基于負載設備靈敏度的電壓跌落補償策略優化

禹龍基，呂廣強

(南京理工大學自動化學院，南京 210096)

基于負載設備靈敏度的電壓跌落補償策略優化

禹龍基，呂廣強

(南京理工大學自動化學院，南京 210096)

針對傳統同相補償策略無法應用于對相位跳變敏感的負載電壓跌落補償問題，提出了一種優化補償策略。通過對負載數學模型進行電壓跌落的耐受測試，提取出負載對電壓相位跳變角的容忍度，以此作為相位修正的閾值。當補償電壓相位與系統電壓相位差達到閾值時，進行補償相位更新，從而避免了因相位角偏移過大引起的負載運行故障。通過實驗驗證了該策略的可行性，相比傳統的同相補償而言，提升了對敏感負載的適用范圍。

同相補償；負載靈敏度；相位修正；補償策略

動態電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer,簡稱DVR)是治理電壓跌落最為經濟高效的電能質量補償設備[1-2]。采用電網取能方式可使DVR實現連續的能量供應，針對該方式目前國內外研究和使用的電壓跌落補償策略最普遍的是同相補償和完全補償[3]。由于完全補償使裝置的注入功率不可控，同時經濟性較差，因此在實際中采用很少[4]；同相補償簡單但對相位跳變敏感的負載不適用。同時針對沖擊性負荷，例如大電機啟動，或者線路切換過程中電壓跌落時間較長，通常會持續幾秒甚至數分鐘。因此，對于較長時間的電壓跌落，系統電壓頻率和波形會出現不同情況的變化[5-6]。這樣易出現因為系統電壓波形不規則導致的鎖相不準，無法得到正確的單次采樣相位幅值信息，從而影響補償效果。

本文通過分析負載設備模型對電壓相位角跳變的靈敏度，在補償過程中使負載電壓相位和系統電壓相位保持在相位跳變容忍度范圍內，一旦到達容忍度閾值則進行相位角更新。這樣由于系統慣性，無需實時獲取系統鎖相信息用于補償過程，只需定時比較系統電壓與負載電壓相位差，只有當需要相位更新時才獲取系統相位，重構參考電壓，大大提升了補償的可靠性。通過對同相補償策略進行優化，增加了DVR對敏感負載的適用性。

1 動態電壓恢復器及補償策略

1.1 動態電壓恢復器工作原理

動態電壓恢復器屬于串聯型電壓跌落補償設備，能夠在毫秒級時間內將跌落電壓補償到正常值，從而保證負載側設備不受電壓跌落的影響。動態電壓恢復器的工作原理圖如圖1所示。

圖1 DVR工作原理圖

從圖1中可以看出，在電網電壓發生跌落時，DVR通過耦合裝置提供補償電壓，然后使得串聯后端的負載電壓穩定，保證敏感負載免受電壓跌落的干擾。

1.2 電壓補償策略

傳統的補償策略有三種，分為完全補償、同相補償和最小能量補償[7-9]。對于采用蓄電池等儲能設備作為能量供應的DVR裝置，通常采用最小能量補償以增加補償的維持時間和補償深度；對于電網取能方式作為能量供應的DVR裝置，通常采用完全補償和同相補償，其差別僅在于補償相位角，本文討論的DVR拓撲為采用電網取能方式供電。

DVR拓撲結構圖如圖2所示。

圖2 DVR拓撲結構圖

圖2中，US為系統電壓；UD為補償電壓；UL為負載電壓；Udc為逆變器直流側電壓。其中，DVR補償時需要的能量通過整流器從系統電壓側獲得。

完全補償能夠保證當系統電壓發生跌落時負載側電壓不受電壓跌落的影響，但是需要實時檢測系統電壓，同時對補償質量要求嚴格，無法控制注入功率的大小；而同相補償則是在發生電壓跌落時使得補償之后的相位為系統電壓跌落后的相位，這樣對相位跳變敏感的負載則具有一定的局限性[10-12]。

2 相位偏移分析

在系統電壓發生跌落時，由系統參數可能導致相位角發生跳變。該過程僅發生在系統電壓跌落的時刻，因此可以通過鎖相環得到跌落前后的相位差；但是，當跌落發生之后的補償階段，也會產生一定程度的相位偏移問題，該偏移問題是長時間補償必須要解決的問題。

