国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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| SANDESH耆那教徒的1， shivendra singh thakur教授2以及S.P.PHULAMBRIKAR教授3. |
| 有关文章载于Pubmed，谷歌学者 |
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PI控制器在dvr的控制中非常常见。然而，这种传统控制器的一个缺点是它不能在更大范围的操作条件下仍然工作良好。因此，提出了模糊控制器作为解决方案。为了提高电能质量，降低敏感负载的谐波畸变，本文讨论了动态电压恢复器的设计与仿真。电能质量问题是由于电压、电流和频率不规范而产生的。电子设备对谐波负载非常敏感。在电力系统中，电压跌落、膨胀、闪变和谐波是影响敏感负荷的主要因素。DVR的补偿能力主要取决于最大电压注入能力和恢复器内可用的存储能量的量。本装置在中压下与配电馈线串联。提出了一种模糊控制方法。 Simulation result carried out by Matlab/Simulink verifies the performance of the proposed method.
关键字 |
| 谐波，电能质量问题，注入变压器，ESS, VSI，滤波器，模糊逻辑，MATLAB |
介绍 |
| 电能质量问题是由于电压、电流和频率不规范而产生的。电力质量对客户、公用事业和电气设备制造商有着严重的经济影响。工业的现代化和自动化涉及计算机、微处理器和可调速驱动器等电力电子系统的使用。电力电子系统也导致电力质量问题(产生谐波)。电子设备对干扰非常敏感，对电压下降、膨胀和谐波等电能质量问题的容忍度降低。由于谐波在系统中发生，它会引起电机的损耗和发热。动态电压恢复器是一种自定义的电源装置，用于串联到配电线路中。当在电源和负载之间串联时，DVR可以通过向线路中注入任意振幅、相位和谐波含量的电压来控制施加在负载上的电压。本文分析了该系统电能质量问题中的关键问题，输电线路中三相故障/接地故障/相地故障引起电压暂降/电压膨胀，受控六脉冲变流器(整流器)连接主驱动负载(非线性负载)引起谐波。所有这些因素都会影响与主传动负载并联的敏感负载。因此，该系统采用动态电压恢复器技术，通过抑制谐波来保护敏感负荷。 |
与电能质量有关的问题 |
一个瞬变。 |
| 这些是不可取的，但随着时间的推移而衰减，因此不是一个稳态问题。广义的定义是，暂态是指在从一种稳态工况转换到另一种稳态工况时，变量变化的那部分消失。另一个同义词是“激增”。瞬态分为两类:(a)脉冲(b)振荡 |
b.长时间电压变化 |
| 当RMS(均方根)在电源频率上的偏差持续时间超过一分钟时，我们称其为长持续电压变化。它们可以是过压(大于1.1 p.u)或欠压(小于0.9 p.u)。过电压通常是开关负载或给电容器组通电的结果。变压器上不正确的抽头设置也会导致过电压。电压不足是事件的结果，这是导致负载中过电压开关或电容器组开关的事件的反向。 |
c.持续中断 |
| 当电源电压为零的时间超过一分钟，那么我们说这是持续中断。一般来说，持续超过一分钟的电压中断通常是永久性的，需要人工干预才能恢复供电。公用事业公司使用的术语“停机”是同义词;然而，它并没有显示出电力中断的真实影响。对于具有敏感负载的客户，即使是半个周期的中断也可能是灾难性的。 |
d.电压跌落 |
| 跌落是有效值电压下降到0.1到0.9 p.u之间，持续时间在0.5个循环到1分钟之间。电压下降时电压下降。电压下降主要是由于系统故障造成的，根据故障清除时间的不同，电压下降持续时间从3个周期到30个周期不等。需要注意的是，在电压下(持续超过一分钟)可以是12。电能质量和自定义电源设备介绍由电压调节设备处理。由故障引起的电压下降的幅度取决于故障位置与测量电压下降的母线之间的距离。大型感应电机的启动可能会导致电压下降，因为电机在启动过程中会产生高达满载电流10倍的电流。此外，起动电流的功率因数一般较差。 |
e.电压膨胀 |
| 电压膨胀的定义是在0.5个周期到1分钟的持续时间内，在电源频率下RMS电压增加到1.1到1.8 p.u.之间。电压膨胀(像凹陷一样)的特征是它的幅度(RMS)和持续时间。与凹陷一样，膨胀也与系统故障有关。SLG故障会导致未故障相的电压膨胀。膨胀也可以导致从一个大的电容器组通电。电压膨胀的大小取决于系统阻抗、故障位置和接地。在不接地系统中，在SLG故障时，不接地相上的线对地电压为1.73 p.u。然而，在接地系统中，在靠近变电站的未故障相位上，在SLG故障期间，变压器的delta连接绕组(通常连接delta-wye)为零序电流提供了低阻抗路径，电压上升可以忽略不计。 |
