动态电压恢复器的时间优化补偿策略研究.pdf

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第39卷第5期2011年3月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlv0l_39NO.5M1.2011动态电压恢复器的时间优化补偿策略研究党存禄,严望,张晓英(1.兰I ̄_z-大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州1730050;2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室,甘肃兰州730050)摘要:动态电压恢复器(DVR)是缓解电压跌落问题最经济、有效的用户电力装置,它的补偿能力指标是持续补偿时间。以补偿电压跌落时DVR装置的最大持续补偿时间为控制目标,通过调整负荷电压超前跌落电网电压的相位角,提出一种新的时间优化补偿策略。为减轻DVR运行时对负荷的扰动,使补偿开始和结束的暂态过程更平稳,新策略采取了按恒定步长A缓熳变化的控制方法,并根据DVR装置的jr-曲线,通过判断特定量符号决定角的补偿方向。此种角控制方法避免直接求解的最优解,计算量小。仿真结果证明,新策略能获得比最小能量补偿策略更长的DVR持续补偿时间,有效利用了DVR的直流母线储能。关键词:电能质量;电压跌落;动态电压恢复器(DVR);补偿策略:时间优化补偿Analysisoftimeoptimalcompensationstrategyfordynamicvoltagerestorer—DANGCunlul,—YANJun,ZHANGXiaoying,2(1.SchoolofElectricalandInformationEngineering,LanzhouUnive ̄ityofTechnology,Lanzhou730050,China;2.KeyLaboratoryofGansuAdvancedControlforIndustrialProcess,Lanzhou730050,China)Abstract:Dynamicvoltagerestorer(DVR)hasbeenconsideredtobeacost-effectivecustompowerdevice,whichalleviatesvoltagesags.ThecompensationcapabilityindexforDVRiscompensationduration.TomaximizecompensationdurationofDVRdevicewhencompensatedvoltagesags,anoveltimeoptimalcompensationstrategyisproposed,andthenovelstrategyisimplementedbycontrollingthephaseanglebetweenloadvoltagephasorandsupplyvoltagephasor.Inordertoreducedisturbancestoloadsandsmoothentransientprocessesatthebeginningandendofcompensation,theproposedstrategyadoptsacontrolmethodthat0changesprogressivelybyconstantstepAanddeterminesthecompensatingdirectionbyidentifyingsignsofspecificvariables。accordingto|0curve.Thiscontrolmethodfor,8avoidsdirectlycomputingoptimalBandhaslesscalculation.ThesimulationresultsillustratethattheproposedstrategyCanobt—ainlongercompensationdurationandutilizemoreDClinkenergyforDVR,comparedwithminimumenergycompensationstrategy.ThisworkissupportedbyNaturalScienceFoundationofGansuProvince(No.0809RJZA004)andExcellentYouthTeacherFoundationofLanzhouUniversityofTechnology(No.Q200814).Keywords:powerquality;voltagesag;dynamicvoltagerestorer(DVR);compensationstrategy:timeoptimalcompensation中图分类号:TM761文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2011)050011.060引言在众多电能质量问题中,电压跌落所占比例最大,已上升为最重要的电能质量问题l之】。