吳桂峰,王 軒,章海鋒
(1.揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225127;2.揚(yáng)州北辰電氣設(shè)備有限公司總工室,江蘇揚(yáng)州 225127)
目前,在電力系統(tǒng)中,各種敏感性負(fù)荷大量應(yīng)用在電力設(shè)備中。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也使得用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。電能質(zhì)量問(wèn)題在國(guó)內(nèi)仍然存在,電壓凹陷是國(guó)內(nèi)發(fā)生頻率較高且造成損失較多的電能質(zhì)量問(wèn)題。應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的控制并為用戶提供特定的電能供應(yīng)。目前這些裝置包含了配電系統(tǒng)靜止補(bǔ)償器、有源電力濾波及串聯(lián)電能質(zhì)量控制器(DVR)等設(shè)備。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)[1],是帶有儲(chǔ)能裝置的串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng),具有補(bǔ)償有功功率的能力。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)具有良好的動(dòng)態(tài)性能,DVR可向系統(tǒng)注入電壓來(lái)補(bǔ)償差值電壓,防止電壓出現(xiàn)畸變,這不僅可解決動(dòng)態(tài)電壓?jiǎn)栴},如電壓跌落、凸起等,還可解決穩(wěn)態(tài)電壓?jiǎn)栴},如:三相不平衡、電壓諧波等,受到了國(guó)內(nèi)外研究者的青睞。DVR是針對(duì)電壓跌落、凸起等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題的補(bǔ)償裝置,在實(shí)際應(yīng)用中可當(dāng)作電壓源來(lái)使用。根據(jù)DVR接入電網(wǎng)的方式,可將DVR的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種,二者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似,區(qū)別在于并聯(lián)式裝置通常不采用能量存儲(chǔ)單元,不將其歸為DVR裝置中。一般可將DVR大致劃分為直流側(cè)儲(chǔ)能單元、逆變單元、濾波單元和輸出單元4個(gè)組成部分。儲(chǔ)能單元的作用是為整個(gè)裝置提供能量,較為實(shí)用的儲(chǔ)能技術(shù)有蓄電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等。逆變單元的作用是轉(zhuǎn)換電流的輸出方式,將內(nèi)部的直流電輸出為交流電。濾波單元的作用是過(guò)濾掉DVR裝置輸出端的高次諧波,減少或避免DVR對(duì)電網(wǎng)造成二次污染。輸出單元?jiǎng)t是用來(lái)輸出電流的。
DVR工作時(shí),首先,需要檢測(cè)出電路各處的電壓和電流量,可通過(guò)檢測(cè)裝置檢測(cè)是;其次,需要計(jì)算出補(bǔ)償電壓的幅值和相位,可通過(guò)給定的補(bǔ)償策略來(lái)計(jì)算,計(jì)算出補(bǔ)償電壓的幅值和相位后可輸出對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制逆變器功率器件的開通和中斷;隨后,在逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波,需經(jīng)過(guò)濾波單元來(lái)濾除高次諧波;最終,還需將補(bǔ)償電壓和系統(tǒng)電壓相疊加,使負(fù)載一側(cè)的電壓達(dá)到穩(wěn)定,此過(guò)程需利用到串聯(lián)變壓器。DVR的主要特點(diǎn)是能夠抑制動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)的電壓發(fā)生跌落、浪涌、閃變,具有良好的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償能力,還可有效地抑制諧波、三相不平衡,從而提高電能質(zhì)量[2]。
通過(guò)上述分析可發(fā)現(xiàn),DVR具有良好的補(bǔ)償功能,對(duì)于抑制動(dòng)態(tài)電壓發(fā)生跌落有較好的效果。要使其發(fā)揮功能,需運(yùn)用科學(xué)合理的檢測(cè)方法快速且無(wú)偏差的檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)碾妷盒盘?hào)。按照擾動(dòng)特征量提取方法的不同,可將電壓跌落的檢測(cè)方法分為:缺損電壓法和基波分量法、小波變換法、峰值電壓法、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq0變換方法等。文中主要分析基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq0變換方法[3-4]。
