关键字 |
| 电能质量，DVR，电压跌落/膨胀，VSI，同步参考系理论，MATLAB/SIMULINK。 |
介绍 |
| 在理想的情况下，配电系统应该在合同量级和频率[1]的平滑正弦电压下为用户提供不间断的能量流，但在实际应用中，电力系统，特别是配电系统存在大量非线性负载，这严重影响了供电质量。由于负载是非线性的，电源波形的纯度是损失的。这最终产生了许多电能质量问题。除了非线性负载外，一些常见的系统事件(如电容器开关、电机启动)和不寻常的系统事件(如故障)也可能造成电能质量问题[2]。电能质量现象或电能质量扰动可以定义为电压和电流与其理想波形的偏差。输电或配电电平的故障都可能导致整个系统或大部分系统的电压下降或膨胀。此外，在重载条件下，系统可能会出现显著的电压降。电压跌落和膨胀会导致敏感设备故障、停机并产生大电流不平衡。这些影响会给客户带来很多昂贵的费用，并造成设备损坏。电压下降幅度范围为名义电压的10%到90%，持续时间从半个周期到1分钟，膨胀定义为电源频率下的有效值电压或电流的增加，持续时间从0.5个周期到1分钟。典型的幅度在1.1到1.8 p.u[2]之间。 |
| 有许多不同的方法来减轻电压下降和膨胀，但使用自定义功率设备被认为是最有效的方法，例如用于输电系统的FACTS，它可以提高电力传输能力和稳定裕度。自定义电源这一术语是指在配电系统[10]中使用电力电子控制器，特别是用于处理各种电能质量问题。定制电源确保客户获得预先规定的质量和可靠性。这种预先规定的质量可以包含以下规格的组合:低相位不平衡，无电源中断，负载电压低闪烁，负载电压低谐波失真，在规定范围内过电压和欠电压的幅度和持续时间，接受波动，以及对终端电压没有显著影响的不良因素负载。 |
| 在电网中有不同类型的自定义电源设备用于改善电能质量问题。每种设备都有自己的优点和局限性。其中一些原因如下。SVC早于DVR，但DVR仍然是首选，因为SVC没有能力控制有功功率流[3]。另一个原因是，DVR与sme和UPS设备相比具有更高的能量容量。此外，与DSTATCOM和其他定制电源设备相比，DVR的尺寸更小，成本更低。基于这些原因，DVR被广泛认为是缓解电压下降的有效定制电源设备也就不足为奇了。除了电压下降和膨胀补偿，DVR还可以添加其他功能，如谐波和功率因数校正。与其他设备相比，DVR显然被认为是其尺寸和功能的最佳经济解决方案之一。 |
| 本文的结构如下。第二节简要介绍了DVR的结构部分，第三节讨论了DVR的工作原理和电压注入能力，第四节列举了提出的控制算法，第五节和第六节分别讨论了MATLAB仿真模型的详细描述及其在电网中的性能。 |
动态电压恢复器 |
| DVR是一种自定义电源设备，用于消除电源侧电压干扰。DVR也被称为静态串联补偿器，通过补偿在公共耦合点上出现的电压下降/膨胀和电压不平衡，将负载电压维持在所需的幅度和相位。 |
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| 图-1:DVR系列连接拓扑 |
| DVR的电源电路如图1所示。DVR由6个主要部分组成:- |
| a)电压源逆变器(VSI) |
| 这些逆变器具有低额定电压和高电流，因为升压变压器用于提高注入电压。 |
| b)注入变压器 |
| 三台单相注入变压器以三角/开路绕组连接到配电线路上。这些变压器也可以星形/开式绕组连接。星形/开路绕组允许注入正序、负序和零序电压，而delta/开路绕组只允许注入正序和负序电压。 |
| c)无源滤波器 |
| 无源滤波器被放置在DVR的高压侧以过滤谐波。这些滤波器放置在高压侧，因为将滤波器放置在逆变器侧会引入相位角偏移，这可能会破坏控制算法。 |
| d)能量储存 |
| 电池，飞轮或中小企业可以用来提供真正的电力补偿。当出现较大电压跌落时，使用实功率进行补偿是必要的。 |
| e)电容器 |
| DVR有一个大的直流电容，以确保硬直流电压输入到逆变器。 |
| f)旁路开关 |
| 如果负载侧的过电流超过允许的限制，由于负载短路或大的涌流，DVR将通过使用旁路开关和提供另一条电流路径与系统隔离。 |
DVR操作 |
| DVR的原理图如图2所示。三相源电压(Vsa, Vsb, Vsc)通过串联阻抗(Za, Zb, Zc)和每个相的注入变压器连接到三相临界负载。终端电压(Vta, Vtb, Vtc)存在电能质量问题，DVR通过注入变压器注入补偿电压(VCa, VCb, VCc)，以获得无失真和平衡的负载电压(VLa, VLb, VLc)。该DVR采用三腿电压源逆变器与igbt以及直流电容器(Cdc)实现。采用纹波滤波器(Lr, Cr)对注入电压中的开关纹波进行滤波。所考虑的负荷，对电能质量问题敏感的是三相平衡滞后功率因数负荷。自支撑DVR在稳态时不需要任何有功功率，因为注入电压与馈线电流成正交。 |