发生电压跌落的原因是多方面的,当输配电系统中发生短路故障、感应电动机启动、雷击、开关操作、变压器及电容器组的投切等事件时,均可引起电压跌落。基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(0809RJZA004):兰州理工大学优秀青年教师培养资助项目(Q200814)其中,短路故障和感应电动机启动是引起电压跌落的主要原因,并以短路故障引起的电压跌落最为严重Ij珥J。可见,电压跌落问题在输配电系统中无法避免,然而它所引起的经济损失是巨大的I5J。目前,动态电压恢复器(DynamicVoltageRestorer,DVR)被认为是缓解电压跌落问题最经济、有效的用户电力装置loJ。理想的DVR工作原理是:当电网侧发生电压跌落后,以跌落前负荷侧的电压作为参考电压,输出补偿电压,使负荷侧的电压与跌落前保持电力系统保护与控制一致。DVR在输出补偿电压的同时与系统有一定的有功交换,为了保证DVR能有效抑制电压跌落并减少有功交换,则需要对DVR的补偿电压进行优化控制,使DVR在一定补偿能力的前提下获得最大的补偿范围。显然,DVR输出的补偿电压受电压跌落深度、持续时间、负载特性、功率因数以及本身容量等因素的影响。目前研究和应用的电压跌落补偿策略主要有跌落前电压补偿法、同相电压补偿法和最小能量补偿法。跌落前电压补偿法的补偿效果最好,对于那些对电压幅值和波形连续性要求很高的敏感性负荷是最佳补偿策略;而同相电压补偿法的补偿电压幅值最小,且易于实现,是普遍应用的电压补偿策略l9J。从能量角度考虑,文献[10]提出最小能量补偿策略,有效减少了DVR的注入有功功率,延长了DVR的补偿时间。文献【11】考虑负荷侧电压相位跳变的影响,提出一种改进的最小能量补偿策略,解决了负荷侧电压相位大幅跳变的问题。文献[121针对不平衡电压跌落的特点,考虑不同性质负荷对电压幅值和相移的容忍范围,提出了新的最小能量补偿策略。最小能量补偿策略以DVR的注入有功功率最小为控制目标,目的是延长DVR的持续补偿时间。但是,当DVR的最小注入有功功率不为零时,DVR采用最小能量补偿策略不再获得最大持续补偿时间。因此,本文直接从补偿时间角度考虑,以补偿电压跌落时DVR的最大持续补偿时间为控制目标,提出一种时间优化补偿策略。与最小能量补偿策略相比,该策略更有效利用了DVR的直流母线储能,能获得更长的持续补偿时间。1最小能量补偿与时间优化图1所示的单相量图说明了DVR的最小能量补偿策略,图中:为电压跌落前负荷侧电压相量,为电压跌落后电网侧电压相量;表示负荷电流;、表示动态电压恢复器在最小能量方式下的注入电压;为负荷功率因数角;为电压跌落补偿时负荷侧电压超前电网侧电压的相角。设=—n/3,记电压幅值比(ULUs)/为电压跌落深度。此时,不考虑DVR的电压补偿极限,当电压跌落深度小于50%时,通过旋转相量至,总可以找到角使DVR的注入有功功率尸DvR为零,即图1(a);当电压跌落深度大于50%时,如图1(b)所示,即使设=也不可能使尸DvR减小到零,此时PD、,R取大于零的最小值。(a)DVRI作在零有功(b)DVR工作在非零最小有功功率注入模式功率注入模式图1最小能量补偿策略相量图Fig.1Phasordiagramofminimumenergycompensationstrategy动态电压恢复器的时问优化补偿策略与最小能量补偿策略之间既有联系又有本质区别。毫无疑问,在图l(a)所示情况下,DVR不向电网注入能量,持续补偿时间在理想情况下为无穷大值(记rm=一),此时DVR的工作状态既是能量最优也是时间最优,时间优化补偿策略与最小能量补偿策略等同。然而,当电压跌落深度大于50%时,时间优化补偿策略与最小能量补偿策略之问有本质区别,如图2所示。图2中,最小能量方式下的注入电压含有有功分量,于是向角减小的方向旋转得:和.‰vR,并有与vR的相△△量幅值差vR及相量有功分量差VRP产生。△此时,假设为单位相量,则vRP的量值与两种补偿方式下DVR的注入有功功率差ZXPDvR相等,△△从图中可以看出VR>尸DvR。已有文献表明,DVR的注入有功功率越大越不利于延长补偿时间,而注入电压幅值越小越有利于延长补偿时间,即图2时间优化补偿策略相量图Fig.2Phasordiagramoftimeoptimalcompensationstrategy党存禄,等动态电压恢复器的时间优化补偿策略研究-13-oc,则一定存在特定的使得DVR获得最大持续补偿时间。