礦用動態(tài)電壓恢復(fù)器優(yōu)化組合補償策略

李占凱，　王景芹，　張福民

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室, 天津　300130)

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礦用動態(tài)電壓恢復(fù)器優(yōu)化組合補償策略

李占凱，王景芹，張福民

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室, 天津300130)

摘要：針對長時間電壓跌落下礦用動態(tài)電壓恢復(fù)器直流鏈路電容儲能利用率較低的問題，提出了一種從完全補償法到同相補償法的優(yōu)化組合補償策略，即2種補償策略之間平滑緩慢過渡，從而抑制跌落時刻的負載電壓畸變，降低動態(tài)電壓恢復(fù)器注入電壓幅值，延長動態(tài)電壓恢復(fù)器的補償時間。實驗結(jié)果表明，該策略在平衡和不平衡電壓跌落條件下均能正確可靠地補償電網(wǎng)電壓跌落。

關(guān)鍵詞：動態(tài)電壓恢復(fù)器； 電壓跌落； 相位跳變； 同相補償； 完全補償

0引言

煤礦供電系統(tǒng)中，受井下電網(wǎng)容量的限制，母線短路故障、大型設(shè)備開關(guān)浪涌、重型負載啟動等引起的電壓跌落導(dǎo)致重要敏感設(shè)備停機，是煤礦安全生產(chǎn)的重要隱患[1-4]。為避免井下負荷欠壓脫扣跳閘，采用動態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)恢復(fù)有限時段的電壓跌落是一項有效措施[5-6]。

礦用DVR的直流鏈路電容容量過大會導(dǎo)致裝置成本增加，這就需要對電容存儲能量進行充分利用[7]。如果僅采用同相補償法生成DVR注入電壓來補償電壓跌落，注入電壓幅值低，可以減小電容尺寸，但無法解決跌落瞬間相位突變問題，相位敏感型負載無法適用。僅采用完全補償法可以緩解電壓幅值、相位變化，但注入電壓偏高，在補償期間直流鏈路電容會緩慢放電，導(dǎo)致直流母線電壓偏低，此時為保證補償效果，不能改變注入電壓基波幅值，逆變裝置只能工作于過調(diào)制狀態(tài)或增加輔助充電裝置，過調(diào)制會導(dǎo)致電網(wǎng)中引入大量諧波[8]，而增加輔助充電裝置會額外增加DVR成本。針對該問題，本文在分析對比常用電壓跌落補償策略的基礎(chǔ)上，提出了一種優(yōu)化組合補償策略，即通過完全補償法和同相補償法的緩慢過渡，逐步實現(xiàn)相位逼近，降低補償電壓幅值，在保證負載波形畸變最低的前提下延長補償時間。實驗結(jié)果表明，該組合補償策略實現(xiàn)簡單，能夠有效利用直流鏈路電容儲能。

1優(yōu)化組合補償策略

1.1現(xiàn)有補償策略的對比分析

常用電壓跌落補償策略有同相補償法[9]、完全補償法[10]、最小能量法[11]。

DVR補償時間與電壓跌落深度、負載側(cè)功率因數(shù)及跌落時相位跳變均存在較強的耦合關(guān)系。補償時間與電壓跌落深度的關(guān)系如圖1所示。可看出在各種跌落深度情況下，完全補償法效果最佳。同相補償法在跌落深度較小時，其補償時間略低于完全補償法；在跌落深度較大時，與完全補償法效果基本相同。最小能量法所需能量最小，但其僅能在跌落深度較小時提供較長的補償時間。

圖1　補償時間與電壓跌落深度的關(guān)系

補償時間與負載側(cè)功率因數(shù)的關(guān)系如圖2所示。可看出完全補償法和同相補償法在任意功率因數(shù)下均可以補償電壓跌落；最小能量法僅適用于功率因數(shù)高于0.8的場合，且補償時間低于前2種方法，應(yīng)用場合受到限制。

圖2　補償時間與負載側(cè)功率因數(shù)的關(guān)系

補償時間與相位跳變的關(guān)系如圖3所示，可看出同相補償法和最小能量法的補償時間與相位跳變無關(guān)。采用完全補償法時，負載電壓幅值和相位均需正確恢復(fù)，因此補償效果受相位跳變影響較大，當相位跳變?yōu)?°左右時補償效果最佳。

