一種補償電網(wǎng)電壓凹陷的DVR優(yōu)化補償策略

李正明，李文文，張國松，劉 亮

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一種補償電網(wǎng)電壓凹陷的DVR優(yōu)化補償策略

李正明，李文文，張國松，劉 亮

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

針對電網(wǎng)中敏感負(fù)荷引起的電壓凹陷問題，以及提高動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)的補償質(zhì)量，提出了一種優(yōu)化的綜合補償策略。首先，詳細(xì)分析了DVR三種基本控制策略的補償電壓與功率流動，推導(dǎo)出最大跌落支持時間；然后，提出了一種跌落前補償向最小能量補償過渡的優(yōu)化綜合補償策略，利用一次過渡曲線將跌落前補償?shù)碾妷悍蹬c相角逐漸過渡到最小能量補償?shù)闹?，物理意義明確，減小電壓相位跳變的同時增加補償時間。算例分析結(jié)果表明，該法較單一補償方法顯著增加了DVR的補償時間。仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性。

電壓凹陷；動態(tài)電壓恢復(fù)器；補償時間；綜合補償策略

0 引言

微網(wǎng)作為分布式發(fā)電接入電網(wǎng)的一種有效技術(shù)手段，綜合利用多種能源，得到了廣泛的關(guān)注[1]。大電網(wǎng)可提供安全穩(wěn)定的電力支撐，并能滿足用戶多樣化的用電需求，但其本身也存在著不可忽略的電能質(zhì)量問題，其中電壓跌落已成為最主要的問題之一[2]。電網(wǎng)內(nèi)部通常含有大量非線性電力電子器件及間歇性電源和敏感負(fù)荷，頻繁的啟停及操作引起電壓波動，不僅造成設(shè)備損壞，給用戶和生產(chǎn)帶來不便，甚至?xí)斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失[3]。因此，為治理電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題，將柔性交流輸電技術(shù)引入其中，包括SVC、D-STATCOM、DVR和UPQC等補償設(shè)備[4-7]。DVR是目前減緩電壓波動影響的最有力措施之一，可治理電壓暫降、暫升、閃變，并可有效抑制電壓諧波、三相不平衡等問題[8]。

由于相角跳變的補償需要DVR的直流單元提供較大的補償電壓與充足的能量，導(dǎo)致直流儲能電容的成本很高，且只有小部分存儲在直流電容上的能量被利用，使得DVR幾乎不能補償長時電壓凹陷[9-10]。目前的控制策略只能單一的減少補償電壓幅值或優(yōu)化利用儲能，為了避免這些缺點，需對 DVR 的補償策略進(jìn)行優(yōu)化[11]?，F(xiàn)階段研究應(yīng)用的DVR補償策略主要有跌落前補償法、同相補償法和最小能量法[12-15]。其中，利用無功補償減少直流儲能的最小能量法[13]或通過減小DVR注入電壓的同相補償法[15]，均不能補償相角跳變，可能導(dǎo)致敏感負(fù)荷跳閘。跌落前補償法可完全補償凹陷電壓的幅值和相角，保證電壓的連續(xù)，但相角跳變的補償需儲能系統(tǒng)大量能量支撐[14]。

文獻(xiàn)[15]提出了跌落前補償和最小能量補償?shù)木C合補償策略，初期采用完全補償使凹陷電壓的幅值與相角恢復(fù)到跌落前的值，待穩(wěn)定后轉(zhuǎn)為最小能量補償，增加補償時間并優(yōu)化能量利用，但兩者之間無過渡，易引起電壓畸變。本文對DVR三種基本策略的補償電壓與功率流動進(jìn)行分析，推導(dǎo)出最大凹陷支持時間，對跌落前補償和最小能量補償綜合補償策略進(jìn)行優(yōu)化，求出DVR注入電壓幅值與相角初始值，根據(jù)轉(zhuǎn)換坡度多步旋轉(zhuǎn)補償電壓相位，直至最小能量法注入終止值，減小相角直接跳變對敏感負(fù)載的影響，并采用迭代循環(huán)模塊避免深度凹陷時的超調(diào)變問題。該策略不僅減小電壓相位跳變，且相比單一補償法顯著提高了補償時間。

