雙DVR協(xié)同補償?shù)倪\行模式研究

賈東強，韋統(tǒng)振，霍群海，齊智平

（中國科學院 電工研究所，北京 100190）

0 引言

目前，配電網(wǎng)中各種敏感負荷對電能質(zhì)量的要求越來越高，電網(wǎng)側(cè)發(fā)生的電壓暫降、波動、閃變、諧波等電能質(zhì)量問題對用戶造成了巨大的經(jīng)濟損失［1-3］。在電網(wǎng)側(cè)安裝串聯(lián)型補償裝置（如動態(tài)電壓恢復器（DVR））是解決此類電能質(zhì)量問題的有效方案［4］。

隨著社會的發(fā)展，敏感負荷迅速增多，容量也越來越大，電壓等級也越來越高，這使得DVR朝著大容量、高壓、高可靠性、高靈活性的方向發(fā)展。在電力電子領(lǐng)域，變流裝置的串、并聯(lián)是實現(xiàn)大容量、高壓、高可靠性和靈活性的有效手段之一［5-6］，可以較好地解決器件開關(guān)頻率與容量之間的矛盾。目前，國內(nèi)外文獻對多個電能質(zhì)量補償裝置的并聯(lián)或者串并聯(lián)應(yīng)用已有較多研究，如多個有源電力濾波器（APF）、配電網(wǎng)靜止同步補償器（DSTATCOM）的并聯(lián)研究［7-10］，DVR與DSTATCOM的串并聯(lián)聯(lián)合運行研究［11-12］等。但對于多個電能質(zhì)量補償裝置的串聯(lián)研究還未見相關(guān)文獻論述。本文擬以2臺DVR協(xié)同補償?shù)倪\行模式為例，探討多個電能質(zhì)量補償裝置串聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)、運行方案以及相關(guān)的運行特性，分析串聯(lián)補償?shù)目煽啃院挽`活性，并在中高壓的工況下對其可行性進行了仿真驗證。

1 雙DVR結(jié)構(gòu)介紹

1.1 雙DVR結(jié)構(gòu)示意圖

雙DVR拓撲延續(xù)了傳統(tǒng)單臺DVR的結(jié)構(gòu)，包括儲能單元、逆變單元、濾波器和串聯(lián)變壓器等基本結(jié)構(gòu)。不同之處在于采用了2臺DVR串聯(lián)的形式，雙DVR的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙DVR結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual-DVR structure

1.2 雙DVR結(jié)構(gòu)的特點

與傳統(tǒng)的各種適用于低壓領(lǐng)域的DVR［13-15］或者是適用于中高壓、大容量場合的單臺DVR［16-17］相比，本文提出的雙DVR結(jié)構(gòu)若采用適當?shù)倪\行模式可具備以下特點。

a.提高補償電壓可靠性。

如圖1所示，當采用2臺DVR聯(lián)合補償電壓時，DVR2不僅可以擴大DVR1的補償極限，還可作為DVR1故障時的替補。當DVR1出現(xiàn)故障或者例行檢修而需要退出運行時，DVR2完全可以補償大部分的電壓跌落，從而提高了補償電壓的可靠性。

b.提高補償電壓靈活性。

當電網(wǎng)側(cè)電壓出現(xiàn)跌落、波動、閃變、諧波等電能質(zhì)量問題時，雙DVR可依照自身的特點靈活地配置補償功能，如可使開關(guān)頻率較低的DVR2補償電壓跌落，開關(guān)頻率較高的DVR1補償諧波［18-19］或者波動閃變。若只用1臺DVR實現(xiàn)以上所有補償功能，則需解決開關(guān)頻率與容量之間的矛盾，且控制算法較復雜。

2 雙DVR的運行方案

DVR可根據(jù)不同的場合選擇不同的控制策略，其中前饋控制策略具有響應(yīng)速度較快、控制簡單等優(yōu)點。本文擬以雙DVR均采用前饋控制策略為例，研究其聯(lián)合運行時的補償方案?？傮w而言，補償方案可分為集中控制與分散控制兩大類。

