一种电压降落补偿器的研究与设计

裴素萍， 仵丽虹

(1.中原工学院， 郑州 450007； 2.南阳市供电公司， 河南 南阳 473000)



一种电压降落补偿器的研究与设计

裴素萍1， 仵丽虹2

(1.中原工学院， 郑州 450007； 2.南阳市供电公司， 河南 南阳 473000)

摘要：设计了一种电压降落补偿器，补偿器的每一相可从其他两相获得能量。该补偿器即使在一相电压丢失的情况下，仍可以继续对敏感性负载的所有三相提供电能。除了单相电压降落，补偿器能够补偿任意平衡和不平衡电压降落和相位跳变。仿真和实验结果表明，该电压降落补偿器有效可行。

关键词：电压降落补偿器;动态电压恢复器;最小能量补偿; 瞬时无功

随着敏感性负载数量在电网系统中的增加，电压质量问题变得越来越重要。从大量电能质量调查的数据结果可以得出，与电压相关的电力故障事件中，90%以上的故障是由电压降落引起的[1-3]。电压降落是指电压暂态降落的数值为标准电压的0.1到0.9。对工业系统和敏感性负载而言，电压降落会导致巨大的经济损失和生产损失[4]。因此，保护敏感性负载免受电压降落的影响非常重要。

目前，主要通过应用电力电子变换器来解决电压降落问题，该技术具有灵活性和高性能的优点。其中，采用串行连接电压源变换器进行电压降落补偿是最合适的解决方案[5-7]。在这种配置中，变换器的输出电压通过串联变压器连接到线路中，完成对电压降落的补偿。

本文设计了一种基于变换器的新型电压降落补偿器。变换器在每一相中由电网的其他两相提供电能，不需要另外的补偿电源提供电能。通过仿真和实验，验证了该补偿器的可行性。

1电压降落补偿器原理

电压降落补偿是通过耦合变压器将电压补偿器串联连接在电网和负载之间，根据受控电压源方式，来调节负载电压幅值和补偿电压谐波，从而保证供电电压的质量和可靠性。当电网电压出现跌落、上升、不平衡、谐波等问题时，通过电压检测环节检测出指令电压信号，并按照一定的控制方法转化为PWM信号，从而控制变流器工作。电压降落补偿器原理如图1所示，变流器的输出电压通过耦合变压器串联接入电网，从而调节负载电压保持基波正弦。忽略开关管损耗并且设定串联侧变压器为理想变压器，则其单相等效电路如图2所示。

图1　电压降落补偿器原理图

图2　电压降落补偿器等效电路图

图3所示是最小能量补偿向量图。系统电压跌落前为UP，跌落后为U1，系统电压补偿后为U2，补偿电压为UC，负载电流为I，功率因数角为φ，补偿后相位超前角为α，伴随电压跌落的跳变角为δ。最小能量补偿是通过引入无功功率实现补偿。采用与电网侧电压相位超前的电压注入，从而减少有功交换。这种方法是利用补偿器有功功率最小化来实现电网有功功率的最大化，结果是电网功率因数增加，补偿器功率因数减小。

图3　最小能量补偿向量图

2电压降落补偿器控制策略

三相电网电压经过dq0同步坐标变换后，负序和谐波仍为交流分量。通过两个滤波器可将基波正序分量分别提取出来。udf和uqf在dq0空间的对应量为直流分量。它们与abc系统中电源电压峰值Usm、基波电压初相角θlp以及电压相位跳变角γ有如下关系：

(1)

(2)

三相目标电压函数为 ：

(3)

需提供的补偿电压为：

(4)

式中：usa、usb、usc分别为三相电源电压；uL2a、uL2b、uL2c分别为三相目标电压；ula、ulb、ulc分别为三相补偿电压；Rla、Rlb、Rlc分别为三相补偿回路的电阻；Lla、Llb、Llc分别为三相补偿回路的电感；ila、ilb、ilc分别为三相补偿回路的电流；udf为dq0空间坐标系中d轴电压；uqf为dq0空间坐标系中q轴电压；udq为dq0空间坐标系中q轴投影在d轴上的电压；β为最小能量补偿角；N1为变压器原边匝数；N2为变压器副边匝数。