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| DVR对电源电压凹陷、膨胀进行补偿的操作如图3所示。在凹陷之前，负载电压和电流表示为VL (presag)和Isa '，如图-3(a)所示。在降压事件发生后，终端电压(Vta)的幅度减小，并滞后于预压电压一定角度。DVR注入补偿电压(VCa)以保持负载电压(VL)在额定幅度。VCa由VCad和VCaq两部分组成。为了调节直流母线电压，满足DVR VSI和注入变压器[5]的功率损耗，需要采用电压与电流同相(VCad)。电压与电流的正交(VCaq)需要调节负载电压(VL)在恒定的幅度。在膨胀事件中，注入电压(VCa)使负载电压位于图3(b)所示的圆轨迹上。 |
DVR控制 |
| DVR对电压跌落的补偿可以通过注入/吸收无功功率或实功率来实现。当注入电压与基频电流正交时，通过注入无功功率实现补偿，DVR采用直流母线自支撑。但是，如果注入的电压与电流相一致，DVR注入的是真正的功率，因此需要在VSI的直流侧安装电池。所采用的控制技术应考虑电压注入能力(逆变器和变压器额定值)和储能尺寸优化等限制。 |
| 图4所示为DVR的控制块，其中采用同步参考系(SRF)理论对自立式DVR进行控制。PCC (Vt)处的电压使用abc-dqo转换转换为旋转参考系。使用低通滤波器(LPF)消除了电压的谐波和振荡分量。d轴和q轴上的电压分量为: |
| Vsd = Vsd dc + Vsd acVsq = Vsq dc + Vsq ac |
| 电压质量问题的补偿策略是考虑负载端电压的额定大小和无畸变。 |
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| dqo变换或Park 's变换[6]用于DVR的控制。dqo方法给出了凹陷深度和开始和结束时间的相移信息。这些量表示为瞬时空间向量。首先将电压从a-b-c参考系转换为d-q-o参考系。为简单起见，忽略零相序分量。 |
| 说明了前馈dqo变换用于电压跌落/膨胀检测的流程图。检测在三个阶段中的每一个阶段进行。控制基于基准电压和测量端电压(Va, Vb, Vc)的比较。当电源电压下降到参考值的90%以下时，检测到电压下降，而当电源电压增加到参考值的25%时，检测到电压膨胀。误差信号被用作调制信号，允许为组成电压源转换器的功率开关(IGBT)产生换相模式。采用正弦脉宽调制技术(SPWM)生成换向图;电压通过调制来控制。 |
| 响应速度由参数K, Kp和Kv决定。这些参数控制了滤波器的瞬态和稳态行为。在速度和准确性之间存在一种折衷。当K和KpKv较大时，估计值与实际值收敛较快，但稳态失调较大。这是自适应算法的固有特征。参数和应根据应用适当选择。K的值越大，速度越快。然而，它会在峰值检测响应中产生振荡。在速度和准确性(或流畅性)之间需要权衡。减小K和KpKv可以得到对输入信号中不受欢迎的变化和噪声不敏感/鲁棒的峰值估计。 The presented PLL provides the following advantages online estimation of the amplitude, phase and their corresponding time derivatives of the pre-selected component of the input signal are provided. |
Matlab建模与仿真 |
| 使用MATLAB及其Simulink和Sim Power System工具箱对DVR进行建模和仿真。DVR连接系统的MATLAB模型如下图所示。三相可编程电源通过DVR连接到三相负载，以便在供电侧产生凹陷、膨胀和谐波。所考虑的负载是滞后功率因数负载。DVR的VSI通过注入变压器连接到系统。此外，在变压器的次级端子之间连接一个纹波滤波器，用于过滤终端电压中的开关纹波。根据暂态能量需求选择DVR的直流母线电容，根据注入电压等级选择直流母线电压。直流电容决定直流电压中的纹波含量。系统数据见附录。 |