这就是时间优化补偿策略的思想。2--¥t ̄对称系统中DVR的时间优化补偿对三相系统,设负荷为三相对称星形连接,功率和功率因数恒定,则DVR的任一相注入电压幅值己,及三相注入有功功率P[IvR表示为:、,=(1)∑VR=3ULICOS ̄--Icos( ̄一)(2)j=l式中,,表示三相电压中的任一相。对于有储能装置的DVR,直流电容器是最常见的储能方式1。当发生电压跌落时,DVR通过直流电容器放电向电网注入能量。设C为电容器容量,。为直流电容器最大允许充电电压,。i为DVR补偿时所需最小直流电容器电压,则电压跌落补偿时直流电容器的能量变化量为4]:AE=c[一(i)】(3)厶=l式中,√=2VR(4)此时,DVR的持续补偿时间为::竺:尸DvR∑c3[一一2(+一2c。s)]5∑3Icos ̄一Icos(0一)j=l根据文献【1】结论:三相对称系统发生两相电压跌落时(假设为A、B相),跌落相电压幅值a=b,且相位角a一--b;同理,三相系统发生三相对称电压跌落时,Us=Usb=Us。,a=b=。。由此,式(5)可改写为T-函数:去c【一2(+一2UUscosp)]=——————————————————————————————————————一(6)ICOS一Icos( ̄一)要求得的极大值,首先应求对的导数,dT一并解方程0。其表达式为:dT——a8cUslsin(一)(21y2一一一+2UsU ̄c。s)(7)[Icos0一UsIcos((a-f1)]三!旦:0ULIcos ̄一Uslcos( ̄一P)式(7)可由程序求解,并得到【一71;,兀]范围内’的2个解,记为1=,2:(12I>l11)。但∈当且仅当[0,]时的取值有意义,即方程的解:为DVR在时间优化补偿方式下的最优角。图3以跌落后剩余值为40%的三相对称电压跌—落为例分别作出PDW曲线和T-曲线,此时设=兀/3。由图可知,当:兀/3时DVR的注入有功功率尸DVR最小,当=0.9547时DVR的持续补偿时间最优(长)。3V25l_,/一/、\\,,/ ̄、、\、_、_、/’兽/\l/1、_I'-。s}I、、、_、//lm。4.5邮∞.pi/2.3p¨.p曲0p|J8pi/4 ̄"3pta ̄p1J2sp僻3p似7pl帅’Ang!e/(raa)faPOVER.口曲线40\\~●星ppg4p嵋p5pff83pt/47pi/8fi09547Angle/(rad)1T/3曲线图3v-/3曲线和厂_口曲线Fig.3PDVR-flCHIVeandT-pcurve基于以上分析,采用时间优化补偿策略应首先求解时间最优角,即由式(7)得出在[一7r,仃】范围内的2个值,选择绝对值小的值作为时间最优角:然后,根据的值将缓慢变化到最优角,以使得补偿后的负荷侧电压相位变化最小。,邮,,B/却2p一却4一8田.n电力系统保护与控制3改进的/3角控制方法前节所述的角控制方式需要计算最优角的值,而式(7)的求解过程复杂,计算量很大。为此,本文提出一种计算量较小的/3角控制方法。当不考虑DVR注入电压极限时,在1个周期内任意取值,可以使/3在整个电压跌落过程中都以恒定△步长变化。如图3所示,将曲线上的点称为DVR的运行点。补偿时遵循的原则是使DVR运行时获得最大持续补偿时间,而且的改变量尽量小。dT对曲线T-,通过判断以及的符号,可以判断的运行区间,并决定/3的变化方向,使卢按恒△定步长变化到最优角,如表1所示。表1曲线在1个周期内各运行点的状态Tab.1StatesofvariousrunningpointofT-{9当运行于A~D间,选择步长为正的方向补偿;当运行于D~E间,选择步长为负的方向补偿;当运行在D点时,运行点保持不变。△的步长根据敏感负荷能承受的电压相位变化程度,以及1个周期内的采样点确定。以上提出的角控制方法,不直接计算最优角,只需要在每个采样点判断当前对应的dT/d和的符号,按表1决定补偿方向,计算量明显减少,且简单易行。4考虑注入电压极限的时间优化补偿策略三相对称系统发生电压跌落,可按照对称分量法对跌落后电压进行分解。由于DVR的能量注入只由正序分量决定,因此可以采用单相量图进行分析。如图4所示,DVRM为DVR注入电压极限,为跌落后正序电压,则DVR的时问优化补偿策略有两种运行方式。—1)DVRM<ULUs1此条件下的运行情况如图4(a),由于补偿电压不足以补偿负载电压至额定值,因而此时的时问优化补偿策略等同于同相电压补偿策略。—2)DVRM>ULUs1此条件下的运行情况如图4(b),此时可以将的幅值补偿回跌落前的水平。要用时间优化补偿策略,首先需求出角变化的三相公共范围~。ax,然后由边界的dT/d和的符号判断公共范围所在区域,按表1所示方法得到时间最优角。