2.1 集中控制

集中控制時雙DVR共用一套控制器和電壓檢測模塊，針對每臺DVR發(fā)出的補償電壓值由參考電壓分配模塊進行分配。雙DVR可采用3種運行模式，分別對應(yīng)不同的補償電壓分配方法。

2.1.1 以雙DVR的容量比分配補償電壓

雙DVR共用一套電壓檢測模塊，而各自所需的參考補償電壓則根據(jù)它們固有的容量比進行分配，分配示意圖如圖2所示。

圖2 雙DVR以容量比分配總參考補償電壓Fig.2 Overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity ratios

其中，SDVR1、SDVR2分別表示 DVR1、DVR2 的容量，為電網(wǎng)側(cè)參考電壓值，us為電網(wǎng)側(cè)電壓實際檢測值。

雙DVR各自的參考電壓滿足：

該方法本質(zhì)上是把1臺大容量的DVR拆分成2臺小容量的DVR并進行協(xié)調(diào)控制，因此理論上凡單臺DVR所擁有的所有補償功能，雙DVR同樣可以實現(xiàn)。

2.1.2 以雙DVR的容量限幅分配補償電壓

如圖3所示，此時雙DVR的補償功能有主次之分，其中，補償電壓跌落的功能主要由DVR1承擔，DVR2則在DVR1補償電壓達到限幅時用以擴充DVR1的補償范圍。

圖3 雙DVR以其容量限幅分配總參考補償電壓Fig.3 Overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity limitations

反之，則有：

例如，如果要求雙DVR總的補償范圍是50%，而經(jīng)過統(tǒng)計以后發(fā)現(xiàn)實際電壓跌落10%～25%的概率在75%以上，那么此時DVR1的補償容量可設(shè)計為25%。當發(fā)生深度跌落時，DVR2才投入工作；當電壓跌落較少時，只有DVR1工作，DVR2處于旁路運行狀態(tài)；當DVR1出現(xiàn)故障時，DVR2可作為DVR1故障后的替補，用于補償電壓跌落較少時的情況。因此與單臺大容量DVR獨立運行相比，雙DVR采用該種運行模式時提高了補償?shù)目煽啃浴?/p>

2.1.3 以雙DVR不同的補償功能分配補償電壓

如圖4所示，該種運行模式主要考慮了電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)電壓諧波等電能質(zhì)量問題時的補償需求，此時單臺DVR的電力電子器件通常需要較高的開關(guān)頻率，與其較大的容量需求相矛盾。為了解決開關(guān)器件容量和頻率之間的矛盾，可采用2臺開關(guān)頻率不同的DVR分別補償不同的電能質(zhì)量問題。其中DVR1容量小但開關(guān)頻率較高，主要用于補償電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)的電壓諧波；DVR2容量大但開關(guān)頻率較低，主要補償電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)的電壓跌落，兩者聯(lián)合運行時需一定的協(xié)調(diào)配合。由集中控制單元計算、分離得到總參考補償相電壓的諧波分量與基波分量分別作為DVR1、DVR2的參考補償電壓，則有：

圖4 雙DVR以不同的補償功能分配參考補償電壓Fig.4 Reference voltage allocated between two DVRs according to different compensation functions

該種運行模式的優(yōu)點在于2臺DVR可以根據(jù)自身的特點，靈活選擇開關(guān)器件和開關(guān)頻率，以提高總體運行效率。

2.2 分散控制

在分散控制模式下，每臺DVR均含有采樣電路和控制器，各自的硬件控制電路和軟件控制電路相互獨立。DVR1、DVR2均只檢測各自安裝點的電壓，兩者之間無需通信。根據(jù)各自補償電壓選取方式的不同，雙DVR可采用以下2種運行模式。

