关键字 |
动态电压恢复器(DVR),电能质量(PQ),比例积分(PI),电压跌落。 |
介绍 |
电力质量问题,如电压凹陷、电压膨胀和谐波,是工业和商业电力消费者主要关心的问题,因为在金钱和时间方面损失巨大。对于高功率敏感负载,DVR有望提供比不间断电源(UPS)[1]-[4]储能能力更具成本效益的解决方案。该DVR可以在低电压(LV)[5]-[9]级别和中压(MV)[10]-[15]级别实现,并保护高功率应用免受电压跌落。DVR采用串联连接拓扑;它在系统上注入一个电压,以补偿任何影响负载电压的扰动。这旨在保护关键负载免受电压凹陷/膨胀。 |
电压凹陷/膨胀是配电系统中最重要的电能质量问题,是发生频率最高的电能质量现象。电压跌落被定义为电源电压突然下降90%到10%。另一方面,电压膨胀被定义为电源电压在基频上突然增加110%到180%,持续时间从10ms到1分钟。根据IEEE 519-1992和IEEE 1159-1995标准,电压跌落和膨胀的典型持续时间为10ms ~ 1min[16]。配电级别的故障会导致电压下降或膨胀,这可能导致敏感设备故障,并产生大电流不平衡,可能会击穿熔断器或跳闸。 |
表1为Mettur热电厂[17]230 kV母线电压变化事件。从表中可以看出,在夏季会有电压下降,在冬季会有电压膨胀。230kv母线的电压变化同样反映在230v住宅配电系统中。电压的下降和膨胀通常是由大型感应电动机启动、大型电容器组通电以及配电系统[18]、[19]电网短路故障引起的,如单线对地故障、三相对地故障、双线对地故障等。电力系统中的电压凹陷和膨胀对敏感负荷的性能有重要影响。随之而来的不利后果是电动机的能量传输减少,敏感设备的断开和工业过程陷于停顿。这将导致时间和生产的损失,或设备损坏可能造成重大的经济损失。为了解决上述问题,本文提出了一种新的方法。 |
一般来说,DVR的电压注入补偿电压凹陷,膨胀和停电。但需要大容量的直流存储系统。在该DVR设计中,采用比例积分(PI)控制器对直流存储系统进行升压以补偿电压跌落。 |
动态电压恢复器 |
动态电压恢复器最早由西屋电气公司在美国为电力研究所(EPRI)建造。为了保护自动化的纱线制造和织造工厂,它于1996年首次安装在杜克电力公司的电网系统上。DVR是一种串联的固态设备,用于减轻配电系统中的电压干扰。它通过向系统注入电压来调节负载侧电压。 |
它通过补偿公共耦合点[20]上出现的电压凹陷/膨胀、电压不平衡和电压谐波来补偿额定幅值和相位的负载电压。它的主要功能是在发生扰动时迅速提高负载侧电压,以避免对负载的任何电力中断。 |
它一般安装在配电系统中电源和临界负荷馈线之间的公共耦合点(PCC)。DVR的位置如图1所示。DVR的一般配置由注入/升压变压器、谐波滤波器、电压源转换器(VSC)、直流充电电路和控制保护系统组成。 |
在大多数的凹陷校正技术中,DVR都需要在补偿期间向配电网注入有功功率。因此,能量存储单元的容量可以成为干扰补偿过程中的限制因素,特别是对于长时间的凹陷。不对称的线对线、线对地、双线对地和对称的三相故障对敏感负载产生电压下降的影响。 |
同相电压补偿法 |
一般来说,DVR的注入电压计算有三种技术,分别是预置、同相和最小能量注入技术。本文采用同相补偿技术计算DVR的注入电压,该技术实现简单,补偿电压计算响应快。DVR可以通过与源电压[21]同相位的串联注入变压器注入电压来补偿负载上的电压降。串联注入变压器次级的注入电压与电源电压同相,如图2所示。 |
正常情况下,电源电压(Vpresag)等于零相位角的负载电压。在电压凹陷/膨胀期间,电源电压降低或增加到小于或大于其标称值的值。DVR对凹陷/膨胀事件作出反应,并注入补偿电压Vinj与电源电压同步,以恢复电压在标称值。 |
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(4) |
DVR控制 |
电压跌落是通过三相故障在负载端产生的。负载电压被感知并通过一个序列分析仪。幅度分量与参考电压(Vref)进行比较。逆变器开关采用脉宽调制(PWM)控制技术,在负载端子[22]处产生三相50 Hz正弦电压。斩波频率在几千赫范围内。IGBT逆变器由PI控制器控制,以保持负载端每单位电压为1。 |
PI控制器是一个闭环控制器,它用误差的加权和和该值的积分来驱动被控装置。比例加积分控制器的优点是PI控制器中的积分项使阶跃输入的稳态误差为零。PI输入是一个执行信号,它是控制器的Vref和Vin输出之间的差值,如图3所示。 |
(5) |
调制信号Vinv_ref与三角形信号进行比较,以生成VSC阀门的开关信号,如图4所示。正弦PWM方案的主要参数是信号的调幅指数和三角信号的调频指数。VSC开关策略基于PWM技术,提供简单和良好的响应[23]-[26]。在暂降状态下,必须注入正确的电压,使负载电压恢复正常。 |
仿真结果与讨论 |
所提出的PI控制器动态电压恢复器总体仿真图如图5所示。在这个Simulink模型中,我们有一个系统,其中显示了两个平行馈线。在第二馈线中,进一步的负载串联连接。在一个馈线中,DVR与线路相连。采用PI控制器进行控制。在这里,DVR系统使用注入变压器连接到配电系统。 |
测试系统采用表2对DVR驱动进行仿真。该系统由一个13KV, 50 Hz的发电系统组成,通过一个三绕组变压器连接两条输电线路。 |
所提出的DVR在一个周期内响应凹陷,并在凹陷事件期间注入适当数量的缺失电压。在检测电压恢复时,DVR开关关闭,以保持传导损失最小。 |
采用带PI控制器的DVR进行仿真。系统在故障电阻为0.66欧姆处发生三相对地故障,导致电压跌落,如图6所示,上图描述了发生跌落事件的时间为0.2s至0.4s。当突然中断时,标称电压从1pu下降到0.8pu,并在一段时间内保持恒定;这里的故障设置为2s。DVR从0.2s到0.4s的注入电压如图7所示。本文采用PI控制器的DVR在一个周期内响应该凹陷,并在凹陷事件t=0.2s至0.4s期间注入适当数量的缺失电压,如图8所示。上图显示了加载点的电压大小,而在0.2s到0.4s的时间段内,电压跌落得到缓解,电压水平上升到少数延伸水平。 |
结论 |
DVR被认为是保护工业设施免受电压跌落的最佳选择。本文旨在提出一种用于配电网DVR的PI控制器。通过获取参考电压,提取了DVR的参考负载端子。DVR的性能已被观察到满意的各种电能质量问题,如电压凹陷,电压膨胀在供电电压。此外,它可以通过交流线路在基频的功率传输,为DVR提供自备的直流母线。这些结果也表明,该DVR补偿速度快,串联电压注入变压器可补偿源电压故障,并可通过MATLAB软件和Simulink及电力系统块集工具箱进行仿真验证。 |
鸣谢 |
这种性质的项目需要许多人的合作和支持才能顺利完成。在此,我很荣幸地向苏利亚工程学院S. SathishKumar教授表示衷心的感谢,感谢他对项目的有效领导、鼓励和指导。 |
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表格一览 |
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表1 |
表2 |
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数字一览 |
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参考文献 |
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