适用于微电网的新型馈线间DVR拓扑及控制方法

郭　祺，涂春鸣，姜　飞，吴连贵，庄士成

（湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心，长沙410082）



适用于微电网的新型馈线间DVR拓扑及控制方法

郭祺，涂春鸣，姜飞，吴连贵，庄士成

（湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心，长沙410082）

摘要：传统动态电压恢复器（DVR）存在功能性单一、运行经济性差等缺陷。改进型DVR通过在馈线间采用2 个DVR共用储能电容的方式解决了运行经济性差的问题，但当2条馈线同时发生电压跌落时仍有一定局限性。首先提出一种多功能馈线间动态电压补偿器（MF-IDVR）的拓扑结构，该结构具备抑制谐波电压、动态补偿双馈线电压跌落的功能；然后，分别提出了MF-IDVR所含有2个独立变换器、直流储能模块的控制策略，及不同工作模式的切换流程；最后，在PSCAD/EMTDC仿真软件上验证了所提新拓扑的有效性。

关键词：动态电压补偿；双馈线；谐波电压；直流储能

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引言

随着微电网技术的不断发展，采用微型电源互联为重要负载供电成为了一种高效运行方式。微电网中含有了大量敏感电力设备（例如计算机、通信系统等），由各类型故障引起的电压跌落问题势必对其正常运行带来极大负面影响［1］。此外，负荷的多样性使得微网中谐波电压问题不容忽视［2］。

动态电压恢复器DVR（dynamic voltage compensation）是被认为解决电压质量问题最经济有效的设备之一［3-4］。常规DVR补偿电压的能量由直流侧提供：当采用系统整流方式获取时［5-6］，需外加可控或不控整流模块；当采用直流储能单元获取时，需外加蓄电池、飞轮储能或大容量电容储能设备［7-8］。虽然以上2种方式已能较好地实现电压跌落补偿功能，但当补偿容量较大时，额外增加的整流装置或大容量储能设备势必降低装置的经济性。

馈线间动态电压恢复器IDVR（interline dynamic voltage compensator）［9］是通过2条馈线或者多条馈线上的DVR共用直流储能电容。当某条馈线发生电压跌落时，由另一条馈线提供补偿能量，实现馈线间的能量交互流动，降低设备成本。IDVR能够补偿较大深度的电压跌落，一定程度上提高了设备利用率，解决了经济性问题。此外，IDVR也可互联微电网中多个微型电源，实现孤岛运行下重要负荷的持续可靠供电。然而，现有IDVR只能实现对单条馈线的电压补偿，未能解决系统的谐波电压治理问题［10-11］。若2条馈线均出现电压跌落时，馈线间的能量交换控制较为复杂，直流侧电压难以长期维持稳定，2条馈线均无法实现电压跌落补偿功能。

本文以微电网中2个微型电源互联为例，首先提出了一种多功能馈线间动态电压补偿器MF-IDVR（multi-functional interline dynamic voltage compensator）的拓扑；然后提出了电能质量补偿模式下的闭环比例-积分的补偿控制，谐波电压治理与电压补偿控制模式切换控制，及直流储能模块工作时的闭环比例-积分控制；再分析了不同故障情况下的系统运行策略；最后通过PSCAD/EMTDC仿真软件验证了所提拓扑对双馈线电压跌落及谐波电压治理的有效性。

1　MF-IDVR的拓扑结构

1.1整体拓扑结构分析

本文结合DVR和串联APF的优点提出了一种具有补偿电压暂降、暂升、双馈线能量交换和治理系统谐波电压功能的多功能馈线间电压补偿器，拓扑结构如图1所示。MF-IDVR整体结构由2个三相串联变流器背靠背组成，共用储能电容C，每相串联变流器经LC输出滤波器后，通过串联变压器接入馈线。当微源侧发生电压跌落故障时，MFIDVR可向电网补偿基波电压；当电网正常运行时，MF-IDVR可补偿系统谐波电压。直流储能模块由超级电容接双向Buck-Boost组成，其输出端并联在共用直流侧电容Cdc两端。

