SSTS與DVR的協(xié)調(diào)控制策略

張宸宇， 史明明， 陳 兵， 鄭建勇， 繆惠宇

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京，210096)

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SSTS與DVR的協(xié)調(diào)控制策略

張宸宇1， 史明明1， 陳 兵1， 鄭建勇2， 繆惠宇2

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京，210096)

為了充分發(fā)揮固態(tài)切換開(kāi)關(guān)(SSTS)容量大和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，本文通過(guò)一種結(jié)合單相dq變換和形態(tài)學(xué)濾波器的單相電壓跌落檢測(cè)方法精確檢測(cè)單相電壓暫降，在此基礎(chǔ)上提出一種基于電壓跌落等級(jí)劃分與時(shí)序配合的DVR與SSTS協(xié)調(diào)控制方法，實(shí)現(xiàn)了DVR和SSTS的協(xié)調(diào)動(dòng)作，保障了敏感負(fù)荷的持續(xù)高質(zhì)量供電。基于Matlab/Simulink的仿真模型驗(yàn)證了該協(xié)調(diào)控制策略的正確性和有效性。

固態(tài)切換開(kāi)關(guān)；動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器；電壓暫降；協(xié)調(diào)控制

0 引言

由于半導(dǎo)體制造、IT行業(yè)、精密儀器、PLC控制的工業(yè)設(shè)備等敏感負(fù)荷的增加，電壓跌落問(wèn)題變得越來(lái)越突出。電壓跌落會(huì)導(dǎo)致敏感負(fù)荷發(fā)生故障、停運(yùn)、損壞等種種問(wèn)題，可能給用戶帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，電壓跌落是指電壓有效值下降到標(biāo)稱值的10%～90%，持續(xù)時(shí)間為半個(gè)周波到1 min的電壓下降過(guò)程。對(duì)于敏感負(fù)荷，電壓跌落的時(shí)間越長(zhǎng)，深度越大，對(duì)設(shè)備的危害就越嚴(yán)重。因此，對(duì)電壓跌落補(bǔ)償設(shè)備的速動(dòng)性提出了很高的要求，而快速準(zhǔn)確地檢測(cè)系統(tǒng)電壓的跌落是電壓跌落補(bǔ)償設(shè)備快速動(dòng)作的前提和關(guān)鍵[5-12]。實(shí)際發(fā)生的電壓跌落多為單相事件，不僅引起電壓幅值跌落還發(fā)生相位跳變，因此要求檢測(cè)方法能夠精確檢測(cè)電壓的開(kāi)始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻、跌落深度、相移，并且能用于單相電壓跌落的檢測(cè)。為此本文首先提出一種結(jié)合單相dq變換和形態(tài)學(xué)濾波器的單相電壓跌落檢測(cè)方法。

固態(tài)切換開(kāi)關(guān)(SSTS)和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)均可用于解決系統(tǒng)電壓跌落問(wèn)題。SSTS是利用大功率電力電子器件和基于微處理器、光纖通信和數(shù)字信號(hào)處理的測(cè)控技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。SSTS控制保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)進(jìn)線和出線的三相電壓和電流，檢測(cè)電壓跌落，從而控制快速開(kāi)關(guān)和閥體，實(shí)現(xiàn)兩路進(jìn)線電源的快速切換，解決電壓跌落和短時(shí)斷電等問(wèn)題，可減少用戶損失，保證用戶的可靠供電。而DVR則串接在電源和敏感負(fù)荷之間，系統(tǒng)正常時(shí)，DVR處于旁路狀態(tài)；系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，DVR以毫秒級(jí)的速度向系統(tǒng)中注入“缺額電壓”，使負(fù)荷電壓恢復(fù)到正常值，DVR被認(rèn)為是目前抑制電壓跌落最有效的手段之一。

雖然SSTS和DVR均可解決電壓跌落問(wèn)題，但二者響應(yīng)速度和作用機(jī)理存在較大差異并且用于不同電壓等級(jí)。若二者不進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)交互作用，影響電壓跌落的抑制效果。本文提出一種10 kV電壓等級(jí)的SSTS和380 V電壓等級(jí)的DVR之間的協(xié)調(diào)控制策略，基于電壓跌落等級(jí)劃分與時(shí)序配合控制，實(shí)現(xiàn)DVR和SSTS的協(xié)調(diào)動(dòng)作，基于Matlab/Simulink的仿真模型驗(yàn)證了該協(xié)調(diào)控制策略的正確性和有效性。

