級(jí)聯(lián)多電平動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器補(bǔ)償與控制策略的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周珊+孟祥宇

摘 要：動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）是一種串聯(lián)在電力系統(tǒng)和負(fù)載間的能量補(bǔ)償裝置。文章以級(jí)聯(lián)多電平動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器為研究對(duì)象，介紹了DVR裝置的組成成分、工作過(guò)程以及主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等；提出了改進(jìn)最小能量補(bǔ)償方法，優(yōu)化了控制策略。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，該級(jí)聯(lián)多電平動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器具有快速補(bǔ)償?shù)潆妷旱哪芰Γ掷m(xù)時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行可靠性高，解決了敏感負(fù)載用電質(zhì)量問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器；單相SPWM；電壓暫降

中圖分類號(hào)：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）30-0123-03

引言

隨著電力建設(shè)的不斷擴(kuò)張，電能質(zhì)量作為評(píng)估電力系統(tǒng)的一個(gè)重要方面，其地位越來(lái)越不可忽視。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于負(fù)荷用電安全威脅最大的電能質(zhì)量問(wèn)題主要是電壓跌落[1]（Voltage Sags）以及瞬時(shí)供電電壓中斷。電壓跌落發(fā)生的頻率最高，引起的原因有雷擊、短路故障、大型電力設(shè)備的啟動(dòng)以及負(fù)荷突然增加等。針對(duì)此類問(wèn)題，電壓恢復(fù)器應(yīng)運(yùn)而生，DVR以其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的運(yùn)行可靠性成為了目前治理供電電壓跌落，保證電網(wǎng)供電質(zhì)量最為有效的電力電子設(shè)備。

將級(jí)聯(lián)多電平技術(shù)[2]應(yīng)用于DVR裝置，提高輸出電壓的電平數(shù)，增大裝置的電壓等級(jí)，解決了電力電子裝置對(duì)變換器容量的限制，改善了輸出電壓的諧波特性，實(shí)現(xiàn)了DVR裝置在高壓、大容量系統(tǒng)中的應(yīng)用。文章通過(guò)采用合理的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法以及改進(jìn)的能量補(bǔ)償策略[6]，提升了裝置的動(dòng)態(tài)性能，改善了電能質(zhì)量，其結(jié)果具有重要意義。

1 級(jí)聯(lián)型DVR的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文選取具有獨(dú)立儲(chǔ)能電容的級(jí)聯(lián)多電平逆變器結(jié)構(gòu)[3～4]作為高壓、大容量條件下DVR裝置的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

逆變器結(jié)構(gòu)由多個(gè)級(jí)聯(lián)H橋逆變單元構(gòu)成，各個(gè)逆變器都由相互獨(dú)立且幅值與頻率相同的直流側(cè)電容電壓供電。這一特點(diǎn)使得DVR經(jīng)過(guò)耦合電容后可以直接接入電網(wǎng)當(dāng)中，對(duì)于實(shí)現(xiàn)DVR在高壓、大容量系統(tǒng)中的應(yīng)用十分重要。

2 能量?jī)?yōu)化補(bǔ)償

改進(jìn)型最小能量補(bǔ)償法[9]系統(tǒng)向量如圖2。

為確保系統(tǒng)正常工作，負(fù)荷電壓在橫軸上的分量必須等于δU，因此：

發(fā)生跌落后，負(fù)荷參考電壓為UL，相位跳變?yōu)椤鳓?，因此?fù)載有功功率PL、系統(tǒng)有功功率PS和DVR補(bǔ)償?shù)挠泄β蔖dvr分別表示為：

其中只有δ（暫降后系統(tǒng)電壓與負(fù)荷參考電壓的夾角）是未知量。

下面對(duì)DVR的兩種狀態(tài)進(jìn)行分析：

（1）零有功功率注入狀態(tài)

通過(guò)選取合適的δ使DVR裝置與電力系統(tǒng)之間沒(méi)有有功功率的損耗。

令Pdvr=0則有

等式成立，需滿足約束條件

滿足上述條件，則DVR可工作在零有功功率注入狀態(tài)。

（2）最小有功功率補(bǔ)償狀態(tài)

當(dāng)約束條件不滿足時(shí)，選取合適的δ使裝置在滿足補(bǔ)償要求的同時(shí)輸出的有功功率最小。

對(duì)Pdvr求導(dǎo)并令其在δn的一階導(dǎo)數(shù)等于零

通過(guò)對(duì)故障前后系統(tǒng)電壓、補(bǔ)償電壓、負(fù)荷電流之間進(jìn)行關(guān)系推導(dǎo)，確定了最小有功功率補(bǔ)償?shù)臈l件，縮短了過(guò)渡過(guò)程，更加容易控制。

3 控制策略

實(shí)際工程應(yīng)用中，多采用負(fù)載電壓外環(huán)，濾波電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略[7～8]。本文將采取改進(jìn)的比例諧振控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

其中，kp是比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，而諧振調(diào)節(jié)器的增益由kr決定，增加阻尼系數(shù)ωc用于設(shè)定控制器的帶寬，需適當(dāng)?shù)剡x擇三個(gè)參數(shù)kp，kr和ωc。

（1）設(shè)kp=0，ωc=10rad/s，僅kr變化下系統(tǒng)的伯德圖（圖3）

（2）設(shè)kp=0，kr=10，僅ωc變化下系統(tǒng)的伯德圖（圖4）

（3）設(shè)kr=10，ωc=5rad/s，僅kp變化下系統(tǒng)的伯德圖（圖5）

綜上所述，選取PR控制器的各個(gè)參數(shù)分別為：ωc=20rad/s，kp=10，kr=500。

通過(guò)分析，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖如圖6。

根據(jù)圖6，設(shè)G1（S）為P調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)；G2（S）為比例諧振控制器傳遞函數(shù)，得到輸出電壓的傳遞函數(shù)為：

由于在基波頻率ω0處G1（S）G2（S）的增益很大，擾動(dòng)量的作用接近于零，可忽略不計(jì)，輸出電壓能夠精確跟蹤負(fù)載參考電壓，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制。

比例諧振控制的仿真結(jié)果：

設(shè)電力系統(tǒng)在0.1s發(fā)生25%的電壓跌落，持續(xù)時(shí)間為1s。

4 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是目前解決電網(wǎng)電壓跌落最為有效的補(bǔ)償裝置。文中通過(guò)采用合理的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法以及改進(jìn)的能量補(bǔ)償策略對(duì)DVR裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真結(jié)果可看出DVR裝置具有良好的動(dòng)態(tài)性能，可以快速的完成電壓檢測(cè)與能量補(bǔ)償。

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