1 DVR三種基本補償策略

DVR的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由直流電容器(儲能裝置)、逆變電路、LC濾波電路、串聯(lián)變壓器組成，如圖1所示。DVR的主要功能是當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生凹陷時，通過逆變器將儲能系統(tǒng)的直流電壓轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過濾波器和變壓器向饋線注入一定幅值和相角的交流補償電壓，使負(fù)載側(cè)電壓恢復(fù)到正常值，確保敏感性負(fù)荷的正常運行。

圖1 DVR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)三種基本補償方法，用相量圖的形式詳細(xì)地分析了各自的特點，分別給出補償電壓與相角。其中，G、S為跌落前后的系統(tǒng)側(cè)電壓；L、A為跌落前后負(fù)荷側(cè)電壓；DVR為 DVR 輸出的補償電壓；L為負(fù)荷電流；DVR和DVR為DVR注入系統(tǒng)的有功和無功功率；為電壓凹陷時的跳變相角；L為負(fù)載功率因數(shù)角，以負(fù)載電流L作為參考向量，如圖2所示。設(shè)Δ為電壓凹陷深度，則Δ(LS)/L。

圖2 DVR三種基本補償策略相量圖

1.1 同相補償

對于同相補償法，DVR的補償電壓與瞬時電網(wǎng)電壓同相位，幅值為負(fù)荷參考電壓與電網(wǎng)電壓之差，如圖 2(a) 所示。這種補償方式只需測量電網(wǎng)側(cè)瞬時電壓，補償速度快且補償電壓幅值最小，但無法補償相位跳變，因此可能會導(dǎo)致負(fù)荷電壓波形的斷續(xù)。DVR注入系統(tǒng)的電壓的幅值與相角為

(2)

1.2 最小能量補償

在無功補償法中，DVR向系統(tǒng)注入的電壓與負(fù)載電流正交，只提供無功功率進(jìn)行補償，不消耗自身的有功功率。如圖2(b)所示，其注入電壓的幅值與相位為

(4)

式中，是DVR無功補償引起的相角變化。無功補償可補償?shù)淖畲蟀枷萆疃圈ax與負(fù)載功率因數(shù)密切相關(guān)：

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)凹陷電壓S與負(fù)載電流L同相時，補償電壓達(dá)到最大，相應(yīng)的最大注入電壓為

(6)

當(dāng)電壓凹陷深度超過式(5)時，DVR需向系統(tǒng)注入一定的有功功率來維持補償，針對這一情況，利用最小能量法以增強無功補償?shù)男阅堋Ｈ鐖D2(c)所示，DVR最小能量法注入電壓的幅值和相位為

(8)

1.3 跌落前補償

系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時，通常表現(xiàn)為電壓幅值的減小并伴隨著電壓相位的改變。利用跌落前補償法可使補償后的電壓幅值和相位與補償前完全一致，前述的方法均不能補償相角跳變，但完全補償?shù)膶崿F(xiàn)要求DVR的容量和蓄能裝置提供的能量足夠大。如圖2(d)所示，DVR注入電壓的幅值和相位為

(10)

2 DVR的功率流向與最大補償時間

DVR向系統(tǒng)注入的有功功率為網(wǎng)側(cè)有功功率與負(fù)載側(cè)有功功率之差，由圖2(a)、2(c)、2(d)可得，跌落前補償、同相補償、最小能量補償三種基本策略的有功功率DVR可分別表示為

(12)

(13)

由上述三式可得DVR有功功率與凹陷深度、相角跳變和負(fù)載功率因數(shù)的關(guān)系。跌落前補償雖可補償凹陷電壓的幅值和相角，比較式(11)~式(13)，可看出跌落前補償是一種高耗能補償策略，消耗有功功率為三種補償法中最大。當(dāng)跳變角一定時，DVR輸出的有功功率隨著凹陷深度和負(fù)載功率因數(shù)的增加而增加，這就要求跌落前補償法的直流儲能環(huán)節(jié)有充足的能量。在實際應(yīng)用中，DVR的儲能卻是有限的，輸出功率達(dá)到一定的限值，補償?shù)碾妷褐稻蜁陆?。為使DVR適當(dāng)操作，應(yīng)滿足：

式中：t為串聯(lián)變壓器的匝數(shù)比；mmax為DVR逆變器的最大調(diào)制指數(shù)；DVR為DVR注入電壓；dc為直流電壓。一旦直流電壓降低到最小值，即超過式(14)的限值，DVR便停止補償進(jìn)程以避免負(fù)載電壓的諧波污染。儲存在直流電容中的最初能量為