图1　MF-IDVR整体拓扑结构Fig.1 Global topological structure of MF-IDVR

MF-IDVR的双变流器均可工作于动态电压补偿模式和谐波电压治理模式。若双馈线中微源侧未发生电压跌落，MF-IDVR双变流器可治理谐波电压。当某条馈线微源侧电压跌落故障程度较低、时间较短［12］时，该侧变流器工作于电压补偿模式，则另一条馈线工作于谐波电压治理模式，电容和非故障侧提供故障馈线电压补偿所需有功；当故障馈线跌落程度较大，导致非故障馈线以及直流母线电容无法提供故障侧电压补偿所需有功时，超级电容通过双向Buck-Boost电路工作，稳定直流侧电压，提供补偿跌落电压所需有功；当检测两条馈线的微源侧均发生电压跌落时，双向Buck-Boost电路工作于Boost工作模式，两侧串联变流器均工作于动态电压补偿模式，直流储能模块的超级电容处于放电阶段，提供两端补偿电压所需要的能量。因此，所提拓扑有效保证了当双端馈线微源侧均发生电压跌落故障时，敏感负荷的电压质量要求。由于在10 kV微网或配电网中，系统侧电压不平衡故障也较为普遍，故直流侧采用2组对称电容形式，将串联变流器副边星型连接的中点n、直流侧两组电容中点N及负载中点连在一起［13］，实现电网输入电压不对称的补偿。

此种拓扑结构可以应对不同电压跌落故障，由于仅在双馈线均发生电压跌落故障及某单一故障馈线跌落程度较大时，超级电容才工作，由此大大减少直流储能环节供电的工作次数与时间，故不需要提供容量过大的超级电容，极大程度地降低了成本，并且解决了双端馈线侧均发生电压跌落故障时敏感负荷的电压稳定问题。

1.2工作过程中的能量流动分析

以实际工况下易出现的2种故障为例，分析系统的能量流动过程。当电压源侧US1发生轻微电压故障时，故障侧工作于动态电压补偿模式，如图2所示，串联变压器2等效为一个电压源ΔUS2，保证负荷侧电压恒定；非故障侧工作于谐波电压治理模式，消除非故障侧谐波电压以及稳定双馈线公用直流侧电压，为故障侧补偿电压提供相应的有功支撑，串联变压器2等效为电压源ΔUh，抵消非线性负载带来的谐波电压。当2条馈线侧系统均发生深度电压跌落故障时，两侧变压器均工作于动态电压补偿模式，串联变压器1、2分别等效为一个电压源ΔUS1、ΔUS2，进而保证2条馈线负荷端电压均恒定，直流储能模块为故障侧补偿电压提供相应的有功支撑，如图3所示。

图2　单一馈线轻微电压跌落的能量流动Fig.2 Energy flow during slight voltage sags at one feeder

图3　2条馈线均发生电压跌落的能量流动Fig.3 Energy flow during voltage sags at two feeders

2　MF-IDVR工作机理分析

2.1动态电压补偿模式

串联变换器的结构如图4所示，Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2代表三相桥臂开关管的控制信号，L1代表滤波电感，R代表滤波电感的内阻，v12a、v12b、v12c分别为串联变换器a、b、c相输出电压。

图4　串联变换器电路模型Fig.4 Model of series converter circuit

串联变换器实际上可以等效为一个电压型逆变器，系统建模模型以及平均数学模型［13］分别表示为

式中：vNO为三相中点电压；Si为开关函数，b，c，其中Si=1代表第i相上管导通下管关断，Si=0代表下管导通上管关断。

将式（1）变换到同步旋转dq坐标系下，将d轴定向于电网电压矢量Vs的方向上，则其同步变换矩阵为

式中，w为电源频率动态电压补偿模式下dq坐标系下的数学模型为

MF-IDVR最主要的功能是实现双馈线敏感负荷端的端电压稳定，保证负载端电压V2为额定值且与系统电压V1同相。当某一馈线系统侧电压发生电压跌落故障时，故障侧变换器工作于动态电压补偿模式，将dq同步旋转坐标系的d轴定在系统电压矢量V1的方向上，可以得到故障侧在dq同步旋转坐标系下的控制框图如图5所示。当故障侧电压跌落程度较轻时，直流侧电压由非故障侧控制，提供有功支撑，当系统跌落程度较深或者两端均发生电压跌落，直流侧电压由超级电容控制。图5中τ= 0.02为改善输出波形的惯性滤波环节时间常数。

