级联多电平动态电压恢复器补偿与控制策略的系统设计

周珊+孟祥宇

摘 要：动态电压恢复器（DVR）是一种串联在电力系统和负载间的能量补偿装置。文章以级联多电平动态电压恢复器为研究对象，介绍了DVR装置的组成成分、工作过程以及主电路拓扑结构等；提出了改进最小能量补偿方法，优化了控制策略。通过试验结果表明，该级联多电平动态电压恢复器具有快速补偿跌落电压的能力，持续时间长，运行可靠性高，解决了敏感负载用电质量问题。

关键词：动态电压恢复器；单相SPWM；电压暂降

中图分类号：TM732 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0123-03

引言

随着电力建设的不断扩张，电能质量作为评估电力系统的一个重要方面，其地位越来越不可忽视。长期以来，对于负荷用电安全威胁最大的电能质量问题主要是电压跌落[1]（Voltage Sags）以及瞬时供电电压中断。电压跌落发生的频率最高，引起的原因有雷击、短路故障、大型电力设备的启动以及负荷突然增加等。针对此类问题，电压恢复器应运而生，DVR以其简单的结构、稳定的运行可靠性成为了目前治理供电电压跌落，保证电网供电质量最为有效的电力电子设备。

将级联多电平技术[2]应用于DVR装置，提高输出电压的电平数，增大装置的电压等级，解决了电力电子装置对变换器容量的限制，改善了输出电压的谐波特性，实现了DVR装置在高压、大容量系统中的应用。文章通过采用合理的多电平拓扑结构和适当的调制方法以及改进的能量补偿策略[6]，提升了装置的动态性能，改善了电能质量，其结果具有重要意义。

1 级联型DVR的主拓扑结构

本文选取具有独立储能电容的级联多电平逆变器结构[3～4]作为高压、大容量条件下DVR装置的主电路拓扑结构。

逆变器结构由多个级联H桥逆变单元构成，各个逆变器都由相互独立且幅值与频率相同的直流侧电容电压供电。这一特点使得DVR经过耦合电容后可以直接接入电网当中，对于实现DVR在高压、大容量系统中的应用十分重要。

2 能量优化补偿

改进型最小能量补偿法[9]系统向量如图2。

为确保系统正常工作，负荷电压在横轴上的分量必须等于δU，因此：

发生跌落后，负荷参考电压为UL，相位跳变为△θ，因此负载有功功率PL、系统有功功率PS和DVR补偿的有功功率Pdvr分别表示为：

其中只有δ（暂降后系统电压与负荷参考电压的夹角）是未知量。

下面对DVR的两种状态进行分析：

（1）零有功功率注入状态

通过选取合适的δ使DVR装置与电力系统之间没有有功功率的损耗。

令Pdvr=0则有

等式成立，需满足约束条件

满足上述条件，则DVR可工作在零有功功率注入状态。

（2）最小有功功率补偿状态

当约束条件不满足时，选取合适的δ使装置在满足补偿要求的同时输出的有功功率最小。

对Pdvr求导并令其在δn的一阶导数等于零

通过对故障前后系统电压、补偿电压、负荷电流之间进行关系推导，确定了最小有功功率补偿的条件，缩短了过渡过程，更加容易控制。

3 控制策略

实际工程应用中，多采用负载电压外环，滤波电容电流内环的双闭环控制策略[7～8]。本文将采取改进的比例谐振控制器进行调节，其传递函数为：

其中，kp是比例调节器的比例系数，而谐振调节器的增益由kr决定，增加阻尼系数ωc用于设定控制器的带宽，需适当地选择三个参数kp，kr和ωc。

（1）设kp=0，ωc=10rad/s，仅kr变化下系统的伯德图（图3）

（2）设kp=0，kr=10，仅ωc变化下系统的伯德图（图4）

（3）设kr=10，ωc=5rad/s，仅kp变化下系统的伯德图（图5）

综上所述，选取PR控制器的各个参数分别为：ωc=20rad/s，kp=10，kr=500。

通过分析，设计控制系统框图如图6。

根据图6，设G1（S）为P调节器传递函数；G2（S）为比例谐振控制器传递函数，得到输出电压的传递函数为：

由于在基波频率ω0处G1（S）G2（S）的增益很大，扰动量的作用接近于零，可忽略不计，输出电压能够精确跟踪负载参考电壓，实现无静差控制。

比例谐振控制的仿真结果：

设电力系统在0.1s发生25%的电压跌落，持续时间为1s。

4 结束语

动态电压恢复器是目前解决电网电压跌落最为有效的补偿装置。文中通过采用合理的多电平拓扑结构和适当的调制方法以及改进的能量补偿策略对DVR装置进行了优化设计。通过仿真结果可看出DVR装置具有良好的动态性能，可以快速的完成电压检测与能量补偿。

参考文献：

[1]肖湘宁，徐永海.电能质量问题剖析[J].电网技术，2001，25（3）：66-69.

[2]刘凤君.多电平逆变技术及其应用[M].机械工业出版社，2007：213-217.

[3]王凯斐，卓放，王兆安.动态电压恢复器电路拓扑分析及参数设定[J].电力自动化设备，2004，04：19-23.

[4]牟伟，关振宏，胡鹏，等.级联多电平逆变器的工作原理分析[J].电气传动自动化，2006，03：22，26.

[5]冯小明，杨仁刚.动态电压恢复器电压补偿策略的研究[J].电力系统自动化，2004，06：68-72.

[6]王晶，徐玲玲，王志琦.改进型动态电压恢复器的最小能量法[J].电力系统保护与控制，2013，41（4）：73-78.

[7]吴继健，鲁志豪，许婧琦，等.基于敏感用户的电压暂降治理设备控制策略[J].电器与能效管理技术，2014（23）：59-63.

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