双DVR协同补偿的运行模式研究

贾东强，韦统振，霍群海，齐智平

（中国科学院 电工研究所，北京 100190）

0 引言

目前，配电网中各种敏感负荷对电能质量的要求越来越高，电网侧发生的电压暂降、波动、闪变、谐波等电能质量问题对用户造成了巨大的经济损失［1-3］。在电网侧安装串联型补偿装置（如动态电压恢复器（DVR））是解决此类电能质量问题的有效方案［4］。

随着社会的发展，敏感负荷迅速增多，容量也越来越大，电压等级也越来越高，这使得DVR朝着大容量、高压、高可靠性、高灵活性的方向发展。在电力电子领域，变流装置的串、并联是实现大容量、高压、高可靠性和灵活性的有效手段之一［5-6］，可以较好地解决器件开关频率与容量之间的矛盾。目前，国内外文献对多个电能质量补偿装置的并联或者串并联应用已有较多研究，如多个有源电力滤波器（APF）、配电网静止同步补偿器（DSTATCOM）的并联研究［7-10］，DVR与DSTATCOM的串并联联合运行研究［11-12］等。但对于多个电能质量补偿装置的串联研究还未见相关文献论述。本文拟以2台DVR协同补偿的运行模式为例，探讨多个电能质量补偿装置串联的拓扑结构、运行方案以及相关的运行特性，分析串联补偿的可靠性和灵活性，并在中高压的工况下对其可行性进行了仿真验证。

1 双DVR结构介绍

1.1 双DVR结构示意图

双DVR拓扑延续了传统单台DVR的结构，包括储能单元、逆变单元、滤波器和串联变压器等基本结构。不同之处在于采用了2台DVR串联的形式，双DVR的基本结构示意图如图1所示。

图1 双DVR结构示意图Fig.1 Schematic diagram of dual-DVR structure

1.2 双DVR结构的特点

与传统的各种适用于低压领域的DVR［13-15］或者是适用于中高压、大容量场合的单台DVR［16-17］相比，本文提出的双DVR结构若采用适当的运行模式可具备以下特点。

a.提高补偿电压可靠性。

如图1所示，当采用2台DVR联合补偿电压时，DVR2不仅可以扩大DVR1的补偿极限，还可作为DVR1故障时的替补。当DVR1出现故障或者例行检修而需要退出运行时，DVR2完全可以补偿大部分的电压跌落，从而提高了补偿电压的可靠性。

b.提高补偿电压灵活性。

当电网侧电压出现跌落、波动、闪变、谐波等电能质量问题时，双DVR可依照自身的特点灵活地配置补偿功能，如可使开关频率较低的DVR2补偿电压跌落，开关频率较高的DVR1补偿谐波［18-19］或者波动闪变。若只用1台DVR实现以上所有补偿功能，则需解决开关频率与容量之间的矛盾，且控制算法较复杂。

2 双DVR的运行方案

DVR可根据不同的场合选择不同的控制策略，其中前馈控制策略具有响应速度较快、控制简单等优点。本文拟以双DVR均采用前馈控制策略为例，研究其联合运行时的补偿方案。总体而言，补偿方案可分为集中控制与分散控制两大类。

2.1 集中控制

集中控制时双DVR共用一套控制器和电压检测模块，针对每台DVR发出的补偿电压值由参考电压分配模块进行分配。双DVR可采用3种运行模式，分别对应不同的补偿电压分配方法。

2.1.1 以双DVR的容量比分配补偿电压

双DVR共用一套电压检测模块，而各自所需的参考补偿电压则根据它们固有的容量比进行分配，分配示意图如图2所示。

图2 双DVR以容量比分配总参考补偿电压Fig.2 Overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity ratios

