基于负载设备灵敏度的电压跌落补偿策略优化

禹龙基，吕广强

(南京理工大学自动化学院，南京 210096)

基于负载设备灵敏度的电压跌落补偿策略优化

禹龙基，吕广强

(南京理工大学自动化学院，南京 210096)

针对传统同相补偿策略无法应用于对相位跳变敏感的负载电压跌落补偿问题，提出了一种优化补偿策略。通过对负载数学模型进行电压跌落的耐受测试，提取出负载对电压相位跳变角的容忍度，以此作为相位修正的阈值。当补偿电压相位与系统电压相位差达到阈值时，进行补偿相位更新，从而避免了因相位角偏移过大引起的负载运行故障。通过实验验证了该策略的可行性，相比传统的同相补偿而言，提升了对敏感负载的适用范围。

同相补偿；负载灵敏度；相位修正；补偿策略

动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,简称DVR)是治理电压跌落最为经济高效的电能质量补偿设备[1-2]。采用电网取能方式可使DVR实现连续的能量供应，针对该方式目前国内外研究和使用的电压跌落补偿策略最普遍的是同相补偿和完全补偿[3]。由于完全补偿使装置的注入功率不可控，同时经济性较差，因此在实际中采用很少[4]；同相补偿简单但对相位跳变敏感的负载不适用。同时针对冲击性负荷，例如大电机启动，或者线路切换过程中电压跌落时间较长，通常会持续几秒甚至数分钟。因此，对于较长时间的电压跌落，系统电压频率和波形会出现不同情况的变化[5-6]。这样易出现因为系统电压波形不规则导致的锁相不准，无法得到正确的单次采样相位幅值信息，从而影响补偿效果。

本文通过分析负载设备模型对电压相位角跳变的灵敏度，在补偿过程中使负载电压相位和系统电压相位保持在相位跳变容忍度范围内，一旦到达容忍度阈值则进行相位角更新。这样由于系统惯性，无需实时获取系统锁相信息用于补偿过程，只需定时比较系统电压与负载电压相位差，只有当需要相位更新时才获取系统相位，重构参考电压，大大提升了补偿的可靠性。通过对同相补偿策略进行优化，增加了DVR对敏感负载的适用性。

1 动态电压恢复器及补偿策略

1.1 动态电压恢复器工作原理

动态电压恢复器属于串联型电压跌落补偿设备，能够在毫秒级时间内将跌落电压补偿到正常值，从而保证负载侧设备不受电压跌落的影响。动态电压恢复器的工作原理图如图1所示。

图1 DVR工作原理图

从图1中可以看出，在电网电压发生跌落时，DVR通过耦合装置提供补偿电压，然后使得串联后端的负载电压稳定，保证敏感负载免受电压跌落的干扰。

1.2 电压补偿策略

传统的补偿策略有三种，分为完全补偿、同相补偿和最小能量补偿[7-9]。对于采用蓄电池等储能设备作为能量供应的DVR装置，通常采用最小能量补偿以增加补偿的维持时间和补偿深度；对于电网取能方式作为能量供应的DVR装置，通常采用完全补偿和同相补偿，其差别仅在于补偿相位角，本文讨论的DVR拓扑为采用电网取能方式供电。

DVR拓扑结构图如图2所示。

图2 DVR拓扑结构图

图2中，US为系统电压；UD为补偿电压；UL为负载电压；Udc为逆变器直流侧电压。其中，DVR补偿时需要的能量通过整流器从系统电压侧获得。

完全补偿能够保证当系统电压发生跌落时负载侧电压不受电压跌落的影响，但是需要实时检测系统电压，同时对补偿质量要求严格，无法控制注入功率的大小；而同相补偿则是在发生电压跌落时使得补偿之后的相位为系统电压跌落后的相位，这样对相位跳变敏感的负载则具有一定的局限性[10-12]。

2 相位偏移分析

在系统电压发生跌落时，由系统参数可能导致相位角发生跳变。该过程仅发生在系统电压跌落的时刻，因此可以通过锁相环得到跌落前后的相位差；但是，当跌落发生之后的补偿阶段，也会产生一定程度的相位偏移问题，该偏移问题是长时间补偿必须要解决的问题。

