基于三相電壓追蹤法的動態(tài)電壓恢復(fù)器仿真研究

吳扣林，陸朱衛(wèi)

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.三江學(xué)院，江蘇 南京 210012）

基于三相電壓追蹤法的動態(tài)電壓恢復(fù)器仿真研究

吳扣林1，陸朱衛(wèi)2

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.三江學(xué)院，江蘇 南京 210012）

電力系統(tǒng)中電壓驟升或驟降、電力諧波、三相不平衡等狀況都可能導(dǎo)致電子、電機設(shè)備無法工作，甚至損壞。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，能在1～2毫秒之內(nèi)產(chǎn)生補償電壓，抵消系統(tǒng)電壓所受干擾，使負荷側(cè)電壓感受不到擾動，保證了敏感負荷的安全可靠運行。文章設(shè)計了一種基于三相電壓追蹤法的動態(tài)電壓恢復(fù)器，采用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，仿真結(jié)果表明在電壓發(fā)生驟降時，可以有效補償電壓損失，保證輸出電壓的穩(wěn)定，證明了該方法的有效性。

動態(tài)電壓恢復(fù)器；三相電壓追蹤法；電壓驟降；MATLAB/SIMULINK

隨著高科技產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，許多精密設(shè)備被廣泛地使用，使得高科技產(chǎn)業(yè)用戶對電能質(zhì)量的要求比傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)嚴格很多。而電能質(zhì)量問題導(dǎo)致高科技廠商生產(chǎn)中斷的事故時有發(fā)生，因此有效地解決電能質(zhì)量問題在電力界與高科技產(chǎn)業(yè)有著重要的意義。

電能質(zhì)量的問題中以短暫性的電力中斷、電壓跌落與諧波最為常見。補償電壓跌落比較理想的選擇為串聯(lián)式電壓控制器，其中最典型的設(shè)備便是動態(tài)電壓恢復(fù)器，它根據(jù)被檢測線路的電壓波形，產(chǎn)生補償電壓，使合成的電壓動態(tài)維持恒定。因此，無論是短時的電壓低落還是過電壓，通過動態(tài)電壓調(diào)節(jié)都可以使負載上的電壓保持恒定[1-3]。

本文設(shè)計一種基于三相電壓追蹤法的動態(tài)電壓恢復(fù)器，該方法采用電源系統(tǒng)電壓作為基準，產(chǎn)生三相基準正弦信號，根據(jù)負載電壓和基準電壓之間的誤差產(chǎn)生PWM控制信號，控制電壓型逆變器工作，輸出補償電壓來補償負載電壓的變化。

1 動態(tài)電壓恢復(fù)器的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 DVR的結(jié)構(gòu)

動態(tài)電壓恢復(fù)器系統(tǒng)的整體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要部分包括：（1）耦合變壓器；（2）換流器；（3）濾波器；（4）相關(guān)控制電路；（5）備用電源。本系統(tǒng)主要功能是保護重要負載在用電端發(fā)生異常電壓擾動時，不受其影響而持續(xù)穩(wěn)定的運行。此外，由于近年來非線性負載的激增，導(dǎo)致電源電壓波形畸變的問題日趨嚴重，而畸變的電源電壓也會影響計算機及精密設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)[4-5]。

1.2 DVR的原理

動態(tài)電壓恢復(fù)器安裝于配電系統(tǒng)中如圖2所示，當(dāng)用電上游或同一總線上的鄰近支路發(fā)生接地故障時，會導(dǎo)致在總線上的電壓產(chǎn)生電壓跌落，而串聯(lián)于敏感性負載前端的動態(tài)電壓恢復(fù)器能快速地檢測出用電端發(fā)生電壓擾動，并借助與用電回路串聯(lián)的變壓器適當(dāng)?shù)匾胍唤M補償電壓，使負載端的電壓能維持穩(wěn)定而不受用電電壓跌落所影響。

圖1 動態(tài)電壓恢復(fù)器

圖2 DVR電壓補償示意

動態(tài)電壓恢復(fù)器的電壓補償向量圖如圖3所示，以一相為例，其中總線電壓為VS、串聯(lián)變壓器所引入的補償電壓為VC、期望的負載電壓為VL,REF、負 載 電 流 為IL，并假設(shè)VS為參考相位（∠VS= 0）。當(dāng)用電端發(fā)生電壓跌落時，由串聯(lián)變壓器所引入的補償電壓可表示如下：

而流經(jīng)串聯(lián)變壓器用電側(cè)繞組的功率可表示如下：

其中δ為DVR的輸入與輸出端電壓相角差，而θ為負載的功率因數(shù)角。

圖3 DVR的電壓補償向量

若采用同相補償?shù)姆椒?，則δ=0。則公式（2）可重新表示如下。

由式（3）可知，此時變壓器的換流器側(cè)繞組需提供相同大小的能量以維持能量平衡，因此公式（3）可用來評估換流器側(cè)所需的備用電源容量大小。所以，要想保持負載電壓為所期望的定值，DVR的容量將與要補償?shù)南到y(tǒng)額定電流以及想要補償?shù)挠秒婋妷旱湔穹笮∠嚓P(guān)。

