改進(jìn)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的最小能量法

王 晶， 徐玲玲，王志琦

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院， 浙江 杭州 310023）

0 引言

電網(wǎng)中存在一些對(duì)電能質(zhì)量要求很高的負(fù)荷，如集成電路芯片，微電子產(chǎn)品制造流水線，銀行及證券交易中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等，若發(fā)生電能質(zhì)量問題，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。其中動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）是串聯(lián)在系統(tǒng)和負(fù)荷之間用來有效調(diào)節(jié)幅值和相位的一種裝置[1-4]。DVR在補(bǔ)償時(shí)不僅需要考慮補(bǔ)償電壓幅值，相位還要考慮到其能量的消耗[5]。當(dāng)采用最小能量控制策略時(shí)，不需或只需最少有功功率[6-7]，這不僅能減小儲(chǔ)能設(shè)備容量還能得到較長補(bǔ)償時(shí)間，節(jié)省了系統(tǒng)成本，被看作是目前最具經(jīng)濟(jì)性、發(fā)展性的控制策略之一。

Mahinda Vilathgamuwa等人率先提出了最優(yōu)控制角α策略[8-9]，即調(diào)整參考電壓的相位，使其DVR注入電壓與負(fù)荷電流之間相互垂直，達(dá)到 DVR消耗有功功率最小，為此在 DVR中引入了最小能量概念。但它需要較大補(bǔ)償電壓幅值和人為的帶來相位跳變。

為了減小最小能量控制算法引起的相位跳變，文獻(xiàn)[10-11]保證 DVR在一段時(shí)間內(nèi)平均有功功率為零的前提下，分別采取了分析系統(tǒng)電壓幅值及相位跳變及限幅的方式用以減少負(fù)荷的相位跳變。文獻(xiàn)[10]在不考慮 DVR注入電壓限值的情況下，使DVR輸出的三相總有功功率最小，求出最優(yōu)α角。文獻(xiàn)[12-13]提出了最優(yōu)角α按恒定步長?α變化求解，但該方法需要保持負(fù)荷側(cè)電壓的相位角固定，降低了負(fù)荷側(cè)的電壓質(zhì)量。

為了解決最小能量法帶來的相位跳變問題，本文提出一種改進(jìn)型DVR結(jié)構(gòu)，將DVR與TCR/TSC并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)輸出功率最小，且無相位跳變。文章還對(duì)本文所述方法進(jìn)行了詳細(xì)探討，通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 改進(jìn)型DVR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

理想情況下 DVR工作情況：電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓跌落，以跌落前負(fù)荷側(cè)的電壓作為參考，輸出補(bǔ)償電壓，使負(fù)荷側(cè)的電壓保持與跌落前一致。DVR在輸出補(bǔ)償電壓的同時(shí)消耗了一定的有功功率，為了保證 DVR 能有效抑制電壓跌落并減少有功消耗，則需要對(duì)DVR的控制策略進(jìn)行改進(jìn)。

最小能量法通過調(diào)整參考電壓相位使 vdvr和 Il垂直，從而使 DVR不向系統(tǒng)索要有功功率，但帶來了相位跳變，且它只在一定條件下[12]才能實(shí)現(xiàn)，見式（1）。

鑒于傳統(tǒng)方法的不足，本文對(duì)傳統(tǒng) DVR結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即在負(fù)荷側(cè)并聯(lián)上一個(gè) TCR/TSC補(bǔ)償器，使vdvr和Idvr相互垂直達(dá)到DVR消耗有功功率為零。本文所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DVR系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 DVR topology structure

其中，vs、vdvr、vl分別為系統(tǒng)的電源電壓、DVR補(bǔ)償電壓和負(fù)載電壓。Idvr為流過 DVR的電流，Ic為TCR補(bǔ)償?shù)碾娏?，Il為負(fù)載電流。由圖1可知

DVR消耗的有功功率為

2 最小能量補(bǔ)償策略分析

當(dāng)Vdvr和Idvr互相垂直時(shí)，DVR消耗的能量最??；同時(shí)為了滿足負(fù)荷相位的需要且保證負(fù)荷電流大小和相位不變，需要借助 TCR/TSC提供一個(gè)補(bǔ)償電流來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型最小能量。根據(jù)本文改進(jìn)的DVR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中的各電壓電流相量圖分析如下，且設(shè)負(fù)載的功率和功率因數(shù)恒定。

