動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器控制策略分析

吳桂峰，王 軒，章海鋒

(1.揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127;2.揚(yáng)州北辰電氣設(shè)備有限公司總工室，江蘇揚(yáng)州 225127)

1 DVR的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

目前，在電力系統(tǒng)中，各種敏感性負(fù)荷大量應(yīng)用在電力設(shè)備中。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也使得用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。電能質(zhì)量問(wèn)題在國(guó)內(nèi)仍然存在，電壓凹陷是國(guó)內(nèi)發(fā)生頻率較高且造成損失較多的電能質(zhì)量問(wèn)題。應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的控制并為用戶提供特定的電能供應(yīng)。目前這些裝置包含了配電系統(tǒng)靜止補(bǔ)償器、有源電力濾波及串聯(lián)電能質(zhì)量控制器(DVR)等設(shè)備。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)［1］，是帶有儲(chǔ)能裝置的串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)，具有補(bǔ)償有功功率的能力。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，DVR可向系統(tǒng)注入電壓來(lái)補(bǔ)償差值電壓，防止電壓出現(xiàn)畸變，這不僅可解決動(dòng)態(tài)電壓?jiǎn)栴}，如電壓跌落、凸起等，還可解決穩(wěn)態(tài)電壓?jiǎn)栴}，如:三相不平衡、電壓諧波等，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的青睞。DVR是針對(duì)電壓跌落、凸起等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題的補(bǔ)償裝置，在實(shí)際應(yīng)用中可當(dāng)作電壓源來(lái)使用。根據(jù)DVR接入電網(wǎng)的方式，可將DVR的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種，二者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于并聯(lián)式裝置通常不采用能量存儲(chǔ)單元，不將其歸為DVR裝置中。一般可將DVR大致劃分為直流側(cè)儲(chǔ)能單元、逆變單元、濾波單元和輸出單元4個(gè)組成部分。儲(chǔ)能單元的作用是為整個(gè)裝置提供能量，較為實(shí)用的儲(chǔ)能技術(shù)有蓄電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等。逆變單元的作用是轉(zhuǎn)換電流的輸出方式，將內(nèi)部的直流電輸出為交流電。濾波單元的作用是過(guò)濾掉DVR裝置輸出端的高次諧波，減少或避免DVR對(duì)電網(wǎng)造成二次污染。輸出單元?jiǎng)t是用來(lái)輸出電流的。

DVR工作時(shí)，首先，需要檢測(cè)出電路各處的電壓和電流量，可通過(guò)檢測(cè)裝置檢測(cè)是;其次，需要計(jì)算出補(bǔ)償電壓的幅值和相位，可通過(guò)給定的補(bǔ)償策略來(lái)計(jì)算，計(jì)算出補(bǔ)償電壓的幅值和相位后可輸出對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制逆變器功率器件的開通和中斷;隨后，在逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，需經(jīng)過(guò)濾波單元來(lái)濾除高次諧波;最終，還需將補(bǔ)償電壓和系統(tǒng)電壓相疊加，使負(fù)載一側(cè)的電壓達(dá)到穩(wěn)定，此過(guò)程需利用到串聯(lián)變壓器。DVR的主要特點(diǎn)是能夠抑制動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)的電壓發(fā)生跌落、浪涌、閃變，具有良好的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償能力，還可有效地抑制諧波、三相不平衡，從而提高電能質(zhì)量［2］。

2 電壓跌落的檢測(cè)方法分析

通過(guò)上述分析可發(fā)現(xiàn)，DVR具有良好的補(bǔ)償功能，對(duì)于抑制動(dòng)態(tài)電壓發(fā)生跌落有較好的效果。要使其發(fā)揮功能，需運(yùn)用科學(xué)合理的檢測(cè)方法快速且無(wú)偏差的檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)碾妷盒盘?hào)。按照擾動(dòng)特征量提取方法的不同，可將電壓跌落的檢測(cè)方法分為:缺損電壓法和基波分量法、小波變換法、峰值電壓法、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq0變換方法等。文中主要分析基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq0變換方法［3－4］。

目前，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq0變換方法用途最為廣泛，而較多其他的方法也是在其基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。此方法能夠避免有效值法存在的計(jì)算延遲問(wèn)題，無(wú)需利用歷史數(shù)據(jù)。只需要abc－dq變換便可瞬時(shí)確定電壓的有效值。dq0變換檢測(cè)方法有相位追蹤法和對(duì)稱分量法兩種主要監(jiān)測(cè)識(shí)別方式［5］。這種檢測(cè)方法需對(duì)abc坐標(biāo)系下的三相電壓或電流進(jìn)行Park變換，轉(zhuǎn)換成dq0坐標(biāo)系下的相應(yīng)分量，即