圖3　補償時間與相位跳變的關(guān)系

可見完全補償法的優(yōu)勢取決于網(wǎng)側(cè)電壓相位跳變大小，相位跳變較小時補償效果較好，相位跳變較大時應(yīng)考慮其他補償策略。考慮到最小能量法不適用于相位敏感型負載，本文提出一種基于同相補償法和完全補償法的DVR優(yōu)化組合補償策略，即電壓跌落初始時刻采用完全補償法，保證負載電壓波形無暫態(tài)畸變，然后逐步過渡為同相補償法，降低DVR注入電壓幅值，提高直流鏈路電容儲能的利用率，延長跌落補償時間。

1.2補償原理

相位敏感型負載無法承受較大相位跳變，但可以承受相位的持續(xù)變化，為了保證負載側(cè)電壓畸變較小，相位過渡應(yīng)盡可能緩慢進行。該優(yōu)化組合策略中，鎖相環(huán)用于跌落時刻網(wǎng)側(cè)電壓相位的鎖定存儲，在過渡階段，鎖相環(huán)必須實時追蹤負載電壓相位，以保證相位平滑過渡。

(a)模式1(b)模式2(c)模式3(d)模式4

圖4優(yōu)化組合補償策略基本原理

1.3實現(xiàn)原理

圖5描述了DVR優(yōu)化組合補償策略的實現(xiàn)原理，其中Udvr為DVR注入電壓，θ為網(wǎng)側(cè)電壓相位，θ′為負載電壓相位，Ud_ref為參考電壓d軸分量，Uq_ref為參考電壓q軸分量，Ud_g為網(wǎng)側(cè)電壓d軸分量，Uq_g為網(wǎng)側(cè)電壓q軸分量，Udc_ref為直流母線平均電壓參考值，Udc_mean為直流母線平均電壓，Ua_ref為DVR A相注入電壓，Ub_ref為DVR B相注入電壓，Uc_ref為DVR C相注入電壓，Us(dvr_max)為DVR最大電壓，Ul_ref為負載電壓參考值，Ql為負載無功功率，Pl為負載有功功率，а為計算幅值和相位的輸出相位。當發(fā)生電壓跌落時，同步電壓檢測模塊、電壓跌落檢測模塊檢測出網(wǎng)側(cè)電壓幅值，鎖相環(huán)檢測到跌落時刻相位，將其特征量與參考值進行比較，以確定DVR是否投入補償。將網(wǎng)側(cè)電壓與期望值比較，生成誤差信號，首先采用完全補償法計算DVR注入電壓幅值和相位，當直流母線電壓低于設(shè)定值時，開始執(zhí)行同相補償法，鎖相環(huán)被解鎖并與網(wǎng)側(cè)電壓同步，控制補償電壓與網(wǎng)側(cè)電壓同相位。注入信號(Ua_ref，Ub_ref，Uc_ref)輸入PWM脈沖產(chǎn)生模塊形成脈沖調(diào)制信號，由H橋逆變單元控制逆變器功率器件的開關(guān)輸出電壓，最后經(jīng)LC濾波器消除高次諧波，完成對負載電壓的補償。

圖5　DVR優(yōu)化組合補償策略的實現(xiàn)原理

2實驗驗證

為驗證DVR優(yōu)化組合補償策略的有效性，搭建了10 kV/2 MVA級聯(lián)多電平DVR實驗樣機，包括逆變H橋單元、電容儲能裝置、濾波器、控制系統(tǒng)等，如圖6所示(僅描述了主回路中的一相，其中C1—C12為H橋單元的直流電容，Ud_l為負載電壓d軸分量，Uq_l為負載電壓q軸分量。)，實驗參數(shù)見表1。

圖6　DVR實驗樣機結(jié)構(gòu)

實驗方法：直流母線電壓降至其標稱值的80%時，快速啟動補償策略的模式2，同步電壓檢測模塊、電壓跌落檢測模塊測量DVR輸出電壓、電網(wǎng)電壓和負載電壓的幅值和相位角(使用正序組件)，通過以下3組實驗驗證優(yōu)化組合補償策略。

(1) 短時間平衡電壓跌落。

表1　實驗參數(shù)

