基于三相电压追踪法的动态电压恢复器仿真研究

吴扣林，陆朱卫

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102；2.三江学院，江苏 南京 210012）

基于三相电压追踪法的动态电压恢复器仿真研究

吴扣林1，陆朱卫2

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102；2.三江学院，江苏 南京 210012）

电力系统中电压骤升或骤降、电力谐波、三相不平衡等状况都可能导致电子、电机设备无法工作，甚至损坏。动态电压调节器，能在1～2毫秒之内产生补偿电压，抵消系统电压所受干扰，使负荷侧电压感受不到扰动，保证了敏感负荷的安全可靠运行。文章设计了一种基于三相电压追踪法的动态电压恢复器，采用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，仿真结果表明在电压发生骤降时，可以有效补偿电压损失，保证输出电压的稳定，证明了该方法的有效性。

动态电压恢复器；三相电压追踪法；电压骤降；MATLAB/SIMULINK

随着高科技产业快速发展，许多精密设备被广泛地使用，使得高科技产业用户对电能质量的要求比传统产业严格很多。而电能质量问题导致高科技厂商生产中断的事故时有发生，因此有效地解决电能质量问题在电力界与高科技产业有着重要的意义。

电能质量的问题中以短暂性的电力中断、电压跌落与谐波最为常见。补偿电压跌落比较理想的选择为串联式电压控制器，其中最典型的设备便是动态电压恢复器，它根据被检测线路的电压波形，产生补偿电压，使合成的电压动态维持恒定。因此，无论是短时的电压低落还是过电压，通过动态电压调节都可以使负载上的电压保持恒定[1-3]。

本文设计一种基于三相电压追踪法的动态电压恢复器，该方法采用电源系统电压作为基准，产生三相基准正弦信号，根据负载电压和基准电压之间的误差产生PWM控制信号，控制电压型逆变器工作，输出补偿电压来补偿负载电压的变化。

1 动态电压恢复器的结构和原理

1.1 DVR的结构

动态电压恢复器系统的整体电路结构如图1所示。主要部分包括：（1）耦合变压器；（2）换流器；（3）滤波器；（4）相关控制电路；（5）备用电源。本系统主要功能是保护重要负载在用电端发生异常电压扰动时，不受其影响而持续稳定的运行。此外，由于近年来非线性负载的激增，导致电源电压波形畸变的问题日趋严重，而畸变的电源电压也会影响计算机及精密设备的正常运转[4-5]。

1.2 DVR的原理

动态电压恢复器安装于配电系统中如图2所示，当用电上游或同一总线上的邻近支路发生接地故障时，会导致在总线上的电压产生电压跌落，而串联于敏感性负载前端的动态电压恢复器能快速地检测出用电端发生电压扰动，并借助与用电回路串联的变压器适当地引入一组补偿电压，使负载端的电压能维持稳定而不受用电电压跌落所影响。

图1 动态电压恢复器

图2 DVR电压补偿示意

动态电压恢复器的电压补偿向量图如图3所示，以一相为例，其中总线电压为VS、串联变压器所引入的补偿电压为VC、期望的负载电压为VL,REF、负 载 电 流 为IL，并假设VS为参考相位（∠VS= 0）。当用电端发生电压跌落时，由串联变压器所引入的补偿电压可表示如下：

而流经串联变压器用电侧绕组的功率可表示如下：

其中δ为DVR的输入与输出端电压相角差，而θ为负载的功率因数角。

图3 DVR的电压补偿向量

若采用同相补偿的方法，则δ=0。则公式（2）可重新表示如下。

由式（3）可知，此时变压器的换流器侧绕组需提供相同大小的能量以维持能量平衡，因此公式（3）可用来评估换流器侧所需的备用电源容量大小。所以，要想保持负载电压为所期望的定值，DVR的容量将与要补偿的系统额定电流以及想要补偿的用电电压跌落振幅大小相关。

2 DVR控制系统设计

本文采用三相电压追踪控制法，控制系统如图4所示，包括零点检测电路，带通滤波电路（BPF），相位调节器，振幅调节器，相移电路，PWM驱动电路，电压型逆变电路（VSI）。