相位偏移原因分析如下：

(1)構造相位角使用的π的精確度

在實際的控制算法中，選擇π的精確度會成為影響補償的相位角與系統電壓實際相位角之間誤差的一個因素。若采用π=3.1416，程序運行頻率為10 kHz，在不考慮系統電壓頻率波動情況下，1小時相位偏差為0.3°，因此可以忽略該因素的影響。

(2)采樣精度

常用的采樣方式有兩種：一種是采用主控芯片進行采樣，例如TMS320 F28335控制芯片有16路12位的AD采樣通道；另一種是采用DSP外接AD采樣芯片，例如AD7606芯片進行采樣。每塊AD7606芯片是8通道16位200 kbps(每秒采樣千次數)雙極性同步采樣AD。這樣在一定程度上可以減輕主控芯片的執行壓力。采樣精度與的精度一樣，對相位角影響很小。

(3)頻率

根據相位角公式，系統相位表達式為φt=wt+φ0，而角頻率w=2πf，所以頻率也是影響相位角的一個方面。如果系統頻率為49.9 Hz，按照工頻50 Hz計算，則1 s相差36°。因此在實際補償過程中，主要影響系統相位與構造相位偏差的因素為系統頻率的不穩定。通常，在構造參考電壓時采用的頻率為標準的工頻50 Hz。而實際的系統電壓無論是否發生電壓跌落，在一段很小時間內頻率都是在50 Hz附近變化，因此會造成一定的相位偏移。

利用相位角跳變容忍度設置補償閾值，可以解決補償過程中相位偏移問題，以便于實現長時間電壓跌落補償。因此，獲取負載對相位移的敏感程度，即敏感負載能夠承受的相位跳變角，是進行補償策略優化的關鍵，對于設置相位角跳變補償閾值具有指導意義。

3 負載對相位移靈敏度分析

本文中主要討論相位移對敏感負載的影響，但考慮到跌落幅值、跌落維持時間、相位偏移對敏感負載的影響具有耦合關系，因此在分析過程中需要通過控制變量法得到所需的敏感度參數[13]。但是，由于主要考慮對象為相位角跳變的影響，因此在分析模擬過程中需要保證電壓跌落深度和持續時間在可補償范圍內，不會因為超過DVR補償容量而導致干擾。

3.1 靈敏度分析步驟

檢測敏感設備接入的母線電壓波形，對跌落波形進行長期記錄，形成電壓跌落事件，并進行標記。通常在敏感負載進線端安裝電能質量監測裝置(PQ-BOX200等)來監測負載的電能質量狀況[14]。

對標記的具有不同特點的電壓跌落事件，提取相應的運行特性參數；在實際的參數基礎上，進行調整(以實際為參考，在此基礎上按比例增加跌落深度、跌落持續時間、相位移等量)；重構電壓跌落波形，以新參數輸入電壓跌落信號發生器中。在進行抗電壓暫降測試時，可采用工業電壓暫降發生器(IPC)模擬裝置，可任意設置電壓暫降的幅度、持續時間和相位角[14]。

3.2 靈敏度分析流程圖

建立設備數學模型，進行靈敏度測試。相應的測試流程圖如圖3所示。

圖3 設備靈敏度判斷流程圖

如圖3所示，設備靈敏度判斷流程圖考慮到跌落過程中會出現的電壓幅值變化、相位變化以及相應的跌落時間。在重構電壓跌落波形時，將起始跌落深度調整至負載無法正常運行的范圍，然后通過控制變量法減小特征參數從而得到負載電壓跌落承受度。文獻[15]針對交流接觸器列出了考慮相位跳變等的負載耐受曲線。該流程圖對敏感負載具有普遍的適用性，對DVR等用戶定制型電能質量設備的使用具有一定的參考價值。

4 電壓跌落補償策略優化

在實際實驗中發現，當系統電壓跌落后波形畸變時，若采用完全補償，會因為采樣波形的不規則導致鎖相不準確，最終導致補償效果不理想。常見的補償效果如圖4所示。圖4(a)中，波形為示波器記錄的系統電壓波形，圖4(b)中，波形為補償后負載電壓波形。由于系統電壓波形存在畸變，導致鎖相無法得到準確的相位幅值信息，從而使得補償失敗。

圖4 電壓跌落補償效果圖

采用優化的補償策略，當檢測到系統電壓發生跌落時，通過軟件鎖相環記錄跌落前的電壓幅值Um與相位φ0，構造延續的電壓波形：

u′=Umcos (wt+φ0)

w=2πf=2×3.1416×50

(1)

