三相电压暂变补偿装置控制策略的研究

李艳芳

(西安工业大学 北方信息工程学院，陕西 西安 710025)

三相电压暂变补偿装置控制策略的研究

李艳芳

(西安工业大学 北方信息工程学院，陕西 西安 710025)

提出了一种三相电压暂变补偿装置的主电路拓扑。该方案利用线电压对直流母线电容充电，扩大了补偿电压的范围。针对此方案对三相电压暂变进行独立补偿，采用了补偿装置的三角波比较控制方法，通过对比3种常见的控制策略的原理，最终给出了采用能量最优控制法系统的仿真结果和主电路补偿的实验结果。

三相电压；暂变；控制策略；能量最优

随着电力系统中各种大型装备、电力电子装置、以及具有非线性特性设备的应用越来越多，电能质量问题日益严重。因此，如何提高和保证电能质量，已经成为国内外电气工程领域迫切需要解决的重要课题之一[1-6]。电压暂变是最主要的电能质量问题之一。电压暂变包括电压暂低和电压暂高。

文中作者曾研究提出了一种三相电压暂变补偿装置。它利用线电压对直流母线电容充电，从而扩大了可补偿电压的范围；既可用于三相四线系统，又可用于三相三线系统。理论分析说明，理想状况下，这种装置在三相电压对称暂低最大深度到剩余37%；或者两相同时暂低到0而一相电压保持额定时，仍能持续补偿负载电压至额定[7-9]。文中给出了此拓扑补偿电压暂高的补偿深度分析。

针对补偿主电路拓扑的三相独立补偿，文中给出了三相电压暂变的控制方法。并给出三相电压暂变的控制策略。最后给出运用时间最优控制法控制的系统仿真图。

1 补偿装置拓扑的基本原理

1.1 电路拓扑

文中研究的新型补偿装置主电路拓扑如图1所示。图中给出了A相的完整电路拓扑，B、C两相和A相电路对称。当电网电压正常时，旁路开关导通，电网电压直接向负载供电，同时封锁逆变器的驱动信号，这样就减少了逆变器中开关管和电感的损耗。此时，线电压给直流侧电容充电。当电压发生暂变时，旁路开关关断，逆变器的驱动信号解封锁，逆变器工作；逆变器输出电压与暂变后的电网电压作用后共同给负载供电，将负载电压补偿到额定值。由图1可知，该主电路利用本相与其它两相构成的幅值较大的线电压给直流侧电容充电，使相电压暂变到幅值较低时仍然有相对较高的直流母线电压，提高了电压暂变的补偿范围。同时，可直接应用于三相三线系统。

图1 主电路拓扑Fig.1 Topology of the main circuit

根据分析 可知补偿电路能补偿对称三相电网电压暂低至正常值的37%，或者一至两相电压暂低至零而至少一相电压保持额定。同时，补偿电路在任何三相电网电压暂高情况下均能补偿负载电压至额定值。更重要的是，在线充电方式使得补偿电路对于电压暂变补偿的时间没有限制。

1.2 电压暂高补偿深度分析

下面对电压暂高情况下的补偿深度进行分析。三相电压暂高的相量图如图 2 所示。 在图 2 中，i、j、k=a、b、c 且 i≠j≠k。假设三相电压中，i相为暂高幅值最大的一相，j为额定相，k为暂低相。 Ui2、Uj2、Uk2是三相电压的暂变输入，Uij2是i、j相之间的线电压，而且为i相逆变器中的电容充电。UiR是i相的额定电压，N是理论中性点。x为补偿电路注入电压最大值与母线电压最大值的比值。有式(2)、(3)。

图2 三相电压暂高的相量图Fig.2 Phasor diagram of the higher voltage and its compensation

本文拓扑中直流母线电压为本相相电压与其它两相相电压组成的线电压最大值。根据式(2)、(3)可知，只要在补偿电路直流电容容量允许范围内，无论i相电压在任何暂高情况下，补偿电路均有足够的母线电压将负载电压补偿至额定。

电压暂高的情况下，补偿电路控制总是可以工作在零有功功率模式。在这种模式下，当电压暂高后不会使母线电压不断上升，电压暂高深度是不受限制的。若使用零有功补偿控制方式以外的其他控制方式，会导致母线电压不断上升，补偿的过程中都有有功注入，由于存在能量交换，所以电压暂高受限。