图5　DVR在dq坐标系下的控制系统结构Fig.5 Control system structure of DVR in dq coordinate system

对于电压源型逆变器而言，采用电压、电流双闭环控制的系统，具有良好的静、动态性能。本文采用基于串联变换器输出电压和输出滤波器电感电流的双环控制，在两相旋转dq坐标系下通过引入d轴和q轴的电压、电流状态，通过反馈解耦实现d、q轴之间的解耦。这样通过直接控制v12d和v12q来实现负载端电压恒定。串联变换器在dq坐标系下的解耦控制框图如图6所示。由图6可见，电压给定信号v12d*、v12q*与输出电压反馈信号v12d、v12q比较后得到电压误差，经过电压电流调节器形成控制量Sd、Sq，对逆变器实施控制。

图6　串联变换器在dq坐标系下的解耦控制框图Fig.6 Decoupling control block diagram of series converter in dq coordinate system

2.2谐波电压治理模式

谐波电压治理的关键在于串联型变流器能够实时产生与负载谐波电压大小相等、方向相反的补偿电压，与负载谐波电压相抵消，进而获得理想的补偿效果［14］，使电源电流接近正弦波。若三相负载电压瞬时值为uLa、uLb、uLc，串联型变流器三相谐波电压指令为u*ca、u*cb、u*cc，则参照谐波电流的实时检测方法可得

当uLa、uLb、uLc含有谐波时，up、uq中的直流分量up、uq分别与三相负载电压中的基波正序分量相对应，其交流分量分别与三相负载电压的谐波分量相对应。用低通滤波器滤去up、uq中的交流成分，便可得up、uq。

由up、uq可得出uLa、uLb、uLc的基波分量uLaf、uLbf、uLcf为

式中：C-1为C的逆矩阵；C23为C32的逆矩阵。

于是，负载谐波电压分量为

从而可以得到谐波电压的指令为

此谐波电压的指令信号就是串联变流器在谐波治理模式下串联变压器一次侧输出电压。

2.3直流侧稳压控制

2.3.1共用直流母线电压控制

PWM变流器直流侧电压的变化由它与电网之间的能量流动所决定。在MF-IDVR中，直流侧电压的稳定对于变流器工作于电压补偿模式尤为重要。当某条馈线电源侧电压跌落故障程度较低、时间短时，直流侧从非故障侧获取能量用以稳定系统直流侧电压，只有当非故障侧PWM变流器从电网侧吸收的有功等于故障侧变流器补偿电压所需有功与线路和开关器件的损耗功率之和时，其直流侧电压才保持不变，进而实现双馈线间的能量交换。在此控制过程中，忽略线路和开关的损耗。

PWM变流器是从馈线系统侧吸收有功功率还是发出有功功率，由交流侧电压的基波分量与基波电流之间的相位决定。根据串联型变流器的工作原理可知，当变流器工作于谐波电压抑制模式时，PWM变流器交流侧输出电压为谐波电压，与负载谐波电压大小相等、方向相反、不含基波，不能与馈线系统侧进行有功交换，故只有在谐波电压指令中加入一定量的基波成分［15］，才能控制PWM变流器的能量流动，以保证直流侧电压恒定。谐波电压治理以及直流侧稳压控制电路的串联变换器直流母线电压控制框图如图7所示，图中，Kdcp、Kdci分别为直流母线电压PI调节器的比例常数与积分常数，τdc为直流母线电压采样延时时间常数。

