动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究.pdf

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第40卷第17期2012年9月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,01.40No.17Sep.1,2012动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究克长宾,李永丽(天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072)摘要:动态电压恢复器可以经济、有效地解决电压跌落问题,补偿策略决定了其补偿效果。对于持续时间、跌落特点各不相同的电压跌落,单一的补偿方法往往难以同时兼顾补偿质量和补偿时间。分析了三种基本补偿方法的优缺点及电压跌落特性,提出了一种基于跌落前电压补偿法和最小能量补偿法的综合补偿策略。该补偿策略根据电压跌落的持续时间及特点自动调用适当的补偿方法,既保证了补偿质量,又在需要时延长了补偿时间。给出了该综合补偿策略的实现方法并予以仿真验证,结果表明该策略具有良好的补偿效果和可行性。关键词:电压跌落;动态电压恢复器;综合补偿策略;跌落前电压补偿法;最小能量补偿法Studyonvoltagesagscompensationstrategyfordynamicvoltagerestorer・KEChang-bin,LIYong-li(KeyLaboratoryofSmartGridofMinistryofEducation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)—Abstract:Dynamicvoltagerestorercancosteffectivelymitigatevoltagesags,anditseffectisdeterminedbycompensationstrategy.Fordifferentdurationsandcharacteristicsofvoltagesags,asinglecompensationstrategyisdifficulttosimultaneouslyconsiderthecompensationqualityandduration.Threebasiccompensationmethodsandcharacteristicsofvoltagesagsareanalyzed,andthenageneralizedcompensationstrategybasedonpre-faultandminimumenergycompensationisproposed.ThestrategyCanautomatically’adoptappropriatecompensationmethodaccordingtovoltagesagSdurationandcharacteristics.Thusthecompensationqualityisensuredandthecompensationdurationisextendedifnecessary.Theimplementationmethodisthensuggested.Simulationresultsdemonstratetheefficacyandoperabilityoftheproposedcompensationstrategy.ThisworkissupportedbyNationalBasicResearchProgramofChina(973Program)(No.2009CB219704)andNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50607014andNo.50977061).Keywords:voltagesag;dynamicvoltagerestorer;generalizedcompensationstrategy;pre-faultcompensation;minimumenergycompensation中图分类号:TM71文献标识码:A文章编号:1674-3415(2012)17-0094-060引言随着现代工业的发展,计算机、自动控制设备等敏感负荷的大量应用使得电力用户对电能质量的要求越来越高。在电力系统的各种电能质量问题中,电压跌落发生的概率最高,已经成为影响电力负荷安全运行的突出问题llj。动态电压恢复器(DynamicVoltageRestorer,DVR)是一种串联型电能质量控制器,可以经济、有效地解决电压跌落问题【0-3】。基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2009CB219704);国家自然科学基金资助项目(50607014,50977061)DVR在输出补偿电压的同时与系统进行着功率交换【qj,故DVR需要设置储能装置。