2.2.1 均分參考補償電壓的運行模式

2臺DVR采用完全相同的模塊，分別用于補償50%的負載跌落。如圖5所示，DVR1的參考補償電壓為雙DVR總參考補償電壓的1/2；而DVR2的參考補償電壓為其檢測電壓與負載端參考電壓的差值，即有：

在上海，倒給他們跟一個地下工作者搭上了線。一個姓吳的——想必也不是真姓吳——一聽他們有這樣寶貴的一條路子，當然極力鼓勵他們進行。他們只好又來找她，她也義不容辭。

圖5 雙DVR采用均分參考補償電壓的分散控制模式Fig.5 Distributed control mode with compensation voltage equally allocated between two DVRs

2.2.2 以自身容量限幅分配補償電壓

如圖6所示，此時DVR1的參考補償電壓即為總參考補償電壓值，如果未超過DVR1的補償能力，則DVR2不投入運行；如果超過了DVR1的補償能力，如在DVR1運行一段時間后出現(xiàn)補償電壓幅值不足的情況時，DVR2開始投入運行，負責補償DVR1補償不足的部分。雙DVR各自的參考電壓為：

圖6 雙DVR采用以自身容量限幅的分散控制模式Fig.6 Distributed control mode with compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity limitations

雙DVR采用分散控制的優(yōu)點在于2臺DVR的運行完全獨立，所以一臺運行故障不會影響另一臺的運行。與單一大容量DVR相比，采用分散控制的雙DVR結(jié)構(gòu)可以提高補償?shù)目煽啃浴?/p>

3 雙DVR聯(lián)合運行的特性分析

為進一步研究雙DVR聯(lián)合運行方式的有效性，本文以均分參考電壓的分散控制模式為例，對雙DVR聯(lián)合運行、單臺DVR獨立運行2種工作方式的特性進行比較，分析兩者之間的聯(lián)系，探討傳統(tǒng)適用于單臺DVR的控制策略在雙DVR聯(lián)合運行場合的適用性，同時也為雙DVR聯(lián)合運行模式的參數(shù)設(shè)計提供一種參考。

圖7、8分別為單臺DVR獨立運行、雙DVR聯(lián)合運行的前饋控制框圖，虛框表示DVR的內(nèi)部模型。圖中參數(shù)含義如下：Km為逆變器等效增益；Rf、Lf、Cf為 DVR 濾波參數(shù)；n 為變壓器變比；Rz、Lz為負載等效阻抗值。

圖7 單臺DVR前饋控制框圖Fig.7 Block diagram of feedforward control for single DVR

由圖7可知，經(jīng)單臺DVR補償后的輸出電壓uL與負載參考電壓、網(wǎng)側(cè)端電壓us以及電網(wǎng)電流iL有關(guān)。各變量關(guān)系式為：

圖8中雙DVR采用了均分參考電壓的分散運行模式，uL1、uL2分別為 DVR1、DVR2 補償后的輸出電壓。為分析簡單起見，本例中雙DVR均采用了與前述單臺DVR相同的參數(shù)，則可得：

圖8 雙DVR采用均分參考電壓的分散控制框圖Fig.8 Block diagram of distributed control with compensation voltage equally allocated between two DVRs

將uL2作為雙DVR聯(lián)合運行時系統(tǒng)的輸出，視為系統(tǒng)的輸入，us、iL視為系統(tǒng)的擾動，并對式（10）進一步化簡，可得此時系統(tǒng)的輸入、擾動與輸出之間滿足關(guān)系式：

為進一步比較雙DVR在聯(lián)合運行的模式下與單臺大容量DVR在獨立運行模式下的補償效果，可分別作出2種工作方式下負載參考電壓到最終輸出電壓的Bode圖，如圖9所示。相關(guān)的參數(shù)為：Lf=1mH，Cf=30 μF，Rf=0.6 Ω，Km=0.9，n=1，Rz=10 Ω，Lz=0.017 mH。