式中t——采樣運算周期。

將構造的電壓波形離散化與系統實際采樣電壓波形相減作為補償量：

un(ti)=u′(ti)-u(ti)

(2)

式中un——需要補償的電壓差。

同時，檢測跌落過程中的系統電壓相位，與構造的以50Hz頻率延續的相位進行比較，當相位偏差達到負載設備的相位跳變容忍度時更新相位，以類似同相補償方式繼續進行補償。當跌落時間完成之后，補償在下一個過零點結束，這樣也避免了切除DVR對負載造成的影響。

假設設備相位角容忍度用α表示，系統電壓與負載電壓夾角用Δθ表示，負載電壓與負載電流夾角用φ表示，相應的向量圖表示如圖5所示。

由圖5分析得：當發生電壓跌落時，系統電壓Us與負載電壓UL之間常常存在一個相位跳變角Δθ，而相位跳變容忍度存在α>Δθ和α≤Δθ兩種情況。當補償開始時，按照完全補償策略進行補償，隨著系統電壓相位偏移，當檢測到系統電壓與負載電壓達到相位跳變容忍度時，則重置負載電壓，使負載電壓與系統電壓相位角保持一致。

圖5 相角重置相量圖

相應的補償策略流程圖如圖6所示。

圖6 補償策略流程圖

5 試驗分析

DVR樣機采用三單相補償方式，每一個模塊為集成電力電子模塊。三單相橋結構，三相輸出電壓互相獨立，可以分相控制，以補償系統的正序、負序和零序電壓變化，適用于三相三線和三相四線制系統。

采用電網取能方式，電網電壓經整流器濾波后向動態電壓恢復器提供連續的能量供應。

選取A相波形進行分析，自上到下U1、U2、U3分別表示補償后的負載側電壓、跌落時的系統電壓以及系統跌落前的電壓。光標T1與T2分別記錄采樣點初值與終值的電壓有效值及相應的相位。圖7顯示了補償過程中的相位偏移，但是未達到負載設備相位角跳變容忍度的波形，圖8顯示了當達到負載設備相位角跳變容忍度后的相位校正。

圖7 相位偏移圖

圖8 相位矯正圖

從圖7和圖8的波形上看，補償過程中的相位偏移達到了12°，通過之前對負載的靈敏度判斷，將負載的相位跳變容忍度設置為α=12，則當達到這個相位差后，將負載電壓相位進行重置，從而出現圖8中同步到32°的情況。這樣，當進行長時間補償時，就不會因為相位移偏移引起的供電電壓過零點序列發生變化，對可調速設備、交流接觸器等對相位要求敏感的負載具有一定的實用意義。

6 結語

本文提出了一種新型的電壓跌落優化補償策略，通過對設備靈敏度進行研究，將傳統的同相補償策略進行修改。當跌落發生時，通過鎖相環得到實時相位，構造補償參考電壓，同時在補償過程中比較系統電壓與負載電壓(即補償參考電壓)之間的相角差，達到相角閥值后重置負載電壓。解決了傳統同相補償對敏感負載的局限，同時對基于用戶定制型的DVR設計提供了一定的參考。通過實驗驗證了該想法的合理性。

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(本文編輯：趙艷粉)

Optimal Compensation Strategy of Voltage Sag Based on the Load Device Sensitivity

YU Long-ji, LV Guang-qiang

(School of Automation, University of Science and Technology, Nanjing 210096, China)

In view of the fact that the traditional in-phase compensation can′t be used to protect the load which is sensitive to the phase jump when the voltage sag occurs, an optimization compensation strategy is proposed. By performing the voltage sag test with a mathematical model of the load, the tolerance of the load to the voltage phase transition angle is extracted, which is used as the threshold of the phase correction. When the threshold difference between the compensation phase and the system voltage phase is reached, phase compensation will be refreshed, which is effective to avoid the load malfunction because of the phase angle skewing. The experimental results verify the feasibility of this strategy which can promote the applicable scope for the sensitive load when compared to the traditional in-phase compensation.

in-phase compensation; load sensitivity; phase correction; compensation strategy

10.11973/dlyny201606008

禹龍基(1990)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

TM761

A

2095-1256(2016)06-0699-05

2016-09-15