线间多功能DVR的工作机理及仿真分析

刘子维，涂春鸣，姜 飞，杨 健，魏 钊

线间多功能DVR的工作机理及仿真分析

刘子维，涂春鸣，姜 飞，杨 健，魏 钊

(国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学)，湖南 长沙 410082)

动态电压恢复器(DVR)是一种电能质量的高效治理装置。提出了一种中压馈线间共直流侧的多功能DVR拓扑，包含两个串联型变流器。其中一组用于滤除馈线上非线性负载产生的电压谐波，并维持直流侧电压稳定。另一组具有动态电压补偿功能，可实现其他馈线上的电压扰动抑制，并在负载侧发生短路故障时，具有快速故障电流限制功能。结合滤波与稳压控制、电压电流双闭环比例谐振控制，分析了拓扑运行机理、切换过程。仿真结果验证了所提拓扑及控制策略的正确性。

动态电压恢复器；馈线间；多功能；谐波补偿；故障电流限制

0 引言

随着配网用户侧敏感性负载的逐渐增多，电压波动的有效抑制逐渐成为电能质量治理的重点工作之一[1]。由于动态电压恢复器(Dynamic voltage compensation, DVR)能够快速高效地解决电压暂升、暂降问题，因此得到了学者广泛研究[2-4]。

传统 DVR的补偿策略主要有全补偿、同相位补偿及最小能量补偿三种[5]，三者各有优劣，可针对具体场合要求选择不同补偿方法。目前，较多文献针对 DVR的优化控制策略、改进拓扑等内容展开了深入研究。优化控制策略方面：文献[6]基于双dq变换的软件锁相方法，能够准确检测基波正序相位，达到更好的补偿效果；文献[7]运用一组谐振器的等效模块，结合零相移陷波器的设计增加系统阻尼，有效抑制了电网基波与谐波扰动；文献[8]通过分析双闭环控制的电流内环作用效果，提出了略去电流内环的双前馈控制方法及控制器参数设计方法，易于实现且节省成本。文献[9-10]采用PR控制器，提出了同时优化补偿基波电压、谐波电压策略，具有更为广泛应用场合；文献[11]提出DVR模型预测控制复合策略，提高了系统响应速度。

改进拓扑结构方面：文献[12-14]创新提出了一种具有短路故障限流的多功能动态电压恢复器，该拓扑既能补偿电压跌落，又能限制短路故障电流，并给出了其与继电保护的交互影响。文献[15]提出了单条馈线上的双 DVR拓扑结构，根据实际情况对双DVR采取不同分工，可有效提高电压跌落补偿深度及装置运行效率。文献[16-18]提出了一种共直流侧的双 DVR拓扑，当一条线路电源侧发生电压跌落时，可通过另一条线路上 DVR提供有功能量，补偿跌落深度较大。文献[19]提出的多换流器式统一电能质量调节器(Multiconverter Unified Power Quality Conditioner, MC-UPQC)可看作一种多功能 DVR拓扑，通过合理分配与馈线相连的各变流器作用实现不同功能需求，起到网络互联作用。

另一方面，考虑到配电网中负载类型趋向多样、复杂，所造成的电能质量问题(例如：谐波电流、谐波电压、电网电压波动等)日趋严峻；电网短路故障所产生的大电流将对DVR装置本身造成严重危害。若在电网中安装多种不同类型的电能质量治理装置及故障电流限制装置，势必增加电网投资。基于以上问题及已有研究成果[12-14]，本文提出了一种线间多功能 DVR拓扑，能够满足不同负载类型的供电质量及短路故障电流限制需求：首先，介绍了多功能DVR的拓扑结构与运行机理；其次，提出了不同变流器在双馈线间分工协作的联合控制策略，分析了谐波补偿与直流侧稳压控制、电压补偿功能控制、限流功能控制；最后，采用PSCAD仿真软件搭建模型验证了所提拓扑多功能有效。

1 具有限流功能的DVR

图1为具有限流功能的单相DVR拓扑结构[12]，包括：串联变压器、串联变流器、LC输出滤波器、含双向晶闸管的限流支路S。当系统电压发生暂降、抬升时，装置运行在电压补偿模式，此时不给双向晶闸管触发脉冲，LC滤波器主要为了滤除变流器所产生的高次谐波[20]；当负载侧发生短路故障时，立即封锁故障相变流器IGBT触发脉冲，并延迟触发双向晶闸管导通，与滤波电感L构成回路，将滤波电感L通过串联变压器接入电网，限制短路故障电流。此外，在双向晶闸管支路上串联小电感L0，不仅配合L在短路时发挥限流作用，而且能限制因双向晶闸管瞬间导通时带来的冲击。

