基于配電網(wǎng)電壓跌落的DVR研究

肖小兵，何肖蒙，陳波

（1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

電壓跌落是指在某一時(shí)刻電壓的幅值突然偏離正常工作范圍，經(jīng)很短時(shí)間后又恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象［1］。目前大多數(shù)文獻(xiàn)都采用跌落的幅值和持續(xù)時(shí)間作為描述電壓跌落的特征量。造成電壓跌落的主要原因主要有:惡劣天氣（雷擊、暴風(fēng)雨）、系統(tǒng)故障（主要是單相接地）、大負(fù)荷啟動(dòng)等。因此研究治理配電網(wǎng)電壓跌落問(wèn)題對(duì)于大用戶(hù)，高敏感的用戶(hù)具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前對(duì)于治理電壓跌落的技術(shù)手段主要分為系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)，文獻(xiàn)［2］提出了從系統(tǒng)側(cè)解決電壓跌落是最為有效的手段。而本文主要是從用戶(hù)側(cè)著手去解決問(wèn)題，采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，如不間斷電源（UPS）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）和超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SEMS），在此主要介紹的是DVR。

2 DVR 的簡(jiǎn)介［1，3 －5］

2.1 DVR的工作原理

如圖1所示為含有DVR的電路簡(jiǎn)化圖。

圖1 DVR電路簡(jiǎn)化圖

以單相的DVR為例，介紹DVR的工作原理。

圖2

DVR裝置包括了儲(chǔ)能裝置、變流器、濾波電路和變壓器四個(gè)部分。通過(guò)檢測(cè)電源電壓產(chǎn)生指令信號(hào)，對(duì)變流器進(jìn)行控制，產(chǎn)生需要的補(bǔ)償電壓，再經(jīng)濾波電路和變壓器通過(guò)串聯(lián)方式疊加到負(fù)載電路中，以補(bǔ)償電壓跌落的影響，保證用戶(hù)的電能質(zhì)量。對(duì)于DVR應(yīng)用于配電系統(tǒng)，只適用于三相四線(xiàn)制電力系統(tǒng)。

2.2 DVR的基本結(jié)構(gòu)

DVR的結(jié)構(gòu)主要是按照裝置與配電網(wǎng)的連接方式來(lái)劃分。主要有串聯(lián)型DVR裝置（如圖3所示）和并聯(lián)型DVR裝置（如圖4所示）。

圖3 串聯(lián)型DVR

圖4 并聯(lián)型DVR

串聯(lián)型DVR裝置在電壓跌落期間，迅速向系統(tǒng)注入幅值、相角和頻率都可控的三相電壓與供電電壓向串聯(lián)抵消跌落部分。因?yàn)槠浜兄绷鲀?chǔ)能單元，所以補(bǔ)償?shù)潆妷撼掷m(xù)的時(shí)間受直流儲(chǔ)能裝置的容量限制。

并聯(lián)型DVR裝置是通過(guò)向系統(tǒng)注入與畸變電流分量大小相等，極性相反的補(bǔ)償電流，利用整流裝置，能彌補(bǔ)串聯(lián)型DVR的缺點(diǎn)，但并聯(lián)變壓器的成本高，占地面積大。因此有文獻(xiàn)提出了省去串聯(lián)變壓器的串并聯(lián)混合型的DVR裝置。

2.3 電壓跌落檢測(cè)技術(shù)

檢測(cè)電壓跌落是治理配電網(wǎng)電壓跌落問(wèn)題的關(guān)鍵和前提，由于配電網(wǎng)電壓跌落具有隨機(jī)性和快速性，因此要求實(shí)現(xiàn)檢測(cè)技術(shù)能快速跟蹤檢測(cè)，即檢測(cè)要求動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性和檢測(cè)準(zhǔn)確性。目前的技術(shù)主要有基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的αβo變換方法、dqo變換方法和小波分析方法。

隨著配電系統(tǒng)的非線(xiàn)性負(fù)荷增加，傳統(tǒng)的正弦波特性不能滿(mǎn)足研究要求，因此提出了瞬時(shí)無(wú)功功率理論，即首先把電壓、電流的瞬時(shí)值通過(guò)坐標(biāo)變換，然后在新的坐標(biāo)系下獲得瞬時(shí)無(wú)功功率，瞬時(shí)有功功率。

其中αβo變換方法是把a(bǔ)bc坐標(biāo)系變換到靜止的αβo坐標(biāo)系下，其變化矩陣為常數(shù)矩陣，該法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但只適用于三相正弦對(duì)稱(chēng)且負(fù)荷對(duì)稱(chēng)的系統(tǒng)。dqo變換方法是把a(bǔ)bc坐標(biāo)系變換到同步旋轉(zhuǎn)的dqo坐標(biāo)系下，其變換矩陣是時(shí)變?nèi)蔷仃?，該法?shí)現(xiàn)復(fù)雜，但能用于任意非正弦、非對(duì)稱(chēng)的三相電路。