其中C是Park變換矩陣，C的值可通過(guò)以下公式求出

假設(shè)待測(cè)電壓是us(t)=u1+uh，其中 u1=U sin(ωt+φ)指的是基波分量，uh表示的是含有諧波、電壓波動(dòng)及高頻振蕩等成分的畸變分量。首先，要得到dq0坐標(biāo)下的d軸、q軸、0軸的分量，需進(jìn)行dq0轉(zhuǎn)換;其次，需得到dq0坐標(biāo)系下的直流分量，這可通過(guò)低通濾波器得到;最后，通過(guò)Park反變換后就可得到所需的補(bǔ)償量。

3 DVR的3種控制策略

3.1 前饋控制策略

前饋控制的控制原理:(1)需要比較檢測(cè)到的系統(tǒng)電壓和基準(zhǔn)電壓，得到兩者間的差值。(2)通過(guò)補(bǔ)償策略計(jì)算出系統(tǒng)電壓所需的補(bǔ)償量。(3)經(jīng)過(guò)濾波器輸出補(bǔ)償電壓。前饋控制策略的主要特點(diǎn)是開環(huán)控制、響應(yīng)快、控制簡(jiǎn)單等。但該控制策略較難實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，DVR采用該控制策略輸出的電壓通常存在幅值衰減和相位偏移等現(xiàn)象，這與其耦合變壓器輸出存在阻抗有較大的關(guān)系。檢測(cè)系統(tǒng)是前饋控制策略中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)檫@種控制策略需要準(zhǔn)確無(wú)誤地檢測(cè)出電網(wǎng)側(cè)電壓的畸變量，并通過(guò)輸出準(zhǔn)確的補(bǔ)償電壓來(lái)達(dá)到理想的補(bǔ)償效果。逆變器輸出的電壓不僅與基準(zhǔn)參考信號(hào)有關(guān)，還與負(fù)載電流、系統(tǒng)側(cè)輸入電壓及濾波器參數(shù)設(shè)置有關(guān)。所以，前饋控制策略存在局限性，較難滿足所有電壓補(bǔ)償?shù)囊蟆４送?，前饋控制策略無(wú)較好的負(fù)載適應(yīng)能力，導(dǎo)致其對(duì)于高次諧波的消除效果不佳。

3.2 補(bǔ)償電壓反饋控制策略

補(bǔ)償電壓反饋控制能有效提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。相對(duì)于前饋控制策略，補(bǔ)償電壓反饋控制策略可提供更加精確的控制結(jié)果。因?yàn)檠a(bǔ)償電壓反饋控制策略是通過(guò)直接控制輸出電壓來(lái)防止由于輸出電壓偏差而造成的誤差。在進(jìn)行補(bǔ)償電壓反饋控制室可選擇有效值反饋或瞬時(shí)值反饋兩種方式。補(bǔ)償電壓有效值反饋控制可有效、穩(wěn)定補(bǔ)償電壓的有效值。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)逆變器輸出的補(bǔ)償電壓進(jìn)行反饋控制時(shí)，負(fù)載電壓會(huì)受到采樣干擾的影響。因此，需要采用負(fù)載電壓反饋控制，這樣便可彌補(bǔ)該控制策略存在的不足，獲得較好的負(fù)載電壓品質(zhì)。但是，補(bǔ)償電壓反饋控制策略會(huì)因?yàn)樨?fù)載功率因數(shù)的下降而導(dǎo)致系統(tǒng)阻尼減小，容易使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度降低。另外，這種控制策略難以滿足DVR響應(yīng)速度較高的要求。補(bǔ)償電壓瞬時(shí)值反饋控制通過(guò)調(diào)節(jié)參考電壓和補(bǔ)償電壓之間的差，能夠有效提高補(bǔ)償電壓的動(dòng)態(tài)性能，基本上可達(dá)到與畸變量同步。在實(shí)際的應(yīng)用中，若僅采用瞬時(shí)值反饋控制的方式，其對(duì)于非線性負(fù)載的適應(yīng)能力不強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度較低，所以，通常會(huì)采用補(bǔ)償電壓反饋控制策略與前饋控制相結(jié)合的方式，來(lái)彌補(bǔ)雙方的不足，使二者的優(yōu)點(diǎn)均能得到有效發(fā)揮。