储能装置的造价昂贵且需要维护,这就要求电压跌落持续时间较长时要尽量降低DVR与系统的有功交换。这个目标可以通过补偿策略来实现。目前DVR的补偿策略主要有三种,即跌落前电压补偿法、同相电压补偿法和最小能量补偿法【5】。因最小能量补偿法可以降低DVR与系统的有功交换,故成为国内外学者研究的重点【5引。文献[5.10】通过分析补偿电压与负荷电流的相量关系提出最小能量补偿法的原理及实现方法;文献【11.12】提出了一种通过在负载侧设置电感来降低DVR有功输出的方法。上述文献的最小能量补偿法都是在电网电压发生跌落瞬间即达克长宾,等动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究.95.到另一稳定值的基础上提出的,并未考虑电网电压up的角度,。c为L超前的角度。跌落过程中故障暂态的影响。I三种基本补偿方法各有其优缺点,对于不同的电压跌落状况,单一的补偿方法往往难以同时兼顾补偿质量和补偿时间。本文提出了一种基于跌落前电压补偿法和最小能量补偿法的综合补偿策略,该补偿策略考虑了电压跌落的持续时间及特点,综合运用两种基本补偿方法,既保证了补偿质量,又在需要时延长了补偿时间。结合DVR的控制策略,本文给出了该综合补偿策略的实现方法并予以仿真验证。1DVR拓扑结构本文采用的DVR装置主电路拓扑为共用直流母线的三单相H桥结构,如图1所示。…r…………………一1L一…一……………………—一J图1DVR主电路拓扑结构图Fig.1TopologyofDVRDVR主要由储能单元、逆变器、输出滤波器、旁路开关及控制单元等组成。本文采用的储能装置为飞轮。输出滤波器由滤波电容Cf及滤波电感组成,主要用于滤除逆变器所产生的高次谐波。补偿电压通过滤波电容耦合到主电路Ll引。旁路开关由断路器和双向晶闸管组成,用于系统电压正常时旁路DVR及短路保护。DVR的补偿效果主要由控制单元根据预先设定的补偿策略控制逆变器完成。2基本补偿策略分析DVR的补偿策略需要满足在电网电压跌落后维持负载电压的幅值不变。补偿策略分析所用相量图如图2所示。图中,、、依次为电压跌落前的电网电压、负载电压及负载电流,P为电压跌落后的电网电压,LflH3)、,Lf1H31、UD(1H3)依次为采用跌落前电压补偿法、同相电压补偿法、最小能量补偿法补偿后的负载电压、负载电流及DVR输出的补偿电压,为负荷功率因数角,0为P落后于图2补偿策略相量图Fig.2Phasordiagramforcompensationstrategies2.1跌落前电压补偿法跌落前电压补偿法就是通过DVR的补偿作用使得电网电压跌落前后负载侧电压维持不变,如图2中UL(1)所示。跌落前电压补偿法的缺点是UIx11的幅值较大,且不能控制DVR输出有功功率的大小。2.2同相电压补偿法同相电压补偿法就是通过DVR的补偿作用使得电网电压跌落后负载侧电压的幅值维持不变,而相位与跌落后的电网电压相位一致,如图2中UL(2、所示。采用同相电压补偿法时UIX2)的幅值最小,但补偿后的负载电压会发生相角偏移,且同样不能控制DVR输出有功功率的大小。2.3最小能量补偿法最小能量补偿法是在维持负载电压幅值不变的前提下,通过优化DVR的输出补偿电压使得DVR输出的有功最小。DVR输出的有功等于负载的有功消耗与电网的有功输出之差,因负载有功消耗是确定的,可通过增大电网的有功输出来减小DVR的有功输出,如图2中L(3)所示。它的缺点是UD(3)的幅值较大,补偿后的负载电压会发生相角偏移。令M=sin+Bsin+csinM=ACOS+(,;BCOS+cCOS√≥若+N。/3UpCOS,则最优补偿角为式(1)时,DVR可实现零有功输出;最优补偿角为式(2)时,DVR输出的有功最小。:一Marctg-T-arccos--r--- ̄(1)=一,(1)i、‘ML+N…p—一arctg.96.电力系统保护与控硼3电压跌落特点分析由文献[14.151可知电压跌落主要是由电网短路故障或大电机启动引起的,两者引起的电压跌落特性差异较大。电网发生金属性短路故障时,电压跌落是由正常运行电压变成短路阻抗上压降,故障点距保护安装处越近,电压跌落越大,故障消除后电压恢复正常。对应这种情况,电压跌落的下降沿与上升沿很陡,跌落后的电压可以认为保持不变。电网发生电弧性短路故障时特性较为复杂,会出现燃…弧.熄弧.再燃弧的现象。这时电压跌落的下降会有持续一定时间的暂态过程,而故障消除后的电压上升沿则很陡。大电机启动与短路故障引起的电压跌落的区别是其电压在启动瞬间下降,其后会逐渐升高,缓慢恢复至正常电压。电网发生电弧性短路故障及大电机启动时对应的电网电压幅值分别如图3、图4所示。珧图3电弧性短路故障时的电网电压—Fig.3Gridvoltagewitharcshortcircuitfault图4大电机启动时的电网电压Fig.4Gridvoltagewithstartingmotor由于电压检测及计算至少需要半周波的时间,对于图3、图4所示的电压跌落,待检测出电网电压有效值并按最小能量补偿法计算出负载参考电压时,电网电压有效值已经发生变化,从而导致补偿产生偏差。