2 控制策略的研究

文中介绍了几种常见的电压暂变补偿控制策略：暂变前相位补偿控制方法、同相位补偿控制法、能量最优控制法（最小能量控制法），以及本文所采用的时间最优控制法。

2.1 暂变前相位补偿

这种控制策略使暂变后负载电压始终与暂变前电压幅值、相位保持一致。图4为暂变前相位补偿控制的相量图。其中图(a)为电压暂低时的情况，图(b)为电压暂高时的情况。图中为负载电压，为剩余电压，为注入电压，I˙为暂变前负载电流。（下文不特殊说明图中符号意义相同，不再赘述）

图3 暂变前相位补偿控制的相量图Fig.3 Phasor diagram of phase comparison before transient variation

因此，运用此控制策略必需既检测电压暂变前电压的幅值和相位，还要检测电压暂变后电压的幅值和相位，实现起来比较困难。

暂变前相位补偿控制方法的优点是能保证暂变前后用户电压的连续性，其缺点是输出电压和功率不受控制，能量消耗比较大，注入电压比较大。

2.2 同相位补偿

同相位补偿控制是指只保证负载电压幅度恒定，对其相位没有严格要求，允许负载电压可以发生一定程度的相位跳变的控制策略。图4为同相位补偿控制的相量图。其中图(a)为电压暂低时的情况，图(b)为电压暂高时的情况。′为暂变后负载电流。由图可知，当电网电压发生暂变后，s电压幅值暂变的同时还伴随有相位跳变，根据同相位补偿法，使暂变后电压相位保持不变，幅值和暂变前一致。因此注入补偿电压的相位与暂变后电压相位相同。

图4 同相位补偿控制的相量图Fig.4 Phasor diagram of the same phase comparison

同相位补偿控制方法的优点是输出电压幅值最小，控制方法比较简单；其缺点是输出功率不受控制，而且电压具有相位角突变。

在电源电压只有幅值暂变而不伴随相位跳变时，同相位控制策略与暂变前相位控制策略没有区别；只有在电压暂变中包含相位跳变时，这两种控制策略才有比较大的区别。

2.3 能量优化控制

串联补偿装置给负载提供注入电压使其保持额定时，使负载电压相对于电网电压某一程度的相位变化可以减少串联型电压暂变补偿装置的有功输出，减少相应储能的容量。能量优化控制策略(Energy Optimal Control)是在这种思想上建立起来的控制策略。

能量优化控制策略有3种工作模式：零有功功率注入模式，临界模式,最小有功功率注入模式。最小有功功率注入模式如图5中所示。通过控制补偿装置的注入电压幅值和相位，可以使电网电压提供负载所需的有功功率，补偿装置提供负载所需的一部分的有功功率和全部的无功功率来实现补偿，这样也可以缓解直流环节需要提供的能量，这种模式为最小有功注入模式。

图5 最小有功功率注入模式Fig.5 Phasor diagram of minimal active power injection mode

图6为电压暂高时能量优化控制策略的相量图，I˙′为暂变后负载电流。图中，串联型补偿电路的注入电压垂直于负载电流I˙′，因此它注入的有功功率为零；此时电网电压提供负载所需的所有有功，补偿装置注入无功功率。

图6 电压暂高时能量优化控制策略的相量图Fig.6 Phasor diagram of zero active power injection mode when voltage transient high

当电压发生暂高时，同样利用能量优化控制的思想，由于电压暂高时，暂变电压幅值始终满足Us＞UN*cosφ，通过旋转剩余电压，使得串联型补偿装置的注入电压正好垂直于负载电流I˙′。因此电压暂高情况下负载电压补偿时总能采用零有功功率注入模式进行控制。

3 仿真与实验

3.1 仿真结果

本文在PSCAD仿真平台上对系统进行了仿真研究。

图7是在电压暂变主电路拓扑下，电网电压发生电压暂低，负载电压在最小有功功率注入模式控制策略控制下补偿时间仿真图。 图中 Ea2、Eb2、Ec2分别表示 a、b、c 三相电网电压，Ea、Eb、Ec分别表示 a、b、c 三相负载电压。 图中电压暂低从0.05 s开始，幅值暂低至额定电压的1/6。图(a)表示电网电压，图(b)表示负载电压。