圖9 單臺DVR獨立運行時與雙DVR采用均分參考電壓的聯(lián)合運行模式時負載參考電壓到最終輸出電壓的Bode圖Fig.9 Bode diagram from load reference voltage to final output voltage of independently operating single DVR and that of two coordinated DVRs operating with compensation voltage equally allocated

由圖9可知，雙DVR在該種聯(lián)合運行模式下的補償效果與單臺大容量DVR獨立運行時的補償效果相近，在低頻段系統(tǒng)的輸出都能較好地跟蹤輸入。由于2種運行方式均采用前饋控制策略，所以系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度較小。若采用復合控制策略［20-22］則可解決系統(tǒng)穩(wěn)定裕度不足的問題，也能進一步抑制擾動對系統(tǒng)特性的影響。

當雙DVR采用其他聯(lián)合運行模式時的特性分析方法同上，這里不再贅述。

4 仿真分析

為了對本文提出的適用于雙DVR集中控制和分散控制的2類運行方案在中高壓工況下的可行性進行驗證，本文采用PSIM軟件對每種運行模式進行仿真分析。以三相不平衡阻感性負載作為等效敏感負荷；雙DVR采用完全補償跟蹤策略。DVR通過檢測電網(wǎng)側(cè)線電壓，進而可以計算出每相橋臂應(yīng)補償?shù)南嚯妷簠⒖贾?。仿真參?shù)為：開關(guān)頻率fPWM=10 kHz，采樣時間Ts=0.05 ms；三相不平衡負載中A相、B相均為20Ω電阻與10mH電感串聯(lián)，C相為10Ω電阻。圖 10 — 14 中各參數(shù)所代表含義如下：usab，sbc，sca為電網(wǎng)側(cè)三相線電壓；uca1，cb1，cc1為 DVR1 所補償?shù)娜嘞嚯妷?；uca2，cb2，cc2為 DVR2 所補償?shù)娜嘞嚯妷?；usab2，sbc2，sca2為 DVR1 補償后的電網(wǎng)側(cè)三相線電壓；uLab，Lbc，Lca為雙DVR補償后的負載三相線電壓。

圖10 集中控制模式下雙DVR以容量比分配總參考電壓時的補償波形Fig.10 Simulative waveforms of centralized control with overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity ratios

雙DVR采用集中控制并以其容量比分配總參考電壓運行模式的仿真結(jié)果如圖10所示。電網(wǎng)側(cè)三相線電壓同時在0.033 s跌落了35%，0.125 s時恢復正常。在該種運行模式下雙DVR參考補償電壓之比即為其容量比（本例中為3∶7）。

雙DVR采用集中控制并以其容量限幅分配總參考電壓運行模式的仿真結(jié)果如圖11所示。電網(wǎng)側(cè)三相線電壓在0.033 s同時跌落了35%，而DVR1與DVR2可補償?shù)淖畲蟀俜直染鶠?0%，因此電壓跌落已經(jīng)超出了DVR1的補償極限，此時2臺DVR同時投入運行，并且DVR1以其補償極限補償20%的電網(wǎng)電壓跌落，DVR2則補償了剩余的15%。

圖11 集中控制模式下雙DVR以容量限幅分配補償電壓時的補償波形Fig.11 Simulative waveforms of centralized control with overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity limitations

當電網(wǎng)側(cè)電壓存在諧波時，雙DVR采用集中控制并以不同的功能分配總參考電壓運行模式的仿真結(jié)果如圖12所示，DVR1的開關(guān)頻率提高為fPWM=20 kHz。當電網(wǎng)側(cè)電壓同時出現(xiàn)跌落、諧波時，DVR1補償電壓諧波，DVR2補償電壓跌落。

圖12 集中控制模式下雙DVR以不同的補償功能分配補償電壓時的補償波形Fig.12 Simulative waveforms of centralized control with overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their different compensation functions

