动态电压恢复器恒相电压补偿仿真

动态电压恢复器恒相电压补偿仿真

刘天羽

【摘 要】介绍一种三相独立式的动态电压恢复器（DVR），通过采用比例一积分（PI）控制算法对DVR进行恒相位补偿研究，以提高DVR的响应时间和补偿能力。应用Matlab进行系统仿真，仿真结果说明了该方法具有良好的动态性能与补偿效果。%This article introduces the application of voltage-oriented

control on dynamic voltage restorer（DVR）, and studies the constant

phase compensation. A DVR system is simulated using Matlab. The

results show excellent dynamic and static performances of the system, and

thus indicate correctness and effectiveness of the proposed scheme.

【期刊名称】《上海电机学院学报》

【年(卷),期】2011(014)006

【总页数】5页(P361-365)

【关键词】动态电压恢复器;恒相电压补偿;电压跌落

【作 者】刘天羽

【作者单位】上海电机学院电气学院,上海200240

【正文语种】中 文

【中图分类】TM761

目前，电能已成为人们使用最为普遍的能源。电力部门不仅需要满足用户对电能不断增长的需要，还要满足用户对电能质量的要求。电能质量主要是指公共电网供给用户端的交流电能的品质，包括提供电能的频率、电压和波形是否合格，以及在合格的电能下工作，如何使用电设备效率最高、性能最好。电压质量是电能质量的一个重要组成部分，常用实际电压与理想电压的偏差来衡量供电企业向用户端供应的电能的质量。

电压暂降是供电电压在较短的时间内突然出现电压下降的现象，典型持续时间约0.5～30周波，通常不超过1s。在工程中，电压暂降通常用暂降幅度和持续时间来描述［1-2］。一般，电压暂降幅度深，持续时间较短；反之，则持续时间较长。电压暂降属于电能质量的范畴。根据美国电力科学院的统计，90%以上的电能质量问题是由电压暂降和电压突升造成的，其中电压暂降情况占较大的比例，是主要的事故原因。引起电压暂降的原因很多，如感应电机启动、输配电系统中发生短路故障、开关操作、雷击、变压器及电容器组投切等，其中主要原因是短路故障、雷击、和大型异步电动机启动等［3-4］。近年来，短时断电合电压暂降、跌落问题也引起了我国广大用户，特别是大型医院、科技园区、军工单位和重要的政府部门、供电公司和制造商的关注，因此对由电压跌落和暂降等引起的短时电能质量问题的治理迫在眉睫。

最近数十年来，由于系统中发电机、电动机、变压器等非线性和不对称设备的大量加入，使负荷性质多变，导致了大量电能质量问题的出现，如电压跌落、闪变、电流谐波、不平衡等，严重影响了电力系统的稳定运行和敏感性用户的用电安全，带来的经济损失也在迅速增加［5-6］。为此，人们提出并试验了许多方案，如针对电流问题采用有源滤波器、针对电压问题采用DVR、针对无功补偿采用静态无功发生器、针对敏感性负荷采用不间断电源等。DVR采用合适的控制方法使备用电压源产生合适的输出，用于抵消因电力系统的扰动对电力负载电压造成的不良影响等。DVR既可综合治理配电系统中的动态电压质量问题，如浪涌、跌落等，也可治理稳态电压质量问题，如波动、谐波、三相不平衡等，故其是一个多目标的电压质量综合治理装置［7-8］。

1996年8月，美国西屋电气公司与美国电科院合作成功研制并安装了世界上第一台DVR。此后，世界上许多研究机构和生产厂家纷纷研制了各自的DVR装置。在国内，清华大学柔性输配电系统研究所从1996年起开展了DVR领域的技术研究，经过理论研究、实验装置、工业样机等阶段，目前已达实际应用阶段，已有多台工业装置在电力及信息部门等现场运行，状况良好。结果表明：研制这些设备能有效解决电力系统的动态及稳态电压质量问题。

本文介绍了一种三相独立式的DVR，采用比例－积分（PI）控制算法研究了DVR的恒相位补偿问题。应用Matlab进行系统仿真，仿真结果说明了该方法具有良好的动态性能与补偿效果。

