線間多功能DVR的工作機理及仿真分析

劉子維，涂春鳴，姜 飛，楊 健，魏 釗

線間多功能DVR的工作機理及仿真分析

劉子維，涂春鳴，姜 飛，楊 健，魏 釗

(國家電能變換與控制工程技術研究中心(湖南大學)，湖南 長沙 410082)

動態(tài)電壓恢復器(DVR)是一種電能質量的高效治理裝置。提出了一種中壓饋線間共直流側的多功能DVR拓撲，包含兩個串聯(lián)型變流器。其中一組用于濾除饋線上非線性負載產生的電壓諧波，并維持直流側電壓穩(wěn)定。另一組具有動態(tài)電壓補償功能，可實現(xiàn)其他饋線上的電壓擾動抑制，并在負載側發(fā)生短路故障時，具有快速故障電流限制功能。結合濾波與穩(wěn)壓控制、電壓電流雙閉環(huán)比例諧振控制，分析了拓撲運行機理、切換過程。仿真結果驗證了所提拓撲及控制策略的正確性。

動態(tài)電壓恢復器；饋線間；多功能；諧波補償；故障電流限制

0 引言

隨著配網用戶側敏感性負載的逐漸增多，電壓波動的有效抑制逐漸成為電能質量治理的重點工作之一[1]。由于動態(tài)電壓恢復器(Dynamic voltage compensation, DVR)能夠快速高效地解決電壓暫升、暫降問題，因此得到了學者廣泛研究[2-4]。

傳統(tǒng) DVR的補償策略主要有全補償、同相位補償及最小能量補償三種[5]，三者各有優(yōu)劣，可針對具體場合要求選擇不同補償方法。目前，較多文獻針對 DVR的優(yōu)化控制策略、改進拓撲等內容展開了深入研究。優(yōu)化控制策略方面：文獻[6]基于雙dq變換的軟件鎖相方法，能夠準確檢測基波正序相位，達到更好的補償效果；文獻[7]運用一組諧振器的等效模塊，結合零相移陷波器的設計增加系統(tǒng)阻尼，有效抑制了電網基波與諧波擾動；文獻[8]通過分析雙閉環(huán)控制的電流內環(huán)作用效果，提出了略去電流內環(huán)的雙前饋控制方法及控制器參數設計方法，易于實現(xiàn)且節(jié)省成本。文獻[9-10]采用PR控制器，提出了同時優(yōu)化補償基波電壓、諧波電壓策略，具有更為廣泛應用場合；文獻[11]提出DVR模型預測控制復合策略，提高了系統(tǒng)響應速度。

改進拓撲結構方面：文獻[12-14]創(chuàng)新提出了一種具有短路故障限流的多功能動態(tài)電壓恢復器，該拓撲既能補償電壓跌落，又能限制短路故障電流，并給出了其與繼電保護的交互影響。文獻[15]提出了單條饋線上的雙 DVR拓撲結構，根據實際情況對雙DVR采取不同分工，可有效提高電壓跌落補償深度及裝置運行效率。文獻[16-18]提出了一種共直流側的雙 DVR拓撲，當一條線路電源側發(fā)生電壓跌落時，可通過另一條線路上 DVR提供有功能量，補償跌落深度較大。文獻[19]提出的多換流器式統(tǒng)一電能質量調節(jié)器(Multiconverter Unified Power Quality Conditioner, MC-UPQC)可看作一種多功能 DVR拓撲，通過合理分配與饋線相連的各變流器作用實現(xiàn)不同功能需求，起到網絡互聯(lián)作用。