1 結(jié)合單相dq變換和形態(tài)學(xué)濾波器的單相電壓跌落檢測(cè)方法

由于三相dq變換無(wú)法直接用于單相系統(tǒng)，本文提出一種可以直接用于單相系統(tǒng)的dq變換，原理如圖1所示。

圖1 單相電壓跌落檢測(cè)原理Fig.1 Single-phase voltage drop detection schematic

圖中：u(t)為待檢測(cè)的單相電壓信號(hào)；ω0t為基波電壓相位；LPF為低通濾波器。將待檢測(cè)的單相電壓信號(hào)u(t)與參考正弦信號(hào)sinω0t和余弦信號(hào)cosω0t相乘，可以將u(t)中基波電壓分量轉(zhuǎn)化為直流量和二次諧波兩部分，如下式所示：

(1)

(2)

對(duì)式(1)、式(2)作傅里葉變換可以得到:

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可知，u(t)與正弦和余弦信號(hào)相乘相當(dāng)于將電壓信號(hào)的頻譜平移ω0和-ω0(幅值減小1/2)，則電壓信號(hào)u(t)中的基波分量轉(zhuǎn)化為直流量和2次諧波分量，其余諧波分量仍為交流量。采用低通濾波器濾除ud(t)和uq(t)中的交流量，得到直流量ud(0)和uq(0)。則u(t)中的基波分量為:

2Ud(0)sinω0t+2Uq(0)cosω0t

(5)

所以有:

(6)

(7)

式中：U1為電壓跌落的幅值;φ1為相位跳變量。

該方法不需利用歷史數(shù)據(jù)或微分構(gòu)造三相虛擬電壓，不會(huì)產(chǎn)生不必要的延時(shí)或噪聲信號(hào)帶來(lái)的檢測(cè)誤差，且方法簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。該方法的實(shí)時(shí)性主要由低通濾波器的性能決定，本節(jié)采用易于實(shí)現(xiàn)且延時(shí)較短的形態(tài)學(xué)濾波器。

為了消除形態(tài)算子產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)偏倚現(xiàn)象且能保持原信號(hào)的集合特征[13，14]，本文采用形態(tài)開(kāi)—閉和閉—開(kāi)運(yùn)算的平均組合形式，如式(8)所示:

(8)

由于需要保留信號(hào)中的直流分量，選用g(n)為直線型結(jié)構(gòu)元素，結(jié)構(gòu)元素之為0。為了濾除2次及以上諧波，在采樣頻率為10 kHz情況下，選取結(jié)構(gòu)元素長(zhǎng)度為60，則g(n)={0,0,…0}n=(1,2,…60)。

采用Matlab將形態(tài)學(xué)濾波器與常用的巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾波效果對(duì)比。仿真分別采用3階、截止頻率50 Hz的巴特沃斯低通濾波器以及采樣頻率為10 kHz的形態(tài)學(xué)濾波器。仿真在采樣點(diǎn)為200處發(fā)生50%的電壓暫降，采樣點(diǎn)600處電壓暫降恢復(fù)。仿真結(jié)果如圖2所示，圖2(a)是經(jīng)過(guò)巴特沃斯濾波器后的電壓有效值，濾波器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。雖然可以通過(guò)降低截止頻率或提高濾波器階數(shù)改善濾波效果，但這將使濾波器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。圖2(b)是經(jīng)過(guò)形態(tài)學(xué)濾波器的電壓有效值，從圖中可以看出，該方法可以精確檢測(cè)電壓跌落的發(fā)生、結(jié)束時(shí)刻和電壓幅值，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

圖2 形態(tài)學(xué)和巴特沃斯低通濾波器濾波效果對(duì)比Fig.2 Comparison of morphology and Butterworth low-pass filter

仿真結(jié)果表明，本文采用的形態(tài)濾波器具有較好的濾波效果和動(dòng)態(tài)性能，可以滿足單相電壓跌落檢測(cè)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求。

2 SSTS和DVR的工作特性

典型的SSTS和DVR連接系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3為系統(tǒng)的單相等效電路，2個(gè)110 kV的變電站給工業(yè)用戶供電。

圖3 含SSTS和DVR系統(tǒng)拓?fù)銯ig.3 SSTS and DVR system topology

系統(tǒng)中包含DVR和SSTS 2種DFACTS設(shè)備。兩者均可抑制電壓跌落、供電短時(shí)中斷，但二者在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、作用原理、響應(yīng)速度等方面存在較大差異，二者用于不同的電壓等級(jí)。