图4为电压检测原理。

图4　电压检测框图

3硬件结构

图5为系统实现的硬件电路结构图，包括主电路和控制电路两部分。主电路由三相变流器、串联耦合变压器、直流储能单元、滤波电路、供电电路等部分组成。控制电路由电压检测电路、采样周期信号发生电路、信号调理电路、光耦隔离电路等部分组成[5-7]。

图5　系统硬件结构图

4电压降落补偿器的仿真

仿真参数：三相电压220 V，在0.04 s时电压跌落，30°电压跳变角，140 V幅值跌落值。图6为电压降落补偿的仿真结果。

图6　仿真结果

由图6可知，电网的每一相遭遇波动电压降落后，时间变化是从0.02 s到0.08 s，然后电压恢复到正常值。电压降落补偿器在负载侧恢复电压通过在每一相注入合适的补偿电压以使得负载电压保持在期望的电平上。图6也表明，a相转换器开关转换输出电压是通过电网的b相和c相产生的。电压降落伴随着30°相位跳变，补偿器产生期望的补偿电压并注入到电网中。结果是，负载侧a相电压从幅值到相角都得到完全补偿。仿真结果可以看出：该补偿器不仅可以恢复电压的幅值而且可以处理突发的相位跳变。

5电压降落补偿器实验

根据硬件原理结构图，由电源、整流电路和电压补偿器组成实验装置。三相电源经空气开关、隔离变压器供电给整流装置。系统取用三个纯阻性负载，补偿电压经过隔离变压器连接到电网。实验装置中采用10%跌落量，负载电压峰峰值为190 V。图7中电压为50 V/每格，补偿电压为10 V/每格。电压峰峰值补偿前为170 V，补偿电压为25 V，电压峰峰值补偿后为189 V。实验数据表明实验系统可以满足电网补偿要求。

图7　电压降落补偿器实验波形图

6结语

本文提出了一种新的电压降落补偿器的拓扑结构。这种新型的电压补偿器拓扑结构不仅可以补偿不平衡电压降落而且还可以补偿平衡电压降落和相位跳变。仿真和实验结果验证了所提出的电压跌落补偿器设计的正确性和可行性。

参考文献：

[1]周辉,张波.动态电压恢复器的算法和策略研究[J]. 电气自动化，2012，2(2):13-16.

[2]原川.改进式最小能量法的研究[J].电工技术学报，2013，20(10): 41-47.

[3]高承博, 赵龙章.一种新型并联均流技术的实现方法[J].通信电源技术，2011，26(6):35-37.

[4]巫付专,沈虹.电能变换与控制[M].北京:电子工业出版社,2014.

[5]Etxeberria O I, Viscarret U, Bacha S.Evaluation of Different Strategies for Series Voltage Sag Compensation[C]//IEEE Power Electronics Specialists Conference.Washington:IEEE, 2010：1797-1802.

[6]蔡方凯，张玉平.基于DSP 实现双闭环控制的直流电源[J]. 电力自动化设备，2010，29(10):140-142.

[7]单任仲，尹忠东，肖湘宁.电压源型快速动态无功补偿[J]. 中国电机工程学报，2009，29(24):1-5.

(责任编辑：王长通)

The Research and Design of a New Voltage Drop Compensator

PEI Su-ping1， WU Li-hong2

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007；2.Nanyang Power Supply Company, Nanyang 473000, China)

Abstract:In this paper, a new type of voltage drop compensator is proposed which makes each phase of the compensator can be obtained from the other two phases. Even if a phase voltage is lost, the compensator will continue to provide power for all three phase of the sensitivity load. In addition to the single phase voltage drop, the compensator can compensate for any balanced and unbalanced voltage drop and phase jump. The experimental results of a laboratory prototype show the effectiveness of the proposed voltage drop compensator.

Key words:voltage drop compensator; dynamic voltage restorer; minimum energy compensation; instantaneous reactive power

中图分类号：TM714

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.004

文章编号：1671-6906(2016)01-0017-03

作者简介：裴素萍(1976-)，女，河南新乡人，副教授，硕士，主要研究方向为电气运行与控制。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(61305080)

收稿日期：2015-12-15