动态电压恢复器控制策略分析

2013-12-17吴桂峰章海锋

电子科技 2013年5期

吴桂峰，王轩，章海锋

(1.扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州 225127;2.扬州北辰电气设备有限公司总工室，江苏扬州 225127)

1 DVR的基本结构和工作原理

目前，在电力系统中，各种敏感性负荷大量应用在电力设备中。随着科学技术的进步也使得用户对电能质量的要求越来越高。电能质量问题在国内仍然存在，电压凹陷是国内发生频率较高且造成损失较多的电能质量问题。应用现代电力电子技术可实现电能质量的控制并为用户提供特定的电能供应。目前这些装置包含了配电系统静止补偿器、有源电力滤波及串联电能质量控制器(DVR)等设备。动态电压恢复器(DVR)［1］，是带有储能装置的串联补偿系统，具有补偿有功功率的能力。动态电压恢复器(DVR)具有良好的动态性能，DVR可向系统注入电压来补偿差值电压，防止电压出现畸变，这不仅可解决动态电压问题，如电压跌落、凸起等，还可解决稳态电压问题，如:三相不平衡、电压谐波等，受到了国内外研究者的青睐。DVR是针对电压跌落、凸起等动态电压质量问题的补偿装置，在实际应用中可当作电压源来使用。根据DVR接入电网的方式，可将DVR的基本拓扑结构分为串联式和并联式两种，二者的系统结构相似，区别在于并联式装置通常不采用能量存储单元，不将其归为DVR装置中。一般可将DVR大致划分为直流侧储能单元、逆变单元、滤波单元和输出单元4个组成部分。储能单元的作用是为整个装置提供能量，较为实用的储能技术有蓄电池储能、超导磁储能和超级电容器储能、飞轮储能等。逆变单元的作用是转换电流的输出方式，将内部的直流电输出为交流电。滤波单元的作用是过滤掉DVR装置输出端的高次谐波，减少或避免DVR对电网造成二次污染。输出单元则是用来输出电流的。

DVR工作时，首先，需要检测出电路各处的电压和电流量，可通过检测装置检测是;其次，需要计算出补偿电压的幅值和相位，可通过给定的补偿策略来计算，计算出补偿电压的幅值和相位后可输出对应的PWM驱动信号来控制逆变器功率器件的开通和中断;随后，在逆变器将直流电转换成交流电的过程中会产生高次谐波，需经过滤波单元来滤除高次谐波;最终，还需将补偿电压和系统电压相叠加，使负载一侧的电压达到稳定，此过程需利用到串联变压器。DVR的主要特点是能够抑制动态和稳态的电压发生跌落、浪涌、闪变，具有良好的动态电压补偿能力，还可有效地抑制谐波、三相不平衡，从而提高电能质量［2］。

2 电压跌落的检测方法分析

通过上述分析可发现，DVR具有良好的补偿功能，对于抑制动态电压发生跌落有较好的效果。要使其发挥功能，需运用科学合理的检测方法快速且无偏差的检测出需要补偿的电压信号。按照扰动特征量提取方法的不同，可将电压跌落的检测方法分为:缺损电压法和基波分量法、小波变换法、峰值电压法、基于瞬时无功功率理论的dq0变换方法等。文中主要分析基于瞬时无功功率理论的dq0变换方法［3－4］。

目前，基于瞬时无功功率理论的dq0变换方法用途最为广泛，而较多其他的方法也是在其基础上改进而来。此方法能够避免有效值法存在的计算延迟问题，无需利用历史数据。只需要abc－dq变换便可瞬时确定电压的有效值。dq0变换检测方法有相位追踪法和对称分量法两种主要监测识别方式［5］。这种检测方法需对abc坐标系下的三相电压或电流进行Park变换，转换成dq0坐标系下的相应分量，即

其中C是Park变换矩阵，C的值可通过以下公式求出

假设待测电压是us(t)=u1+uh，其中 u1=U sin(ωt+φ)指的是基波分量，uh表示的是含有谐波、电压波动及高频振荡等成分的畸变分量。首先，要得到dq0坐标下的d轴、q轴、0轴的分量，需进行dq0转换;其次，需得到dq0坐标系下的直流分量，这可通过低通滤波器得到;最后，通过Park反变换后就可得到所需的补偿量。

3 DVR的3种控制策略

3.1 前馈控制策略

前馈控制的控制原理:(1)需要比较检测到的系统电压和基准电压，得到两者间的差值。(2)通过补偿策略计算出系统电压所需的补偿量。(3)经过滤波器输出补偿电压。前馈控制策略的主要特点是开环控制、响应快、控制简单等。但该控制策略较难实现完全补偿，DVR采用该控制策略输出的电压通常存在幅值衰减和相位偏移等现象，这与其耦合变压器输出存在阻抗有较大的关系。检测系统是前馈控制策略中极为重要的一个环节，因为这种控制策略需要准确无误地检测出电网侧电压的畸变量，并通过输出准确的补偿电压来达到理想的补偿效果。逆变器输出的电压不仅与基准参考信号有关，还与负载电流、系统侧输入电压及滤波器参数设置有关。所以，前馈控制策略存在局限性，较难满足所有电压补偿的要求。此外，前馈控制策略无较好的负载适应能力，导致其对于高次谐波的消除效果不佳。

