关键字 |
| 电能质量，DVR，电压下降/膨胀，VSI，同步参考系理论，MATLAB/SIMULINK。 |
介绍 |
| 理想情况下，配电系统应该以收缩幅度和频率[1]的平滑正弦电压为用户提供不间断的能量流，然而，在实践中，电力系统，特别是配电系统具有许多非线性负载，这些负载会严重影响供电质量。由于非线性负载的存在，导致电源波形的纯度降低。这最终会产生许多电能质量问题。除了非线性负载，一些系统事件，通常的(如电容器开关，电机启动)和不寻常的(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。无论是输配电层面的故障，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，系统中可能出现显著的电压降。电压波动和膨胀会导致敏感设备故障、停机并产生大的电流不平衡。这些影响可能会招致客户的大量昂贵费用，并导致设备损坏。电压下降幅度的范围从标称电压的10%到90%，持续时间从半周期到1分钟，膨胀被定义为在工频上的有效值电压或电流的增加，持续时间从0.5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，但使用定制的电源设备被认为是最有效的方法，例如用于传输系统的FACTS，它可以提高电力传输能力和稳定裕度。自定义电源一词是指在配电系统中使用电力电子控制器，特别是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的供应。这种预先规定的质量可能包含以下规格的组合:低相位不平衡，无电源中断，负载电压低闪变，负载电压谐波失真低，过压和欠压在规定范围内的幅度和持续时间，可接受波动，以及对终端电压无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没有能力控制有功潮流[3]。另一个原因包括DVR与中小企业和UPS设备相比具有更高的能量容量。此外，与DSTATCOM和其他定制电源器件相比，DVR体积更小，成本更低。基于这些原因，DVR被广泛认为是缓解电压骤降的有效定制功率器件也就不足为奇了。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最经济的解决方案之一。 |
| 本文的组织结构如下。第二节简要介绍DVR的构成部分，第三节讨论DVR的工作原理和电压注入能力，第四节列举提出的控制算法，第五节和第六节分别讨论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) |
| DVR是一种用于消除电源侧电压干扰的自定义电源设备。DVR也称为静态串联补偿器，通过补偿在公共耦合点出现的电压下降/膨胀和电压不平衡，将负载电压保持在所需的幅度和相位。 |
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| 图1:DVR串联连接拓扑图 |
| DVR的电源电路如图1所示。DVR主要由6个部分组成:- |
| 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 |
| 三个单相注入变压器以三角/开路绕组连接到配电线路上。这些变压器也可以用星形/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，而三角形/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。这些滤波器被放置在高压侧，因为将滤波器放置在逆变器侧会引入相角偏移，从而破坏控制算法。 |
| d)储能 |
| 电池，飞轮或中小企业可以提供真正的动力进行补偿。当出现较大的电压凹陷时，使用实电进行补偿是必要的。 |
| e)电容器 |
| DVR有一个大的直流电容，以确保刚性直流电压输入逆变器。 |
| f)旁路开关 |
| 如果负载侧的过电流由于负载上的短路或大浪涌电流而超过允许的限制，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和Vsc)通过串联阻抗(Za, Zb, Zc)和每相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)以获得不失真和均衡的负载电压(VLa, VLb, VLc)。该DVR采用带igbt和直流电容(Cdc)的三腿电压源逆变器实现。纹波滤波器(Lr, Cr)用于滤波注入电压中的开关纹波。所考虑的对电能质量问题敏感的负载是三相平衡滞后功率因数负载。由于注入电压与馈线电流成正交关系，自支撑型DVR在稳态时不需要任何有功功率。 |
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| DVR对电源电压凹陷、膨胀的补偿操作如图3所示。凹陷前负载电压和电流分别表示为VL (presag)和Isa '，如图3(a)所示。跌落事件发生后，终端电压(Vta)的幅度减小，滞后于前置电压一定角度。DVR注入补偿电压(VCa)以维持负载电压(VL)在额定幅值。VCa有两个组件，VCad和VCaq。需要与电流相电压(VCad)来调节直流母线电压，并满足DVR的VSI和注入变压器[5]中的功率损耗。需要与电流正交的电压(VCaq)来以恒定的幅度调节负载电压(VL)。膨胀事件发生时，注入电压(VCa)使得负载电压位于如图3(b)所示的圆轨迹上。 |
DVR控制 |
| 使用DVR可以通过注入/吸收无功功率或实际功率来补偿电压下降。当注入电压与基频电流成正交时，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相，DVR注入的是实际功率，因此VSI的直流侧需要一个电池。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功率)和储能尺寸的优化等限制。 |
| 图4为DVR的控制模块，其中采用同步参考帧(SRF)理论对自持式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)消除谐波和电压的振荡分量。电压在d轴和q轴上的分量为: |
| Vsd = Vsd dc + Vsd acVsq = Vsq dc + Vsq ac |
| 电压质量问题的补偿策略考虑了负载端电压的额定值和不失真。 |
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| 采用dq2变换或Park变换[6]对DVR进行控制。dqo方法给出了凹陷深度和相移随开始和结束时间的信息。这些量被表示为瞬时空间向量。首先将电压从a-b-c参考帧转换为d-q-o参考帧。为简单起见，忽略零相序分量。 |
