动态电压恢复器谐波补偿性能研究

郑 洁,郭永明,刘观起

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003)



动态电压恢复器谐波补偿性能研究

郑 洁,郭永明,刘观起

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003)

为研究动态电压恢复器(dynamic voltage restorer,DVR)谐波补偿性能,在理论上分析了传统的比例谐振控制器和改进后具有谐波补偿功能的比例谐振控制器的频域特性,分别将二者应用到动态电压恢复器的控制回路中,推导出相应的传递函数关系,并在动态响应指标和稳态补偿精度方面进行了对比,综合评价了两种控制器控制下动态电压恢复器对谐波补偿的性能。通过MATLAB/SIMULINK仿真实验,以及DVR在两种控制策略下补偿前后波形和频谱,验证了理论分析的合理性。

动态电压恢复器;比例谐振控制;谐波补偿;动态响应指标;稳态补偿精度

动态电压恢复器(DVR)是一种自带储能装置的电力电子设备[1-2],可以用来解决电压波动、闪边、谐波干扰等电能质量问题。

近年来,国内外很多学者对动态电压恢复器的控制策略、补偿策略等方面进行了研究。文献[3]提出基于比例积分控制的双闭环反馈控制策略,达到了良好的动态响应速度和补偿精度。文献[4]用比例谐振控制器取代比例积分控制器,提出一种新的双闭环反馈控制方法,进一步提高了动态电压恢复器的补偿精度。文献[5]将单周控制策略应用到动态电压恢复器中,提出一种单相电路的动态电压恢复器模型。文献[6]对单相模型进行改进,提出全桥逆变器结构的三相四线制动态电压恢复器的单周控制策略。文献[7]在总结现有控制策略的基础上,提出一种任意负载下动态电压恢复器的控制策略,有效地提高了非线性负载下的电压补偿精度。这些文献主要针对电压暂降[8]问题展开的研究。此外,文献[9]提出了对传统的比例谐振控制器进行改进,即构建一种具有谐波补偿功能的控制策略,虽然在补偿精度上达到了良好的效果,但其动态响应指标能否满足快速补偿的需求并未进行相应的论证。基于此,本文对传统和改进后具有谐波补偿功能的PR控制器进行了对比,在复合控制策略下,推导出两种控制器控制下负载电压对负载参考电压的传递函数,以动态响应指标和稳态补偿精度作为评价指标,从理论上比较二者控制下DVR的补偿性能,然后通过仿真实验来验证理论分析的正确性。

1 DVR数学模型

将DVR串联接入系统,其等效电路如图1所示。

Us—电网电压;Uc—滤波电容电压;UL—负载电压;Lf—滤波电感;Cf—滤波电容;Rf—滤波电阻;if—滤波电流;iL—负载电流。

图1 DVR等效电路

Fig.1 Equivalent Circuit of DVR

由基尔霍夫定律对上述电路列写方程可得

经过拉式变换,可用传递函数表示:

2 控制策略

DVR采用基于比例谐振控制器电流内环和电压外环双反馈与电压前馈结合的复合控制策略,传递函数方框图如图2所示。

—负载参考电压

传统的比例谐振控制器(PR)的传递函数为

式中:ωc为控制器最大增益处带宽。

若设置相应的参数为ki=100,ωc=5 rad/s,ω0=314 rad/s,kp=1,绘制比例谐振控制器传递函数伯德图,如图3所示。

图3 传统的PR控制器伯德图

传统的PR控制器在基频处增益最大,对基频处产生的电压波动补偿效果较好,并具有一定带宽,可以补偿一定量基频电压附近低次谐波。ωc主要影响带宽,当ωc越大时,带宽越大,谐波补偿功能越好,但ωc增大到一定程度时,系统的稳定性也会受到影响。采用传统的PR控制器时的伯德图如图4所示。

图4 传统的PR控制器下复合控制策略伯德图

由图4可知,频率在0～3930 rad/s区间内,负载电压可以很好地跟随负载参考电压的变化,表现出良好的补偿能力,相位裕量为136°>45°,具有较好的稳定性。

对传统的PR控制器进行改进,使之具有强谐波补偿功能,传递函数为

当n取1、3、5、7时,伯德图如图5所示。由图5可知,改进后的PR控制器不仅对基频信号增益最大外,对3、5、7倍基频信号仍然具有很高增益,而且增大了频率补偿范围。采用改进的PR控制器时的伯德图如图6所示。

图5 改进后PR控制器伯德图

图6 改进后PR控制下复合控制策略伯德图

采用改进的PR控制器时，负载电压对负载参考电压的传递函数为

由图6可知,频率在0～7460 rad/s区间内,负系统增益较高,对基频信号和谐波信号都具有良好的抑制作用。因此,采用改进的PR控制器,增大了DVR的谐波补偿频率范围,可以补偿更高次的谐波。相位裕量为96.2°>45°,仍然具有良好的稳定性。