小波變換是基于傅里葉變換的檢測(cè)法，是一種窗口大小固定，但形狀可改變的時(shí)頻局部化分析方法，在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時(shí)間分辨率。對(duì)于不平衡電壓跌落，需要檢測(cè)出三序電壓，DVR也需要補(bǔ)償三序電壓。

2.4 控制策略

對(duì)于DVR的控制策略，主要可以從逆變器和整流器來(lái)考慮，文獻(xiàn)［4］詳細(xì)介紹了各種控制策略。用于逆變器部分的控制策略分為線(xiàn)性控制，如前饋控制、反饋控制和復(fù)合控制，非線(xiàn)性控制，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模糊控制，無(wú)差拍控制，空間矢量控制等。用于整流器部分的控制策略主要有相角幅值控制、滯環(huán)控制、定頻率預(yù)測(cè)控制、同步坐標(biāo)系下?tīng)顟B(tài)變量電流控制，同步坐標(biāo)系下帶有前向反饋補(bǔ)償?shù)腜I控制和最小時(shí)間電流控制。

3 DVR的補(bǔ)償策略

文獻(xiàn)［7－9］介紹并比較了DVR的補(bǔ)償策略主要分為同相位補(bǔ)償策略，跌落前電壓補(bǔ)償策略和最小能量補(bǔ)償策略。

表1 DVR的控制策略

同相位補(bǔ)償策略:DVR補(bǔ)償電壓與瞬時(shí)供電電壓同相位，補(bǔ)償電壓幅值為符合參考電壓與供電電壓實(shí)際值之差。

跌落前電壓補(bǔ)償策略（即完全補(bǔ)償）:指補(bǔ)償后的電壓可完全恢復(fù)至電壓變化前的值，其中期望的瞬時(shí)電壓采用對(duì)跌落發(fā)生前電壓的外推得到，可采用鎖相環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此策略需要連續(xù)跟蹤電網(wǎng)電壓。其原理圖如圖5所示。

圖5 跌落前電壓補(bǔ)償

最小能量補(bǔ)償策略:通過(guò)調(diào)整DVR補(bǔ)償電壓的相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DVR功率因數(shù)的控制，使功率在電網(wǎng)與DVR之間重新分配，通過(guò)引入無(wú)功功率來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，采用與網(wǎng)側(cè)電壓一個(gè)合適的相位超前的電壓注入，可以減少有功功率交換，具有相位超前的電壓注入需要更大的注入電壓，雖然較少的有功交換，可以延長(zhǎng)DVR的有效時(shí)間，但也帶來(lái)了電壓波形不連續(xù)，過(guò)零點(diǎn)不準(zhǔn)確以及負(fù)荷功率擺動(dòng)等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，文獻(xiàn)［8］提出了改進(jìn)的最小能量補(bǔ)償策略，就是利用對(duì)DVR輸出補(bǔ)償電壓相角的旋轉(zhuǎn)和幅值的伸縮，進(jìn)一步提高DVR的補(bǔ)償極限和優(yōu)化DVR的有功輸出。文獻(xiàn)［9］也總結(jié)了一些改進(jìn)方法，如漸進(jìn)式的相位旋轉(zhuǎn)方法，可減少相位跳變對(duì)負(fù)荷的影響；對(duì)于電壓跌路嚴(yán)重時(shí)，DVR無(wú)法實(shí)現(xiàn)零功率注入，可采用單相和三相DVR的最小能量注入補(bǔ)償策略。

綜上所述，每種策略都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但都不完善。因此有文獻(xiàn)提出了綜合控制策略，即電壓跌落，DVR采用跌落前電壓補(bǔ)償策略將負(fù)荷側(cè)電壓恢復(fù)到跌落前水平，隨著儲(chǔ)能單元電壓降低，調(diào)制比上升到預(yù)定值時(shí)，DVR采用漸進(jìn)式相位旋轉(zhuǎn)方式過(guò)渡到最小能量補(bǔ)償方式，而當(dāng)補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷捍笥贒VR的額定電壓時(shí)，則過(guò)渡到同相位補(bǔ)償方式。

4 總結(jié)

（1）電壓跌落問(wèn)題是客觀存在的，用戶(hù)對(duì)解決這類(lèi)問(wèn)題有強(qiáng)烈的要求，這對(duì)供電公司、電能質(zhì)量控制設(shè)備制造廠(chǎng)都是發(fā)展的商機(jī)。

（2）DVR是一種對(duì)配電系統(tǒng)高敏感負(fù)荷改善電能質(zhì)量有效的裝置。

（3）DVR具有免維修，損耗小，占地面積小，響應(yīng)速度快，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

（4）合理的電壓跌落檢測(cè)技術(shù)是DVR補(bǔ)償?shù)潆妷旱闹匾疤?，檢測(cè)算法及鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，通過(guò)引入小波和濾波器等理論，在實(shí)時(shí)性，可靠性和魯棒性等方面可有改進(jìn)。

（4）DVR采用綜合控制策略將是一種較為適用的控制策略。

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