(15)

經(jīng)過一段時間間隔Δ以后，直流電容器中的電壓由初始值dc減小到dcf，電壓變化量為Δdc。此時儲存在電容器中的最終能量為

由式(16)可得，在Δ期間，直流電容器在穩(wěn)定狀態(tài)下提供的總有功功率為

(17)

將DVR視為一個理想系統(tǒng)，則式(17)中的直流功率與式(11)中的交流功率相等，從而可得出電容的容量。但直流電壓會隨功率的流動而降低，輸出的補償電壓也將降低。相應(yīng)地，直流電容的容量與使負(fù)載電壓正?；謴?fù)的最小直流電壓也限制了DVR輸出的有功功率。此外，直流電壓的梯度ddc/d與DVR注入的有功功率DVR直接成正比。DVR越小，直流電壓的斜率越小，補償時間越長?？芍纳浦绷麟妷旱南陆邓俾士裳娱L補償時間。

基于上述分析，引入另一重要的變量：最大補償時間max，其直接體現(xiàn)了直流電容中儲存能量的利用程度。由式(14)、式(17)可得最大補償時間為

3 優(yōu)化綜合補償策略

根據(jù)以上分析，本文提出了一種優(yōu)化綜合補償策略，通過調(diào)節(jié)DVR注入有功功率的大小對直流電壓的梯度進(jìn)行控制以擴(kuò)展DVR的補償時間。首先利用跌落前補償法使凹陷電壓的幅值和相角恢復(fù)到凹陷前的值，為減少補償過程中負(fù)載側(cè)電壓的相位跳變，引入一個過渡過程將補償電壓逐漸過渡到最小能量注入方式，避免運行點相角直接跳變。這一調(diào)節(jié)過程通常在一到兩個周期內(nèi)實現(xiàn)，恢復(fù)時間短，電壓可恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。詳細(xì)的補償控制過程如下。

3.1 檢測相角跳變

補償初期，為減少電壓畸變，將凹陷電壓的幅值和相角恢復(fù)到凹陷前。由于電容的放電，調(diào)制指數(shù)將增大，經(jīng)過一定的時間，若無充足的能量支撐，DVR將不能進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a償。因此，一旦達(dá)到一定的調(diào)制指數(shù)，跌落前補償便向最小能量補償過渡。

為檢測相角跳變，分別在負(fù)載電壓側(cè)與電網(wǎng)側(cè)利用兩個鎖相環(huán)(PLL)[16]。一旦檢測到凹陷，首先確定DVR注入的初相角以補償負(fù)載側(cè)相角跳變：一方面通過凍結(jié)負(fù)載電壓側(cè)PLL鎖定凹陷前相角VLP，另一方面通過網(wǎng)側(cè)PLL鎖定網(wǎng)側(cè)電壓相角VG。穩(wěn)態(tài)時這兩個角度是相等的，發(fā)生凹陷時兩個相角之差即為相角跳變，可由此計算DVR注入的初相角：

利用空間矢量法檢測電壓跌落，則負(fù)載參考電壓(標(biāo)幺值，1 p.u.)和實際電網(wǎng)電壓(p.u.)之間的絕對值，即凹陷深度(當(dāng)，被認(rèn)為電壓凹陷)，在同步軸參考坐標(biāo)系下可以表示為

(20)

3.2 過渡過程

一旦跌落電壓完全恢復(fù)，經(jīng)過一個到兩個周期的緩沖，使跌落前補償平滑地向最小能量補償過渡。

由1.2節(jié)可知，最小能量法工作在兩種情況：凹陷深度較淺時進(jìn)行無功補償，DVR工作在自給模式，幾乎不從電網(wǎng)中吸收有功功率，或者為克服系統(tǒng)損失只吸收很少的有功功率以維持直流電壓恒定；對于較深的凹陷深度須進(jìn)行最小能量補償，此時DVR向電網(wǎng)注入一定的有功功率，儲存在直流電容器中的能量減小，其電壓也逐漸減小。為維持逆變器輸出端所需的電壓，其調(diào)制指數(shù)將會增大，直到達(dá)到式(14)中的閥值。一旦超過式(14)中的限制，逆變器進(jìn)入超調(diào)變，不能維持額定的負(fù)載電壓。為避免這種情況，本文利用一個迭代控制回路監(jiān)測直流電壓使之不超過最小閥值。

