基于配电网电压跌落的DVR研究

肖小兵，何肖蒙，陈波

（1.贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550003；2.武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070）

1 引言

电压跌落是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短时间后又恢复到正常水平的现象［1］。目前大多数文献都采用跌落的幅值和持续时间作为描述电压跌落的特征量。造成电压跌落的主要原因主要有:恶劣天气（雷击、暴风雨）、系统故障（主要是单相接地）、大负荷启动等。因此研究治理配电网电压跌落问题对于大用户，高敏感的用户具有很重要的现实意义。目前对于治理电压跌落的技术手段主要分为系统侧和用户侧，文献［2］提出了从系统侧解决电压跌落是最为有效的手段。而本文主要是从用户侧着手去解决问题，采用动态补偿技术，如不间断电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）、静止同步补偿器（STATCOM）和超导储能系统（SEMS），在此主要介绍的是DVR。

2 DVR 的简介［1，3 －5］

2.1 DVR的工作原理

如图1所示为含有DVR的电路简化图。

图1 DVR电路简化图

以单相的DVR为例，介绍DVR的工作原理。

图2

DVR装置包括了储能装置、变流器、滤波电路和变压器四个部分。通过检测电源电压产生指令信号，对变流器进行控制，产生需要的补偿电压，再经滤波电路和变压器通过串联方式叠加到负载电路中，以补偿电压跌落的影响，保证用户的电能质量。对于DVR应用于配电系统，只适用于三相四线制电力系统。

2.2 DVR的基本结构

DVR的结构主要是按照装置与配电网的连接方式来划分。主要有串联型DVR装置（如图3所示）和并联型DVR装置（如图4所示）。

图3 串联型DVR

图4 并联型DVR

串联型DVR装置在电压跌落期间，迅速向系统注入幅值、相角和频率都可控的三相电压与供电电压向串联抵消跌落部分。因为其含有直流储能单元，所以补偿跌落电压持续的时间受直流储能装置的容量限制。

并联型DVR装置是通过向系统注入与畸变电流分量大小相等，极性相反的补偿电流，利用整流装置，能弥补串联型DVR的缺点，但并联变压器的成本高，占地面积大。因此有文献提出了省去串联变压器的串并联混合型的DVR装置。

2.3 电压跌落检测技术

检测电压跌落是治理配电网电压跌落问题的关键和前提，由于配电网电压跌落具有随机性和快速性，因此要求实现检测技术能快速跟踪检测，即检测要求动态实时性和检测准确性。目前的技术主要有基于瞬时无功功率理论的αβo变换方法、dqo变换方法和小波分析方法。

随着配电系统的非线性负荷增加，传统的正弦波特性不能满足研究要求，因此提出了瞬时无功功率理论，即首先把电压、电流的瞬时值通过坐标变换，然后在新的坐标系下获得瞬时无功功率，瞬时有功功率。

其中αβo变换方法是把abc坐标系变换到静止的αβo坐标系下，其变化矩阵为常数矩阵，该法实现简单，但只适用于三相正弦对称且负荷对称的系统。dqo变换方法是把abc坐标系变换到同步旋转的dqo坐标系下，其变换矩阵是时变三角矩阵，该法实现复杂，但能用于任意非正弦、非对称的三相电路。

小波变换是基于傅里叶变换的检测法，是一种窗口大小固定，但形状可改变的时频局部化分析方法，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率。对于不平衡电压跌落，需要检测出三序电压，DVR也需要补偿三序电压。

2.4 控制策略

对于DVR的控制策略，主要可以从逆变器和整流器来考虑，文献［4］详细介绍了各种控制策略。用于逆变器部分的控制策略分为线性控制，如前馈控制、反馈控制和复合控制，非线性控制，如人工神经网络控制，模糊控制，无差拍控制，空间矢量控制等。用于整流器部分的控制策略主要有相角幅值控制、滞环控制、定频率预测控制、同步坐标系下状态变量电流控制，同步坐标系下带有前向反馈补偿的PI控制和最小时间电流控制。

3 DVR的补偿策略

文献［7－9］介绍并比较了DVR的补偿策略主要分为同相位补偿策略，跌落前电压补偿策略和最小能量补偿策略。

表1 DVR的控制策略

同相位补偿策略:DVR补偿电压与瞬时供电电压同相位，补偿电压幅值为符合参考电压与供电电压实际值之差。

跌落前电压补偿策略（即完全补偿）:指补偿后的电压可完全恢复至电压变化前的值，其中期望的瞬时电压采用对跌落发生前电压的外推得到，可采用锁相环节来实现。此策略需要连续跟踪电网电压。其原理图如图5所示。

图5 跌落前电压补偿

最小能量补偿策略:通过调整DVR补偿电压的相位，从而实现对DVR功率因数的控制，使功率在电网与DVR之间重新分配，通过引入无功功率来实现补偿，采用与网侧电压一个合适的相位超前的电压注入，可以减少有功功率交换，具有相位超前的电压注入需要更大的注入电压，虽然较少的有功交换，可以延长DVR的有效时间，但也带来了电压波形不连续，过零点不准确以及负荷功率摆动等问题。针对以上问题，文献［8］提出了改进的最小能量补偿策略，就是利用对DVR输出补偿电压相角的旋转和幅值的伸缩，进一步提高DVR的补偿极限和优化DVR的有功输出。文献［9］也总结了一些改进方法，如渐进式的相位旋转方法，可减少相位跳变对负荷的影响；对于电压跌路严重时，DVR无法实现零功率注入，可采用单相和三相DVR的最小能量注入补偿策略。

综上所述，每种策略都有各自的优缺点，但都不完善。因此有文献提出了综合控制策略，即电压跌落，DVR采用跌落前电压补偿策略将负荷侧电压恢复到跌落前水平，随着储能单元电压降低，调制比上升到预定值时，DVR采用渐进式相位旋转方式过渡到最小能量补偿方式，而当补偿的参考电压大于DVR的额定电压时，则过渡到同相位补偿方式。

4 总结

（1）电压跌落问题是客观存在的，用户对解决这类问题有强烈的要求，这对供电公司、电能质量控制设备制造厂都是发展的商机。

（2）DVR是一种对配电系统高敏感负荷改善电能质量有效的装置。

（3）DVR具有免维修，损耗小，占地面积小，响应速度快，可靠性高，适应性强的特点。

（4）合理的电压跌落检测技术是DVR补偿跌落电压的重要前提，检测算法及锁相环设计，通过引入小波和滤波器等理论，在实时性，可靠性和鲁棒性等方面可有改进。

（4）DVR采用综合控制策略将是一种较为适用的控制策略。

［1］周杰.电压跌落检测的仿真研究［J］.继电器，2007，35（增刊）:431－435.

［2］王宾，潘点存，徐丙根.配电系统电压跌落问题的分析［J］.电网技术，2004，28（2）:56 －59.

［3］周晖，齐智平.动态电压恢复器检测方法和补偿策略综述［J］.电网技术，2006，30（6）:23 －29.

［4］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 －150.

［5］张昌银，李建胜.动态电压调节器（DVR）在电力系统中的应用研究［J］.电气应用，2007，2（1）:32 －35.

［6］金钊，刘炳.电压跌落分析与对策［J］.电力设备，2006，2（4）:63 －66.

［7］杨兴，顾力，纪坤华，等.基于LDVR的低压配电网电压跌落治理研究［J］.华东电力，2009，32（12）:2051 －2053.

［8］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.

［9］王同勋，薛禹胜，S.S.CHOI.动态电压恢复器研究综述［J］.电力系统自动化，2007，31（9）:101 －105.