图4 DVR控制系统

VSa为电压反馈信号，它由电压互感器从电源侧获得，经过零点检测电路可得到与电源电压同相位的方波，再经过50Hz的带通滤波器就可以产生参考正弦波。由于带通滤波器的传递延迟特性会导致产生的参考正弦波相位落后于电源电压的相位，而为了达到同相补偿的目的，必须通过相位调整电路将其落后的相位做一个校正，使参考的正弦波相位延迟并与下一周期电源电压同相位，最后通过振幅调整电路设定参考信号的振幅大小。该信号为A相参考电压，将A相参考电压分别相移120°和240°，以产生一组三相平衡的参考信号，在相移的过程中信号有经过了过零点检测、带通滤波以及振幅调整以避免信号失真与振幅跳动。同时将反馈的三相负载电压信号与产生的三相参考信号比较，即可得到需要补偿的误差信号，而将此误差信号经过比例控制器加快其响应速度后，便送到PWM调制器产生换流器的功率开关所需的控制信号，这样就能使负载电压追随该参考信号而保持三相平衡且波形为正弦波。

3 仿真分析

根据DVR控制系统的结构和控制方法，采用MATLAB/ SIMULINK建立仿真模型，仿真结果如图5—8所示。

图5 三相接地故障电压和参考电压

图6 单相接地故障电压和参考电压

图7 三相接地故障时故障电压、负载电压、补偿电压

图8 单相接地故障时故障电压、负载电压、补偿电压

图5—6分别为系统邻近分路发生三相接地故障与单相接地故障时的故障电压和控制器产生的三相参考电压 ，从图中可看出不论用电端是否发生电压骤降，控制器都将追踪A相电压，并以其为依据产生一组三相平衡的参考电压信号。

图7—8分别为系统邻近分路发生三相接地故障与单相接地故障时，用电端电压、负载端电压和DVR产生的补偿电压。从图中可看出当电压骤降时，换流器将立即启动，而换流器投入的瞬间产生的瞬时电压较小，而补偿后的负载端电压约在10毫秒内便能趋于稳定，有效地提高了电能质量。

4 结语

本文设计了一种基于三相电压追踪法的动态电压恢复器，该方法根据被检测线路的电压波形，产生补偿电压，使合成的电压动态维持恒定。利用MATLAB/SIMULINK建立了仿真模型，从仿真结果可以看出，该方法有效地补偿串联回路上产生的压降，使得输出电压稳定，有效改善了电能质量。

[1]克长宾，李永丽.动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究[J].电力系统保护与控制，2012（17）：94-99.

[2]王树东.动态电压恢复器控制策略的研究与仿真[J].电气自动化，2011（3）：26-28.

[3]胡军.电压不平衡跌落时动态电压恢复器的快速PLL策略[J].南方电网技术，2016（5）：87-93.

[4]孙秋野，李海涛.电力系统分析[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[5]李庚银.电力系统分析基础[M].北京：机械工业出版社，2016.

Simulation research of dynamic voltage restorer based on three-phase voltage tracking method

Wu Koulin1, Lu Zhuwei2
（1.Nanjing NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2. Sanjiang University, Nanjing 210012, China）

The voltage swell or sags, harmonic and three-phase unbalance conditions may lead to electronic and electrical equipment not working, or even damaging. Dynamic voltage regulator, can generate compensation voltage within 1～2 milliseconds, offset the interference of the system voltage, so that the load side voltage can not be disturbed,which ensures the safe and reliable operation of sensitive load. The article designs a dynamic voltage restorer based on three-phase voltage tracking method and adopts MATLAB/SIMULINK to build simulation model. The simulation results show that when the voltage sag suddenly, it can effectively compensate the voltage loss to ensure thes stability of the output voltage which proves the effectiveness of such method.

dynamic voltage restorer; three-phase voltage tracking method; voltage sag; MATLAB/SIMULINK

吴扣林（1984— ），男，江苏南通，工程师；研究方向：电力系统继电保护。