根據(jù)上述分析及式(6)、式(8)，可得DVR注入的終止角final為

式中，表示由于組件損耗引起的變化。在迭代控制環(huán)節(jié)，控制final的衰減率使DVR的直流電壓dc不超過最小限值：

(22)

式中，表示衰減量。為保證平滑地過渡，逐步旋轉(zhuǎn)負(fù)載電壓相位以減小相位跳變對敏感負(fù)荷的影響，給出初始與終止角的轉(zhuǎn)換坡度：

式中，Δtran為過渡曲線的斜率。

3.3 操作過程與控制框圖

如圖3所示，以三個步驟顯示從跌落前補償?shù)阶钚∧芰垦a償?shù)倪^渡。在圖示中，設(shè)凹陷深度超過式(5)的極限，即Δ>(1-cosL)，并伴隨電壓凹陷產(chǎn)生正向相角跳變。DVR首先利用跌落前補償法將凹陷電壓的幅值和相位恢復(fù)到凹陷前，一旦DVR直流電壓或者調(diào)制指數(shù)達(dá)到一定的極限，引入一個過渡過程避免運行點的電壓直接跳變，將補償電壓逐漸過渡到最小能量注入值。過渡過程中，DVR補償?shù)臒o功功率逐漸增大，注入電壓的幅值和相角也逐漸變化，直到A達(dá)到A-opt。

圖3 綜合控制策略的相量圖

如圖4所示為優(yōu)化綜合補償策略的詳細(xì)框圖，根據(jù)式(20)，采用邏輯單元實時監(jiān)控電網(wǎng)電壓的凹陷。將控制系統(tǒng)分為兩個子模塊獲得負(fù)載參考電壓：計算DVR注入初始角與終止角；最小能量補償?shù)倪^渡。通過PLL獲得線電流并作為參考電流以實現(xiàn)有功和無功功率的解耦控制。對于相角檢測模塊，通過 PLL可以計算出跌落前補償?shù)腄VR初始注入角與最小能量補償?shù)慕K止注入角。過渡結(jié)束后，最小能量模塊給出參考電壓。DVR生成的參考電壓與實際的電壓的差值經(jīng)過PI控制器準(zhǔn)確跟蹤DVR的參考電壓，并添加一個前饋控制信號以補償DVR系統(tǒng)的損失。當(dāng)DVR的調(diào)制指數(shù)達(dá)到最大或者直流電壓接近極限時，啟用迭代控制模塊調(diào)節(jié)注入相角final避免超調(diào)變的情況。

圖4 DVR綜合策略控制框圖

4 不同策略補償時間比較與仿真分析

4.1 補償電壓與時間對比

最大補償時間是DVR性能的一項重要參考指標(biāo)。由上述分析，對同相補償、跌落前補償與提出綜合補償?shù)难a償時間進(jìn)行比較。由式(1)、式(12)、式(7)、式(13)，式(9)、式(11)和式(18)，可得圖5(a)所示不同補償策略的最大補償時間隨凹陷深度的變化曲線；凹陷深度一定，改變凹陷跳變角度，其他條件不變時，可得圖5(b)所示不同補償策略的最大補償時間隨跳變角的變化曲線。圖5中A、B、C三條曲線分別代表跌落前補償、同相補償和提出的綜合補償。

圖5 DVR最大補償時間與補償電壓分析

凹陷深度設(shè)為額定電壓380 V的10%到80%的范圍，視在功率為9 kVA，功率因數(shù)保持在0.7(滯后)，相角跳變?nèi)≌蛱?，周期?0 ms，變壓器變比與最大調(diào)制指數(shù)均為1。由圖5(a)可知，在相同凹陷深度下，提出的綜合補償法在所比較的策略中具有最長的凹陷支持時間。當(dāng)凹陷深度為50%時，同相補償比跌落前補償有較高的補償時間，綜合補償法則在同相補償?shù)幕A(chǔ)上提高20個周期。當(dāng)凹陷深度低于30%時，綜合補償策略中DVR工作在自給模式，補償時間可無限長。DVR直流環(huán)節(jié)有功功率的最少化利用，使得其電容放電速率達(dá)到最慢，從而顯著改善補償時間。由圖5(b)可知，當(dāng)凹陷深度為50%，其他條件不變，跳變相角范圍為到時，最大補償時間隨相角跳變的變化趨勢，同相補償與綜合補償?shù)难a償時間隨相角跳變的變化不大，跌落前補償?shù)难a償時間隨相角跳變的變化明顯，綜合補償法具有最長的最大補償時間。