2.1 電壓暫降

當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓 vl下降且相位跳變角為 0≤αδ90°，各電壓電流關(guān)系如圖2所示。

圖2 電壓暫降相量關(guān)系圖Fig. 2 Phasor relationship chart of voltage sag

假設(shè)負(fù)荷功率因數(shù)角θ不變，則負(fù)載電流Il和暫降前負(fù)載電壓vref的幅值大小和方向固定不變。α為負(fù)載電壓相位跳變角，β為負(fù)荷電壓和DVR輸出電流的夾角，?為需要補(bǔ)償?shù)碾妷合辔唬ヽ為TCR/TSC提供的補(bǔ)償電流。從圖2所示三角關(guān)系可知，DVR需要補(bǔ)償?shù)碾妷悍禐?/p>

需要補(bǔ)償?shù)南辔唤?/p>

其中Ic存在一個(gè)極小值問題，僅當(dāng)Ic與Idvr垂直時(shí)，Ic是最小值。此時(shí)，補(bǔ)償器消耗或吸收的功率為最小。則其需要流過TCR中電流幅值為

當(dāng)α>90°時(shí)，各相量關(guān)系如圖3所示。

圖3 電壓暫降相量關(guān)系圖（α>90°）Fig. 3 Phasor relationship chart of voltage sag

此時(shí) vdvr和?關(guān)系等同于式（5）和式（6），故不再贅述。其需要補(bǔ)償TCR/TSC電流和流過DVR的電流大小如式（9）和式（10）所示。

2.2 電壓暫升

當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生暫升且α<90°時(shí)，相量關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 電壓暫升相量關(guān)系圖（α<90°）Fig. 4 Phasor relationship chart of voltage swell

從圖4的三角關(guān)系可以得出，系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)碾妷悍禐?/p>

相角為

TCR/TSC的需要電流和相角為

當(dāng)負(fù)載側(cè)相角跳變角αgt; 90°時(shí)其關(guān)系相量圖如圖5所示。

圖5 電壓暫升相量關(guān)系圖（αgt; 90°）Fig. 5 Phasor relationship chart of voltage sag

其中vdvr和?的推導(dǎo)公式（11）和式（12）相同。由圖5可知，TCR補(bǔ)償器的電流幅值為

流過DVR的電流為

改進(jìn)型 DVR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合最小能量控制策略可以令負(fù)荷側(cè)電壓在電網(wǎng)電壓發(fā)生故障前后的幅值和相位均無變化，且DVR不向系統(tǒng)索取有功功率。

3 DVR控制策略

電網(wǎng)電壓跌落故障一般情況下持續(xù)時(shí)間較短，而 DVR裝置能迅速啟動(dòng)補(bǔ)償，電壓隨之恢復(fù)到正常值。本文通過Matlab/s-function函數(shù)實(shí)現(xiàn)軟切換，即先通過dq變換實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)荷電網(wǎng)電壓vl，之后利用S-function函數(shù)讓vl和負(fù)荷參考電壓值vref比較，若| vlref－vl|gt; 0，表明系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落或暫升，立即啟動(dòng)DVR補(bǔ)償；否者DVR不啟動(dòng)補(bǔ)償。

當(dāng) DVR啟動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，根據(jù)上述推導(dǎo)的相量關(guān)系計(jì)算出負(fù)荷需要補(bǔ)償?shù)碾妷悍岛拖辔弧CR/TSC補(bǔ)償電流，隨后通過各自的 PI和 PWM模塊輸出到逆變單元和TCR/TSC模塊中控制輸出，使得負(fù)荷電壓輸出保持穩(wěn)定。

其中，DVR控制方法主要由前饋控制、輸出電壓反饋控制以及電壓外環(huán)加電流內(nèi)環(huán)反饋控制。電壓反饋一般分為電壓有效值反饋和電壓瞬時(shí)值反饋，有效值反饋具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。相比而言，瞬時(shí)值反饋能保證更快的響應(yīng)速度和更好的輸出波形。電流反饋也有兩種，即濾波電容電流反饋和濾波電感電流反饋，本文仿真系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)采用電感性負(fù)荷，它輸出電流較為穩(wěn)定，能很好地抑制各種干擾。