如图3所示,假设以下情况:1)。min、。分别对应A点和c点,不包含ax运行点D,则时间最优角运行在C点;2)。i、。8x分别对应C点和F点,包含运行点D,则时间最优角运行在D点;3)。、。ax分别对应F点和E点,不包含运行点D,则时问最优角运行在F点。(a)(b)图4考虑注入电压极限的时间优化补偿策略相量图Fig.4Phasordiagramoftimeoptimalcompensationstrategybyconsideringthelimitationofinjectedvoltage5仿真实验图5为直流电容器储能的动态电压恢复器主电路拓扑。三组反向IGBT构成交流开关,当电网电压正常时,电网直接给负载供电,DVR不工作;当电网电压跌落时,交流开关闭合,电网电压与DVR注入电压相叠加给负载供电。假设三相电网A相0.1~1.4S间发生电压跌落,正常A相电压有效值为220V,跌落电压有效值为88V,=7r/3,如图6(a)所示。显然,根据式(2)和式(6),动态电压恢复器运行时的最小注入有功功率不为零,若分别采用最小能量补偿和时间优化补偿可得到不同的电压补偿结果。图6(b)即表示采用最小能量补偿策略的补偿系统各点波形,图6(c)表示采用时间优化补偿策略的补偿系统各点波形,均以补偿负载电压至有效值为220V作为判断DVR补偿能力的依据。由图可见,采用最小能量补偿策略的持续补偿时间为0.89S,而采用时间优化补偿策略的持续补偿时间为1.03S。党存禄,等动态电压恢复器的时间优化补偿策略研究一l5・图5直流电容器储能的动态电压恢复器主电路拓扑Fig.5TopologyofDVRwithenergystorageinDC-linkcapacitorIJlI『lfI标,通过调整跌落电网电压的相位获得一个最佳运行角,使得DVR在运行时获得最大持续补偿时间。分析表明,时间优化补偿策略与最小能量补偿策略之间既有联系又有区别:当DVR在最小能量补偿方式下注入有功功率为零时,时间优化补偿策略与最小能量补偿策略等同;但是,当DVR在最小能量补偿方式下注入有功功率不为零时,则采用时间优化补偿策略能获得比最小能量补偿策略更长的补偿时间。仿真结果验证了上述分析。DVR的时间优化补偿策略是通过控制负荷电压超前跌落电网电压的相角来实现的。为减轻DVR运行时对负荷的扰动,使DVR补偿开始和结束的暂态过程更加平稳,本文采取了按恒定步长△缓慢变化的控制方法,并根据直流电容器储能型DVR装置的T-础线提出通过判断特定量符号决定角的补偿方向。此种角控制方法避免直接求解的最优解,与直接计算最优角的控制方式相比计算量更小。参考文献[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M】.北京:中国电力出版社,2004.t/s(c)采用时间优化补偿策略的补偿波形图6分别采用最小能量补偿策略和时间优化补偿策略的补偿波形Fig.6WaveformofminimumenergycompensationandtimeoptimalcompensationE636结论本文提出一种时间优化补偿策略,该策略以补偿电压跌落时DVR的最大持续补偿时间为控制目XIAOXiang.ning.Analysisandcontrolofpowerquality[M】.Beijing:ChinaElectricPowerPress,2004.林焱,吴丹岳,章雪萌,等.电压暂降指标的探讨[J】_—电力系统保护与控制,2010,38(3):147152.LINYan,WUDan-yue,ZHANGXue-meng,eta1.Anexplorationonindexaboutvoltagesags[J].Power—SystemProtectionandControl,2010,38(3):147152.金燕云,罗毅,涂光瑜.配电系统电压跌落问题的研—究[J】.继电器,2003,3l(10):5662.JINYan-yun,LUOYi,TUGuang-yu.Studyofvoltagesagsinpowerdistributionsystem[J].Relay,2003,31(10)56.62.BrumsickleWE,SchneiderRS,LuckjiffGA,eta1.Dynamicsagcorrectors:cost-effectiveindustrialpowerlineconditioning[J].IEEETransactionsonIndustry—Applications,2001,37(1):212217.韩英铎,严干贵,姜齐荣,等.信息电力与FACTS及DFACTS技术[J].