图1 单相具有限流功能的DVRFig. 1 A single-phase DVR with current limiting function

当电源侧发生电压波动时，串联变流器输出的高频方波电压经LC滤波后，经电容输出对应补偿电压，保证负载侧电压稳定，满足

式中：uL为负载两端电压；usag为系统跌落电压；udvr为DVR经串联变压器输出补偿电压。

The load characteristic equation of the brushless DC motor is

式中，k为串联变压器变比。考虑到串联变压器二次侧电流为系统电流的k倍，故设计滤波电感L时应考虑其寄生电阻发热效应，防止过热烧坏。电容两端电压为uC=us/k，则电流有效值为

此外，电容选型时还应该考虑一定的裕量。由于整个限流过程可以在十几毫秒内完成，具有限流功能的 DVR应在瞬间限制故障电流，并能配合继电保护装置切除故障。为了保证继保装置的灵敏性，限流后的电流ire不能太小，即L+L0不能过大。综上，补偿模式下L、C为串联输出变流器的滤波器，而限流模式下L、L0为系统的限流电感。

2 线间多功能DVR

基于已有研究成果，本文提出的一种线间多功能DVR如图2所示。馈线1带电压型谐波负载，馈线2带敏感性负载。单元1具有谐波电压补偿与直流侧电压控制功能，单元 2即为带限流功能的DVR。整个工作过程是：通过单元1滤除非线性负载Zl1谐波电压，并维持直流侧电压稳定；当敏感负载Zl2所在馈线2系统发生电压波动时，通过馈线1与直流侧能量交换，并为馈线2提供补偿能量。同时，若馈线2发生短路故障，则单元2按照前文所述进行限流控制。

2.1 谐波补偿与直流侧电压控制

图2 线间多功能DVR的双馈线系统Fig. 2 Dual-feeder system with multi-functional interline DVR

由瞬时无功功率理论可知，利用dq基波同步旋转坐标变换法可将基波转变为直流量，而各次谐波次数皆下降一阶[21]，变换后经低通滤波器得到直流量即为基波有功与无功分量。直流分量经dq反变换后得到原始信号基波分量，其与原信号作差得到所需滤除的谐波信号，将其作为PWM指令控制开关器件的通断即可滤除相应的谐波。在此过程中，由于要保证直流侧电压稳定，加入部分有功分量作为能量传递指令，因此，可考虑将直流侧电压与给定值所得误差信号，经PI控制后与有功信号叠加，控制流程如图3所示。

图3 谐波补偿与稳压控制图Fig. 3 Harmonic compensation and voltage control diagram

对补偿串联谐波来说，最终指令信号为谐波信号uckh与部分基波有功信号ucf(k=a、b、c)，与三角调制波比较后给变流器桥路开关通断信号。

2.2 电压补偿功能实现

电压补偿采用电压电流双闭环结合前馈型复合PWM控制策略。前馈控制可提高响应速度，电压外环采用比例准谐振控制，用以过滤基波，且准谐振的存在可以提高系统抗干扰能力、增加谐振带宽及消除稳态误差，电流内环采用比例控制来提高响应速度及系统阻尼[22-23]，控制过程如图4所示。其中，ucref、uinv及uc分别为指令电压、逆变器输出高频方波电压和LC滤波器输出电压，kc、kpwm为电流内环比例增益和等效逆变器增益，GPR为比例谐振控制器传递函数。

图4 电压补偿双环控制Fig. 4 Dual-loop control of voltage compensation

依据图 4，串联变压器输入电流 it作为传递函数干扰量，稳态情况下可忽略其影响，由此将系统外环传递函数前向通道分三部分：比例谐振控制器、电流内环与硬件调理部分，三者表达式为

图5 两种环节Bode图Fig. 5 Two-link Bode diagram

2.3 限流功能实现

限流过程通过S支路完成。首先，检测系统的短路故障电流大小，设系统正常工作时最大电流为imax，给定一个裕量系数kre(kre>1)，若电流满足

则判定为系统处于非正常运行状态。排除短时冲击性负荷干扰，根据实际情况设定检测周期数n，若在连续n个电流检测周期中，都有式(7)成立，认为系统发生短路故障；之后，先封锁故障相对应变流器桥臂，经 delay延迟后触发双向晶闸管导通，将L、L0接入系统限流。该控制过程能够避免系统因电机启停导致电流短时冲击影响，控制流程如图6所示。