从控制器带宽、增益、稳定性方面评价,具有谐波补偿功能的PR控制器优于传统的PR控制器。但DVR的补偿效果不应只从谐波补偿范围上进行单方面的评价,通常当电压发生扰动时,要求DVR在毫秒级内就能迅速产生稳态补偿电压,因此其动态响应指标仍然是一个重要的评价指标。

采用传统的PR控制器时,负载电压对负载参考电压单位阶跃响应曲线如图7所示。

图7 传统的PR控制器动态响应曲线

在图7中,超调量δ%=12.7%,上升时间tr=0.256 ms,调整时间ts=2.1 ms,稳态误差ess=0.36%。

当采用改进后的PR控制器时,负载电压对负载参考电压单位阶跃响应曲线如图8所示。

图8 改进后的PR控制器动态响应曲线

同理,可得出以下动态响应指标:δ%=36.6%,tr=0.243 ms,ts=17.9 ms,ess=6.9%。

通过二者的对比,虽然采用改进后的PR控制器在带宽、增益上有所改善, 提高了DVR谐波补偿能力,但其动态响应指标较差,增大了系统的超调量、调整时间、稳态误差。

3 仿真分析

已知三相系统的额定线电压380 V,0.125 ms时,B相发生40%电压暂降,并伴随谐波的干扰,持续100 ms,采用两种控制器的补偿效果分别如图9和图10所示。

图9 传统的PR控制下补偿前后波形对比

图10 改进后的PR控制下补偿前后波形对比

通过比较可知,采用传统的PR控制策略时,动态响应速度快,当系统电压发生扰动时,DVR能够迅速产生补偿电压,在极短时间内达到稳态,产生的冲击电压较小。采用改进后的PR控制策略时,动态响应速度较慢,在第一个补偿周波内产生冲击电压,超调量较大,经过约一个周期达到稳态,与理论上的17.9 ms相近。当电压跌落深度较大,波形畸变较严重时,这样的冲击会更加强烈。

电网侧电压的FFT分析如图11所示,谐波的总含量为15.36%,基频电压跌落40%。

图11 电网侧FFT频谱分析

采用传统的PR控制器和改进的PR控制器时,达到稳态的FFT分析分别如图12和13所示。

图12 采用传统PR控制器补偿后FFT频谱分析

图13 采用改进PR控制器补偿后FFT频谱分析

通过分析可知,采用传统的PR控制虽然动态响应速度快,但补偿后谐波含量为4.03%,虽然达到了IEEE国际标准的5%以内,但改进后的控制策略更具有优越性,可将谐波降低到0.93%。由此可知,改进后的PR控制器虽然动态响应速度差,但由于其自身带宽和增益特点,达到稳态时可将谐波限制到很低的水平。因此,当系统中谐波平均含量较少、次数较低时,为了提高系统的动态响应速度,可采用传统的PR控制器,其补偿精度可满足国际标准。当谐波含量较多,次数较高时,为了满足系统的补偿精度,宜采用改进后的PR控制器。

一般情况下,电力系统中次数相对较高的谐波出现的概率较低,含量较少,主要以3、5、7等次数相对较小的谐波为主,并且3的倍数次谐波可以通过接线方式进行抑制。因此,采用传统的PR控制器的带宽往往能够满足补偿精度要求,并且动态响应速度快,可达到良好的补偿效果。

4 结 语

本文对传统的和改进后的PR控制器的性能进行分析,分别从动态响应指标、稳态补偿精度等方面评价了二者的优缺点,并通过仿真进行了验证。

传统的PR控制器本身具有一定的带宽,可以在谐波干扰较小的情况下达到理想的补偿效果;改进后的PR控制器的谐波补偿范围可以人工设定,理论上可以补偿任意次谐波,但较差的动态响应指标有待进一步提高。

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(责任编辑 张兴业)

Research on harmonic compensation performance of dynamic voltage restorer

ZHENG Jie, GUO Yongming, LIU Guanqi

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to study the harmonic compensation performance of dynamic voltage restorer (DVR), this paper analyzed theoretically the frequency-domain characteristics of the traditional proportional resonant (PR) controller and the improved one with the function of harmonic compensation, deduced the relevant transfer functions by installing the above two controllers in the control circuit of DVR, compared the dynamic response index and the steady compensation precision, and evaluated the harmonic compensation performance of two controllers.Through the simulation via MATLAB/SIMULINK, and waveforms and frequency spectrums before and after compensation under the two control strategies, which verify the rationality of the theoretical analysis was verified.

dynamic voltage restorer;proportional resonant controller;harmonic compensation;dynamic response index;steady compensation precision

2016-04-21;

2016-05-16。

郑 洁(1992—),女,硕士研究生,主要从事电力系统分析、运行与控制研究。

TM933

A

2095-6843(2016)05-0456-04