2 DVR控制系統(tǒng)設(shè)計

本文采用三相電壓追蹤控制法，控制系統(tǒng)如圖4所示，包括零點檢測電路，帶通濾波電路（BPF），相位調(diào)節(jié)器，振幅調(diào)節(jié)器，相移電路，PWM驅(qū)動電路，電壓型逆變電路（VSI）。

圖4 DVR控制系統(tǒng)

VSa為電壓反饋信號，它由電壓互感器從電源側(cè)獲得，經(jīng)過零點檢測電路可得到與電源電壓同相位的方波，再經(jīng)過50Hz的帶通濾波器就可以產(chǎn)生參考正弦波。由于帶通濾波器的傳遞延遲特性會導(dǎo)致產(chǎn)生的參考正弦波相位落后于電源電壓的相位，而為了達到同相補償?shù)哪康?，必須通過相位調(diào)整電路將其落后的相位做一個校正，使參考的正弦波相位延遲并與下一周期電源電壓同相位，最后通過振幅調(diào)整電路設(shè)定參考信號的振幅大小。該信號為A相參考電壓，將A相參考電壓分別相移120°和240°，以產(chǎn)生一組三相平衡的參考信號，在相移的過程中信號有經(jīng)過了過零點檢測、帶通濾波以及振幅調(diào)整以避免信號失真與振幅跳動。同時將反饋的三相負載電壓信號與產(chǎn)生的三相參考信號比較，即可得到需要補償?shù)恼`差信號，而將此誤差信號經(jīng)過比例控制器加快其響應(yīng)速度后，便送到PWM調(diào)制器產(chǎn)生換流器的功率開關(guān)所需的控制信號，這樣就能使負載電壓追隨該參考信號而保持三相平衡且波形為正弦波。

3 仿真分析

根據(jù)DVR控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方法，采用MATLAB/ SIMULINK建立仿真模型，仿真結(jié)果如圖5—8所示。

圖5 三相接地故障電壓和參考電壓

圖6 單相接地故障電壓和參考電壓

圖7 三相接地故障時故障電壓、負載電壓、補償電壓

圖8 單相接地故障時故障電壓、負載電壓、補償電壓

圖5—6分別為系統(tǒng)鄰近分路發(fā)生三相接地故障與單相接地故障時的故障電壓和控制器產(chǎn)生的三相參考電壓 ，從圖中可看出不論用電端是否發(fā)生電壓驟降，控制器都將追蹤A相電壓，并以其為依據(jù)產(chǎn)生一組三相平衡的參考電壓信號。

圖7—8分別為系統(tǒng)鄰近分路發(fā)生三相接地故障與單相接地故障時，用電端電壓、負載端電壓和DVR產(chǎn)生的補償電壓。從圖中可看出當(dāng)電壓驟降時，換流器將立即啟動，而換流器投入的瞬間產(chǎn)生的瞬時電壓較小，而補償后的負載端電壓約在10毫秒內(nèi)便能趨于穩(wěn)定，有效地提高了電能質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于三相電壓追蹤法的動態(tài)電壓恢復(fù)器，該方法根據(jù)被檢測線路的電壓波形，產(chǎn)生補償電壓，使合成的電壓動態(tài)維持恒定。利用MATLAB/SIMULINK建立了仿真模型，從仿真結(jié)果可以看出，該方法有效地補償串聯(lián)回路上產(chǎn)生的壓降，使得輸出電壓穩(wěn)定，有效改善了電能質(zhì)量。

[1]克長賓，李永麗.動態(tài)電壓恢復(fù)器的電壓跌落綜合補償策略研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012（17）：94-99.

[2]王樹東.動態(tài)電壓恢復(fù)器控制策略的研究與仿真[J].電氣自動化，2011（3）：26-28.

[3]胡軍.電壓不平衡跌落時動態(tài)電壓恢復(fù)器的快速PLL策略[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2016（5）：87-93.

[4]孫秋野，李海濤.電力系統(tǒng)分析[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[5]李庚銀.電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

Simulation research of dynamic voltage restorer based on three-phase voltage tracking method

Wu Koulin1, Lu Zhuwei2
（1.Nanjing NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2. Sanjiang University, Nanjing 210012, China）

The voltage swell or sags, harmonic and three-phase unbalance conditions may lead to electronic and electrical equipment not working, or even damaging. Dynamic voltage regulator, can generate compensation voltage within 1～2 milliseconds, offset the interference of the system voltage, so that the load side voltage can not be disturbed,which ensures the safe and reliable operation of sensitive load. The article designs a dynamic voltage restorer based on three-phase voltage tracking method and adopts MATLAB/SIMULINK to build simulation model. The simulation results show that when the voltage sag suddenly, it can effectively compensate the voltage loss to ensure thes stability of the output voltage which proves the effectiveness of such method.

dynamic voltage restorer; three-phase voltage tracking method; voltage sag; MATLAB/SIMULINK

吳扣林（1984— ），男，江蘇南通，工程師；研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護。