動態(tài)電壓恢復(fù)器的原理及控制綜述

1、動態(tài)電壓恢復(fù)器的原理及控制綜述KONG Shuhong, YIN Zhongdong，SHANRenzhongNorth China Electric Power UniversityBeijing , Chinae-mail: SHANG WeidongKaifeng Power Supply CompanyHenan，China摘要 隨著自動化技術(shù)信息化的發(fā)展，動態(tài)電壓問題日益凸顯。動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）是現(xiàn)代配電系統(tǒng)中重要的緩解電壓暫降的電力設(shè)備。DVR的工作原理、結(jié)構(gòu)和控制方法在許多DVR相關(guān)的學(xué)術(shù)會議和期刊上被引用和比較。同時對未來DVR在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和一些問題提出了建議。關(guān)鍵

2、詞：電壓暫降;動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）；控制技術(shù)；電能質(zhì)量；優(yōu)化的補(bǔ)償；儲能I引言最近幾年，社會對于高功率質(zhì)量（PQ）和電壓穩(wěn)定性的要求顯著增加。PQ特性包括頻率變化，電壓變化，電壓波動，不平衡三相電壓，電壓突變和諧波失真。對于敏感的設(shè)備的一個嚴(yán)重威脅是持續(xù)10至100毫秒的電壓暫降（60至90的額定電壓的下降）。電壓暫降是因為大功率電機(jī)并網(wǎng)或切換操作時由動物接觸，暴風(fēng)雨，設(shè)備故障，絕緣故障，短路沖擊電流較大等因素引起的。這將導(dǎo)致巨大的財產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。眾所周知的保護(hù)關(guān)鍵負(fù)載不受干擾的定制功率器件有： STATCOM分布（靜止同步補(bǔ)償器DSTATCOM），動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）和統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)

3、節(jié)器（UPQC）。DVR主要用于解決電壓暫降問題。1996年8月，Westinghouse電氣公司在加利福尼亞州南部的Anderson在12.47KV變電站安裝了世界上第一臺DVR。它主要為自動生產(chǎn)的工廠提供保護(hù)。隨后，ABB，西門子等其他公司也開發(fā)了自己的的產(chǎn)品來保證敏感負(fù)載的電壓質(zhì)量。所以，在DVR的結(jié)構(gòu)，參數(shù)檢測，閉鎖，補(bǔ)償和控制技術(shù)等方面進(jìn)行了大量的電力系統(tǒng)的研究。在這片論文里，將對DVR的控制技術(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查和比較。同時，說明了DVR在電網(wǎng)的應(yīng)用前景和幾個需要解決的問題。2.結(jié)構(gòu)和原理DVR的主要目的是調(diào)節(jié)電壓在在終端的垂度（irrespective of sag），變形，或在電壓

4、提供處的不平衡。其基本原理是在需要電壓幅值和頻率處串聯(lián)配電饋線，每種拓?fù)鋵?yīng)著不同的性能，成本和復(fù)雜性?？偟膩碚f，DVR，一種基于靜態(tài)或電壓逆變器（VSI）可以在敏感負(fù)荷總線處注入可控AC電壓（通過一系列變壓器）。基本原理如圖1（a）所示。一旦一個暫降（sag）被檢測到，DVR就會使用串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)添加電壓到電源上。所存儲的能量可以從不同類型的儲能裝置輸送如電池，電容器，飛輪，或超級磁儲能系統(tǒng)（SMES）。對于無存儲拓?fù)?，DVR本身沒有內(nèi)部儲能電容，而是由發(fā)生故障電網(wǎng)的沉降能量替代。這種串并聯(lián)接的DVR組合結(jié)構(gòu)于圖1（b）所示。這可以克服DVR 的缺點。串并聯(lián)組合由圖一（c）所示的DVR結(jié)構(gòu)。