另一方面，考慮到配電網中負載類型趨向多樣、復雜，所造成的電能質量問題(例如：諧波電流、諧波電壓、電網電壓波動等)日趨嚴峻；電網短路故障所產生的大電流將對DVR裝置本身造成嚴重危害。若在電網中安裝多種不同類型的電能質量治理裝置及故障電流限制裝置，勢必增加電網投資。基于以上問題及已有研究成果[12-14]，本文提出了一種線間多功能 DVR拓撲，能夠滿足不同負載類型的供電質量及短路故障電流限制需求：首先，介紹了多功能DVR的拓撲結構與運行機理；其次，提出了不同變流器在雙饋線間分工協(xié)作的聯(lián)合控制策略，分析了諧波補償與直流側穩(wěn)壓控制、電壓補償功能控制、限流功能控制；最后，采用PSCAD仿真軟件搭建模型驗證了所提拓撲多功能有效。

1 具有限流功能的DVR

圖1為具有限流功能的單相DVR拓撲結構[12]，包括：串聯(lián)變壓器、串聯(lián)變流器、LC輸出濾波器、含雙向晶閘管的限流支路S。當系統(tǒng)電壓發(fā)生暫降、抬升時，裝置運行在電壓補償模式，此時不給雙向晶閘管觸發(fā)脈沖，LC濾波器主要為了濾除變流器所產生的高次諧波[20]；當負載側發(fā)生短路故障時，立即封鎖故障相變流器IGBT觸發(fā)脈沖，并延遲觸發(fā)雙向晶閘管導通，與濾波電感L構成回路，將濾波電感L通過串聯(lián)變壓器接入電網，限制短路故障電流。此外，在雙向晶閘管支路上串聯(lián)小電感L0，不僅配合L在短路時發(fā)揮限流作用，而且能限制因雙向晶閘管瞬間導通時帶來的沖擊。

圖1 單相具有限流功能的DVRFig. 1 A single-phase DVR with current limiting function

當電源側發(fā)生電壓波動時，串聯(lián)變流器輸出的高頻方波電壓經LC濾波后，經電容輸出對應補償電壓，保證負載側電壓穩(wěn)定，滿足

式中：uL為負載兩端電壓；usag為系統(tǒng)跌落電壓；udvr為DVR經串聯(lián)變壓器輸出補償電壓。

The load characteristic equation of the brushless DC motor is

式中，k為串聯(lián)變壓器變比?？紤]到串聯(lián)變壓器二次側電流為系統(tǒng)電流的k倍，故設計濾波電感L時應考慮其寄生電阻發(fā)熱效應，防止過熱燒壞。電容兩端電壓為uC=us/k，則電流有效值為

此外，電容選型時還應該考慮一定的裕量。由于整個限流過程可以在十幾毫秒內完成，具有限流功能的 DVR應在瞬間限制故障電流，并能配合繼電保護裝置切除故障。為了保證繼保裝置的靈敏性，限流后的電流ire不能太小，即L+L0不能過大。綜上，補償模式下L、C為串聯(lián)輸出變流器的濾波器，而限流模式下L、L0為系統(tǒng)的限流電感。

2 線間多功能DVR

基于已有研究成果，本文提出的一種線間多功能DVR如圖2所示。饋線1帶電壓型諧波負載，饋線2帶敏感性負載。單元1具有諧波電壓補償與直流側電壓控制功能，單元 2即為帶限流功能的DVR。整個工作過程是：通過單元1濾除非線性負載Zl1諧波電壓，并維持直流側電壓穩(wěn)定；當敏感負載Zl2所在饋線2系統(tǒng)發(fā)生電壓波動時，通過饋線1與直流側能量交換，并為饋線2提供補償能量。同時，若饋線2發(fā)生短路故障，則單元2按照前文所述進行限流控制。

2.1 諧波補償與直流側電壓控制

圖2 線間多功能DVR的雙饋線系統(tǒng)Fig. 2 Dual-feeder system with multi-functional interline DVR

由瞬時無功功率理論可知，利用dq基波同步旋轉坐標變換法可將基波轉變?yōu)橹绷髁?，而各次諧波次數皆下降一階[21]，變換后經低通濾波器得到直流量即為基波有功與無功分量。直流分量經dq反變換后得到原始信號基波分量，其與原信號作差得到所需濾除的諧波信號，將其作為PWM指令控制開關器件的通斷即可濾除相應的諧波。在此過程中，由于要保證直流側電壓穩(wěn)定，加入部分有功分量作為能量傳遞指令，因此，可考慮將直流側電壓與給定值所得誤差信號，經PI控制后與有功信號疊加，控制流程如圖3所示。

