動態(tài)電壓恢復(fù)器恒相電壓補(bǔ)償仿真

劉天羽

（上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240）

動態(tài)電壓恢復(fù)器恒相電壓補(bǔ)償仿真

劉天羽

（上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240）

介紹一種三相獨(dú)立式的動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR），通過采用比例－積分（PI）控制算法對DVR進(jìn)行恒相位補(bǔ)償研究，以提高DVR的響應(yīng)時間和補(bǔ)償能力。應(yīng)用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果說明了該方法具有良好的動態(tài)性能與補(bǔ)償效果。

動態(tài)電壓恢復(fù)器；恒相電壓補(bǔ)償；電壓跌落

目前，電能已成為人們使用最為普遍的能源。電力部門不僅需要滿足用戶對電能不斷增長的需要，還要滿足用戶對電能質(zhì)量的要求。電能質(zhì)量主要是指公共電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)，包括提供電能的頻率、電壓和波形是否合格，以及在合格的電能下工作，如何使用電設(shè)備效率最高、性能最好。電壓質(zhì)量是電能質(zhì)量的一個重要組成部分，常用實(shí)際電壓與理想電壓的偏差來衡量供電企業(yè)向用戶端供應(yīng)的電能的質(zhì)量。

電壓暫降是供電電壓在較短的時間內(nèi)突然出現(xiàn)電壓下降的現(xiàn)象，典型持續(xù)時間約0.5～30周波，通常不超過1s。在工程中，電壓暫降通常用暫降幅度和持續(xù)時間來描述［1-2］。一般，電壓暫降幅度深，持續(xù)時間較短；反之，則持續(xù)時間較長。電壓暫降屬于電能質(zhì)量的范疇。根據(jù)美國電力科學(xué)院的統(tǒng)計，90%以上的電能質(zhì)量問題是由電壓暫降和電壓突升造成的，其中電壓暫降情況占較大的比例，是主要的事故原因。引起電壓暫降的原因很多，如感應(yīng)電機(jī)啟動、輸配電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障、開關(guān)操作、雷擊、變壓器及電容器組投切等，其中主要原因是短路故障、雷擊、和大型異步電動機(jī)啟動等［3-4］。近年來，短時斷電合電壓暫降、跌落問題也引起了我國廣大用戶，特別是大型醫(yī)院、科技園區(qū)、軍工單位和重要的政府部門、供電公司和制造商的關(guān)注，因此對由電壓跌落和暫降等引起的短時電能質(zhì)量問題的治理迫在眉睫。

最近數(shù)十年來，由于系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器等非線性和不對稱設(shè)備的大量加入，使負(fù)荷性質(zhì)多變，導(dǎo)致了大量電能質(zhì)量問題的出現(xiàn)，如電壓跌落、閃變、電流諧波、不平衡等，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和敏感性用戶的用電安全，帶來的經(jīng)濟(jì)損失也在迅速增加［5-6］。為此，人們提出并試驗(yàn)了許多方案，如針對電流問題采用有源濾波器、針對電壓問題采用DVR、針對無功補(bǔ)償采用靜態(tài)無功發(fā)生器、針對敏感性負(fù)荷采用不間斷電源等。DVR采用合適的控制方法使備用電壓源產(chǎn)生合適的輸出，用于抵消因電力系統(tǒng)的擾動對電力負(fù)載電壓造成的不良影響等。DVR既可綜合治理配電系統(tǒng)中的動態(tài)電壓質(zhì)量問題，如浪涌、跌落等，也可治理穩(wěn)態(tài)電壓質(zhì)量問題，如波動、諧波、三相不平衡等，故其是一個多目標(biāo)的電壓質(zhì)量綜合治理裝置［7-8］。