3.2 补偿电压反馈控制策略

补偿电压反馈控制能有效提高系统的动态性能。相对于前馈控制策略，补偿电压反馈控制策略可提供更加精确的控制结果。因为补偿电压反馈控制策略是通过直接控制输出电压来防止由于输出电压偏差而造成的误差。在进行补偿电压反馈控制室可选择有效值反馈或瞬时值反馈两种方式。补偿电压有效值反馈控制可有效、稳定补偿电压的有效值。在实际应用中，当对逆变器输出的补偿电压进行反馈控制时，负载电压会受到采样干扰的影响。因此，需要采用负载电压反馈控制，这样便可弥补该控制策略存在的不足，获得较好的负载电压品质。但是，补偿电压反馈控制策略会因为负载功率因数的下降而导致系统阻尼减小，容易使系统的稳定裕度降低。另外，这种控制策略难以满足DVR响应速度较高的要求。补偿电压瞬时值反馈控制通过调节参考电压和补偿电压之间的差，能够有效提高补偿电压的动态性能，基本上可达到与畸变量同步。在实际的应用中，若仅采用瞬时值反馈控制的方式，其对于非线性负载的适应能力不强，系统的稳定裕度较低，所以，通常会采用补偿电压反馈控制策略与前馈控制相结合的方式，来弥补双方的不足，使二者的优点均能得到有效发挥。

3.3 复合控制策略

通过上述分析可发现，前馈控制策略和补偿电压反馈控制策略都存在不足。所以，为系统提供准确的补偿电压，提出了一种基于补偿电压外环、电容电流内环并结合电网电压前馈的复合控制策略。复合控制策略在降低系统的阻尼、提高系统的稳定裕及加快系统的响应速度等方面均有明显优势。双环复合控制策略的控制原理:(1)需通过PLL来检测电网电压的参考值，利用控制策略计算出负载电压与电网电压间的差值，并通过PI调节后再加上负载电流的前馈值，便可将得到的和值当作电感电流的参考值。(2)需要比较电感电流的参考值与实际的电感电流值的大小，得到二者间的差值。(3)采用电流控制算法对差值进行处理，差值经过处理之后再加上负载电压与电网电压的差值，得到和值之后再与直流侧电压的解耦系数相乘便可得到相应的控制量。(4)可通过得到的控制量来对逆变器进行控制，并可准确地对负载电压进行补偿。通过对双环复合控制策略的控制原理进行分析可发现，双环复合控制策略可间接实现电容电流的反馈，还可精确地控制电流内环，起到限流的作用，防止串联变压器由于励磁饱和而对变压器产生损害。另外，该控制策略还能有效进行电网电压的前馈控制，对电网电压的扰动进行有效的抑制。

4 DVR的数学模型

DVR需用到数学模型来解决实际问题，数学模型能够解决对客观现象进行实验的困难，且较易操作。对于建立动态电压恢复器(DVR)的数学模型，首先需要得到动态电压恢复器的等效电路，电路中U1表示负载电压，Us表示电网电压，mUdc(m为调制度)表示DVR的逆变器桥路端口电压，Ue表示滤波电容两端的电压，Uo表示变压器原边电压，UDVR表示DVR的输出电压，Zf表示负载，Lt、Rt分别表示变压器的绕线电阻和漏感，Lf、Cf、Rf分别表示滤波电路的电感、电容以及线路电阻，变压器的变比为1∶n。

图1 动态电压恢复器的等效电路图

根据动态电压恢复器的等效电路图可得到动态电压恢复器的数学模型为

5 DVR的仿真分析

造成电压跌落的原因较多，其中，由于临近线路发生短路故障而导致电压跌落是较为常见的。本文针对这一原因对DVR补偿电压跌落的能力进行了仿真分析。仿真试验前，必须保证电源电压跌落前系统三相电压是对称平衡的，然后对三相电压的有效值进行设定，一般为220 V，设定其频率为50 Hz，且确保其能够在0.010.05 s间发生跌落，分为单相、两相和三相电压跌落，补偿电压前后对比如图2所示。从图中可看出，单相、两相和三相电压跌落时补偿前、后的仿真电压波形。在DVR的作用下，故障发生的前后，负荷并未受到干扰。说明动态电压恢复器对于暂降幅值以及相位具有较好的补偿作用，达到了保护负荷、治理电压跌落的目的。