| 说明了电压跌落/膨胀检测的前馈dqo变换的流程图。检测在三个阶段中的每一个阶段进行。控制是基于参考电压和测量端子电压(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。误差信号用作允许为构成电压源转换器的功率开关(IGBT)生成整流模式的调制信号。利用正弦脉宽调制技术(SPWM)产生换相图;电压通过调制来控制。 |
| 响应速度由参数K、Kp和Kv决定。这些参数控制滤波器的瞬态和稳态行为。在速度和准确性之间存在着妥协。对于较大的K和KpKv，估计值收敛到实际值较快，但稳态失调较高。这是自适应算法的固有特性。参数和应根据应用情况适当选择。增加K的值会增加速度。然而，它在峰值检测响应中产生振荡。在速度和准确性(或平滑度)之间存在权衡。减小K和KpKv产生对输入信号中不希望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 |
| 利用MATLAB及其Simulink和Sim Power System工具箱对DVR进行了建模和仿真。DVR连接系统的MATLAB模型如下图所示。三相可编程电源通过DVR与三相负载连接，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通过注入变压器与系统相连。此外，在变压器二次线的两端连接有用于滤波终端电压中开关纹波的纹波滤波器。根据暂态能量需求选择DVR直流母线电容，根据注入电压等级选择直流母线电压。直流电容决定了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所示的控制算法是为图-5的DVR控制建模的。参考负载电压由检测到的终端电压、负载电源电压和DVR的直流母线电压导出。脉冲宽度调制(PWM)控制器在参考电压和感测负载电压上使用，为VSI的IGBT产生门信号。 |
DVR系统的性能 |
| 研究了DVR在不同电压扰动下的性能，如电压下降和电压波动。以三相电压骤降为例进行仿真，结果如图6所示。图6(a)显示在150ms时开始50%的电压下降，并一直保持到300ms，总电压下降持续时间为150ms。图3(b)和(c)分别为DVR注入电压和补偿负载电压。作为DVR的结果，负载电压在整个模拟过程中保持在1p.u.，包括电压标记期。可以观察到，在正常工作期间，DVR是不工作的。在检测到电压暂降后，快速注入必要的电压分量以平滑负载电压。 |
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| 图7(a)显示了系统在电压跌落和膨胀条件下的瞬态性能。在0.12秒时，供电电压下降持续0.13秒，在0.3秒时，供电电压上升持续0.1秒。从图7(b)可以看出，在凹陷和膨胀两种情况下，负载电压都被调节为恒定幅值。图7(b)为DVR的同相注入电压。如图7(c)所示，DVR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)显示了在与上述相同的场景下进行的第二次模拟，但现在在负载侧引入了DVR，以补偿由于施加三相故障而发生的电压凹陷。 |
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| 负载电压中的谐波补偿如图9(a)和(b)所示。通过添加与谐波数成反比的5次谐波，终端电压被扭曲。由于DVR注入了反向谐波电压，负载电压呈正弦波不变。 |
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附录 |
| 交流电压:415 V, 50hz负载:10KVA, 0.80 pf滞后PI控制器:Kp = 5 Ki = 120dvr直流电压: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直流母线电容:1000μF |
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结论 |
| DVR的研究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。传统的暂降检测方法无法检测出低于一定水平的电压暂降。例如，由于该方法使用的是三相电压的平均值，将单相电压的跌落看作是三相的平均值，因此无法确定单相接地故障导致的电压跌落。为了克服传统凹陷检测方法的不足，本文采用了该方法。采用该方法，控制器能够准确无误地检测出不同类型的电能质量问题，并注入适当的电压分量，立即纠正终端电压的异常，使负载电压保持在标称值上的平衡和恒定。仿真和实验结果表明，所提出的DVR能够有效地保护最关键的负载免受电压跌落的影响。此外，已经发现DVR能够通过从交流线路获取有功功率来为其直流总线提供自支持。 |
参考文献 |
- 电能质量问题和新的解决方案，作者:A. de Almeida, L. Moreira。j·德尔珈朵
- 波伦，理解电能质量问题:电压下降和中断，IEEE出版社，纽约，2000
- 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
- Chellali BENACHAIBA, Brahim FERDI利用DVR改进电压质量
- 基于adalin的配电系统电容支持的DVR控制Bhim Singh*， P. Jayaprakash†。p . Kothari
- 基于DVR的三电平逆变器的1S控制。LEELA都,S.DASH
- DVR注入变压器的额定和设计问题(Sasitharan S.， Mahesh K. Mishra)， IEEE会员B.Kalyan Kumar和m . JayashankarV灰烬,IEEE
- 基于粒子群优化的动态电压恢复器
- A. Ghosh和G. ledwich, 2002。KluwerAcademic出版商。
- 输配电中的FACTS控制器，k.r.p adiyar
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- 由Mehmet Emin MERAL定制的电压质量增强
- DVR位置对电压凹陷增强的影响[j] Rohanim Ibrahim, Ahmed M. A. Haidar, ZahimM。——赫伯特·刘
- Rosliomar, NasrudinAbd Rahim,MarizanSulaiman基于DVR的电压跌落/膨胀缓解建模与仿真
- 基于电池储能系统的低额定动态电压恢复器控制，⠗—by B. Sing, P.Joyprakash
- 赤木H、渡边E H、Aredes M，瞬时功率理论及其在功率调节中的应用，约翰威利和儿子，2007
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