一种新型电网电压跌落的综合控制方法

张雪薇

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710021）

电压跌落是在电能质量问题中受到关注最多的一个问题，也是电力系统中危害最大的一个电能质量问题[1]。随着电网和智能电网的发展，各种感性负载的应用，人们对电能质量要求越来越高，根据历史经验的教训，电压跌落引起的危害及其严重，必须采取积极有效的措施对其进行治理[2]。因此，对电压跌落问题的研究和探讨是很有必要的，具有很大的理论意义和实用价值。

电压跌落，指的是电压有效值下降至额定值的10%~90%，持续时间为半个电源周期到几秒钟的一种现象[3]。动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）串联在电网中，一旦出现电压跌落，动态电压恢复器快速的将电压补偿到电网中，它可以经济有效地解决电压跌落问题[4-5]。根据动态电压恢复器的原理，实现DVR的工作过程有两个方面。一方面，必须快速准确的获取电网的电压，以及装置需要补偿的电压信号。这是动态电压恢复器的检测过程。另一方面，必须快速而准确的将补偿信号补偿到电网中，并能准确跟踪信号。这是动态电压恢复器的控制过程。目前应用于动态电压恢复器的控制策略主要有前馈控制、反馈控制、复合控制、鲁棒控制、PID控制等[6-7]。前馈控制是按电网电压跌落量多少，从而根据需要来进行补偿的一种开环控制，即当电压发生跌落时，按跌落量大小直接产生补偿电压，以消除电网电压跌落的影响。尤其具有明显的超前控制作用以及针对跌落进行补偿，但缺点是无法校验控制结果，装置是否快速准确的补偿、是否产生偏差无法得知。反馈控制的特点是能克服多个扰动，可以对被控变量实行反馈校验，但它的缺点是滞后性较大，控制不及时。复合控制则综合了以上两种控制的优点，既能快速跟踪进行补偿，同时也能进行反馈校验，可以得到较好的效果。目前，一些研究所、院校主要对复合控制策略进行研究，但对复合控制结合同步坐标变换的检测方法的研究很少。本文将通过理论推导，建立仿真模型，将检测效果最好的同步坐标变换法结合复合控制策略来建立仿真模型，以实现快速补偿，准确的反馈，稳定的将能量补偿到电网中。

1 同步坐标变换法

同步坐标变换[8]又叫dq变换，是一种解耦控制方法，将abc三相坐标变换为dq两相坐标系中，并且把旋转坐标系变换成正交的静止坐标，即可得到用直流量表示电压及电流的关系式。这种变换方法可以使各个控制量可分别控制，可以消除谐波电压和不对称电压的影响。变换后的正序分量对应dq坐标系的 直流分量，而其基波负序分量、谐波分量对应dq坐标系的不同频率的交流分量。当电网电压为三相不对称且含有谐波时，dq变换后，通过低通滤波器滤波得到直流分量。由于应用了同步旋转坐标变换，容易实现基波与谐波的分离。而dq变换法的实时性由低通滤 波器的时延决定。

在三相畸变电压的所有分量中，只有基波正序电压分量经过同步坐标变换后在dq坐标系下呈现为直流量，负序分量和谐波分量仍为交流量。所以，通过低通滤波器将基波正序电压在d、q轴上的分量、提取出来，那么其数值与abc系统中的基波正序幅值Um和A相初相角θ之间存在如下关系：

根据以上推导，单位正序电压提取原理如图1所示。

图1 单位基波正序分量提取原理图Fig.1 Unit of fundamental positive sequence component extraction principle diagram

设电网的参考电压为Un，这样跌落后的电压就可以确定：

跌落前的电网电压与跌落后的电压相减，可得到装置需要补偿的电压量为：

其中，uca为装置需要向A相补偿的电压量，ucb为装置需要向B相补偿的电压量，ucc为装置需要向C相补偿的电压量。

由以上数学理论可知，这种检测方法不用对三相电压进行锁相。因为三相基波正序电压初相角的确定，是通过计算同步坐标变换后d、q轴的电压得出的，因此这种方法避免了对三相电压滤波和锁相所造成的相位差。

2 控制策略

建 立动态电压恢复器的数学模型来研究控制策略。本文中所选以单相为例。图2为单相DVR简化模型。

图2 单相DVR模型Fig.2 Single phase model of DVR

根据电路中的KCL和KVL以及DVR的原理可以推导出DVR的数学模型，可以推导出动态电压恢复器的数学模型，即

2.1 前馈控制

前馈控制是指通过比较跌落前电压与系统跌落后电压的差值来获得补偿的一种控制方式。在目前已投入使用的装置中，其控制方法都是使用前馈控制，这种方法响应速度快，控制简单，稳定性高。但是由于补偿策略控制逆变器输出的电压要经过滤波器以及变压器才能注入电网，这个过程，要补偿的电压量以及相角都会有一定的偏差。所以要使负荷电压等于参考电压非常困难。将会影响电压补偿效果。根据前面的同步坐标变换法，建立前馈控制的仿真原理框图。