f.电压波动和闪烁 |
| 电压波动是电压包络线的系统变化或电压幅度的一系列随机变化(在0.9到1.1 p.u的范围内)。产生波动电流的高功率负载，如大型电机驱动器和电弧炉，会引起低频循环电压变化，导致光源(白炽灯和荧光灯)闪烁，从而对人体造成严重的生理不适或刺激。电压闪变还可以稳定电机和CRT设备等电气和电子设备的运行。电压闪变的典型频谱范围为1hz ~ 30hz。 |
g.波形失真 |
| 这被定义为与理想正弦波功率频率的稳态偏差。波形失真有五种类型: |
| a)直流偏置 |
| b)谐波 |
| c)间谐波 |
| d)开槽 |
| e)噪声 |
| 交流电力系统中存在直流电压或电流称为直流偏置。这可能是由于地磁扰动或单极高压直流输电链路的地面返回运行模式造成的。直流电流在变压器内流动，会导致磁饱和，发热增加，损耗变压器寿命。非线性负载和电力电子控制器是谐波的主要来源。傅里叶分析可以用来表征谐波失真。总谐波失真(THD)是最常用的谐波测量方法之一。 |
改善电能质量问题和减少谐波失真的解决方案: |
| 电能质量的解决方案可以从客户方或公用事业方进行，第一种方法被称为负荷调节，它确保设备对电源扰动不那么敏感，即使在显著的电压畸变下也可以运行。另一种解决方案是安装线路调节系统，以抑制或抵消电力系统干扰。为了提高电能质量，在敏感负载端子上连接无源滤波器。挑战在于调节敏感负载端子电压，使其大小保持恒定，并将任何谐波失真降低到可接受的水平。介绍了动态电压恢复器及其工作原理。然后采用简单的模糊控制器对谐波、电压跌落进行补偿。最后，基于MATLAB SIMULINK模型的仿真结果验证了所提出的动态电压恢复器控制方法的有效性。 |
动态电压恢复器的建模 |
作品简介: |
| 在电能质量问题(凹陷、膨胀、谐波……)中，电压凹陷是最严重的干扰。为了克服这些问题，最近提出了定制功率器件的概念。其中一种设备是动态电压恢复器(DVR)，这是在配电网络中使用的最高效和最有效的现代定制电源设备。DVR的功能将注入丢失的电压，以调节负载电压从任何扰动由于立即扭曲的源电压。动态电压恢复器(DVR)是一种基于电压注入与配电系统串联的固态逆变器。DVR的直流侧连接到能源或储能装置，交流侧通过三相界面注入变压器连接到配电馈线。如图(1)所示为DVR连接配电系统的单线图。由于DVR是串联连接设备，源电流与负载电流相同。DVR注入电压与线路串联，使负载电压保持在正弦标称值。它通常安装在配电系统的电源和临界负荷馈线之间的公共耦合点(PCC)。除了电压下降和膨胀补偿，DVR还可以添加其他功能，如:线路电压谐波补偿，减少电压瞬态和故障电流限制。 |
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DVR基本配置: |
| DVR的一般配置包括: |
| a)注入/升压变压器/隔离变压器 |
| b)谐波滤波器/无源滤波器 |
| c)存储设备/ESS |
| d)电压源转换器(VSC)/VSI |
| e)直流充电电路 |
| f)控制和保护系统 |
a.注入/升压变压器/隔离变压器- |
| 注入/升压变压器是一种专门设计的变压器，试图限制从一次侧到二次侧的噪声和瞬态能量耦合。在三相系统中，可以使用三个单相变压器或一个三相变压器进行电压注入。注入变压器由高压侧和低压侧两侧电压组成。三个单变压器可采用星形/开式星形绕组或三角/开式星形绕组连接。后者不允许注入零序电压。注入变压器绕组的选择取决于馈电负载的降压变压器的连接。如果使用D/Y连接的变压器，则不需要补偿零序电压。但如果采用中性接地的Y/Y连接，则可能需要补偿零序电压。避免注入变压器的饱和是至关重要的。 |
| 注入变压器的基本功能是将过滤后的VSI输出所提供的电压增加到所需的水平，同时将DVR电路与配电网隔离。变压器绕组比是根据变压器二次侧所需的电压预先确定的(通常这保持等于供电电压，以允许DVR补偿全电压凹陷。较高的变压器绕组比会增加一次侧电流，这将对VSI中连接的电力电子设备的性能产生不利影响。在评价DVR的性能时，注入变压器的额定值是需要考虑的一个重要因素，因为DVR的补偿能力完全取决于它的额定值。DVR的性能完全取决于注入变压器的额定值，因为它限制了DVR的最大补偿能力。 |
b.谐波滤波器/无源滤波器- |
| 无源滤波器可以放置在注入变压器的高压侧或转换器侧。滤波单元主要由电感(L)和电容(C)组成。在DVR中，滤波器用于将倒脉宽调制波形转换为正弦波形。这可以通过消除VSI动作产生的不必要的谐波分量来实现。高阶谐波分量使补偿输出电压失真。必须从注入电压波形中去除由VSI产生的不必要的开关谐波，以保持可接受的总谐波失真(THD)水平。 |
c.存储设备/ESS |