跌落前电压补偿法及同相电压补偿法不存在这个问题,但由于后者会导致负载侧电压发生相位跳变,故对于电网电压幅值连续变化的情况适宜采用跌落前电压补偿法。4改进的电压跌落补偿策略根据以上分析的三种基本补偿策略的优缺点及电压跌落的特点,DVR可采用如下综合补偿策略:一旦检测到电压跌落,DVR首先采用跌落前电压补偿法;在电压跌落持续时间较长且电压幅值已稳定时,DVR转为采用最小能量补偿法。在转换过程中采用逐步旋转负载参考电压相位的方法,使最小能量补偿法造成的负载电压相位跳变分为多步完成,每步的相位跳变角都很小,从而减小了对敏感负载的影响。两种电压补偿方法切换的条件可以根据经验设定,如跌落前电压补偿法的补偿时间为60ms(严重故障时快速保护的动作时间+开关的动作时间)。本文采用外环为负载电压反馈、内环为滤波电容电流反馈的双闭环反馈控制加前馈控制的复合控制策略【1,控制框图如图5所示。图中,为负载参考电压,为逆变器输出电压,为负载电流,为滤波电容电流,矗为滤波电感电流,R沩滤波电感回路中的线路电阻与逆变器开关损耗等效电阻之和,为逆变器等效环节,Posicast控制器用于抑制DVR投入瞬间出现的电压震荡现象在确定补偿策略后,只需给出相应的负载参考电压,依据图5所示的控制策略即可控制DVR产生所需的补偿电压,维持负荷侧电压的稳定。对于跌落前电压补偿法,通过锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)可以锁定电压跌落前瞬间电网电压的相位角,并以此作为初相角,即可生成负载参考电压。图5DVR复合控制策略框图Fig.5DiagramofcompoundcontrolstrategyforDVR∞害皇、-∞∞:2m如∞|{毪基一0>克长宾,等动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究..97..对于最小能量补偿法,通过PLL锁定电压跌落前瞬间电网电压的相位角后,尚需按式(1)~式f2)计算最∞佳补偿角,然后以两者之和作为初相角,方可生成负载参考电压。由以上补偿策略的实现方法可以看出,采用本文综合补偿策略,在电压跌落初期可以快速生成负载参考电压,保证了DVR的响应速度,同时给电压有效值的检测及最小能量补偿法最优补偿角的计算提供了时间。跌落后电压幅值不稳定时,最小能量补偿法的最优补偿角会不断变化,此时会采用跌落前电压补偿法以保证补偿的准确性。在电压跌落持续时间较长时DVR转为采用最小能量补偿法可以减小有功输出,延长DVR所能补偿的时间。5仿真采用Matlab/Simulink仿真软件对DVR系统进行仿真,以验证本文补偿策略的效果。系统主电路如图1所示,正常工作时相电压为220V,频率50Hz,负载容量为7.5kVA,功率因数为0.8。5.1短路故障引起的电压跌落图6所示为系统发生三相金属性对称短路时A相的仿真波形图。在t=-0.04---0.2S系统出现三相对称电压跌落,跌落幅度为40%,同时伴以一30。的相位跳变。假定在0.12S选定参数达到设定门槛值,即在t=0.O4 ̄0.12S采用跌落前电压补偿法,t=-0.12~0.2S转为最小能量补偿法。从图6(b)可以看出,在电压跌落初期,利用跌落前电压补偿法可以快速生成负载参考电压,依据图5所示的控制策略DVR可在1ms左右实现参考波形的跟踪,保证了DVR的补偿速度。图6(c)中,负载有功消耗与电网有功输出之差即为DVR的有功输出。由该图可知,若电压跌落持续时间较长,采用最小能量补偿法可以减小DVR的有功输出,从而延长了DVR的补偿时间。由图6(d)则可以看出通过逐步旋转负载参考电压相位实现了补偿方法的平稳过渡,减小了最小能量补偿法相位跳变对负载的影响。图7所示为系统发生单相电弧性接地短路时的仿真波形图。在卢0.04S系统出现单相电压跌落,0.16s电压跌落结束。设此种情况下选定参数未达到设定门槛值,则系统采用跌落前电压补偿法。从图7可以看出,跌落后的电网电压幅值不稳定并不影响跌落前电压补偿法生成负载参考电压。采用跌落前电压补偿法时,因补偿后负载电压的相位没有发生改变,故对不平衡电压跌落DVR只需补偿跌落相即可。》管f,s(a)A相电网电压波形图t/s(b)A相负载电压波形图tfs(c)负载有功消耗及电网有功输出仿真波形图t旭(d】A相电压波形局部放大图图6三相对称电压跌落仿真波形图Fig.6Simul ̄ionwaveformsofsymmetricalthree-phasevoltagesags(a】电网电压波形图—蕈荸0石.98.电力系统保护与控制t/s(b)负载电压波形图图7单相电压跌落仿真波形图Fig.7Simulationwaveformsofsingle-phasevoltagesag5.2大电机启动引起的电压跌落图8所示为系统有大电机启动时的仿真波形图。在0.2S大电机开始启动,1.2S电网电压恢复正常。因启动过程中电网电压的幅值不稳定,按本文的补偿策略系统采用跌落前电压补偿法。从图8可以看出,本文补偿策略可以很好地补偿大电机启动所引起的电压跌落,且随着电网电压的恢复,DVR的有功输出会越来越小。