考慮補償方法的單相DVR檢測方法研究與仿真

何妍，張瑚，馬麗山，張冰，邱進

（1.國網(wǎng)電力科學研究院，湖北 武漢 430074；2.中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071；3.青海省電力試驗研究院，青海 西寧 810008）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和大功率開關(guān)技術(shù)的應用，電壓暫降已成為電力系統(tǒng)中最普遍、危害最大的電能質(zhì)量問題。動態(tài)電壓恢復器（DVR）是解決電壓暫降問題的有效手段之一，其逆變單元能在毫秒級內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓和故障電壓之差，從而補償電壓暫降。

對于一個DVR裝置來說，其逆變單元最高輸出補償電壓與其儲能單元的容量是固定的，但是對同一個電網(wǎng)電壓故障，如果DVR采用的補償方法不同，其向系統(tǒng)注入的有功功率和電壓就不同，從而決定了DVR對電壓故障補償?shù)某掷m(xù)時間不同，同時對負載電壓的補償程度也不相同。單相DVR逆變單元等效為一個靈活可控的電壓源，在檢測控制單元的電壓補償指令下，可調(diào)節(jié)改變輸出電壓的幅值和相位，并伴隨有功功率輸出的變化。

1 補償方法研究

DVR與系統(tǒng)連接圖如圖1[1]所示，DVR是串聯(lián)在系統(tǒng)中的，其逆變單元會流過全部負載電流。定義故障前電網(wǎng)相電壓為U觶S'；故障前負載正常工作電壓為負載電流為I觶L'；負載功率因數(shù)角為故障后電網(wǎng)相電壓為U觶S；相位角發(fā)生跳變，定義U觶S與U觶S'間的相位差為準（-仔臆準臆仔）；故障后負載端電壓為U觶L（U觶L=U觶S）；負載電流為I觶L；DVR逆變單元輸出電壓為U觶D；補償后負載端電壓為U觶T，電流為I觶T，則有：

通過DVR的補償，負載端電壓U觶T與故障前負載正常工作電壓U觶T'幅值相等，相位差在負載允許相位偏差的范圍內(nèi)。為便于分析，把補償后負載電流I觶T作為參考相量，則把U觶S與I觶T的角度定義為電網(wǎng)功率因數(shù)角漬S（-仔臆漬S臆仔）；把U觶S與U觶T的相位差定義為茲（-仔臆茲臆仔）；把 U觶T與U觶T'的相位差定義為負載電壓參考相位角 啄（-仔臆啄臆仔）。

圖1 DVR與系統(tǒng)連接圖

各個相量之間的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以得到以下角度關(guān)系：

圖2 電壓暫降、補償前后各個電壓和電流相量關(guān)系圖

分析可得，DVR逆變單元的輸出電壓的幅值、有功功率和無功功率是關(guān)于參考相位角啄的余弦函數(shù)[2]。據(jù)此基本原理可以得到以下5種補償方法。

1）完全電壓補償法[3]，見圖3（a），就是補償后負載電壓U觶T完全恢復到故障前負載正常工作電壓U觶L'。此時有啄=0，漬S=準+漬，茲=準。

2）最小電壓補償法，見圖3（b），就是補償后負載電壓幅值UT補償至UL'，相位與故障后電網(wǎng)相電壓U觶S一致。此時有茲=0，啄=準，漬S=漬。

3）負載功率因數(shù)控制補償法[4]，見圖3（c），就是控制DVR逆變單元輸出電壓的幅值與相位，使故障后電網(wǎng)電壓與負載電流同相，同時使補償后負載電壓幅值UT補償至UL'。此時有漬S=0，茲=漬，啄=準+漬。