相位偏移原因分析如下：

(1)构造相位角使用的π的精确度

在实际的控制算法中，选择π的精确度会成为影响补偿的相位角与系统电压实际相位角之间误差的一个因素。若采用π=3.1416，程序运行频率为10 kHz，在不考虑系统电压频率波动情况下，1小时相位偏差为0.3°，因此可以忽略该因素的影响。

(2)采样精度

常用的采样方式有两种：一种是采用主控芯片进行采样，例如TMS320 F28335控制芯片有16路12位的AD采样通道；另一种是采用DSP外接AD采样芯片，例如AD7606芯片进行采样。每块AD7606芯片是8通道16位200 kbps(每秒采样千次数)双极性同步采样AD。这样在一定程度上可以减轻主控芯片的执行压力。采样精度与的精度一样，对相位角影响很小。

(3)频率

根据相位角公式，系统相位表达式为φt=wt+φ0，而角频率w=2πf，所以频率也是影响相位角的一个方面。如果系统频率为49.9 Hz，按照工频50 Hz计算，则1 s相差36°。因此在实际补偿过程中，主要影响系统相位与构造相位偏差的因素为系统频率的不稳定。通常，在构造参考电压时采用的频率为标准的工频50 Hz。而实际的系统电压无论是否发生电压跌落，在一段很小时间内频率都是在50 Hz附近变化，因此会造成一定的相位偏移。

利用相位角跳变容忍度设置补偿阈值，可以解决补偿过程中相位偏移问题，以便于实现长时间电压跌落补偿。因此，获取负载对相位移的敏感程度，即敏感负载能够承受的相位跳变角，是进行补偿策略优化的关键，对于设置相位角跳变补偿阈值具有指导意义。

3 负载对相位移灵敏度分析

本文中主要讨论相位移对敏感负载的影响，但考虑到跌落幅值、跌落维持时间、相位偏移对敏感负载的影响具有耦合关系，因此在分析过程中需要通过控制变量法得到所需的敏感度参数[13]。但是，由于主要考虑对象为相位角跳变的影响，因此在分析模拟过程中需要保证电压跌落深度和持续时间在可补偿范围内，不会因为超过DVR补偿容量而导致干扰。

3.1 灵敏度分析步骤

检测敏感设备接入的母线电压波形，对跌落波形进行长期记录，形成电压跌落事件，并进行标记。通常在敏感负载进线端安装电能质量监测装置(PQ-BOX200等)来监测负载的电能质量状况[14]。

对标记的具有不同特点的电压跌落事件，提取相应的运行特性参数；在实际的参数基础上，进行调整(以实际为参考，在此基础上按比例增加跌落深度、跌落持续时间、相位移等量)；重构电压跌落波形，以新参数输入电压跌落信号发生器中。在进行抗电压暂降测试时，可采用工业电压暂降发生器(IPC)模拟装置，可任意设置电压暂降的幅度、持续时间和相位角[14]。

3.2 灵敏度分析流程图

建立设备数学模型，进行灵敏度测试。相应的测试流程图如图3所示。

图3 设备灵敏度判断流程图

如图3所示，设备灵敏度判断流程图考虑到跌落过程中会出现的电压幅值变化、相位变化以及相应的跌落时间。在重构电压跌落波形时，将起始跌落深度调整至负载无法正常运行的范围，然后通过控制变量法减小特征参数从而得到负载电压跌落承受度。文献[15]针对交流接触器列出了考虑相位跳变等的负载耐受曲线。该流程图对敏感负载具有普遍的适用性，对DVR等用户定制型电能质量设备的使用具有一定的参考价值。

4 电压跌落补偿策略优化

在实际实验中发现，当系统电压跌落后波形畸变时，若采用完全补偿，会因为采样波形的不规则导致锁相不准确，最终导致补偿效果不理想。常见的补偿效果如图4所示。图4(a)中，波形为示波器记录的系统电压波形，图4(b)中，波形为补偿后负载电压波形。由于系统电压波形存在畸变，导致锁相无法得到准确的相位幅值信息，从而使得补偿失败。

图4 电压跌落补偿效果图

采用优化的补偿策略，当检测到系统电压发生跌落时，通过软件锁相环记录跌落前的电压幅值Um与相位φ0，构造延续的电压波形：

u′=Umcos (wt+φ0)

w=2πf=2×3.1416×50

(1)