目前,基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq0變換方法用途最為廣泛,而較多其他的方法也是在其基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。此方法能夠避免有效值法存在的計(jì)算延遲問(wèn)題,無(wú)需利用歷史數(shù)據(jù)。只需要abc-dq變換便可瞬時(shí)確定電壓的有效值。dq0變換檢測(cè)方法有相位追蹤法和對(duì)稱分量法兩種主要監(jiān)測(cè)識(shí)別方式[5]。這種檢測(cè)方法需對(duì)abc坐標(biāo)系下的三相電壓或電流進(jìn)行Park變換,轉(zhuǎn)換成dq0坐標(biāo)系下的相應(yīng)分量,即
其中C是Park變換矩陣,C的值可通過(guò)以下公式求出
假設(shè)待測(cè)電壓是us(t)=u1+uh,其中 u1=U sin(ωt+φ)指的是基波分量,uh表示的是含有諧波、電壓波動(dòng)及高頻振蕩等成分的畸變分量。首先,要得到dq0坐標(biāo)下的d軸、q軸、0軸的分量,需進(jìn)行dq0轉(zhuǎn)換;其次,需得到dq0坐標(biāo)系下的直流分量,這可通過(guò)低通濾波器得到;最后,通過(guò)Park反變換后就可得到所需的補(bǔ)償量。
前饋控制的控制原理:(1)需要比較檢測(cè)到的系統(tǒng)電壓和基準(zhǔn)電壓,得到兩者間的差值。(2)通過(guò)補(bǔ)償策略計(jì)算出系統(tǒng)電壓所需的補(bǔ)償量。(3)經(jīng)過(guò)濾波器輸出補(bǔ)償電壓。前饋控制策略的主要特點(diǎn)是開環(huán)控制、響應(yīng)快、控制簡(jiǎn)單等。但該控制策略較難實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償,DVR采用該控制策略輸出的電壓通常存在幅值衰減和相位偏移等現(xiàn)象,這與其耦合變壓器輸出存在阻抗有較大的關(guān)系。檢測(cè)系統(tǒng)是前饋控制策略中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié),因?yàn)檫@種控制策略需要準(zhǔn)確無(wú)誤地檢測(cè)出電網(wǎng)側(cè)電壓的畸變量,并通過(guò)輸出準(zhǔn)確的補(bǔ)償電壓來(lái)達(dá)到理想的補(bǔ)償效果。逆變器輸出的電壓不僅與基準(zhǔn)參考信號(hào)有關(guān),還與負(fù)載電流、系統(tǒng)側(cè)輸入電壓及濾波器參數(shù)設(shè)置有關(guān)。所以,前饋控制策略存在局限性,較難滿足所有電壓補(bǔ)償?shù)囊蟆4送?,前饋控制策略無(wú)較好的負(fù)載適應(yīng)能力,導(dǎo)致其對(duì)于高次諧波的消除效果不佳。
補(bǔ)償電壓反饋控制能有效提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。相對(duì)于前饋控制策略,補(bǔ)償電壓反饋控制策略可提供更加精確的控制結(jié)果。因?yàn)檠a(bǔ)償電壓反饋控制策略是通過(guò)直接控制輸出電壓來(lái)防止由于輸出電壓偏差而造成的誤差。在進(jìn)行補(bǔ)償電壓反饋控制室可選擇有效值反饋或瞬時(shí)值反饋兩種方式。補(bǔ)償電壓有效值反饋控制可有效、穩(wěn)定補(bǔ)償電壓的有效值。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)對(duì)逆變器輸出的補(bǔ)償電壓進(jìn)行反饋控制時(shí),負(fù)載電壓會(huì)受到采樣干擾的影響。因此,需要采用負(fù)載電壓反饋控制,這樣便可彌補(bǔ)該控制策略存在的不足,獲得較好的負(fù)載電壓品質(zhì)。但是,補(bǔ)償電壓反饋控制策略會(huì)因?yàn)樨?fù)載功率因數(shù)的下降而導(dǎo)致系統(tǒng)阻尼減小,容易使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度降低。另外,這種控制策略難以滿足DVR響應(yīng)速度較高的要求。補(bǔ)償電壓瞬時(shí)值反饋控制通過(guò)調(diào)節(jié)參考電壓和補(bǔ)償電壓之間的差,能夠有效提高補(bǔ)償電壓的動(dòng)態(tài)性能,基本上可達(dá)到與畸變量同步。在實(shí)際的應(yīng)用中,若僅采用瞬時(shí)值反饋控制的方式,其對(duì)于非線性負(fù)載的適應(yīng)能力不強(qiáng),系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度較低,所以,通常會(huì)采用補(bǔ)償電壓反饋控制策略與前饋控制相結(jié)合的方式,來(lái)彌補(bǔ)雙方的不足,使二者的優(yōu)點(diǎn)均能得到有效發(fā)揮。