为了确保直流母线电容电压不变，通过控制非故障相串联变换器的输出v12d来实现。将谐波电压治理过程中的变换器用一阶惯性环节替代［16］，即

式中，TV为等效惯性时间常数，TV=Cdc/KVP，KVP为电压外环PI调节器参数。

考虑直流母线电压对输出变换器的小型号模型分析，可得

图8　谐波电压治理以及直流侧电压控制Fig.8 Harmonic voltage control and DC side voltage control

2.3.2直流母线侧容量与电压补偿的关系

电力系统中电压跌落故障时常发生，通常跌落程度浅，故障持续时间短，把电压跌落幅值标幺值在0.9～1.0之间、故障持续时间在半个周期至几十秒定义为浅度电压跌落故障。浅度电压跌落故障过程，故障侧变换器工作于动态电压补偿模式，其补偿所需能量由直流侧以及非故障系统侧提供，非故障侧工作于谐波电压补偿模式时提供有功的能力和速度是有限的，故实时检测直流侧电压，若直流侧电压低于临界值，进行工作模式切换，直流储能模块动作，现对直流电压临界值进行计算。

本文设定电压跌落幅值在0.9 Vs～Vs区间，设Vs为电网侧电压；SN为故障侧额定容量；Udcref为变换器公用直流侧电压；Udcmin为直流侧临界电压；ΔV为电源电压跌落量；α为负载侧功率因数角；Cdc为直流侧电容。故障持续时间10 s以内的电压跌落为浅度电压跌落故障。

故补偿故障侧电压所需能量为公用直流侧所能提供能量与直流侧电压有关，则直流侧能量变化量为

为了得到直流侧电压临界值，设线路cos α=1，ΔV=0.1 Vs。忽略线路损耗以及开关管的损耗，则由式（10）和式（11）可得

化简得

直流侧临界电压Udcmin是控制模式切换的关键，系统发生浅度电压跌落故障的概率是相当大的，在此故障过程中，非故障侧为故障侧电压补偿提供能量，而不需直流储能模块动作。实时检测直流侧电压值，若直流侧电压小于Udcmin，控制超级电容通过双向Buck-Boost电路向电容充电，进而为串联变换器的补偿提供有功支撑。

3　MF-IDVR工作模式分析

3.1双馈线均未发生电压跌落故障

双馈线均未发生电压故障，即正常稳定运行时，两系统侧变流器均工作于谐波电压治理模式。消除2个系统负载侧所带来的谐波电压，稳定公用直流侧电压，并且，直流储能模块动作，控制切换至Buck降压模式，超级电容处于充电状态。

3.2单一馈线发生电压跌落故障

单一馈线系统侧发生浅度电压跌落故障时，故障系统侧变流器工作于动态电压补偿模式，动态补偿系统侧电压跌落而导致的负荷侧电压波动，稳定敏感负荷侧电压，保证其稳定安全运行。未发生电压跌落故障系统侧变流器工作于谐波电压治理模式，消除非故障侧谐波电压以及稳定双馈线公用直流侧电压，为故障侧补偿电压提供相应的有功支撑。

当故障馈线跌落程度较大，导致非故障馈线以及直流母线电容无法提供故障侧电压补偿所需有功时，超级电容通过双向Buck-Boost电路工作，稳定直流侧电压，提供补偿跌落电压所需有功，非故障相变流器依然工作于谐波电压治理模式。

3.32条馈线均发生电压跌落故障

2条馈线系统侧均发生电压跌落时，为了保证2条馈线敏感负荷正常稳定工作，两端变流器均工作于动态电压补偿模式。直流储能模块动作，控制切换至Boost升压模式，超级电容放电以稳定直流侧电压，提供两端变流器动态电压补偿所需的有功［17-18］。

直流储能模块的Boost电路的控制采用电压电流双闭环控制，首先采样直流侧电压Udc，Udc与期望的直流侧电压Udcref求差，得到直流侧电压的波动值，波动值经过PI控制器调制之后，与直流电源端电流i1再求差，其差值经过PI调节后与三角波进行比较，调制所得即是直流储能模块IGBT的PWM控制信号。其控制框图如图9所示。

图9　超级电容放电模式控制Fig.9 Control of super capacitor discharge mode

直流储能模块的Buck电路的控制采用电压电流双闭环结合电压前馈控制，采样超级电容侧电压Udc1，Udc1与期望的直流侧电压Udcref1作差，得到直流侧电压的波动值，波动值经过PI控制器调制之后，与直流电源端电流i1再求差，其差值经过PI调节后与三角波进行比较，调制所得的就是直流储能模块IGBT的PWM控制信号。其控制框图如图10所示。