式中t——采样运算周期。

将构造的电压波形离散化与系统实际采样电压波形相减作为补偿量：

un(ti)=u′(ti)-u(ti)

(2)

式中un——需要补偿的电压差。

同时，检测跌落过程中的系统电压相位，与构造的以50Hz频率延续的相位进行比较，当相位偏差达到负载设备的相位跳变容忍度时更新相位，以类似同相补偿方式继续进行补偿。当跌落时间完成之后，补偿在下一个过零点结束，这样也避免了切除DVR对负载造成的影响。

假设设备相位角容忍度用α表示，系统电压与负载电压夹角用Δθ表示，负载电压与负载电流夹角用φ表示，相应的向量图表示如图5所示。

由图5分析得：当发生电压跌落时，系统电压Us与负载电压UL之间常常存在一个相位跳变角Δθ，而相位跳变容忍度存在α>Δθ和α≤Δθ两种情况。当补偿开始时，按照完全补偿策略进行补偿，随着系统电压相位偏移，当检测到系统电压与负载电压达到相位跳变容忍度时，则重置负载电压，使负载电压与系统电压相位角保持一致。

图5 相角重置相量图

相应的补偿策略流程图如图6所示。

图6 补偿策略流程图

5 试验分析

DVR样机采用三单相补偿方式，每一个模块为集成电力电子模块。三单相桥结构，三相输出电压互相独立，可以分相控制，以补偿系统的正序、负序和零序电压变化，适用于三相三线和三相四线制系统。

采用电网取能方式，电网电压经整流器滤波后向动态电压恢复器提供连续的能量供应。

选取A相波形进行分析，自上到下U1、U2、U3分别表示补偿后的负载侧电压、跌落时的系统电压以及系统跌落前的电压。光标T1与T2分别记录采样点初值与终值的电压有效值及相应的相位。图7显示了补偿过程中的相位偏移，但是未达到负载设备相位角跳变容忍度的波形，图8显示了当达到负载设备相位角跳变容忍度后的相位校正。

图7 相位偏移图

图8 相位矫正图

从图7和图8的波形上看，补偿过程中的相位偏移达到了12°，通过之前对负载的灵敏度判断，将负载的相位跳变容忍度设置为α=12，则当达到这个相位差后，将负载电压相位进行重置，从而出现图8中同步到32°的情况。这样，当进行长时间补偿时，就不会因为相位移偏移引起的供电电压过零点序列发生变化，对可调速设备、交流接触器等对相位要求敏感的负载具有一定的实用意义。

6 结语

本文提出了一种新型的电压跌落优化补偿策略，通过对设备灵敏度进行研究，将传统的同相补偿策略进行修改。当跌落发生时，通过锁相环得到实时相位，构造补偿参考电压，同时在补偿过程中比较系统电压与负载电压(即补偿参考电压)之间的相角差，达到相角阀值后重置负载电压。解决了传统同相补偿对敏感负载的局限，同时对基于用户定制型的DVR设计提供了一定的参考。通过实验验证了该想法的合理性。

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(本文编辑：赵艳粉)

Optimal Compensation Strategy of Voltage Sag Based on the Load Device Sensitivity

YU Long-ji, LV Guang-qiang

(School of Automation, University of Science and Technology, Nanjing 210096, China)

In view of the fact that the traditional in-phase compensation can′t be used to protect the load which is sensitive to the phase jump when the voltage sag occurs, an optimization compensation strategy is proposed. By performing the voltage sag test with a mathematical model of the load, the tolerance of the load to the voltage phase transition angle is extracted, which is used as the threshold of the phase correction. When the threshold difference between the compensation phase and the system voltage phase is reached, phase compensation will be refreshed, which is effective to avoid the load malfunction because of the phase angle skewing. The experimental results verify the feasibility of this strategy which can promote the applicable scope for the sensitive load when compared to the traditional in-phase compensation.

in-phase compensation; load sensitivity; phase correction; compensation strategy

10.11973/dlyny201606008

禹龙基(1990)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

TM761

A

2095-1256(2016)06-0699-05

2016-09-15