| 这是在电压深度下降期间为负载提供有功功率所必需的。铅酸电池、飞轮或sme可用于储能。也可以在VSI的直流侧通过从辅助交流电源馈电的辅助桥式变换器提供所需的功率。DVR在配电系统电压扰动时需要实电进行补偿。在这种情况下，当电压扰动发生时，DVR的真实功率必须由储能提供。蓄电池等储能装置负责提供直流形式的能源。 |
d.电压源转换器(VSC)/VSI |
| VSC是一种电力电子系统，由存储设备和开关设备组成，可以产生任何所需频率、幅度和相位角的正弦电压。在DVR应用中，VSC用于临时替代电源电压或产生电源电压中缺失的部分。这可能是三相- 3线VSC或三相- 4线VSC。后者允许注入零序电压。使用常规的两电平变换器(Graetz桥)或三电平变换器。主要有四种类型的开关器件:金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、栅关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和集成栅换相晶闸管(IGCT)。每种类型都有自己的优点和缺点。IGBT是一种新型紧凑型设备，具有增强的性能和可靠性，18可用于建造具有非常大额定功率的VSC。由于高度复杂的igbt转换器设计，DVR可以补偿超出过去使用传统设备的DVR的能力。存储设备的目的是通过直流链路为VSC提供必要的能量，以产生注入电压。 The different kinds of energy storage devices are Superconductive magnetic energy storage (SMES), batteries and capacitance. |
e.直流充电电路 |
| 直流充电电路有两个主要任务。 |
| (i)第一个任务是在凹陷补偿事件发生后对能量源进行充电。 |
| (ii)第二项任务是将直流链路电压维持在标称直流链路电压。 |
| 直流链路电压过高会损坏直流存储电容和开关器件。而且直流链路电压的升高会非线性地增加开关损耗，降低DVR系统的效率。因此，中止能量的反向流动是一个需要恢复的重要问题。近年来，很多研究都集中在DVR能量优化方面。 |
f.控制系统- |
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| 控制系统的目的是在系统扰动下，保持敏感负载连接点的电压大小。谐波在负载端产生，负载端使用6个固定发射角度的脉冲变换器连接到与敏感负载平行的主驱动非线性负载。电压凹陷是通过三相故障在负载端子上产生的。上述电压问题分别被感知，并通过序列分析仪。一般配置的控制系统通常由电压校正方法组成，该方法确定DVR应注入的参考电压，VSI控制由PWM和模糊控制器组成。控制器输入是由参考电压和注入电压值得到的误差信号。DVR控制策略主要分为两类，即线性控制方法和非线性控制方法。线性控制方法可以应用于反馈控制、馈电-序和组合馈电控制器。非线性控制方法包括人工神经网络(ANN)，模糊逻辑(FL)和空间矢量(SV)控制器，虽然反馈控制器是流行的，但它们需要负载和源跟踪，而前馈控制器更简单，但开环，没有负载电压或电流的反馈。所提出的DVR的控制是基于模糊逻辑的PWM信号发生器，控制DVR逆变器产生所需的注入电压。 |
模糊控制器 |
| 模糊逻辑控制器的性能在暂态和稳态性能方面都有很好的改进。模糊控制器的功能是非常有用的，因为它不需要精确的数学模型。模糊逻辑控制系统可分为四个主要功能模块，即知识库、模糊化、推理机制和解模糊化、规则库。本研究采用模糊逻辑反馈控制器控制动态电压恢复器(DVR)的电压注入。 |
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| 知识库由数据库和规则库两部分组成。数据库由输入和输出隶属函数组成，并为适当的模糊化和去模糊化操作提供信息。规则库由一组语言规则组成，这些规则将模糊化的输入变量与所需的控制操作联系起来。模糊化将一个清晰的输入信号、误差(e)和误差变化(ï  e)转换为模糊化的信号，这些信号可以通过模糊集中的隶属度级别来识别。推理机制使用语言规则集合将输入条件转换为模糊化输出。最后，将模糊输出转换为清晰的控制信号，在系统中作为控制输入的变化。 |
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DVR操作 |