1996年8月，美國西屋電氣公司與美國電科院合作成功研制并安裝了世界上第一臺DVR。此后，世界上許多研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家紛紛研制了各自的DVR裝置。在國內(nèi)，清華大學(xué)柔性輸配電系統(tǒng)研究所從1996年起開展了DVR領(lǐng)域的技術(shù)研究，經(jīng)過理論研究、實(shí)驗(yàn)裝置、工業(yè)樣機(jī)等階段，目前已達(dá)實(shí)際應(yīng)用階段，已有多臺工業(yè)裝置在電力及信息部門等現(xiàn)場運(yùn)行，狀況良好。結(jié)果表明：研制這些設(shè)備能有效解決電力系統(tǒng)的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)電壓質(zhì)量問題。

本文介紹了一種三相獨(dú)立式的DVR，采用比例－積分（PI）控制算法研究了DVR的恒相位補(bǔ)償問題。應(yīng)用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果說明了該方法具有良好的動態(tài)性能與補(bǔ)償效果。

1 DVR結(jié)構(gòu)

DVR是一種面向電力系統(tǒng)的串聯(lián)的動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，采用了基于電力電子器件和絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的脈沖寬度調(diào)制逆變器結(jié)構(gòu)［9-11］，其主電路由輸出濾波器、串聯(lián)變壓器、基于全控器件的電壓源型逆變器和直流儲能單元等組成，主要用來解決用戶側(cè)因電壓暫降和跌落引起的電能質(zhì)量問題。DVR相當(dāng)于一個串聯(lián)在電力負(fù)荷和電力系統(tǒng)之間的動態(tài)受控的電壓源［12-13］，在供電系統(tǒng)正常供電的情況下，DVR工作處于備用狀態(tài)；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓質(zhì)量問題時，DVR會在幾毫秒內(nèi)補(bǔ)償系統(tǒng)電網(wǎng)正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下的電壓差，使得負(fù)載上的電壓保持恒定不變。

DVR裝置具有響應(yīng)速度快、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，其核心部分是一個同步電壓源變換器，當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓發(fā)生變化時，DVR經(jīng)過直流側(cè)電源逆變產(chǎn)生的三相交流電與原來的電網(wǎng)串連，用以補(bǔ)償正常電壓與故障電壓之差，保證三相負(fù)載電壓的對稱性，從而確保電壓敏感設(shè)備的正常運(yùn)行。DVR工作時可等效為一個動態(tài)受控電壓源［14-15］，其單相等效電路如圖1所示。

圖1 DVR的等效電路圖Fig.1 Schematic diagram of DVR circuit

圖1中，UDVR＝Uload－Us，UDVR為 DVR 的輸出電壓；Uload為發(fā)生故障前的負(fù)載電壓；Us為發(fā)生故障后的電源電壓；Uinj為DVR等效電壓源的輸出電壓；Zline為線路阻抗；Zload為DVR的等效阻抗；Iload為負(fù)載電流。

DVR結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由圖可見，DVR結(jié)構(gòu)主要包括儲能裝置、變流器、濾波電路和變壓器等部分，其中，Uload為敏感負(fù)載側(cè)電壓，UPCC為系統(tǒng)的公共結(jié)點(diǎn)電壓。DVR裝置通過檢測電源的電壓生成指令信號，控制變流器產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電壓，再經(jīng)過濾波電路和變壓器補(bǔ)償?shù)截?fù)載電路上，從而確保負(fù)載的電壓質(zhì)量。由于直流側(cè)電壓是通過電容、蓄電池和飛輪等儲能裝置來提供升壓電路，因而DVR的補(bǔ)償能力是有限的。儲能單元的容量決定了DVR的最大補(bǔ)償能力。受儲能單元體積、成本等因素的限制，儲能單元的容量也是有限的，故當(dāng)電源電壓暫降時間較長時，DVR無法做到完全補(bǔ)償。