5、它通常用于低電壓條件下的電源設(shè)備電壓杠桿限制（voltage lever limits）。電容器的目的主要是為了吸收諧波脈動，因此，它具有相對較小的儲能的要求，尤其是工作時在平衡條件下。VSI采用的IGBT處于操作脈沖寬度調(diào)制（SPWM）方式。正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）開關(guān)技術(shù)是用于通過比較來控制交流輸出電壓與載波三角波的正弦參考信號從而得到每半周期的脈沖的技術(shù)。LC濾波器聯(lián)接在DVR的輸出側(cè)。使他的第二繞組變壓器作為DVR的衰減輸出信號，并且消除諧波，并較少對變壓器繞組dv/dt的影響。 參考文獻(xiàn)【4】做出了負(fù)載端無存儲拓?fù)渑c負(fù)載側(cè)的無源支路轉(zhuǎn)換器排列與恒定直流鏈路電壓的儲能拓?fù)涞谋容^。在

6、參考文獻(xiàn)【2】提出，光伏（PV）系統(tǒng)充當(dāng)直流電壓源。光伏發(fā)電不需要明亮的陽光下操作，不產(chǎn)生噪音，有害輻射或污染氣體。這種模塊化光伏系統(tǒng)可以快速安裝在任何地方，只需要很少的維護(hù)就可以保持系統(tǒng)運(yùn)行，也沒有移動部件磨損或損壞。DVR從電網(wǎng)獲取電能是一個更好的選擇，以減少連接DVR的電容存貯單元的成本。一個優(yōu)秀的控制策略，應(yīng)使用以最小化電網(wǎng)失諧和暫降（sag）補(bǔ)償大相位波動而不增加昂貴的DC鏈路的規(guī)模。這將在下文進(jìn)行分析。（a）串聯(lián)DVR線路（b）串并結(jié)合的DVR線路（c）串并結(jié)合的DVR線路圖1 DVR的主要結(jié)構(gòu)3.控制策略一個DVR的控制系統(tǒng)主要考慮的因素有：檢測電壓暫降的開始和結(jié)束，基準(zhǔn)電壓的產(chǎn)

7、生，注入電壓的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制，并且保護(hù)系統(tǒng)。A:電壓暫降檢測所用的電壓暫降檢測方法是根據(jù)誤差矢量檢測，它可以檢測出對稱和非對稱暫降的均方根，以及相關(guān)聯(lián)的相位躍變。B：基準(zhǔn)負(fù)載電壓產(chǎn)能優(yōu)化補(bǔ)償為了避免負(fù)載的脫扣，只有負(fù)載電壓的振幅由DVR恢復(fù)。實現(xiàn)這一目的可有多種方法。三種主要的方法是在暫降前補(bǔ)償，同相補(bǔ)償和能量優(yōu)化補(bǔ)償。第三種方法的優(yōu)點已被特別提出在參考文獻(xiàn)【1】中。其主要思想是從電網(wǎng)吸取盡可能多的有功功率，因此要減少從DC鏈路所需的有功功率的量。只要電壓暫降幅度很小，就有可能用純無功功率補(bǔ)償，因此補(bǔ)償時間沒有限制圖2 能量優(yōu)化補(bǔ)償，表示電壓暫降前后電流和電壓的向量變化圖3前饋/反結(jié)合的MV

8、DVR控制結(jié)構(gòu)在圖2中，根據(jù)描繪的能量優(yōu)化補(bǔ)償電壓。電壓振幅、所需的有功功率、最大補(bǔ)償時間可以被計算出來。作為預(yù)弛度（pre-sag）和同相補(bǔ)償?shù)慕M合，DVR的優(yōu)化控制策略完全可以對一個很小的電壓暫降做出反應(yīng)，而不干擾任何負(fù)載的保護(hù)。對于長時間的電壓暫降，所提出的方法仍然可以產(chǎn)生一個適當(dāng)?shù)碾妷憾贿^調(diào)制和最小負(fù)荷瞬態(tài)電壓失真。C：結(jié)合前饋/反饋的逆變器控制策略圖3中展現(xiàn)的控制系統(tǒng)用來控制3kHZ的采樣和轉(zhuǎn)換頻率的DVR。參考文獻(xiàn)【5】中這種控制結(jié)構(gòu)是基于電源電壓、前饋和PI負(fù)載電壓反饋的組合。基本組成部分由前饋部分提供。這使DVR在補(bǔ)充部分大的電壓暫降的同時仍保持正弦注入剖面（asinusoi

