考慮補(bǔ)償方法的單相DVR檢測(cè)方法研究與仿真

何妍，張瑚，馬麗山，張冰，邱進(jìn)

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；2.中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071；3.青海省電力試驗(yàn)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(yīng)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(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)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(jí)內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓和故障電壓之差，從而補(bǔ)償電壓暫降。

對(duì)于一個(gè)DVR裝置來說，其逆變單元最高輸出補(bǔ)償電壓與其儲(chǔ)能單元的容量是固定的，但是對(duì)同一個(gè)電網(wǎng)電壓故障，如果DVR采用的補(bǔ)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(duì)電壓故障補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時(shí)間不同，同時(shí)對(duì)負(fù)載電壓的補(bǔ)償程度也不相同。單相DVR逆變單元等效為一個(gè)靈活可控的電壓源，在檢測(cè)控制單元的電壓補(bǔ)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(bǔ)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(huì)流過全部負(fù)載電流。定義故障前電網(wǎng)相電壓為U觶S'；故障前負(fù)載正常工作電壓為負(fù)載電流為I觶L'；負(fù)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(zhǔn)（-仔臆準(zhǔn)臆仔）；故障后負(fù)載端電壓為U觶L（U觶L=U觶S）；負(fù)載電流為I觶L；DVR逆變單元輸出電壓為U觶D；補(bǔ)償后負(fù)載端電壓為U觶T，電流為I觶T，則有：

通過DVR的補(bǔ)償，負(fù)載端電壓U觶T與故障前負(fù)載正常工作電壓U觶T'幅值相等，相位差在負(fù)載允許相位偏差的范圍內(nèi)。為便于分析，把補(bǔ)償后負(fù)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(fù)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(gè)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(bǔ)償前后各個(gè)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(bǔ)償方法。

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

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

3）負(fù)載功率因數(shù)控制補(bǔ)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(fù)載電流同相，同時(shí)使補(bǔ)償后負(fù)載電壓幅值UT補(bǔ)償至UL'。此時(shí)有漬S=0，茲=漬，啄=準(zhǔn)+漬。

4）純無功注入補(bǔ)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(chǔ)能單元提供能量。此時(shí)仍然有漬S=準(zhǔn)+漬-啄，茲=準(zhǔn)-啄。

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

圖3 幾種補(bǔ)償方法相量圖

2 檢測(cè)方法研究

2.1 常用檢測(cè)方法

電壓暫降特征量包括：幅值、相位跳變、起止時(shí)刻。要求檢測(cè)控制單元能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)特征量進(jìn)行檢測(cè)。目前已提出的電壓暫降檢測(cè)方法有[8]：1）有效值計(jì)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(cè)法；9）單相d-q變換法；10）單相琢-茁坐標(biāo)變換法。其中，有效值計(jì)算法、基波分量法和單相電壓變換平均值法需要至少半個(gè)周期前的“歷史”數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)時(shí)性較差，并且不能明確地給出暫降的起止時(shí)刻和相位跳變；缺損電壓法對(duì)暫降電壓的幅值和相位的瞬時(shí)確定仍是需要解決的問題；峰值電壓法，其暫態(tài)響應(yīng)延時(shí)<5.6 ms，但對(duì)小頻率擾動(dòng)不敏感，對(duì)諧波卻比較敏感；FFT法及其各種改進(jìn)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(cè)法的實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜；基于瞬時(shí)無功功率理論的單相d-q變換法和單相琢-茁坐標(biāo)變換法，物理意義清晰，易于實(shí)現(xiàn)。

2.2 單相琢-茁坐標(biāo)變換法原理

分別定義2個(gè)坐標(biāo)系，一個(gè)是靜止坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸為琢和茁；另一個(gè)是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸為d和q。d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相對(duì)于琢-茁靜止坐標(biāo)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(biāo)系變換到d-q坐標(biāo)系：

u琢和u茁可根據(jù)實(shí)測(cè)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(duì)u茁求導(dǎo)得到u琢，即u琢=u茁'/棕。則根據(jù)實(shí)測(cè)電壓得到的分量為：

然后根據(jù)式（6）變換到d-q坐標(biāo)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(bǔ)償量的確定

不同補(bǔ)償方法其參考相位角啄的取值不同，達(dá)到的目標(biāo)也不同。確定了啄即確定了補(bǔ)償后的目標(biāo)參考電壓。目標(biāo)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(shí)測(cè)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(bǔ)償量[9]。

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

圖4 琢-茁坐標(biāo)變換法檢測(cè)補(bǔ)償原理

3 仿真研究

在MATLAB 7.0仿真平臺(tái)上應(yīng)用單相琢-茁坐標(biāo)變換法對(duì)電壓暫降進(jìn)行檢測(cè)補(bǔ)償仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。圖5（a）為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接圖

圖6所示為根據(jù)單相琢-茁坐標(biāo)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(biāo)變換法得到的ud和uq能準(zhǔn)確反應(yīng)電壓幅值的變化。圖8所示為檢測(cè)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(cè)出的暫降電壓幅值和相位

圖9所示為電壓暫降DVR檢測(cè)補(bǔ)償仿真結(jié)果波形。仿真結(jié)果表明，根據(jù)不同的補(bǔ)償方法，應(yīng)用琢-茁坐標(biāo)變換檢測(cè)法，DVR能快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)并補(bǔ)償電壓暫降。

4 結(jié)語

本文首先定量分析計(jì)算了電網(wǎng)電壓暫降時(shí)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(bǔ)償方法，然后根據(jù)不同的補(bǔ)償方法進(jìn)行單相DVR檢測(cè)方法研究。重點(diǎn)研究了單相琢-茁坐標(biāo)變換法，仿真結(jié)果表明該方法能實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)電壓暫降，提供補(bǔ)償信息，恢復(fù)系統(tǒng)電壓。

圖9 電壓暫降DVR檢測(cè)補(bǔ)償仿真波形

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