值 以消弱這種應(yīng)力 i p s 采用 的層疊狀的母排系統(tǒng) 并使直流母排與i g b t 模塊盡可能近 目的就是將母排電感降低 到最小 母排與i g b t 模塊的連接如圖3 4 所示 由圖中可以看出 三個i g b t 模塊放 在同一塊散熱片上 散熱方式采用的是強(qiáng)