图10　超级电容充电模式控制Fig.10 Control of super capacitor charge mode

3.4电网输入电压不对称时的电压补偿

如果电网侧所需补偿的输入电压对称且三相负载平衡，那么串联变压器副边变流器完全可以采用三相半桥结构。三相三线制系统由于设有公共零线，串联变压器副边无论是星型连接还是三角型连接，均不能实现对负载或电网不平衡输入。为了达到电网输入不平衡时负载侧电压平衡，直流侧采用两组对称电容形式，将串联变流器副边星型连接的中点n、直流侧两组电容中点N及负载中点连在一起，使系统具有公共零线，即可克服以上缺点，实现电网输入电压不对称的补偿。

3.5不同工作模式变流器动作情况

工作模式1：双馈线系统两侧电压均未发生电压跌落故障时，串联变流器S1与串联变流器S2工作于谐波电压治理模式。

工作模式2：双馈线系统仅单一馈线发生电压跌落故障时，若馈线Us1电压发生轻微跌落，串联变流器S1工作于DVR模式，串联变流器S2工作于谐波电压治理模式；若馈线Us1电压发生深度电压跌落，可控晶闸管m3动作，直流储能模块接入电路，串联变流器S1工作于DVR模式，串联变流器S2仍工作于谐波电压治理模式。

工作模式3：双馈线系统两侧均发生电压跌落故障时，可控晶闸管m3动作，直流储能模块接入电路，串联变流器S1与串联变流器S2均工作于DVR模式。MF-IDVR整体工作模式框图如图11所示。

图11　不同工作模式切换控制Fig.11 Switching control of different working modes

4　仿真结果分析

采用PSCAD/EMTDC仿真软件对MF-IDVR应用于10 kV中性点不接地的电网系统进行仿真验证。仿真具体参数如下：系统电压为10 kV，系统和线路等效阻抗为0.010+j0.314 Ω，串联变压器变比均为5：1，共用直流侧电容为6 500 μF，串联变流器输出电感Lz=1 mH，滤波电容为20 μF，负载为阻感性负载，其后接三相不控整流模拟电压型谐波。IGBT的开关频率为10 kHz，共用直流侧电压期望值为1 600 V，直流储能模块直流电压源为600 V。等效微网额定容量SN=75 kW，由式（13）得Udcmin=1 100 V。

4.11条馈线发生电压跌落

在0.20～0.35 s时间段，系统Us2发生电压跌落，系统电压由10 kV跌落到7.5 kV。变流器S2工作于动态电压补偿模式，其输出VFa2明显变大。而系统侧US1未发生电压跌落，其变流器S1工作于谐波电压治理模式，仿真波形如图12、图13所示。图12中，VLa为馈线1负载侧电压，Va为变流器S1输入侧端电压，VFa为变流器S1输出电压；图13中VFa2为变流器S2输出电压，Va2为馈线2系统侧电压，VLa2为馈线2负载侧电压。由图12可见馈线1负载侧电压波形VLa含有相应谐波，变流器S1输出电压VFa1补偿相应的谐波含量。变流器输入端电压Va由于串联变流器S1谐波治理作用，近似正弦波。由图13可见而且共用直流侧电压Udc1在故障时间段略有跌落，基本稳定在1 600 V，虽然系统电压幅值跌落程度较深，但是故障持续时间短，直流侧电压与非故障侧能够提供其电压补偿所需能量，直流侧电压并未下降到临界值，直流储能模块未动作。

图12　馈线两侧电压跌落时侧谐波电压治理仿真波形Fig.12 Harmonic voltage suppression simulation waveforms during feeder 1 and feeder 2 voltage dropping

图13　馈线2侧电压跌落时电压补偿仿真波形Fig.13 Voltage compensation simulation waveforms during feeder 2 voltage dropping

4.22条馈线均发生电压跌落故障

在0.20～0.35 s时间段，系统Us1发生电压跌落，系统电压由10 kV跌落到9 kV，系统Us2发生电压跌落，系统电压由10 kV跌落到8 kV，变流器S1和S2均工作于动态电压补偿模式，其输出电压VFa1和VFa2明显变大，如图14、图15所示。图15中，Ve为直流电源电压，Vdc1为直流储能输出电压。通过检测，2条馈线均发生电压跌落故障，直流储能模块接入电路，超级电容放电，为两端变流器补偿电压提供能量，仿真波形如图16所示。由图可以明显看出，直流储能模块在故障时间段投入运行，其输出电压近似1 600 V，为两端变流器补偿电压提供有功。