图6 限流控制流程图Fig. 6 Flow chart of current limiting control

3 仿真分析

基于图2的双馈线系统，运用PSCAD/EMTDC软件搭建仿真模型。其中，馈线1接三相不可控整流及容阻负载，馈线2接敏感性纯电阻负载，仿真系统参数见附表1。Zl1表示容阻值，Zl2为单相电阻值。馈线2系统电压在0.15~0.25 s发生三相电压跌落，且在0.3~0.4 s时，负荷侧发生接地短路故障。

1) 系统未发生短路故障情况下，馈线1滤波与稳压控制作用结果如图7、图8所示：滤波前后，THD由原来86%降为5.78%，谐波含量大大降低；直流侧电压基本维持在给定点附近，但馈线2系统电压在0.15~0.25 s，由于对电压的补偿导致电压有小幅下降。另外，因谐波的存在使得经dq变换后有功分量含有交流成分，直流侧电压存在小幅波动。

图7 前后谐波FFT分析Fig. 7 FFT analysis before and after harmonic

图8 直流侧稳压控制Fig. 8 DC side voltage control

图9 、图10分别为三相系统电压的对称与不对称电压跌落及其补偿效果：对称跌落中，三相跌落深度为11.67%；不对称跌落中，a、b、c相跌落深度分别为 11.67%、8.21%、-7.38%(电压抬升)。由补偿后的负载电压可以看出，在一定的电压波动范围内，采用三相四线制变流器进行补偿，无论电压对称还是非对称跌落，线间多功能系统都可以很好地抑制负荷电压波动，维持负荷侧电压稳定，且不影响馈线1滤波与稳压性能。

图9 电压对称跌落补偿Fig. 9 Voltage symmetrical drop compensation

图10 电压非对称跌落补偿Fig. 10 Voltage asymmetric drop compensation

图11 三相接地故障限流Fig. 11 Current limiting of three-phase ground fault

图12 两相接地故障限流Fig. 12 Current limiting of two-phase ground fault

2) 图11、图12分别为三相接地故障与a、b两相接地故障时线路电流的前后限制对比：对比可知，限流支路S对短路电流有一定限制作用，且三相四线制在补偿电压时相互独立，受其他相影响较小。结果表明，限流型 DVR结构对对称故障与非对称故障下的短路电流均有很好限制作用，且不会对正常相产生影响。限流后电流大小控制在短路电流60%以内，且能够通过对L0灵活调控，改变限流程度，配合继保装置整定值。

另外，在0.3~0.4 s故障期间，当检测到短路电流，应先锁定对应桥臂IGBT，设定死区延迟0.5 ms，之后导通双向晶闸管限流支路 S；而在故障消除时应立即封锁S支路，不再延时，晶闸管作用信号如图13所示，在故障期间给予高电平触发信号，正常情况下为低电平，保证限流过程顺利进行。

图13 晶闸管作用信号Fig. 13 Control signal of the thyristors

4 结论

1) 本文提出了一种馈线间多功能DVR拓扑结构，当电网正常运行时，对线路谐波具有良好抑制效果，能够保证其他线路敏感负载电压稳定；当电网负载侧发生短路故障时，能够及时限制短路电流，降低大电流带来的危害。

2) 所提线间多功能DVR，适用于复杂配电网的供电环境，可实现对不同负载类型的可靠供电；两个串联单元通过共用直流侧，可减少一套整流装置，节省电网投资成本。

3) 由于馈线间多功能DVR具备多种功能，可高效应用于配电网，具有重要科学意义和工程价值。此外，对于此类型设备与电网的交互影响将是下一步工作重点。

附录

附表1 仿真系统参数Table 1 System parameters of the simulation

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(编辑 周金梅)

Mechanism and simulation analysis of multi-functional interline DVR

LIU Ziwei, TU Chunming, JIANG Fei, YANG Jian, WEI Zhao
(National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center (Hunan University), Changsha 410082, China)

Dynamic voltage restorer (DVR) is one of the fast and efficient compensation devices for the power quality. A multi-function DVR topology structure with common DC side is presented. It is installed between medium voltage feeders and includes two series converters. One of them is to filter the voltage harmonics generated by nonlinear loads on one feeder, and to keep DC-link voltage constant. The other can compensate dynamic voltage and suppress the voltage disturbance. It also have a fast current limiting function under the short-circuit fault conditions. Combined with filtering and voltage control, and double closed loop proportional-resonant control of voltage and current, the operational mechanism and the switching process of the new topology are introduced. Finally, simulation results show the validities of the proposed topology and control scheme. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51377051).

dynamic voltage restorer; interline; multifunction; harmonic compensation; fault current limiting

2015-10-30；

2016-01-21

刘子维(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用；E-mail: lzw_2016fly@126.com

涂春鸣(1976-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用；

姜 飞(1985-)，男，博士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。

10.7667/PSPC151916

国家自然科学基金项目(51377051)