3.3 復(fù)合控制策略

通過(guò)上述分析可發(fā)現(xiàn)，前饋控制策略和補(bǔ)償電壓反饋控制策略都存在不足。所以，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的補(bǔ)償電壓，提出了一種基于補(bǔ)償電壓外環(huán)、電容電流內(nèi)環(huán)并結(jié)合電網(wǎng)電壓前饋的復(fù)合控制策略。復(fù)合控制策略在降低系統(tǒng)的阻尼、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕及加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。雙環(huán)復(fù)合控制策略的控制原理:(1)需通過(guò)PLL來(lái)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的參考值，利用控制策略計(jì)算出負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓間的差值，并通過(guò)PI調(diào)節(jié)后再加上負(fù)載電流的前饋值，便可將得到的和值當(dāng)作電感電流的參考值。(2)需要比較電感電流的參考值與實(shí)際的電感電流值的大小，得到二者間的差值。(3)采用電流控制算法對(duì)差值進(jìn)行處理，差值經(jīng)過(guò)處理之后再加上負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓的差值，得到和值之后再與直流側(cè)電壓的解耦系數(shù)相乘便可得到相應(yīng)的控制量。(4)可通過(guò)得到的控制量來(lái)對(duì)逆變器進(jìn)行控制，并可準(zhǔn)確地對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)雙環(huán)復(fù)合控制策略的控制原理進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，雙環(huán)復(fù)合控制策略可間接實(shí)現(xiàn)電容電流的反饋，還可精確地控制電流內(nèi)環(huán)，起到限流的作用，防止串聯(lián)變壓器由于勵(lì)磁飽和而對(duì)變壓器產(chǎn)生損害。另外，該控制策略還能有效進(jìn)行電網(wǎng)電壓的前饋控制，對(duì)電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)進(jìn)行有效的抑制。

4 DVR的數(shù)學(xué)模型

DVR需用到數(shù)學(xué)模型來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，數(shù)學(xué)模型能夠解決對(duì)客觀現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的困難，且較易操作。對(duì)于建立動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)的數(shù)學(xué)模型，首先需要得到動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的等效電路，電路中U1表示負(fù)載電壓，Us表示電網(wǎng)電壓，mUdc(m為調(diào)制度)表示DVR的逆變器橋路端口電壓，Ue表示濾波電容兩端的電壓，Uo表示變壓器原邊電壓，UDVR表示DVR的輸出電壓，Zf表示負(fù)載，Lt、Rt分別表示變壓器的繞線電阻和漏感，Lf、Cf、Rf分別表示濾波電路的電感、電容以及線路電阻，變壓器的變比為1∶n。

圖1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的等效電路圖

根據(jù)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的等效電路圖可得到動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的數(shù)學(xué)模型為

5 DVR的仿真分析

造成電壓跌落的原因較多，其中，由于臨近線路發(fā)生短路故障而導(dǎo)致電壓跌落是較為常見的。本文針對(duì)這一原因?qū)VR補(bǔ)償電壓跌落的能力進(jìn)行了仿真分析。仿真試驗(yàn)前，必須保證電源電壓跌落前系統(tǒng)三相電壓是對(duì)稱平衡的，然后對(duì)三相電壓的有效值進(jìn)行設(shè)定，一般為220 V，設(shè)定其頻率為50 Hz，且確保其能夠在0.010.05 s間發(fā)生跌落，分為單相、兩相和三相電壓跌落，補(bǔ)償電壓前后對(duì)比如圖2所示。從圖中可看出，單相、兩相和三相電壓跌落時(shí)補(bǔ)償前、后的仿真電壓波形。在DVR的作用下，故障發(fā)生的前后，負(fù)荷并未受到干擾。說(shuō)明動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器對(duì)于暫降幅值以及相位具有較好的補(bǔ)償作用，達(dá)到了保護(hù)負(fù)荷、治理電壓跌落的目的。

圖2 補(bǔ)償電壓前后對(duì)比分析圖

6 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，分析了電壓跌落的檢測(cè)方法，研究了3種方式的控制策略，建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了DVR的可行性和有效性，可知DVR能夠有效解決電壓凹陷和電壓短時(shí)中斷等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題。

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