4）純無功注入補償法，見圖3（d），就是DVR逆變單元僅向系統(tǒng)注入無功功率，不需要儲能單元提供能量。此時仍然有漬S=準+漬-啄，茲=準-啄。

5）最小能量補償法[5-7]，就是要求用最小的能量使補償后負載電壓幅值UT補償至UL'，即有功功率的絕對值最小，其理想情況為純無功注入補償法。

圖3 幾種補償方法相量圖

2 檢測方法研究

2.1 常用檢測方法

電壓暫降特征量包括：幅值、相位跳變、起止時刻。要求檢測控制單元能夠?qū)崟r、準確地對特征量進行檢測。目前已提出的電壓暫降檢測方法有[8]：1）有效值計算法；2）基波分量法；3）單相電壓變換平均值法；4）缺損電壓法；5）峰值電壓法；6）FFT法；7）小波變換法；8）數(shù)字矩陣檢測法；9）單相d-q變換法；10）單相琢-茁坐標變換法。其中，有效值計算法、基波分量法和單相電壓變換平均值法需要至少半個周期前的“歷史”數(shù)據(jù)才可以進行運算，實時性較差，并且不能明確地給出暫降的起止時刻和相位跳變；缺損電壓法對暫降電壓的幅值和相位的瞬時確定仍是需要解決的問題；峰值電壓法，其暫態(tài)響應延時<5.6 ms，但對小頻率擾動不敏感，對諧波卻比較敏感；FFT法及其各種改進算法用于電壓暫降分析的效果都不是很好；小波變換法和數(shù)字矩陣檢測法的實現(xiàn)過于復雜；基于瞬時無功功率理論的單相d-q變換法和單相琢-茁坐標變換法，物理意義清晰，易于實現(xiàn)。

2.2 單相琢-茁坐標變換法原理

分別定義2個坐標系，一個是靜止坐標系，其坐標軸為琢和茁；另一個是同步旋轉(zhuǎn)坐標系，其坐標軸為d和q。d-q旋轉(zhuǎn)坐標系相對于琢-茁靜止坐標系以角速度棕旋轉(zhuǎn)。假設(shè)電壓為：

則U觶與d-q同向旋轉(zhuǎn)，其在d-q軸和琢-茁靜止軸上的投影分別為：

因此可用下式將U觶從琢-茁坐標系變換到d-q坐標系：

u琢和u茁可根據(jù)實測的單相電壓來構(gòu)造，即令電壓向量與茁軸重合得到u茁，對u茁求導得到u琢，即u琢=u茁'/棕。則根據(jù)實測電壓得到的分量為：

然后根據(jù)式（6）變換到d-q坐標系下，再通過低通濾波器后得到d-q電壓中的直流分量：

由此可以得到暫降基波電壓的幅值和相位：

2.3 補償量的確定

不同補償方法其參考相位角啄的取值不同，達到的目標也不同。確定了啄即確定了補償后的目標參考電壓。目標參考電壓通過琢-茁構(gòu)造和d-q變換后，與通過琢-茁構(gòu)造和d-q變換的系統(tǒng)實測電壓相減，再經(jīng)過d-q反變換和琢-茁解構(gòu)，就得到了需要的電壓補償量[9]。

琢-茁坐標變換法檢測補償原理見圖4，圖中，LPF為低通濾波器；u*（t）為根據(jù)不同補償方法確定的目標參考電壓；uc（t）為檢測出的電壓補償量。

圖4 琢-茁坐標變換法檢測補償原理

3 仿真研究

在MATLAB 7.0仿真平臺上應用單相琢-茁坐標變換法對電壓暫降進行檢測補償仿真驗證。系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。圖5（a）為實驗系統(tǒng)連接圖，圖5（b）為圖5（a）中搭建的DVR仿真模型。仿真實驗中系統(tǒng)電壓有效值為220V，頻率為50Hz。系統(tǒng)在0.16～0.30 s內(nèi)和0.40～0.46s內(nèi)分別發(fā)生了幅值約47%和31%的電壓暫降。

圖5 仿真實驗系統(tǒng)連接圖

圖6所示為根據(jù)單相琢-茁坐標變換法由系統(tǒng)電壓構(gòu)造出來的u琢和u茁。圖7所示為u琢和u茁通過d-q變換得到的ud和uq，可見琢-茁坐標變換法得到的ud和uq能準確反應電壓幅值的變化。圖8所示為檢測出的暫降電壓基波幅值和相位。

圖6 構(gòu)造的u琢和u茁

圖7 d-q變換得到的ud和uq

圖8 檢測出的暫降電壓幅值和相位

圖9所示為電壓暫降DVR檢測補償仿真結(jié)果波形。仿真結(jié)果表明，根據(jù)不同的補償方法，應用琢-茁坐標變換檢測法，DVR能快速、準確的檢測并補償電壓暫降。

4 結(jié)語

本文首先定量分析計算了電網(wǎng)電壓暫降時DVR逆變單元與電網(wǎng)的功率交換情況，并根據(jù)具體關(guān)系總結(jié)出5種補償方法，然后根據(jù)不同的補償方法進行單相DVR檢測方法研究。重點研究了單相琢-茁坐標變換法，仿真結(jié)果表明該方法能實時、快速、準確地檢測電壓暫降，提供補償信息，恢復系統(tǒng)電壓。

圖9 電壓暫降DVR檢測補償仿真波形

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