DVR是一种面向电力系统的串联的动态电能质量调节装置，采用了基于电力电子器件和绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的脉冲宽度调制逆变器结构［9-11］，其主电路由输出滤波器、串联变压器、基于全控器件的电压源型逆变器和直流储能单元等组成，主要用来解决用户侧因电压暂降和跌落引起的电能质量问题。DVR相当于一个串联在电力负荷和电力系统之间的动态受控的电压源［12-13］，在供电系统正常供电的情况下，DVR工作处于备用状态；当电网发生电压质量问题时，DVR会在几毫秒内补偿系统电网正常状态与故障状态下的电压差，使得负载上的电压保持恒定不变。

DVR装置具有响应速度快、负荷适应性强、运行效率高等特点，其核心部分是一个同步电压源变换器，当负载侧电压发生变化时，DVR经过直流侧电源逆变产生的三相交流电与原来的电网串连，用以补偿正常电压与故障电压之差，保证三相负载电压的对称性，从而确保电压敏感设备的正常运行。DVR工作时可等效为一个动态受控电压源［14-15］，其单相等效电路如图1所示。

图1中，UDVR＝Uload－Us，UDVR为 DVR 的输出电压；Uload为发生故障前的负载电压；Us为发生故障后的电源电压；Uinj为DVR等效电压源的输出电压；Zline为线路阻抗；Zload为DVR的等效阻抗；Iload为负载电流。

DVR结构图如图2所示。由图可见，DVR结构主要包括储能装置、变流器、滤波电路和变压器等部分，其中，Uload为敏感负载侧电压，UPCC为系统的公共结点电压。DVR装置通过检测电源的电压生成指令信号，控制变流器产生所需的补偿电压，再经过滤波电路和变压器补偿到负载电路上，从而确保负载的电压质量。由于直流侧电压是通过电容、蓄电池和飞轮等储能装置来提供升压电路，因而DVR的补偿能力是有限的。储能单元的容量决定了DVR的最大补偿能力。受储能单元体积、成本等因素的限制，储能单元的容量也是有限的，故当电源电压暂降时间较长时，DVR无法做到完全补偿。

图3为恒相电压补偿示意图。图中以电压跌落前的负载端电压相量U2P为参考电压，I为补偿后的负载电流相量，α为补偿后的负荷端电压相量的相位，φ为U2P与I的夹角，ΔUj为U1j和U2的向量差，δj为U2P与U1j之间的向量夹角。由于负载的端电压和功率都保持不变，故I与补偿前的电流IP的幅值相同。图3中，补偿后的负载端电压相量U2相对于电压跌落前的V2P有α相位的跳变，由于功率因数和负荷功率不变，故电流相量I在补偿后也超前IP角度α，此时I与U1j之间的夹角为θ′；如果采用缺损电压法，则补偿后的电流相量仍为IP，补偿后的I和U1j之间的夹角为图中的θ。由图3可知，采用恒相电压补偿后系统侧电压提供的有功功率增大了。因为负载的有功功率是保持不变的，故DVR提供给负载的有功功率就对应地减小了。DVR的恒相电压补偿的实质是控制补偿后负载端电压的相位，减小负载电流相量与系统侧电压相量之间的夹角，使电压在跌落情况下的系统侧电压提供尽可能多的有功功率给负载，从而使DVR输出的有功功率达到最小。

DVR的有功功率为 式中，PL为负载三相总有功功率；PDVR为DVR的三相总有功功率；PS为DVR的系统侧提供的三相总有功功率。

负载三相的总有功功率为

采用PI控制器，感应电压跌落，当跌落发生时，即可及时补偿，设计电路如图4所示。

实验对于不同幅度的电压跌落及补偿进行了仿真，电源电压有效值为380V，跌落时间为0.2s，图5～7分别为电压分别跌落30%、40%、50%时的电源电压、补偿电压、补偿后的电压波形。

由图5～7可见，当电压跌落为30%～50%时，控制方法可以对电压跌落进行有效补偿，同时从电压跌落开始发生到补偿响应的时间也相对较短。仿真结果显示电压跌落基本上对电力负载不会带来影响。

本文介绍了一种三相独立式的DVR，使用PI控制器对基于恒相电压补偿方法进行了建模和仿真。仿真结果表明：提出的补偿算法具有较好的动态性能，在稳态误差和稳定性方面，也取得了较为理想的效果；在电压跌落补偿时，其补偿和波形控制效果也较好。

【相关文献】

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