200之量0李-2000.00.2040.60.81.01l2ll4t/s(a)电网电压波形图0.0n20I40.60.81.01-214t/s(b)负载电压波形图f,s(c)负载有功消耗及电网有功输出仿真波形图图8大电机启动时仿真波形图Fig.8Simulationwaveformsofvoltagesagcausedbystartingmotor6结论本文在分析三种基本补偿方法的优缺点及电压跌落特点的基础上,结合DVR的控制策略,提出了一种综合补偿策略,可以较好地兼顾补偿质量和补偿时间。(1)若电压跌落持续时间较短(快速保护的动作时间),则储能装置的容量足以满足DVR有功输出的需求,此时为达到最佳的补偿效果宜采用跌落前电压补偿法。(2)电压跌落初期采用跌落前电压补偿法,可以快速生成负载参考电压,给电压有效值的检测及最小能量补偿法最优补偿角的计算提供时间。如果跌落后电压幅值不能立刻达到稳定值(带过渡电阻故障),最小能量补偿法的最优补偿角会不断变化使得补偿效果不佳,此时也适宜采用跌落前电压补偿法。(3)若电压跌落持续时间较长,在电压幅值稳定后,可以采用最小能量补偿法以减少DVR的有功输出,延长补偿时间。在跌落前电压补偿法到最小能量补偿法的过渡过程中,采用逐步旋转负载参考电压相位的方法可以减小负载电压相位跳变对敏感负载的影响。(4)本文综合补偿策略整合了跌落前电压补偿法及最小能量补偿法的优点,对不同时间及不同类型的电压跌落都有良好的补偿效果0参考文献【1]BollenMHJ.Voltagesags:effects.mitigationandprediction[J].PowerEngineeringJournal,1996,10(3):129.135.[2]MiddlekauffSCollinsER.Systemandcustomerimpact:considerationsforseriescustompowerdevices[J].—IEEETransonPowerDelivery,1998,13(1):278282.[3]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,2003,31(10):56-62.JINYan-yun,LUOYi,TUGuang-yu.Studyofvoltagesagsinpowerdistributionsystem[J].Relay,2003,31(10):56.62.[4]刘颖英,肖湘宁,徐永海.动态电压恢复器的能量稳定补偿特性分析[J].中国电机工程学报,2010,30(13):69.74.LIUYing-ying,XIAOXiang-ning,XUYong-hai.Characteristicsanalysisonenergysteadycompensationfordynamicvoltagerestorer[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(13):69-74.一¨¨……川洲一一…………叭~一一…一Ⅲ一…一一一一…一一一一一一一一一一…一川㈣一一一∞∞∞∞O4224之跤Bj10克长宾,等动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究.99.[5]冯小明,杨仁刚.动态电压恢复器电压补偿策略的研究[J].电力系统自动化,2004,28(6):68.72.—FENGXiaoming,YANGRen-gang.Analysisofvoltagecompensationstrategiesfordynamicvoltagerestorer(DVR)[J】.AutomationofElectricPowerSystems,2004,28(6):68.72.[6]ChoiSS,LIJD,VilathgamuwaDM.Ageneralizedvoltagecompensationstrategyformitigationtheimpactofvoltagesags/swells[J].IEEETransonPowerDelivery,2005,2O(3):2289-2297.[7]ChoiSS,LIBH,VilathgamuwaDM.Dynamicvoltagerestorationwithminimumenergyinjection[J].IEEE—TransonPowerSystems,2000,l5(1):5157.[8JAl-HadidiHK。GoleAM,JacobsonDA.Minimumpoweroperationofcascadeinverter-baseddynamicvoltagerestorer[J].IEEETransonPowerDelivery,2008,—23(2):889898.[9]孙哲,郭春林,肖湘宁,等.基于负荷电压的DVR补偿策略分析方法及最小能量控fl 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布丁老师
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