動(dòng)態(tài)電壓校正裝置的綜合補(bǔ)償特性及仿真＊

張雪薇，朱 潔，杜旭紅，孫紅雨

（1．西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710021；2．西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710021；3．中國輻射防護(hù)研究院，太原030006）

電能作為一種特殊的商品走進(jìn)市場，和其他商品一樣也講求質(zhì)量［1］．目前來講，大多數(shù)電力領(lǐng)域的專家認(rèn)為，對(duì)于現(xiàn)代電能質(zhì)量問題應(yīng)理解為：“能夠?qū)е掠脩綦娏υO(shè)備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，以及造成用電設(shè)備故障或錯(cuò)誤動(dòng)作的任何電力問題都應(yīng)該屬于電能質(zhì)量問題的范疇［2］．其中電壓跌落被認(rèn)為是最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題，而動(dòng)態(tài) 電 壓 校 正 裝 置 （Dynamic Voltoge Restorer，DVR）是公認(rèn)的最有效的解決電壓跌落問題的電力電子補(bǔ)償裝置［3］．

文獻(xiàn)［4］在不考慮DVR注入電壓限制的情況下，使DVR輸出三相總有功功率最小，求出α角，沒有考慮到裝置的補(bǔ)償能力問題．文獻(xiàn)［5-7］從基本原理上對(duì)最小能量補(bǔ)償策略參考電 壓相位的確定進(jìn)行了研究，并使用軟件鎖相環(huán)（Soft Phase Locked Loop，SPLL）對(duì)相位進(jìn)行鎖相．這種方法雖然很好但是會(huì)造成附加的相位差．文獻(xiàn)［8］對(duì)裝置主電路的容量及最優(yōu)電壓補(bǔ)償方法進(jìn)行研究．針對(duì)不同的負(fù)載性質(zhì)和電壓幅值的要求范圍使用最優(yōu)電壓補(bǔ)償方法，這種方法值得借鑒．文獻(xiàn)［9］將電壓補(bǔ)償情況分為7種，計(jì)算DVR輸出的補(bǔ)償電壓的幅值和相角．并討論了直流側(cè)電壓變化與逆變器能量流動(dòng)的關(guān)系，以及直流側(cè)電壓閉環(huán)控制的移相控制．文獻(xiàn)［10-12］都是對(duì)三種補(bǔ)償方法即同相電壓法、完全電壓法、最小能量法的特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行分析．但對(duì)最小能量法的實(shí)現(xiàn)及對(duì)如何根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)載的運(yùn)行情況自動(dòng)進(jìn)行移相控制及移相引起負(fù)載電壓相位跳變等問題目前研究較少．

文中將通過研究動(dòng)態(tài)電壓校正裝置的補(bǔ)償原理，提出一種綜合的補(bǔ)償策略．根據(jù)電力系統(tǒng)電壓跌落的特點(diǎn)以及節(jié)約能源的角度，將傳統(tǒng)最小能量法進(jìn)行改進(jìn)，將裝置的補(bǔ)償能力考慮進(jìn)去，從補(bǔ)償能力角度以及移相的實(shí)現(xiàn)來進(jìn)行研究．根據(jù)輸出有功最小來計(jì)算裝置輸出電壓的最優(yōu)角．將分別討論阻感性負(fù)荷、阻容性負(fù)荷的補(bǔ)償相量圖．最后通過仿真驗(yàn)證此方法的可行性．

1 最小能量補(bǔ)償法

式中：PDVR為動(dòng)態(tài)電壓校正裝置輸出的有功；PL為負(fù)荷的有功；PS為系統(tǒng)輸出的有功．

以下將從裝置的補(bǔ)償能力特性角度分析討論補(bǔ)償能力充足與否時(shí)的最小能量輸出的實(shí)現(xiàn)．

圖1 最小能量法相量圖Fig．1 Phase diagram by minimum energy method

1．1 補(bǔ)償特性分析

如果裝置的直流側(cè)電容沒有額外儲(chǔ)能系統(tǒng)或整流電路進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)時(shí)，裝置可提供補(bǔ)償?shù)哪芰渴怯邢薜模虼藢?duì)于較深或者較長時(shí)間的電壓跌落，隨著裝置的有功持續(xù)輸出，裝置直流側(cè)的電壓將會(huì)降低，裝置將不能持續(xù)的進(jìn)行有效的補(bǔ)償；因此，有必要采取一種措施在保證裝置可以有效的補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的跌落同時(shí)輸出的有功最小．那么最小能量補(bǔ)償法就是一種不錯(cuò)的選擇．采用最小能量補(bǔ)償法的系統(tǒng)相量圖如圖2所示．

UP為跌落前的系統(tǒng)電壓，US為跌落后的系統(tǒng)電壓，U2為目標(biāo)電壓即裝置補(bǔ)償后的系統(tǒng)電壓，UC為裝置輸出的補(bǔ)償電壓，α為UP與U2的夾角，即補(bǔ)償后電壓比跌落前電壓的相位超前角，δ為UP與US的夾角，即電壓跌落伴隨的跳變角．

已知系統(tǒng)發(fā)生跌落時(shí)系統(tǒng)的有功為

圖2 最小能量補(bǔ)償法系統(tǒng)相量圖Fig．2 Phase diagram of the system by the minimum energy compensation method

補(bǔ)償后負(fù)荷吸收的有功為

圖3 補(bǔ)償能力充足四種情況下最小能量補(bǔ)償策略相量圖Fig．3 Phase diagrams in the four adequate capacity cases of the minimum energy compensation strategy