电力系统自动化,2000,24(19):1.7.HANYing-duo,YANGan-gui,JIANGQi-rong,eta1.ElectricpowerininformationsocietyandFACTS&DFACTS[J].AutomationofElectricPowerSystems,2000,24(19):1.7.王晶,徐爱亲,翁国庆,等.动态电压恢复器控制策略研究综述[J】.电力系统保护与控制,2010,38(1):145.151.——WANGJing,XUAiqin,WENGGuoqing,eta1.AsurveyoncontrolstrategyofDVR[J].PowerSystem.16.电力系统保护与控制—ProtectionandControl,2010,38(1):145151.[7]王同勋,薛禹胜,ChoiSS.动态电压恢复器研究综述【JJ.电力系统自动化,2007,31(9):101.107.—WAN『GTong.xun,XUEYusheng,ChoiSS.Reviewofdynamicvoltagerestorer[J].AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(9):lO11O7.[8]王德发,丁洪发.基于不对称级联型多电平逆变器的—动态电压恢复器研究[J].继电器,2007,35(13):4952WAN『GDe.fa.DINGHong.fa.Simulationofdynamicvoltagerestorerbasedonasymmetrycascademultilevel—inventer[J].Relay,2007,35(13):4952.[9]JauchT,KaraA,RahmaniM,eta1.PowerqualityensuredbydVnamicvoltagecorrection[J].ABBReview,l998,4:25.36.[10]ChoiSS,LiBH,VilathgamuwaDM.Dynamicvoltagerestorationwithminimumenergyiniection[J].IEEETransonPowerSystems,2000,15(1):5l一57.111JLiBH,ChoiSS,VilathgamuwaDM.Anewcontrolstrategytbrenergy。savingdynamicvoltagerestoration[C].//ProceedingofIEEEPowerEngineeringSocietySummerMeeting,Seattle,USA,2000,2:l67一l81.[12]冯小明,杨仁刚.动态电压恢复器电压补偿策略的研究IJ1.电力系统自动化,2004,28(6):68-72.[13][14]—FENGXiaoming,YANGRen-gang.Analysisofvoltagecompensationstrategiesfordynamicvoltagerestorer[J].AutomationofElectricPowerSystems,2004,28(6):68.72.VilathgamuwaDM,PereraAADR,ChoiSS.Voltagesagcompensationwithenergyoptimizeddynamicvoltagerestorer[J].IEEETransactionsonPower—Delivery,2003,18(3):928936.NielsenJG,BlaabjergF.Adetailedcomparisonofsystemtopologiesfordynamicvoltagerestorers[J].IEEETransactiononIndustryApplication,2005,41(5):1272.1280.—收稿日期:2010-0325;——修回日期:20100521作者简介:党存禄(1964-),男,教授,本科,主更研究方向为电气传—动、谐波抑制与无功补偿、电压跌落补偿;Email:dcl一1964@163.com严望(1985-),男,硕士研究生,主要研究方向为电压跌落补偿:张晓英(1973一),女,副教授,硕士,主要研究方向为电力系统自动化。(上接第5页continuedfrompage5)L1UYu・ming.Distributionnetworkfaultdiagnosisandrapidpowerrestorationalgorithms[D].Chongqing:ChongqingUniversity,2006。[18]LeeKY,ParkYM,OrtizJL.Aunitedapproachtooptimalrealandre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