图14　馈线1侧相应电压仿真波形Fig.14 Simulation voltage waveforms at the feeder 1

图15　馈线2侧相应电压仿真波形Fig.15 Simulation voltage waveforms at the Feeder 2

图16　直流储能模块侧电压仿真波形Fig.16 Simulation voltage waveforms of DC energy storage module

4.3电网输入电压不对称时的电压补偿

在0.30～0.6 s时间段，系统Us1发生电压跌落，系统Us1的a、b、c相电压跌落程度不同，电压分别由10 kV跌落为8.5 kV、7.5 kV和9.5 kV。变流器S1工作于动态电压补偿模式，其变流器S1工作于谐波电压治理模式，由系统电压跌落程度判断，直流储能模块在故障时间段投入运行，提供系统Us1补偿电压所需能量，仿真波形如图17～图19所示。由图19可明显看出，变流器输出VFa1、VFb1、VFc1的大小因系统输入电压不平衡的缘故，大小和相位均不同，进而达到负载侧电压平衡。

图17　不平衡跌落故障时系统侧三相电压波形Fig.17 System side three phases voltage waveforms with unbalanced dropping

图18　不平衡跌落故障时负载侧三相电压波形Fig.18 Load side three phases voltage waveforms with unbalanced dropping

图19　不平衡跌落故障时变流器三相输出电压波形Fig.19 Three phases output voltage waveforms of converter with unbalanced dropping

5　结语

本文提出了一种多功能馈线间动态电压恢复器拓扑结构，结合了常规IDVR和串联APF的双重优势，在不影响微网正常运行的情况下可实现谐波电压治理、动态电压补偿等功能。当单条馈线发生轻微电压跌落故障时，不需要直流储能模块动作可实现动态电压的补偿功能；当单条馈线跌落程度较大或者多条馈线均发生电压跌落故障时，直流储能模块动作，实现动态电压补偿功能；当2条馈线均未发生电压跌落故障时，可实现谐波电压抑制功能。仿真结果验证了所提拓扑及控制方式的正确性和可行性。此外，新型MF-IDVR可应用于不同电压等级含有微网的新型配电系统中，在动态电压补偿和谐波电压治理领域有较好的适用性。

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郭祺

Topology and Control Method for New Interline DVR with Microgrid

GUO Qi，TU Chunming，JIANG Fei，WU Liangui，ZHUANG Shicheng
（National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：Traditional dynamic voltage compensator（DVR）has some defects，such as single function and low operation economy. Improved DVR solves the problem of poor economic performance by using two DVRs shared energy storage capacitors between the feeders，but there are some limitations when the voltage sag occurs at the same time as the two feeders. Topology structure of a multifunctional dynamic voltage compensator（MF-IDVR）in the feeder is presented in this paper. The MF-IDVR can realize the dual functions of voltage drop problem and dynamic suppression of harmonic voltage in double feeder. Control strategy of the converter and DC energy storage module，and the switching process of different working modes are proposed. Finally，the validity of proposed topology is verified by PSCAD/EMTDC simulation software.

Keywords:dynamic voltage compensation；dual feeder；harmonics voltage；DC energy storage

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．2．36中图分类号：TM 46

文献标志码：A

收稿日期：2015-10-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51377051）

作者简介：

郭祺（1993—），男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术在电力系统中的应用，E-mail：qguo_215@163.com。

涂春鸣（1976—），男，通信作者，博士，教授，博士生导师，研究方向：电力电子技术在电力系统中的应用，E-mail：chun ming_tu@26 3.net。

姜飞（1985—），男，博士研究生，研究方向：电力电子技术在电力系统中的应用，E-mail：jiamg85521@126.com。

吴连贵（1992—），男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术在电力系统中的应用，E-mail：765786536@qq.com。

庄士成（1989—），男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术在电力系统中的应用，E-mail：964514931@qq.com。