图3 前馈控制仿真模型框图Fig.3 Feed forward control of the simulation model diagram

2.2 反馈控制

是通过检测跌落后电压与负载所需的标准电压进行比较，而产生补偿电压指令的一种控制方式。反馈控制的工作原理为：检测电网电压，计算出期望的负载值即目标电压；将其与电网跌落后的电压相减即可得到所需要补偿的电压值。这种控制方法能得到更好的负载调节特性和稳定的输出电压。能够减小变压器对补偿电压的影响，使补偿的电压得到修正，从而提高装置的动态性能。但如果增益取得太大，补偿电压指令幅度会增加，从而导致输出补偿电压不能实时跟随补偿指令，同时，控制系数需要根据经验反复调整，比较复杂。图4是结合同步坐标变换和反馈控制的仿真原理图。

图4 反馈控制的原理图Fig.4 Principle of feedback control diagram

2.3 复合控制

考虑到前馈控制和反馈控制都有它们的优缺点，本文结合两种控制策略的优点提出一种综合控制策略。这种控制方法是在反馈控制的基础上加入前馈控制。如图5，这种控制方法是检测跌落前电压，检测跌落后电压，检测负载可正常工作时的电压即目标电压。跌落前电压与跌落后电压分别与目标电压比较，从而计算出装置欲补偿的电压。检测跌落前电压形成的指令主要来完成电压跌落和谐波补偿，这样可利于提高装置的稳定性和响应能力。检测目标电压与跌落后电压的差值的指令用来完成变压器内阻和漏抗对副边电压的影响，可以不用很大的增益。这种复合控制的方法有效的控制了装置的稳定性，准确性和快速性，同时兼具了前馈控制和反馈控制的优点，完善了补偿效果。图5是结合同步坐标变换法和复合控制的仿真原理图。

图5 复合控制的原理图Fig.5 Principle of compound control diagram

3 仿真分析

为了验证理论分析的正确性，通过Simulink软件搭建仿真模型。参数设计：电网电压Um=311 V，基波频率每秒50次，IGBT开关频率15 kHz。电网电压在0.4~1.0 s时发生40%的电压跌落，并伴随3次及5次谐波，谐波畸变率为40%。

图6 电网电压波形Fig.6 Voltage waveform of power grid

图7 前馈控制补偿后的负载电压波形Fig.7 Load voltage waveform of feed forward compensation

图8 复合控制补偿后的负载电压波形Fig.8 Load voltage waveform of composite control compensation

从仿真结果可以看出，前馈控制存在的误差较大，不能很好的恢复到跌落前，它的负载适应性不好，而且也不能消除电网中谐波的影响。而复合控制相对前馈控制具有较好的负载适应性，同时还可以消 除电网中谐波的影响，所需响应时间短，可快速补偿上去。因此，仿真证明了方法的有效性和可行性。具有实际意义。

4 结 论

本文结合同步坐标变换的检测方法，在建立DVR的数学模型基础上，详细讨论了前馈控制，反馈控制和复合控制在同步坐标变换法的情况下的控制效果。通过建立仿真模型，从仿真结果可以看出这种复合控制结合同步坐标变换的方法具有很好的控制的稳定性，补偿的快速性，以及能将欲补偿的能量准确的补偿上去，误差小，响应时间短，动态跟踪速度快，提高了系统的阻尼特性，补偿效果完美。具有实际研究意义。

[1]Sankaran C.Power Quality[M].Boca Raton London New York Washington， D.C.CRCPress，2002.

[2]Mario Rabinowitz.Power systems of the future[J].IEEE Power Engineering Review，March，2000，20（3）:15-22.

[3]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

[4]陶顺.现代电力系统电能质量评估体系研究[D].北京：华北电力大学，2008.

[5]克长宾，李永丽.动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（17）:94-99.KE Chang-bin，LI Yong-li.Comprehensive compensation strategy research of voltage sags of DVR[J].Power System Protection and Control，2012，40（17）:94-99.

[6]刘颖英.串联型电能质量复合调节装置的补偿策略研究[D].北京：华北电力大学，2010.

[7]裴喜平.动态电压恢复器检测和控制方法研究[D].兰州：兰州理工大学，2014.

[8]付邦胜.动态电压恢复器控制研究[D].郑州：郑州大学，2010.