從式（6）～（7）可以明顯看出，根據(jù)給定的φ，δ，U1，U2來選擇合適的α角就可以控制DVR和系統(tǒng)間的能量交換．

1．2 極限補(bǔ)償電壓約束下的應(yīng)對(duì)策略

當(dāng)裝置補(bǔ)償能力充足時(shí)，有兩種情況，即無功交換和最小有功交換．通過計(jì)算，無功交換時(shí)最優(yōu)角［14］為

最小有功補(bǔ)償時(shí)，最優(yōu)角

當(dāng)裝置有補(bǔ)償極限電壓的約束，即通過檢測計(jì)算所得的最小有功交換時(shí)的補(bǔ)償電壓大于極限補(bǔ)償電壓（即裝置所能補(bǔ)償?shù)淖畲箅妷海r(shí)，那么應(yīng)根據(jù)以最 小能量補(bǔ)償為目標(biāo)來采取應(yīng)對(duì)措施，文中提出采取兩步應(yīng)對(duì)措施來實(shí)現(xiàn)在極限補(bǔ)償電壓約束下的最小能量補(bǔ)償．

① 在負(fù)荷允許電壓偏差范圍內(nèi)調(diào)整參考電壓幅 值．此時(shí)以ULpd（負(fù)荷的最小允許電壓）作為U′2（即新的目標(biāo)電壓）．如果此時(shí)計(jì)算得到的補(bǔ)償電壓UC1超過了裝置所能補(bǔ)償?shù)淖畲箅妷?，則采取措施2．

② 將裝置的極限補(bǔ)償 電壓作為裝置的輸出電壓，將負(fù)荷電壓允許值的極限值ULpd（最小允許電壓）作為U′2（新的目標(biāo)參考電壓），參考電壓相位α可通過圖2～4所示的相量圖分析得到．

圖4 極限補(bǔ)償電壓約束下的最小能量補(bǔ)償策略相量圖Fig．4 Phase diagram of the minimum energy compensation strategy with of voltage limitation

此時(shí)，補(bǔ)償后參考電壓的相位為

綜上三種情況，根據(jù)相量圖可求最小能量補(bǔ)償

策略DVR輸出的補(bǔ)償電壓和有功功率分別為

可見，與完全電壓補(bǔ)償策略相比，采用最小能量補(bǔ)償策略DVR輸出補(bǔ)償電壓大，有功功率小．

2 仿真及分析

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，在matlab／simulink軟件平臺(tái)對(duì)DVR進(jìn)行了仿真．其系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)如下：電網(wǎng)電壓U＝220V，基波頻率f＝50Hz，IGBT開關(guān)頻率為20kHz，PWM信號(hào)發(fā)生器為單極性調(diào)制，載波頻率為12K．濾波電感為0．3mH，濾波電容為18μF．設(shè)電網(wǎng)電壓220V在0．04～0．16s時(shí)發(fā)生40%的電壓跌落，并伴隨3次及5次諧波，負(fù)載為純阻性負(fù)載．

如圖5所示系統(tǒng)電壓在0．04～0．16s幅值跌落40%，裝置所補(bǔ)償?shù)碾妷簣D如圖6所示．

圖5 系統(tǒng)電壓跌落40%波形Fig．5 The waveform when the system voltage sag 40%

系統(tǒng)電壓在0．04～0．16s幅值跌落40%并伴隨相壓幅值20%的5次諧波如圖7所示．裝置所補(bǔ)償?shù)碾妷簣D如圖8所示．

系統(tǒng)電壓在0．04～0．16s幅值跌落40%并伴隨相壓幅值20%的3次諧波及10%的5次諧波如圖9所示．裝置所補(bǔ)償?shù)碾妷簣D如圖10所示．

圖6 裝置補(bǔ)償電壓波形Fig．6 Compensating voltage waveform

圖7 系統(tǒng)電壓跌落40%并伴隨5次諧波Fig．7 The system voltage sag with 40%and 5times harmonic

圖8 裝置補(bǔ)償電壓波形Fig．8 Compensating voltage waveform

圖9 系統(tǒng)電壓跌落40%伴隨3、5次諧波Fig．9 The system voltage sag with 40%and 3and 5times harmonic

圖10 裝置補(bǔ)償電壓波形Fig．10 Compensating voltage waveform

通過仿真可以看出，補(bǔ)償裝置在跌落40%時(shí)可以快速無誤差的補(bǔ)償上去．在電網(wǎng)電壓跌落40%并伴隨3、5次諧波時(shí)，裝置也能快速、準(zhǔn)確的將電壓補(bǔ)償?shù)降淝八剑畯亩?yàn)證此方法可行．

3 結(jié) 論

結(jié)合傳統(tǒng)的最小能量法，提出一種新的補(bǔ)償控制方法，通過理論推導(dǎo)，令輸出有功為0或最小，算出補(bǔ)償電壓和最優(yōu)角．理論計(jì)算可知，在同一電壓跌落情況下，完全電壓補(bǔ)償輸出的有功大于最小能量法的輸出有功．可見最小能量法正常補(bǔ)償?shù)潆妷和饪捎行У墓?jié)省能源．仿真結(jié)果表明，補(bǔ)償裝置在三種深度跌落并伴隨諧波情況下依然可以快速準(zhǔn)確的補(bǔ)償?shù)降淝八剑虼?，這種方法可有效的使補(bǔ)償能量最小，相對(duì)增大了裝置容量，延長裝置補(bǔ)償時(shí)間．仿真驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性．在今后的研究中，此方法具有長遠(yuǎn)意義．

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