設(shè)置105 ms時發(fā)生電壓跌落，持續(xù)100 ms，網(wǎng)側(cè)電壓跌落深度為30%，相位跳變-10°。圖7為該情況下網(wǎng)側(cè)電壓、DVR注入電壓、負載電壓測量波形。由于跌落時間較短，直流鏈路電容儲能足夠，直流母線電壓未低于判斷閥值，補償策略的模式2未被觸發(fā)，因此采用優(yōu)化組合補償策略中的模式1即可完成電壓補償。

圖7　短時間平衡電壓跌落時的測量波形

(2) 長時間平衡電壓跌落。

設(shè)置20 ms時發(fā)生電壓跌落，持續(xù)時間超過280 ms，電壓跌落深度為50%，相位跳變+50°。圖8為該情況下的測量波形。電壓跌落發(fā)生時刻采用完全補償法，負載側(cè)電壓波形無任何暫態(tài)過渡，跌落前后幅值和相位完全相同；100 ms后，改變補償策略，負載電壓相位角緩慢過渡至網(wǎng)側(cè)電壓相位角，該過程中DVR注入電壓幅值明顯降低，補償時間大大提高。

(3) 長時間不平衡電壓跌落。

設(shè)置25 ms時發(fā)生電壓跌落，網(wǎng)側(cè)電壓以正序20%速度下降和逆序10%速度注入，且發(fā)生電壓跌落時伴隨-20°相位跳變。圖9為該情況下的測量波形，可看出網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變很大，但負載電壓不受影響，150 ms左右開始改變補償策略且DVR注入電壓幅值降低，三相DVR注入電壓幅值明顯不同。當補償策略改變后，有兩相電壓的幅值和相位非常接近。另外，三相電壓的補償幅值都有所減小，與平衡跌落現(xiàn)象相同。實驗結(jié)果與理論分析相符，可見優(yōu)化組合補償策略在不對DVR直流鏈路電容進行擴充的情況下，對長時間電壓跌落具有良好的補償效果。

圖8　長時間平衡電壓跌落時的測量波形

圖9　長時間不平衡電壓跌落時的測量波形

3結(jié)語

DVR優(yōu)化組合補償策略在平衡和非平衡電壓跌落情況下均有效可行，既可快速響應(yīng)短時電壓跌落，又能有效補償長時間電壓跌落，負載電壓瞬態(tài)畸變小；對于大相位跳變跌落情況，可保證負載電壓暫態(tài)過渡無畸變。

實驗結(jié)果表明，負載電壓波形幾乎無畸變，與完全補償法相比，該優(yōu)化組合補償策略減小了DVR注入電壓幅值，最大補償時間顯著提升，且相位跳變越大，效果越明顯，從而提高了直流鏈路電容儲能利用率。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1555.009.html

Research of optimized compensation strategy for mine-used dynamic voltage restorer

LI Zhankai,WANG Jingqin,ZHANG Fumin

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical

Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Abstract:To solve low utilization of DC-link capacitor of mine-used dynamic voltage restorer under long voltage sag, an optimized compensation strategy was proposed, namely a smooth transition between pre-sag compensation and in-phase compensation, so as to restrain aberration of load voltage during the sag, reduce amplitude of injected voltage of dynamic voltage restorer and increase compensation time. The experimental results verify feasibility and reliability of the strategy in balanced and unbalanced grid voltage sag.

Key words:dynamic voltage restorer; voltage sag; phase jump; in-phase compensation; complete compensation

作者簡介：李占凱(1979-)，男，河北邢臺人，講師，博士研究生，研究方向為柔性交流輸電、煤礦電力電子設(shè)備、煤礦電氣安全，E-mail: abcd4907@126.com。 徐輝(1980-)，女，河北滄州人，工程師，碩士，從事智能視頻分析、智能監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)工作，E-mail:xuhuitdkj@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51477040)。 中國煤炭科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金青年基金項目(2014QN030)。

收稿日期：2015-11-03；修回日期：2015-12-12；責任編輯：李明。 2015-11-24；修回日期：2015-12-16；責任編輯：盛男。

中圖分類號：TD61

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-12-31 15:55

文章編號：1671-251X(2016)01-0028-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.009