从图中可以看出，负载电压在能量优化控制的最小有功功率注入模式控制策略下的补偿时间为0.05～0.2 s，从0.2 s后就无法补偿。

3.2 实验结果

图7 能量优化控制策略下的补偿仿真图Fig.7 Simulation result of energy optimal control

文中对系统整体控制补偿效果进行了实验研究。实验中额定电网相电压为110 V，电网电压暂低时间为40～180 ms。图8为三相电网电压对称暂低至额定电压的45%时的补偿波形[10]。

图8 系统控制实验波形Fig.8 Compensating waves of energy optimal control

4 结论

文中对之前提出的三相电压暂变补偿主电路拓扑进行分析，并对其暂高补偿深度做了详细分析。对比研究了3种控制策略在电压暂高和暂低时的补偿原理和具体实现。在原理分析的基础上，针对能量优化控制的策略的方法，对其进行动态性能分析，并给出了相应的仿真结果。结果证明此种方法的可行性。

[1]Hingorani N G.Introducing Custom Power[C]//.IEEE Spectrum,1995.

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

WANG Bin，PAN Zhen-cun，XU Bing-yin.Analysis of voltage sags indistribution system[J].Power System Technology，2004，28(2)：56-59.

[3]The IEEE Standard dictionary of electrical and electronics terms,6thed,IEEE Std.100-1996 [S].IEEE,New York,1997.

[4]朱桂萍，王树民.电能质量控制技术综述[J].电力系统自动化，Automation of electric power system,2002，6（10）：28-31.

ZHU Gui-ping,WANG Shu-min.A survey on power quality control technology[J].Automation of Electric Power Systems,2002，6(10)：28-31.

[5]张秀娟,李晓萌,姜齐荣,等.动态电压调节器(DVR)的设计与性能测试[J].电力电子技术，2004,38(2):21-23.

ZHANG Xiu-juan,LI Xiao-meng,JIANG Qi-rong.Main circuit design and performance tests of dynamic votage regulator[J].Power Electronics,2004,38(2):21-23.

[6]杨潮,韩英铎,黄瀚,等.动态电压调节器串联补偿电压研究[J].电力自动化设备,2001,21(5):1-5.

YANG Chao,HAN Ying-yi,HUANG Han,et al.Principle and realization of a dynamic voltage regulator based on line voltage compensating[J].Electic Power Automation Equipment,2001,21(5):1-5.

[7]CHEN Zeng-lu,ISE Toshifimi.Transformerless series voltage sag compensator without energy storage capacitor for Threephase three line Systems[J].IEEJ.Trans.IA.2007,127:693-700.

[8]CHEN Zeng-lu,ZHAN Pei,ISE Toshifimi,et al.A Novel Transformer-less Series Voltage Sag Compensator without Energy Storage Capacitors and Its New Time Optimal Control Strategy[C].(the 39th),IEEE PESC,2008

[9]李艳芳，陈增禄，詹佩,等.新型串联型电压跌落补偿装置的直流母线电压控制研究[J].电网技术.2009,33(6):50-54.

LI Yan-fang，CHEN Zeng-lu，ZHAN Pei.DC Link voltage control of a new type of series voltage sag compensator[J].Power System Technology.2009,33(6):50-54.

[10]李艳芳.串联型电压暂变检测方法及其补偿装置控制策略研究[D].西安:西安工程大学,2009.

[11]李艳芳，陈增禄.三相电压暂变主电路拓扑及其检测方法的研究[J].电子设计工程,2011(16):137-140.

LI Yan-fang，CHEN Zeng-lu.Research on main circuit topology and detect method of three-phase voltage transient variation[J].Electronic Design Engineering,2011(16):137-140.

Research on control strategy for three-phase voltage transient variation compensation

LI Yan-fang
(North Institute of Information Engineering,Xi’an Technological University Xi’an 710025,China)

One topology of three-phase voltage transient variation is proposed in this paper.The proposed scheme can extend the compensating depth with small filtering capacitances in the inverters because they are continuously charged by the residual line-to-line voltages.In order to achieve the respective compensation by the topolgy,there is triangle wave comparison method for control.Then,the basic theory of three kinds of control strategy is elaborated on.At last，the simulation and experimental results of system controled by energy optimal control are presented.

three-phase voltage；transient variation；control strategy；energy optimal

TN98

A

1674-6236（2014）13-0168-03

2013-09-26 稿件编号：201309203

李艳芳(1983—)，女，山西代县人，硕士，讲师。研究方向：电压瞬变的检测方法控制策略。