圖3 諧波補償與穩(wěn)壓控制圖Fig. 3 Harmonic compensation and voltage control diagram

對補償串聯(lián)諧波來說，最終指令信號為諧波信號uckh與部分基波有功信號ucf(k=a、b、c)，與三角調制波比較后給變流器橋路開關通斷信號。

2.2 電壓補償功能實現(xiàn)

電壓補償采用電壓電流雙閉環(huán)結合前饋型復合PWM控制策略。前饋控制可提高響應速度，電壓外環(huán)采用比例準諧振控制，用以過濾基波，且準諧振的存在可以提高系統(tǒng)抗干擾能力、增加諧振帶寬及消除穩(wěn)態(tài)誤差，電流內環(huán)采用比例控制來提高響應速度及系統(tǒng)阻尼[22-23]，控制過程如圖4所示。其中，ucref、uinv及uc分別為指令電壓、逆變器輸出高頻方波電壓和LC濾波器輸出電壓，kc、kpwm為電流內環(huán)比例增益和等效逆變器增益，GPR為比例諧振控制器傳遞函數。

圖4 電壓補償雙環(huán)控制Fig. 4 Dual-loop control of voltage compensation

依據圖 4，串聯(lián)變壓器輸入電流 it作為傳遞函數干擾量，穩(wěn)態(tài)情況下可忽略其影響，由此將系統(tǒng)外環(huán)傳遞函數前向通道分三部分：比例諧振控制器、電流內環(huán)與硬件調理部分，三者表達式為

圖5 兩種環(huán)節(jié)Bode圖Fig. 5 Two-link Bode diagram

2.3 限流功能實現(xiàn)

限流過程通過S支路完成。首先，檢測系統(tǒng)的短路故障電流大小，設系統(tǒng)正常工作時最大電流為imax，給定一個裕量系數kre(kre>1)，若電流滿足

則判定為系統(tǒng)處于非正常運行狀態(tài)。排除短時沖擊性負荷干擾，根據實際情況設定檢測周期數n，若在連續(xù)n個電流檢測周期中，都有式(7)成立，認為系統(tǒng)發(fā)生短路故障；之后，先封鎖故障相對應變流器橋臂，經 delay延遲后觸發(fā)雙向晶閘管導通，將L、L0接入系統(tǒng)限流。該控制過程能夠避免系統(tǒng)因電機啟停導致電流短時沖擊影響，控制流程如圖6所示。

圖6 限流控制流程圖Fig. 6 Flow chart of current limiting control

3 仿真分析

基于圖2的雙饋線系統(tǒng)，運用PSCAD/EMTDC軟件搭建仿真模型。其中，饋線1接三相不可控整流及容阻負載，饋線2接敏感性純電阻負載，仿真系統(tǒng)參數見附表1。Zl1表示容阻值，Zl2為單相電阻值。饋線2系統(tǒng)電壓在0.15~0.25 s發(fā)生三相電壓跌落，且在0.3~0.4 s時，負荷側發(fā)生接地短路故障。

1) 系統(tǒng)未發(fā)生短路故障情況下，饋線1濾波與穩(wěn)壓控制作用結果如圖7、圖8所示：濾波前后，THD由原來86%降為5.78%，諧波含量大大降低；直流側電壓基本維持在給定點附近，但饋線2系統(tǒng)電壓在0.15~0.25 s，由于對電壓的補償導致電壓有小幅下降。另外，因諧波的存在使得經dq變換后有功分量含有交流成分，直流側電壓存在小幅波動。