4.2 仿真分析

如圖1所示，以380 V放射狀型電網(wǎng)為例[17-18]，在末端以R-L負(fù)載表示敏感負(fù)荷，跳變相角為，對凹陷深度為50%的三相對稱電壓凹陷進(jìn)行Matlab仿真驗證，其中頻率為50 Hz，周期為 20 ms，過渡曲線斜率Δtran取40 ms。則DVR注入的初始角度為，終止角為。

如圖6所示，其凹陷深度為50%，凹陷開始時間為0.1 s。由DVR在補償階段所注入的電壓與功率可看出，在初始階段一個周期內(nèi)DVR通過注入大量有功功率補償相角跳變，經(jīng)過兩個周期后，逐漸過渡到最小能量補償模式，注入電壓根據(jù)過渡曲線平滑過渡，注入有功逐漸減小并穩(wěn)定。經(jīng)過DVR的恢復(fù)后，負(fù)載電壓的幅值和相位恢復(fù)到穩(wěn)定。

圖6 50%凹陷深度仿真結(jié)果

5 結(jié)論

為治理電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題，避免其敏感負(fù)荷受電壓跌落的影響，本文將 DVR引入其中并對其補償策略進(jìn)行了研究，提出了優(yōu)化綜合補償策略。在電壓跌落初期采用跌落前補償，準(zhǔn)確檢測相角跳變，實現(xiàn)電壓幅值與相角的完全補償，兩個周期后過渡到最小能量補償，采用一定的轉(zhuǎn)換坡度，逐步旋轉(zhuǎn)電壓相位減小相位跳變對敏感負(fù)載的影響。當(dāng)凹陷深度過大，DVR的調(diào)制指數(shù)或直流電壓接近極限時，采用迭代循環(huán)控制避免超調(diào)變。本文的綜合策略結(jié)合跌落前補償及最小能量法的優(yōu)點，對不同特點的三相對稱電壓跌落有良好的補償效果，但對于三相不平衡電壓跌落，需建立更精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。仿真結(jié)果表明，該方法簡單易行，可實時準(zhǔn)確補償電壓跌落幅值及相角，擴(kuò)大補償范圍，減小了補償過程中的能量消耗，顯著延長了補償時間，滿足DVR 快速準(zhǔn)確投切的要求。

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(編輯 魏小麗)

An optimized compensation strategy of DVR for gird voltage sag compensation

LI Zhengming, LI Wenwen, ZHANG Guosong, LIU Liang

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

To solve the voltage sag problems of grid caused by sensitive load and improve the compensation efficiency of dynamic voltage restorer (DVR), an optimized comprehensive strategy is proposed. Firstly, the power flow and the maximum compensation time of DVR are analyzed using three basic compensation strategies. Then, the phase jump is corrected by pre-sag compensation. And, a transition curve, which involves the injected voltage phases of pre-sag strategy and minimum energy strategy, is used to transform pre-sag compensation to minimum energy compensation of DVR. As a result, the proposed strategy increases the supporting time for long voltage sags. The analytical study shows that the presented method significantly increases compensation time of DVR. The simulation results performed by Matlab/Simulink also confirm the effectiveness of the proposed method. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51477070).

voltage sag; dynamic voltage restorer; compensation time; comprehensive compensation strategy

10.7667/PSPC151660

國家自然科學(xué)基金資助項目(51477070)；江蘇省優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(蘇財教[2014]37號)

2015-09-16；

2015-12-24

李正明(1958-)，男，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向為微電網(wǎng)及配電系統(tǒng)的保護(hù)與控制；E-mail: lzming@ ujs.edu.cn 李文文(1990-)，女，通信作者，碩士研究生，主要研究方向為微電網(wǎng)及配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析與控制；E-mail: likerong90@163.com 張國松(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源、光伏發(fā)電的研究。