9、dal injection profile），而且還為LC諧振開關(guān)紋波過濾器提供了一些緩沖。圖4: 下游故障（downstream fault）的DVR連接系統(tǒng)D：逆變器保護(hù)系統(tǒng)DVR下游的大電流故障，或負(fù)載的高浪涌電流（如果暫降不被完全補(bǔ)償?shù)脑挘┍仨氃诓暗阶儔浩髂孀兤鲿r被制止。并且通過其他具有適當(dāng)額定值的電路提供。圖4表示下游故障（downstream fault）可以由一降壓變壓器變?yōu)橹械然蜉^低的電壓水平。Vpcc會下降，而且小阻值Z3上的剩余電壓會很小。暫降影響其他并行饋電線的負(fù)載。在參考文獻(xiàn)6中，一種下游的故障電流限制功能被提出并集成于DVR的操作，并恢復(fù)PCC電壓和保護(hù)的DVR。一

10、種波動充電模式（flux-charge-model）的反饋算法，用于實現(xiàn)DVR控制。4.多種功能和應(yīng)用A：選擇性諧波補(bǔ)償DVR技術(shù)在降低電壓暫降對敏感負(fù)載的影響方面已經(jīng)在工業(yè)應(yīng)用中日益成熟。但是，由于很少發(fā)生電壓下降，DVR大部分時間處于待機(jī)模式，因此，利用率低。如果DVR的串聯(lián)逆變器也可以用于補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)負(fù)載電壓諧波，就會提高電壓質(zhì)量“增值”，有益于系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)3提出了一種選擇性的反饋諧波控制策略，可以利用基本DVR對暫降影響最小的補(bǔ)償性能，很容易的加入到中壓的DVR系統(tǒng)以提供電壓諧波補(bǔ)償。由前面提到的，zeroat電網(wǎng)有功功率（net real power）的諧波補(bǔ)償方案總是至關(guān)重要。B：系

11、統(tǒng)頻率變化下的DVR操作DVR的操作在正常系統(tǒng)頻率下保持關(guān)鍵負(fù)載終端電壓不變。萬一頻率失衡，DVR必須提供關(guān)鍵負(fù)載的有功功率需求。如參考文獻(xiàn)【7】中提到的，為了補(bǔ)償平率變化，DVR的有功功率途徑是通過直流環(huán)節(jié)的不可控整流提供。一種簡單的應(yīng)用過零檢測器和移動平均處理的簡單頻率估計技術(shù)。5. 結(jié)論在配電系統(tǒng)中大多數(shù)電能質(zhì)量問題都與電壓驟降有關(guān)。動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）已成為對于敏感負(fù)荷電壓驟降保護(hù)的一種流行的成本有效的解決方案。為降低直流母線電容大小，縮小經(jīng)濟(jì)成本，提供選擇性的電壓諧波補(bǔ)償，并使用DVR的下頻率變化時，控制和設(shè)計效果顯著。在論文中，控制策略進(jìn)行了探討和應(yīng)用性的方法，通過一定的參考調(diào)

12、查后得出的結(jié)論。理論學(xué)習(xí)后，實驗方案和測試是必要的。在一些參考文獻(xiàn)中，使用10千伏DVR設(shè)置典型的實驗結(jié)果已在對稱和非對稱電壓驟降情況驗證有效。所以，DVR可以廣泛應(yīng)用與配電系統(tǒng)。REFERENCES1 M. Christoph, R.W. De Doncker, Y.W. Li, and F. Blaabjerg,“Optimized Control Strategy for a Medium-VoltageDVRTheoretical Investigations and Experimental Results,”Power Electronics, IEEE Trans. on Vol

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