通過(guò)上述分析可發(fā)現(xiàn),前饋控制策略和補(bǔ)償電壓反饋控制策略都存在不足。所以,為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的補(bǔ)償電壓,提出了一種基于補(bǔ)償電壓外環(huán)、電容電流內(nèi)環(huán)并結(jié)合電網(wǎng)電壓前饋的復(fù)合控制策略。復(fù)合控制策略在降低系統(tǒng)的阻尼、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕及加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。雙環(huán)復(fù)合控制策略的控制原理:(1)需通過(guò)PLL來(lái)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的參考值,利用控制策略計(jì)算出負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓間的差值,并通過(guò)PI調(diào)節(jié)后再加上負(fù)載電流的前饋值,便可將得到的和值當(dāng)作電感電流的參考值。(2)需要比較電感電流的參考值與實(shí)際的電感電流值的大小,得到二者間的差值。(3)采用電流控制算法對(duì)差值進(jìn)行處理,差值經(jīng)過(guò)處理之后再加上負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓的差值,得到和值之后再與直流側(cè)電壓的解耦系數(shù)相乘便可得到相應(yīng)的控制量。(4)可通過(guò)得到的控制量來(lái)對(duì)逆變器進(jìn)行控制,并可準(zhǔn)確地對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)雙環(huán)復(fù)合控制策略的控制原理進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn),雙環(huán)復(fù)合控制策略可間接實(shí)現(xiàn)電容電流的反饋,還可精確地控制電流內(nèi)環(huán),起到限流的作用,防止串聯(lián)變壓器由于勵(lì)磁飽和而對(duì)變壓器產(chǎn)生損害。另外,該控制策略還能有效進(jìn)行電網(wǎng)電壓的前饋控制,對(duì)電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)進(jìn)行有效的抑制。
DVR需用到數(shù)學(xué)模型來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題,數(shù)學(xué)模型能夠解決對(duì)客觀現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的困難,且較易操作。對(duì)于建立動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)的數(shù)學(xué)模型,首先需要得到動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的等效電路,電路中U1表示負(fù)載電壓,Us表示電網(wǎng)電壓,mUdc(m為調(diào)制度)表示DVR的逆變器橋路端口電壓,Ue表示濾波電容兩端的電壓,Uo表示變壓器原邊電壓,UDVR表示DVR的輸出電壓,Zf表示負(fù)載,Lt、Rt分別表示變壓器的繞線電阻和漏感,Lf、Cf、Rf分別表示濾波電路的電感、電容以及線路電阻,變壓器的變比為1∶n。
圖1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的等效電路圖
根據(jù)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的等效電路圖可得到動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的數(shù)學(xué)模型為
造成電壓跌落的原因較多,其中,由于臨近線路發(fā)生短路故障而導(dǎo)致電壓跌落是較為常見的。本文針對(duì)這一原因?qū)VR補(bǔ)償電壓跌落的能力進(jìn)行了仿真分析。仿真試驗(yàn)前,必須保證電源電壓跌落前系統(tǒng)三相電壓是對(duì)稱平衡的,然后對(duì)三相電壓的有效值進(jìn)行設(shè)定,一般為220 V,設(shè)定其頻率為50 Hz,且確保其能夠在0.010.05 s間發(fā)生跌落,分為單相、兩相和三相電壓跌落,補(bǔ)償電壓前后對(duì)比如圖2所示。從圖中可看出,單相、兩相和三相電壓跌落時(shí)補(bǔ)償前、后的仿真電壓波形。在DVR的作用下,故障發(fā)生的前后,負(fù)荷并未受到干擾。說(shuō)明動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器對(duì)于暫降幅值以及相位具有較好的補(bǔ)償作用,達(dá)到了保護(hù)負(fù)荷、治理電壓跌落的目的。
圖2 補(bǔ)償電壓前后對(duì)比分析圖
文中對(duì)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹,分析了電壓跌落的檢測(cè)方法,研究了3種方式的控制策略,建立了數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了DVR的可行性和有效性,可知DVR能夠有效解決電壓凹陷和電壓短時(shí)中斷等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題。
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