其中，SDVR1、SDVR2分别表示 DVR1、DVR2 的容量，为电网侧参考电压值，us为电网侧电压实际检测值。

双DVR各自的参考电压满足：

该方法本质上是把1台大容量的DVR拆分成2台小容量的DVR并进行协调控制，因此理论上凡单台DVR所拥有的所有补偿功能，双DVR同样可以实现。

2.1.2 以双DVR的容量限幅分配补偿电压

如图3所示，此时双DVR的补偿功能有主次之分，其中，补偿电压跌落的功能主要由DVR1承担，DVR2则在DVR1补偿电压达到限幅时用以扩充DVR1的补偿范围。

图3 双DVR以其容量限幅分配总参考补偿电压Fig.3 Overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity limitations

反之，则有：

例如，如果要求双DVR总的补偿范围是50%，而经过统计以后发现实际电压跌落10%～25%的概率在75%以上，那么此时DVR1的补偿容量可设计为25%。当发生深度跌落时，DVR2才投入工作；当电压跌落较少时，只有DVR1工作，DVR2处于旁路运行状态；当DVR1出现故障时，DVR2可作为DVR1故障后的替补，用于补偿电压跌落较少时的情况。因此与单台大容量DVR独立运行相比，双DVR采用该种运行模式时提高了补偿的可靠性。

2.1.3 以双DVR不同的补偿功能分配补偿电压

如图4所示，该种运行模式主要考虑了电网侧出现电压谐波等电能质量问题时的补偿需求，此时单台DVR的电力电子器件通常需要较高的开关频率，与其较大的容量需求相矛盾。为了解决开关器件容量和频率之间的矛盾，可采用2台开关频率不同的DVR分别补偿不同的电能质量问题。其中DVR1容量小但开关频率较高，主要用于补偿电网侧出现的电压谐波；DVR2容量大但开关频率较低，主要补偿电网侧出现的电压跌落，两者联合运行时需一定的协调配合。由集中控制单元计算、分离得到总参考补偿相电压的谐波分量与基波分量分别作为DVR1、DVR2的参考补偿电压，则有：

图4 双DVR以不同的补偿功能分配参考补偿电压Fig.4 Reference voltage allocated between two DVRs according to different compensation functions

该种运行模式的优点在于2台DVR可以根据自身的特点，灵活选择开关器件和开关频率，以提高总体运行效率。

2.2 分散控制

在分散控制模式下，每台DVR均含有采样电路和控制器，各自的硬件控制电路和软件控制电路相互独立。DVR1、DVR2均只检测各自安装点的电压，两者之间无需通信。根据各自补偿电压选取方式的不同，双DVR可采用以下2种运行模式。

2.2.1 均分参考补偿电压的运行模式

2台DVR采用完全相同的模块，分别用于补偿50%的负载跌落。如图5所示，DVR1的参考补偿电压为双DVR总参考补偿电压的1/2；而DVR2的参考补偿电压为其检测电压与负载端参考电压的差值，即有：

在上海，倒给他们跟一个地下工作者搭上了线。一个姓吴的——想必也不是真姓吴——一听他们有这样宝贵的一条路子，当然极力鼓励他们进行。他们只好又来找她，她也义不容辞。

图5 双DVR采用均分参考补偿电压的分散控制模式Fig.5 Distributed control mode with compensation voltage equally allocated between two DVRs

2.2.2 以自身容量限幅分配补偿电压

如图6所示，此时DVR1的参考补偿电压即为总参考补偿电压值，如果未超过DVR1的补偿能力，则DVR2不投入运行；如果超过了DVR1的补偿能力，如在DVR1运行一段时间后出现补偿电压幅值不足的情况时，DVR2开始投入运行，负责补偿DVR1补偿不足的部分。双DVR各自的参考电压为：

图6 双DVR采用以自身容量限幅的分散控制模式Fig.6 Distributed control mode with compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity limitations

双DVR采用分散控制的优点在于2台DVR的运行完全独立，所以一台运行故障不会影响另一台的运行。与单一大容量DVR相比，采用分散控制的双DVR结构可以提高补偿的可靠性。

3 双DVR联合运行的特性分析

为进一步研究双DVR联合运行方式的有效性，本文以均分参考电压的分散控制模式为例，对双DVR联合运行、单台DVR独立运行2种工作方式的特性进行比较，分析两者之间的联系，探讨传统适用于单台DVR的控制策略在双DVR联合运行场合的适用性，同时也为双DVR联合运行模式的参数设计提供一种参考。