圖2 典型DVR結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of DVR structure

2 恒相電壓補(bǔ)償算法

圖3為恒相電壓補(bǔ)償示意圖。圖中以電壓跌落前的負(fù)載端電壓相量U2P為參考電壓，I為補(bǔ)償后的負(fù)載電流相量，α為補(bǔ)償后的負(fù)荷端電壓相量的相位，φ為U2P與I的夾角，ΔUj為U1j和U2的向量差，δj為U2P與U1j之間的向量夾角。由于負(fù)載的端電壓和功率都保持不變，故I與補(bǔ)償前的電流IP的幅值相同。圖3中，補(bǔ)償后的負(fù)載端電壓相量U2相對于電壓跌落前的V2P有α相位的跳變，由于功率因數(shù)和負(fù)荷功率不變，故電流相量I在補(bǔ)償后也超前IP角度α，此時I與U1j之間的夾角為θ′；如果采用缺損電壓法，則補(bǔ)償后的電流相量仍為IP，補(bǔ)償后的I和U1j之間的夾角為圖中的θ。由圖3可知，采用恒相電壓補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)電壓提供的有功功率增大了。因?yàn)樨?fù)載的有功功率是保持不變的，故DVR提供給負(fù)載的有功功率就對應(yīng)地減小了。DVR的恒相電壓補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是控制補(bǔ)償后負(fù)載端電壓的相位，減小負(fù)載電流相量與系統(tǒng)側(cè)電壓相量之間的夾角，使電壓在跌落情況下的系統(tǒng)側(cè)電壓提供盡可能多的有功功率給負(fù)載，從而使DVR輸出的有功功率達(dá)到最小。

圖3 恒相電壓補(bǔ)償法向量圖Fig.3 Vector diagram of constant phase compensation

DVR的有功功率為

式中，PL為負(fù)載三相總有功功率；PDVR為DVR的三相總有功功率；PS為DVR的系統(tǒng)側(cè)提供的三相總有功功率。

負(fù)載三相的總有功功率為

3 基于PI控制器的仿真實(shí)驗(yàn)

采用PI控制器，感應(yīng)電壓跌落，當(dāng)?shù)浒l(fā)生時，即可及時補(bǔ)償，設(shè)計電路如圖4所示。

圖4 恒相電壓補(bǔ)償?shù)腟imulink仿真模型圖Fig.4 Simulink diagram of constant phase compensation

實(shí)驗(yàn)對于不同幅度的電壓跌落及補(bǔ)償進(jìn)行了仿真，電源電壓有效值為380V，跌落時間為0.2s，圖5～7分別為電壓分別跌落30%、40%、50%時的電源電壓、補(bǔ)償電壓、補(bǔ)償后的電壓波形。

由圖5～7可見，當(dāng)電壓跌落為30%～50%時，控制方法可以對電壓跌落進(jìn)行有效補(bǔ)償，同時從電壓跌落開始發(fā)生到補(bǔ)償響應(yīng)的時間也相對較短。仿真結(jié)果顯示電壓跌落基本上對電力負(fù)載不會帶來影響。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種三相獨(dú)立式的DVR，使用PI控制器對基于恒相電壓補(bǔ)償方法進(jìn)行了建模和仿真。仿真結(jié)果表明：提出的補(bǔ)償算法具有較好的動態(tài)性能，在穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性方面，也取得了較為理想的效果；在電壓跌落補(bǔ)償時，其補(bǔ)償和波形控制效果也較好。

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Simulation of Constant Phase Compensation of Dynamic Voltage Restorer

LIU Tianyu
（School of Electric，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

This article introduces the application of voltage－oriented control on dynamic voltage restorer（DVR），and studies the constant phase compensation.A DVR system is simulated using Matlab.The results show excellent dynamic and static performances of the system，and thus indicate correctness and effectiveness of the proposed scheme.

dynamic voltage restorer（DVR）；constant phase compensation；voltage dip

TM 761

A

2095－0020（2011）06－0361－05

2011－09－07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（60801048）；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助（10YZ218）；上海市教育委員會重點(diǎn)學(xué)科資助（J51901）

劉天羽（1978－），男，副教授，博士，專業(yè)方向?yàn)樽詣涌刂坪蜋C(jī)器學(xué)習(xí)，E－mail：liuty＠sdju.edu.cn