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| 在MATLAB中对DVR的控制算法进行了仿真。图4所示的控制算法是对图5的DVR控制进行建模。参考负载电压由被测终端电压、负载电源电压和DVR的直流母线电压得出。脉宽调制(PWM)控制器用于参考和感应负载电压，为VSI的IGBT产生门信号。 |
DVR系统的性能 |
| 演示了该DVR在不同电源电压干扰下的性能，如电源电压[3]的凹陷和膨胀。以三相电压跌落为例进行仿真，结果如图6所示。图6(a)显示50%的电压跌落始于150ms，一直持续到300ms，总电压跌落持续时间为150ms。图3(b)和(c)分别为DVR注入的电压和补偿后的负载电压。由于DVR，负载电压在整个模拟过程中都保持在1 p.u.，包括电压跌落周期。可以观察到，在正常运行时，DVR不运行。在检测到电压跌落后，它迅速注入必要的电压元件以平滑负载电压。 |
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| 图7(a)为电压跌落和膨胀条件下系统的暂态性能。在0.12秒时，电源电压下降持续0.13秒，在0.3秒时，电源膨胀持续0.1秒。如图7(b)所示为DVR同步注入电压的情况。如图7(c)所示，DVR通过注入适当的补偿电压使负载电压保持正弦。 |
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| 图8(a)显示了第一次模拟是在没有DVR的情况下进行的，在故障电阻为0.66 U的点对系统施加三相故障，持续时间为200 ms。图8(b)显示了第二次模拟是在与上述相同的场景下进行的，但现在在负载侧引入了DVR来补偿由于应用三相故障而发生的电压跌落。 |
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| 负载电压中的谐波补偿在图9(a)和(b)中实现和描述。终端电压通过添加与谐波数成反比的第五次谐波而失真。由于DVR注入相反的谐波电压，负载电压呈正弦且大小恒定。 |
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附录 |
| 交流线路电压:415v, 50hz负载:10KVA, 0.80 pf滞后PI控制器:Kp = 5ki = 120DC DVR电压:300V谐波滤波器:Lr = 2.0mH, Cr = 10μF, Rr = 4.8Ω PWM开关频率:1080Hz注入变压器:匝数比=1:1逆变器:基于IGBT的3臂，6脉冲，频率= 1080Hz，采样时间= 5 μs直流母线DVR电容:1000μF |
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结论 |
| 研究的重点是应用一种新的凹陷检测方法和一种新的补偿电压产生方法。传统的电压跌落检测方法无法检测出低于一定水平的电压跌落。以单相接地故障为例，该方法使用三相电压的平均值，将单相电压降视为三相的平均值，因此无法确定单相接地故障导致的电压降。为了克服传统凹陷检测方法的缺点，本文采用了该方法。采用所提出的方法，控制器能够检测到不同类型的电能质量问题而不出错，并注入适当的电压组件以立即纠正终端电压中的任何异常，以保持负载电压平衡和恒定在标称值。仿真和实验结果表明，所提出的DVR成功地保护了最关键负载不受电压下降的影响。此外，还发现DVR能够通过从交流线路获取有功功率来为其直流母线提供自我支持。 |
参考文献 |
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- T. Devaraju, V. C. Reddy和M.Vijaya Kumar在不同电压凹陷和膨胀条件下的DVR性能
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- 用1S控制基于三电平逆变器的DVR。LEELA都,S.DASH
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- 基于电池储能系统的低压动态电压恢复器控制，ÃⅱÂ ' Â，杨晓明，杨晓明
- 赤城，E H Watanabe和M Aredes，瞬时功率理论及其在功率调节中的应用，John Wiley and Sons，新泽西，2007
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