图7、8分别为单台DVR独立运行、双DVR联合运行的前馈控制框图，虚框表示DVR的内部模型。图中参数含义如下：Km为逆变器等效增益；Rf、Lf、Cf为 DVR 滤波参数；n 为变压器变比；Rz、Lz为负载等效阻抗值。

图7 单台DVR前馈控制框图Fig.7 Block diagram of feedforward control for single DVR

由图7可知，经单台DVR补偿后的输出电压uL与负载参考电压、网侧端电压us以及电网电流iL有关。各变量关系式为：

图8中双DVR采用了均分参考电压的分散运行模式，uL1、uL2分别为 DVR1、DVR2 补偿后的输出电压。为分析简单起见，本例中双DVR均采用了与前述单台DVR相同的参数，则可得：

图8 双DVR采用均分参考电压的分散控制框图Fig.8 Block diagram of distributed control with compensation voltage equally allocated between two DVRs

将uL2作为双DVR联合运行时系统的输出，视为系统的输入，us、iL视为系统的扰动，并对式（10）进一步化简，可得此时系统的输入、扰动与输出之间满足关系式：

为进一步比较双DVR在联合运行的模式下与单台大容量DVR在独立运行模式下的补偿效果，可分别作出2种工作方式下负载参考电压到最终输出电压的Bode图，如图9所示。相关的参数为：Lf=1mH，Cf=30 μF，Rf=0.6 Ω，Km=0.9，n=1，Rz=10 Ω，Lz=0.017 mH。

图9 单台DVR独立运行时与双DVR采用均分参考电压的联合运行模式时负载参考电压到最终输出电压的Bode图Fig.9 Bode diagram from load reference voltage to final output voltage of independently operating single DVR and that of two coordinated DVRs operating with compensation voltage equally allocated

由图9可知，双DVR在该种联合运行模式下的补偿效果与单台大容量DVR独立运行时的补偿效果相近，在低频段系统的输出都能较好地跟踪输入。由于2种运行方式均采用前馈控制策略，所以系统的稳定裕度较小。若采用复合控制策略［20-22］则可解决系统稳定裕度不足的问题，也能进一步抑制扰动对系统特性的影响。

当双DVR采用其他联合运行模式时的特性分析方法同上，这里不再赘述。

4 仿真分析

为了对本文提出的适用于双DVR集中控制和分散控制的2类运行方案在中高压工况下的可行性进行验证，本文采用PSIM软件对每种运行模式进行仿真分析。以三相不平衡阻感性负载作为等效敏感负荷；双DVR采用完全补偿跟踪策略。DVR通过检测电网侧线电压，进而可以计算出每相桥臂应补偿的相电压参考值。仿真参数为：开关频率fPWM=10 kHz，采样时间Ts=0.05 ms；三相不平衡负载中A相、B相均为20Ω电阻与10mH电感串联，C相为10Ω电阻。图 10 — 14 中各参数所代表含义如下：usab，sbc，sca为电网侧三相线电压；uca1，cb1，cc1为 DVR1 所补偿的三相相电压；uca2，cb2，cc2为 DVR2 所补偿的三相相电压；usab2，sbc2，sca2为 DVR1 补偿后的电网侧三相线电压；uLab，Lbc，Lca为双DVR补偿后的负载三相线电压。

图10 集中控制模式下双DVR以容量比分配总参考电压时的补偿波形Fig.10 Simulative waveforms of centralized control with overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity ratios

双DVR采用集中控制并以其容量比分配总参考电压运行模式的仿真结果如图10所示。电网侧三相线电压同时在0.033 s跌落了35%，0.125 s时恢复正常。在该种运行模式下双DVR参考补偿电压之比即为其容量比（本例中为3∶7）。

双DVR采用集中控制并以其容量限幅分配总参考电压运行模式的仿真结果如图11所示。电网侧三相线电压在0.033 s同时跌落了35%，而DVR1与DVR2可补偿的最大百分比均为20%，因此电压跌落已经超出了DVR1的补偿极限，此时2台DVR同时投入运行，并且DVR1以其补偿极限补偿20%的电网电压跌落，DVR2则补偿了剩余的15%。