其中電網(wǎng)側(cè)線電壓在0.033 s發(fā)生跌落，跌落的百分比為21%，并且伴隨出現(xiàn)5次、7次、11次等諧波分量，此時雙DVR通過檢測電網(wǎng)側(cè)的線電壓并由集中控制單元分離、轉(zhuǎn)化得到應(yīng)補償?shù)碾妷夯ǚ至颗c諧波分量，分別分配給2臺DVR作為各自應(yīng)補償?shù)膮⒖茧妷褐怠?/p>

雙DVR采用均分參考補償電壓的分散控制模式補償電網(wǎng)側(cè)電壓跌落的仿真結(jié)果如圖13所示。圖中電網(wǎng)側(cè)三相線電壓在0.033 s同時跌落了35%，雙DVR在該種運行模式下各補償了電壓跌落的50%。

雙DVR采用以自身容量限幅的分散控制模式補償電網(wǎng)側(cè)電壓跌落的仿真結(jié)果如圖14所示。線電壓跌落的百分比仍為35%，DVR1、DVR2各自最大的補償百分比均為35%。在開始跌落時，DVR1補償全部的電壓跌落，DVR2不動作。隨著補償時間的持續(xù)增加，DVR1直流端母線的能量逐漸減小，電壓降低，已經(jīng)難以支撐自身發(fā)揮完全補償?shù)墓δ?，其補償電壓的幅值在0.048 s左右開始逐漸衰減，此時DVR2開始工作，補償DVR1未完全補償?shù)牡潆妷菏Ｓ嗖糠郑恢钡诫娋W(wǎng)側(cè)電壓在0.125 s恢復至正常為止。

圖13 分散控制模式下雙DVR采用均分參考補償電壓時的補償波形Fig.13 Simulative waveforms of distributed control with compensation voltage equally allocated between two DVRs

圖14 分散控制模式下雙DVR采用以自身容量限幅分配補償電壓時的補償波形Fig.14 Simulative waveforms of distributed control with compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity limitations

由以上結(jié)果可知：本文提出的適用于雙DVR集中控制與分散控制的2類運行方案即5種運行模式均具有較好的可行性，其補償效果與單一大容量DVR采用傳統(tǒng)運行模式的補償效果相近。

表1詳細地給出了雙DVR 5種運行模式的補償特點、補償功能以及適用場合。

表1 雙DVR協(xié)同補償?shù)倪\行模式Tab.1 Operating modes of two DVRs with coordinated compensation

5 結(jié)論

a.中高壓、大容量場合下，雙DVR聯(lián)合補償時可以采用集中控制方案，又可細分為3種運行模式。當電網(wǎng)端電壓只出現(xiàn)跌落時，可采用以雙DVR的容量比或者以容量限幅分配參考電壓的運行模式，提高補償?shù)目煽啃?；當電網(wǎng)端電壓既有跌落又有諧波時，可采用以不同的補償功能分配參考電壓的運行模式，解決器件開關(guān)頻率與容量之間的矛盾，提高補償?shù)撵`活性。

b.中高壓、大容量場合下，雙DVR聯(lián)合補償時也可以采用分散控制方案，又可細分為2種運行模式：均分參考電壓、以自身容量限幅分配參考電壓。2種運行模式均可以較好地補償電網(wǎng)端出現(xiàn)的電壓跌落等電能質(zhì)量問題，提高補償?shù)目煽啃浴?/p>

c.雙DVR采用均分參考電壓的聯(lián)合運行模式與單臺DVR獨立運行2種工作方式的特性是類似的，傳統(tǒng)的前饋控制策略也適用于雙DVR聯(lián)合運行的場合。

綜上所示，本文提出的適用于雙DVR結(jié)構(gòu)的5種運行模式均具有良好的有效性和可行性，為高壓大容量電能質(zhì)量裝置的研究、應(yīng)用提供了一種新的解決思路。