圖7 前后諧波FFT分析Fig. 7 FFT analysis before and after harmonic

圖8 直流側穩(wěn)壓控制Fig. 8 DC side voltage control

圖9 、圖10分別為三相系統(tǒng)電壓的對稱與不對稱電壓跌落及其補償效果：對稱跌落中，三相跌落深度為11.67%；不對稱跌落中，a、b、c相跌落深度分別為 11.67%、8.21%、-7.38%(電壓抬升)。由補償后的負載電壓可以看出，在一定的電壓波動范圍內，采用三相四線制變流器進行補償，無論電壓對稱還是非對稱跌落，線間多功能系統(tǒng)都可以很好地抑制負荷電壓波動，維持負荷側電壓穩(wěn)定，且不影響?zhàn)伨€1濾波與穩(wěn)壓性能。

圖9 電壓對稱跌落補償Fig. 9 Voltage symmetrical drop compensation

圖10 電壓非對稱跌落補償Fig. 10 Voltage asymmetric drop compensation

圖11 三相接地故障限流Fig. 11 Current limiting of three-phase ground fault

圖12 兩相接地故障限流Fig. 12 Current limiting of two-phase ground fault

2) 圖11、圖12分別為三相接地故障與a、b兩相接地故障時線路電流的前后限制對比：對比可知，限流支路S對短路電流有一定限制作用，且三相四線制在補償電壓時相互獨立，受其他相影響較小。結果表明，限流型 DVR結構對對稱故障與非對稱故障下的短路電流均有很好限制作用，且不會對正常相產生影響。限流后電流大小控制在短路電流60%以內，且能夠通過對L0靈活調控，改變限流程度，配合繼保裝置整定值。

另外，在0.3~0.4 s故障期間，當檢測到短路電流，應先鎖定對應橋臂IGBT，設定死區(qū)延遲0.5 ms，之后導通雙向晶閘管限流支路 S；而在故障消除時應立即封鎖S支路，不再延時，晶閘管作用信號如圖13所示，在故障期間給予高電平觸發(fā)信號，正常情況下為低電平，保證限流過程順利進行。

圖13 晶閘管作用信號Fig. 13 Control signal of the thyristors

4 結論

1) 本文提出了一種饋線間多功能DVR拓撲結構，當電網正常運行時，對線路諧波具有良好抑制效果，能夠保證其他線路敏感負載電壓穩(wěn)定；當電網負載側發(fā)生短路故障時，能夠及時限制短路電流，降低大電流帶來的危害。

2) 所提線間多功能DVR，適用于復雜配電網的供電環(huán)境，可實現(xiàn)對不同負載類型的可靠供電；兩個串聯(lián)單元通過共用直流側，可減少一套整流裝置，節(jié)省電網投資成本。

3) 由于饋線間多功能DVR具備多種功能，可高效應用于配電網，具有重要科學意義和工程價值。此外，對于此類型設備與電網的交互影響將是下一步工作重點。

附錄

附表1 仿真系統(tǒng)參數Table 1 System parameters of the simulation

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(編輯 周金梅)

Mechanism and simulation analysis of multi-functional interline DVR

LIU Ziwei, TU Chunming, JIANG Fei, YANG Jian, WEI Zhao
(National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center (Hunan University), Changsha 410082, China)

Dynamic voltage restorer (DVR) is one of the fast and efficient compensation devices for the power quality. A multi-function DVR topology structure with common DC side is presented. It is installed between medium voltage feeders and includes two series converters. One of them is to filter the voltage harmonics generated by nonlinear loads on one feeder, and to keep DC-link voltage constant. The other can compensate dynamic voltage and suppress the voltage disturbance. It also have a fast current limiting function under the short-circuit fault conditions. Combined with filtering and voltage control, and double closed loop proportional-resonant control of voltage and current, the operational mechanism and the switching process of the new topology are introduced. Finally, simulation results show the validities of the proposed topology and control scheme. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51377051).

dynamic voltage restorer; interline; multifunction; harmonic compensation; fault current limiting

2015-10-30；

2016-01-21

劉子維(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用；E-mail: lzw_2016fly@126.com

涂春鳴(1976-)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用；

姜 飛(1985-)，男，博士研究生，研究方向為電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用。

10.7667/PSPC151916

國家自然科學基金項目(51377051)