2.1 DVR工作特性

DVR是一種全控型電力電子設(shè)備，通過(guò)監(jiān)測(cè)公共連接點(diǎn)(PCC)電壓變化，利用耦合變壓器向系統(tǒng)中串聯(lián)注入幅值和相位可調(diào)的三相獨(dú)立的交流電壓，使PPC在可能發(fā)生電壓暫降時(shí)依然保持正常值。由DVR的拓?fù)涮匦钥梢钥闯鯠VR能夠補(bǔ)償電壓跌落、電壓暫升、電壓諧波、三相電壓不平衡[15，16]。本文采用的DVR模型具有如下特點(diǎn)：

(1) 應(yīng)用于380 V電壓等級(jí)；

(2) 可以分相控制，補(bǔ)償電壓跌落、電壓暫升、電壓諧波、三相電壓不平衡；

(3) 采用前饋控制和負(fù)載電壓外環(huán)、濾波電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和補(bǔ)償效果，并且穩(wěn)定裕度較高，克服了開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)阻尼小引起的DVR輸出電壓等幅振蕩等缺點(diǎn)；

(4) 響應(yīng)速度小于5 ms；

(5) 最大補(bǔ)償40%的電壓跌落。

2.2 SSTS工作特性

SSTS應(yīng)用在電網(wǎng)雙路供電電源的場(chǎng)合，可以在監(jiān)測(cè)到某路電源發(fā)生故障時(shí)，以毫秒級(jí)的速度將敏感或重要負(fù)荷切換到無(wú)故障線路上，從而使敏感或重要負(fù)荷免受電壓跌落、短時(shí)中斷的影響，滿足敏感或重要負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性的要求。本文采用的SSTS模型具有如下特點(diǎn)：

(1) 應(yīng)用于10 kV電壓等級(jí)；

(2) 采用過(guò)零切換的換流方式；

(3) 切換時(shí)間小于20 ms。

3 SSTS和DVR協(xié)調(diào)控制策略

DVR和SSTS的協(xié)調(diào)控制策略如圖4所示，其中Vm為系統(tǒng)電壓測(cè)量值。首先根據(jù)敏感負(fù)荷耐受電壓的能力以及DVR裝置的補(bǔ)償容量對(duì)電壓跌落等級(jí)進(jìn)行劃分。

圖4 DVR和SSTS協(xié)調(diào)控制策略Fig.4 DVR and SSTS coordinated control strategy

本文設(shè)定的電壓閾值為額定電壓的85%和60%。系統(tǒng)電壓介于額定電壓的85%和60%之間定義為跌落等級(jí)1；系統(tǒng)電壓小于額定電壓的60%定義為跌落等級(jí)2。檢測(cè)系統(tǒng)電壓值，以確定電壓跌落的等級(jí)并結(jié)合電壓跌落的持續(xù)時(shí)間確定DVR和SSTS是否啟動(dòng)及具體的動(dòng)作時(shí)序。為了增強(qiáng)整體的靈活性，一些DVR功能被集中在SSTS控制器上，即SSTS作為主控設(shè)備，DVR作為從控設(shè)備，DVR和SSTS之間具有通信功能。SSTS的控制器進(jìn)行電壓有效值的計(jì)算，確定電壓跌落的等級(jí)。協(xié)調(diào)控制原則如下：

(1) 電壓測(cè)量值小于或等于電壓額定值的60%(等級(jí)2)，SSTS向DVR發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)DVR進(jìn)行電壓補(bǔ)償。若持續(xù)時(shí)間大于2 ms，則啟動(dòng)SSTS，閉鎖DVR。SSTS完成切換后，SSTS向DVR發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，啟動(dòng)DVR，補(bǔ)償負(fù)載切換至無(wú)故障線路后的電壓暫態(tài)過(guò)程。

(2) 電壓測(cè)量值小于或等于電壓額定值的85%(等級(jí)1)，DVR不動(dòng)作。若持續(xù)時(shí)間大于2 ms，SSTS向DVR發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)DVR進(jìn)行電壓補(bǔ)償。DVR能量耗盡后，向SSTS發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)SSTS。

(3) 負(fù)荷已切換至備用電源。若主電源故障消除，則啟動(dòng)SSTS，將負(fù)荷切換至主電源。

4 仿真

仿真采用的DVR和SSTS模型如前所述。在各種異常工況下，對(duì)DVR和SSTS的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行仿真驗(yàn)證和分析。