图11 集中控制模式下双DVR以容量限幅分配补偿电压时的补偿波形Fig.11 Simulative waveforms of centralized control with overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity limitations

当电网侧电压存在谐波时，双DVR采用集中控制并以不同的功能分配总参考电压运行模式的仿真结果如图12所示，DVR1的开关频率提高为fPWM=20 kHz。当电网侧电压同时出现跌落、谐波时，DVR1补偿电压谐波，DVR2补偿电压跌落。

图12 集中控制模式下双DVR以不同的补偿功能分配补偿电压时的补偿波形Fig.12 Simulative waveforms of centralized control with overall compensation voltage allocated between two DVRs according to their different compensation functions

其中电网侧线电压在0.033 s发生跌落，跌落的百分比为21%，并且伴随出现5次、7次、11次等谐波分量，此时双DVR通过检测电网侧的线电压并由集中控制单元分离、转化得到应补偿的电压基波分量与谐波分量，分别分配给2台DVR作为各自应补偿的参考电压值。

双DVR采用均分参考补偿电压的分散控制模式补偿电网侧电压跌落的仿真结果如图13所示。图中电网侧三相线电压在0.033 s同时跌落了35%，双DVR在该种运行模式下各补偿了电压跌落的50%。

双DVR采用以自身容量限幅的分散控制模式补偿电网侧电压跌落的仿真结果如图14所示。线电压跌落的百分比仍为35%，DVR1、DVR2各自最大的补偿百分比均为35%。在开始跌落时，DVR1补偿全部的电压跌落，DVR2不动作。随着补偿时间的持续增加，DVR1直流端母线的能量逐渐减小，电压降低，已经难以支撑自身发挥完全补偿的功能，其补偿电压的幅值在0.048 s左右开始逐渐衰减，此时DVR2开始工作，补偿DVR1未完全补偿的跌落电压剩余部分，一直到电网侧电压在0.125 s恢复至正常为止。

图13 分散控制模式下双DVR采用均分参考补偿电压时的补偿波形Fig.13 Simulative waveforms of distributed control with compensation voltage equally allocated between two DVRs

图14 分散控制模式下双DVR采用以自身容量限幅分配补偿电压时的补偿波形Fig.14 Simulative waveforms of distributed control with compensation voltage allocated between two DVRs according to their capacity limitations

由以上结果可知：本文提出的适用于双DVR集中控制与分散控制的2类运行方案即5种运行模式均具有较好的可行性，其补偿效果与单一大容量DVR采用传统运行模式的补偿效果相近。

表1详细地给出了双DVR 5种运行模式的补偿特点、补偿功能以及适用场合。

表1 双DVR协同补偿的运行模式Tab.1 Operating modes of two DVRs with coordinated compensation

5 结论

a.中高压、大容量场合下，双DVR联合补偿时可以采用集中控制方案，又可细分为3种运行模式。当电网端电压只出现跌落时，可采用以双DVR的容量比或者以容量限幅分配参考电压的运行模式，提高补偿的可靠性；当电网端电压既有跌落又有谐波时，可采用以不同的补偿功能分配参考电压的运行模式，解决器件开关频率与容量之间的矛盾，提高补偿的灵活性。

b.中高压、大容量场合下，双DVR联合补偿时也可以采用分散控制方案，又可细分为2种运行模式：均分参考电压、以自身容量限幅分配参考电压。2种运行模式均可以较好地补偿电网端出现的电压跌落等电能质量问题，提高补偿的可靠性。

c.双DVR采用均分参考电压的联合运行模式与单台DVR独立运行2种工作方式的特性是类似的，传统的前馈控制策略也适用于双DVR联合运行的场合。

综上所示，本文提出的适用于双DVR结构的5种运行模式均具有良好的有效性和可行性，为高压大容量电能质量装置的研究、应用提供了一种新的解决思路。