綜上所述，本文采用了輸出電壓瞬時(shí)值外環(huán)反饋和電感電流瞬時(shí)值反饋的控制方法?？刂屏鞒倘鐖D6所示。

圖6 DVR控制圖Fig. 6 Controller of DVR

4 仿真

4.1 系統(tǒng)仿真圖

為了驗(yàn)證所述改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最小能量法的有效性和穩(wěn)定性，本文在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下對(duì)上述進(jìn)行了仿真。仿真時(shí)負(fù)荷為對(duì)稱負(fù)荷，仿真結(jié)果如圖7所示。其中參數(shù)設(shè)置為：電源電壓為400 V，功率為50 Hz，線路電阻為100 ?，帶阻感性敏感負(fù)荷，電阻為35 ?，電感為3.2 H。

圖7 系統(tǒng)仿真圖Fig. 7 Diagram of the simulation system

其中DVR電壓檢測(cè)和控制仿真圖如圖8所示。

圖8 最小能量控制系統(tǒng)圖Fig. 8 Diagram of minimal energy control

為了驗(yàn)證本文控制策略的有效性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四種情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)電壓在仿真過程中均取標(biāo)么值。

（1）當(dāng)電源電壓發(fā)生30%的三相平衡電壓暫降，此時(shí)系統(tǒng)電壓、補(bǔ)償后的負(fù)載電壓波形如圖 9所示。

圖9 電壓跌落時(shí)補(bǔ)償波形Fig. 9 Waveforms of voltage sag compensation

（2）當(dāng)三相電壓發(fā)生30%的電壓暫降且每相均帶有60°的相位跳變，此時(shí)系統(tǒng)電壓、補(bǔ)償后的負(fù)載電壓波形如圖10所示。

（3）當(dāng)三相電壓發(fā)生20%的電壓暫升時(shí)，系統(tǒng)電源電壓和補(bǔ)償后的負(fù)載電壓波形如圖11所示。

圖10 電壓暫降且相位跳變時(shí)補(bǔ)償波形Fig. 10 Compensation waveforms of voltage sag with phase jump

圖11 電壓暫升時(shí)補(bǔ)償波形Fig. 11 Waveforms of voltage swell compensation

（4）當(dāng)三相發(fā)生不平衡時(shí)，如 A相在 0.05 s發(fā)生15%的電壓暫升，B相和C相發(fā)生30%的電壓跌落。系統(tǒng)電源電壓和負(fù)載電壓波形如圖12所示。

圖12 三相不平衡時(shí)補(bǔ)償波形Fig. 12 Compensation waveforms of three phase imbalance

由圖9~圖12可以看出采用最小能量改進(jìn)型時(shí)，DVR在電壓跌落或上升時(shí)都能保證負(fù)載側(cè)的電壓穩(wěn)定。

4.2 能量分析

本文對(duì)傳統(tǒng)最小能量法和改進(jìn)型最小能量法進(jìn)行仿真研究。最小能量法、改進(jìn)型最小能量補(bǔ)償法在同一系統(tǒng)電壓跌落分別為20%情況下的 DVR吸收有功功率波形圖如13所示。

從圖13可以看出傳統(tǒng)最小能量控制在補(bǔ)償消耗的能量要大于本文所提控制策略。

4.3 相角分析

進(jìn)行了改進(jìn)型最小能量控制及傳統(tǒng)最小能量控制單相電壓跌落的仿真。補(bǔ)償效果如圖14、圖15所示。從圖中可以看出，改進(jìn)型最小能量法補(bǔ)償效果比較好，負(fù)載端電壓波形相位沒有變化。

圖13 DVR吸收的有功功率（20%）Fig. 13 Active power absorbed by DVR (20%)

圖14 改進(jìn)型最小能量Fig. 14 Advanced minimal energy control

圖15 最小能量Fig. 15 Minimal energy control

5 結(jié)論

（1）本文提出了一種新DVR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并推導(dǎo)了基于此結(jié)構(gòu)的最小能量控制策略的 DVR注入電壓、電流等的相位關(guān)系。

（2）仿真結(jié)果表明，本文所提的新型DVR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅能很好地實(shí)現(xiàn)電壓的連續(xù)性，而且相比傳統(tǒng)最小能量控制策略減少了能量的消耗，且負(fù)荷無相位跳變。

增加TCR/TSC后，減小了DVR能量的消耗，系統(tǒng)控制性能得到了提高；但是系統(tǒng)的造價(jià)將增加。如何選擇TCR/TSC的容量大小協(xié)調(diào)造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性問題還需在今后做進(jìn)一步研究。

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