| DVR的基本操作是将逆变器直流侧的电压暂降补偿值传递给经过滤波后的注入变压器。DVR的基本思想是在系统出现电压跌落时，通过串联注入变压器将缺失值周期注入系统。三个注入相电压的瞬时振幅得到控制，以消除母线故障对负载电压VL的任何有害影响。这意味着在交流馈线中由瞬态扰动引起的任何差分电压将由变换器产生的等效电压补偿，并通过升压变压器注入中压水平。凹陷是不可见的负载，在正常运行时，电容器从主电源接收能量。当电压纸尿裤凹陷电容提供直流电源逆变器。逆变器确保只有缺失电压注入变压器。在VSI的直流侧有一个相对较小的电容。超过这个电容器的电压保持恒定。采用PWM开关方式获得所需的输出电压。 The voltage error and its derivative are the FL controller input crisp values. The reference voltages for the PWM generator are the FL controller crisp output commands. When a FL controller is used, the tracking error and transient overshoots of PWM can be considerably reduced. As the controller will have to supply active as well as reactive power. |
DVR测试系统参数 |
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仿真结果与讨论 |
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谐波问题 |
| 在simulink模型中，图(VI)显示了谐波是在系统中产生的，该系统使用六个脉冲转换器连接到与敏感负载平行的主驱动非线性负载。敏感负荷侧总谐波失真的百分比，第一阶段为11.29%，第二阶段为15.95%，第三阶段为16.70%。图(vi)采用补偿技术进行MATLAB仿真。 |
| 敏感负荷侧总谐波畸变的百分比，第一阶段为5.67%，第二阶段为5.56%，第三阶段为5.92%。仿真结果表明，该方法可使敏感负载侧谐波降低约50%。仿真结果表明，在无串联补偿器的情况下，三个相位产生的谐波分别为3、5、7、9、11、13、15、17、19次谐波。在所有三个阶段产生的谐波畸变用FFT分析显示在图(VII)中， |
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| 图(VII a)不带动态电压恢复器的相位1谐波输出。 |
| 图(VII b)相位1中无动态电压恢复器的谐波顺序THD。 |
| 图(VII c)没有动态电压恢复器的相位2次谐波输出。 |
| 图(VII d)没有动态电压恢复器的相位2中谐波顺序的THD。 |
| 图(VII e)不带动态电压恢复器的相位3谐波输出。 |
| 图(VII f)相位3无动态电压恢复器时谐波顺序的THD。 |
| 采用动态电压恢复器进行仿真，降低了产生的谐波。图(VIII)中使用FFT分析显示了所有三个阶段中减少的谐波失真 |
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| 图(VIII a)带动态电压恢复器的相位1谐波输出 |
| 图(VIII b)带动态电压恢复器的相位1谐波顺序THD |
| 图(VIII c)带动态电压恢复器的相位2次谐波输出 |
| 图(VIII d)带动态电压恢复器的相位2中谐波顺序的THD |
| 图(VIII e)带动态电压恢复器的相位3次谐波输出 |
| 图(VIII f)带动态电压恢复器的相位3谐波顺序THD |
| 下表显示了在谐波抑制中使用动态电压恢复器和不使用动态电压恢复器时的仿真结果。 |
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| 敏感负载不受主传动负载带来的失真影响，总谐波失真降低了50%。 |
结论 |
| 本文介绍了电压下降、电压膨胀、电压畸变、电压谐波等电能质量问题。介绍了自定义电力电子设备DVR的补偿技术。介绍了电压跌落DVR的设计、应用及综合结果，并提出了有效的算法，以获得设备的快速响应。利用MATLAB电力系统块集对模糊控制器下的DVR进行谐波抑制分析。给出了仿真结果并进行了讨论。DVR的应用降低了负载电压的THD和不平衡量。该系统在抑制谐波和电压跌落方面优于传统方法。 |
未来的范围 |
| (a)本文模型的应用可推广到现代高科技工业中使用的其他电力电子负载。 |
| (b)利用DVR可以探索由主动负荷(如光伏系统或风力发电系统)组成的电能质量更好、功率扰动更小的蓄热式电力系统网络。 |
| (c)可以调查DVR的多层次。 |
确认 |
| 作者感谢电气工程系，Samrat Ashok技术研究所，Vidisha, M.P, INDIA为他们的持续支持，鼓励和提供的设施来开展这项研究工作。作者要感谢我的朋友和监护人对这个项目的精神支持。 |
参考文献 |
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