工況一：母線3發(fā)生30%的三相電壓跌落，持續(xù)時(shí)間為0.4 s。圖5(a)為母線3的A相電壓，圖5(b)為母線6的A相電壓，圖5(c)為敏感負(fù)荷側(cè)母線7的A相電壓，圖5(d)為DVR注入的A相電壓波形。系統(tǒng)發(fā)生30%電壓跌落時(shí)，DVR不啟動(dòng)；一旦電壓跌落持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 ms，DVR迅速啟動(dòng)，補(bǔ)償電壓跌落使負(fù)載電壓達(dá)到額定值。為了防止A/D轉(zhuǎn)換誤差、電壓脈沖、外界高頻干擾引起的DVR誤動(dòng)作，電壓跌落持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 ms后才啟動(dòng)DVR。

圖5 工況一仿真波形Fig.5 Case 1 simulation waveform

工況二：母線3發(fā)生40%的電壓跌落，持續(xù)時(shí)間為0.2 s。此時(shí)DVR與SSTS的協(xié)調(diào)控制過(guò)程分為以下幾個(gè)階段：

(1) 發(fā)生電壓跌落的瞬間，如圖6(a)所示，DVR投入運(yùn)行，如圖6(b)所示，使負(fù)載電壓維持在額定值，如圖6(c)所示；

(2) 母線3電壓跌落持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 ms后，啟動(dòng)SSTS，閉鎖DVR。在1個(gè)工頻周期內(nèi)，將敏感負(fù)荷切換到備用電源側(cè)，使負(fù)載電壓維持在額定值，如圖6(c)所示；

(3) SSTS完成切換后，啟動(dòng)DVR，使負(fù)載電壓達(dá)到額定值。主要目的是補(bǔ)償負(fù)載切換至無(wú)故障線路后的電壓暫態(tài)過(guò)程，如圖6(b)所示；

(4) 發(fā)生電壓跌落0.2 s后，主電源側(cè)恢復(fù)正常，如圖6(a)所示。啟動(dòng)SSTS，將負(fù)荷切換至主電源。

圖6 工況二仿真波形Fig.6 Case 2 simulation waveform

工況三：母線3發(fā)生30%三相電壓跌落，持續(xù)時(shí)間為50個(gè)工頻周期。母線3的A相電壓波形如圖7(a)所示，由于測(cè)量電壓介于額定電壓的60%和85%之間，DVR不啟動(dòng)。一旦電壓跌落持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 ms，DVR迅速動(dòng)作，補(bǔ)償電壓跌落使負(fù)載電壓達(dá)到額定值，如圖7(d)所示。當(dāng)DVR能量耗盡后，如圖7(b)所示，DVR通過(guò)通信裝置向SSTS發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，即使測(cè)量電壓沒(méi)達(dá)到SSTS的動(dòng)作閾值，仍啟動(dòng)SSTS，將敏感負(fù)荷切換到備用電源側(cè)，如圖7(c)所示。

圖7 工況三仿真波形Fig.7 Case 3 simulation waveform

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種結(jié)合單相dq變換和形態(tài)學(xué)濾波器的單相電壓跌落檢測(cè)方法，滿足單相電壓跌落檢測(cè)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求；提出一種基于電壓跌落等級(jí)劃分與時(shí)序配合的DVR與SSTS協(xié)調(diào)控制方法，實(shí)現(xiàn)了不同電壓等級(jí)下DVR和SSTS的協(xié)調(diào)動(dòng)作；基于Matlab/Simulink的仿真模型驗(yàn)證了本文提出的協(xié)調(diào)控制策略的正確性和有效性。

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張宸宇

張宸宇(1989 —)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士，從事微網(wǎng)電能質(zhì)量治理工作;

史明明(1986 —)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，從事電能質(zhì)量工作;

陳兵(1977 —)，男，江蘇南京人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事新能源及配網(wǎng)技術(shù)研究工作;

鄭建勇(1966 —)，男，江蘇南京人，教授，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷;

繆惠宇(1992 —)，男，江蘇南通人，博士研究生，研究方向?yàn)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)。

(編輯 劉曉燕)

Coordinated Control Strategy of SSTS and DVR

ZHANG Chenyu1, SHI Mingming1, CHEN Bing1, ZHENG Jianyong2, MIAO Huiyu2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China； 2. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to give full play to the large capacity of SSTS and the rapid response of DVR, a single-phase voltage sag detection method based on single-phase dq transform and morphological filter is presented in this paper. The DVR and the SSTS coordinated control method are combined with the DVR and the SSTS to achieve the coordinated action of the DVR and the SSTS, thus ensuring the continuous high quality power supply of the sensitive load. The simulation model based on Matlab / Simulink verifies the correctness and validity of the proposed control strategy.

solid static transfer switch; dynamic voltage regulator; voltage sag; coordinated control

2017-01-12；

2017-02-28

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目(BA2015086)；2016年國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(電能質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用)

TM464

A

2096-3203(2017)03-0022-06