呂文亭，黃本潤

（1.海軍91991部隊(duì)，舟山316001；2.海軍92557部隊(duì)，廣州510720）

線電壓補(bǔ)償型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器補(bǔ)償策略

呂文亭1，黃本潤2

（1.海軍91991部隊(duì)，舟山316001；2.海軍92557部隊(duì)，廣州510720）

基于三相三線制電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR通常采用線電壓補(bǔ)償方法。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落超過直流側(cè)電壓的1/2時(shí)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器不能把負(fù)載電壓補(bǔ)償至正常范圍。文中在常規(guī)補(bǔ)償方法基礎(chǔ)上，利用該系統(tǒng)中點(diǎn)電位可以浮動(dòng)的特點(diǎn)，在原來補(bǔ)償電壓上疊加零序分量，并通過補(bǔ)償電壓的范圍選擇不同的零序分量，該方法可以使補(bǔ)償電壓的范圍增加1倍。最后通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器；電壓跌落；三相三線制系統(tǒng)；線電壓補(bǔ)償；零序電壓

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高。根據(jù)各國統(tǒng)計(jì)，在電力系統(tǒng)的各種電能質(zhì)量問題中，電壓跌落發(fā)生概率最高[1-2]。在配電網(wǎng)側(cè)安裝動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR是解決此問題比較經(jīng)濟(jì)和有效的一種方案[3-4]。

DVR裝置可分為兩類：基于相電壓補(bǔ)償、各相相互獨(dú)立的相電壓補(bǔ)償型DVR和基于線電壓補(bǔ)償、各相相互關(guān)聯(lián)的線電壓補(bǔ)償型DVR。相電壓補(bǔ)償型DVR具有控制方便，可補(bǔ)償零序電壓的優(yōu)點(diǎn)，但存在每相需設(shè)單獨(dú)的功率回路，功率器件多、造價(jià)高，且不易處理電壓泵升等問題。線電壓補(bǔ)償型DVR則具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率器件少、易處理電壓泵升問題，但無法補(bǔ)償零序電壓等特點(diǎn)。由于我國中壓配電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，且許多三相負(fù)載為無中性線的對(duì)稱負(fù)載。因而線電壓補(bǔ)償型DVR有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。

如果負(fù)荷為相位敏感型負(fù)荷（如異步電動(dòng)機(jī)），則在系統(tǒng)電壓跌落時(shí)，一般情況下DVR必須使負(fù)荷側(cè)電壓大小和相位保持不變，此時(shí)不能進(jìn)行能量優(yōu)化。但在實(shí)際中有大量的負(fù)荷是相位不敏感負(fù)荷，所以當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，可適當(dāng)選擇負(fù)荷側(cè)輸出電壓的相位，這樣可減少裝置直流儲(chǔ)能單元的容量，降低DVR的成本。

本文針對(duì)三相三線制系統(tǒng)，從幾何方法分析推導(dǎo)提高補(bǔ)償電壓的判據(jù)方法，平移相量解的求法，以提高線電壓補(bǔ)償能力的算例進(jìn)行仿真。

1 平移法的判據(jù)和求解

在三相三線制系統(tǒng)中，只需要輸出三相線電壓為額定基波正序電壓，三相線電壓構(gòu)成的正三角形中點(diǎn)電位可以浮動(dòng)，可以利用零序電壓來改變?nèi)嘌a(bǔ)償電壓的大小。

如圖1所示，利用常規(guī)算法無法補(bǔ)償?shù)碾妷旱洌谶@種情況下C相的補(bǔ)償電壓Ucomc超過了補(bǔ)償極限Ulim。而采用平移方法即適當(dāng)注入電壓就可解決這個(gè)問題，如圖2所示。通過零序分量U˙Z的作用可將三相補(bǔ)償電壓都移動(dòng)到補(bǔ)償極限內(nèi)。

圖1 電壓跌落及補(bǔ)償電壓相量圖Fig.1Phasor chart of voltage drop and compensation voltage

圖2 通過平移改變補(bǔ)償電壓Fig.2Change compensation voltage through translation

如圖1所示，當(dāng)三相補(bǔ)償電壓中至少有一相相量的大小超過了補(bǔ)償極限，即

平移的目的就是求取一個(gè)合適的零序電壓相量U˙z，使得系統(tǒng)在補(bǔ)償電壓的作用下滿足

直接求解上述不等式組是很困難的，而且求解的過程通常比較復(fù)雜，很難有明確的物理意義。下面討論式（2）的存在性和解的求取方法。

為便于分析，將圖1簡化成圖3形式，于是解的存在性判據(jù)可描述為：以個(gè)相量終點(diǎn)為頂點(diǎn)的三角形是否可通過一定的平移將3個(gè)終點(diǎn)都分別移到以個(gè)相量終點(diǎn)為圓心，為半徑的圓內(nèi)。

圖3 補(bǔ)償電壓簡化圖Fig.3Simplified chart of compensation voltage

通過以上分析，如圖4所示，U˙z解的存在性判據(jù)就由一個(gè)復(fù)雜的復(fù)數(shù)不等式組解的存在性判據(jù)問題轉(zhuǎn)變成了以3個(gè)相量終點(diǎn)為頂點(diǎn)的三角形能否被半徑為Ulim的圓包含的問題。如果該三角形可以被這個(gè)圓包含，則U˙z一定有解，反之則U˙z無解。

圖4 補(bǔ)償電壓范圍Fig.4Range of compensation voltage

假設(shè)Rmin為可覆蓋任一三角形的最小圓的半徑，只要滿足Rmin≤Ulim就可使該三角形能被半徑為Ulim的圓包含。所以，只要能夠求得任一三角形最小覆蓋圓的半徑，就可用這個(gè)半徑與Ulim的大小作為U˙z是否存在的判據(jù)。

根據(jù)三角形的形狀不同，求取其最小覆蓋圓：

（1）當(dāng)三角形為銳角三角形時(shí)，該三角形覆蓋圓就是三角形的外接圓。

（2）當(dāng)三角形為鈍角或直角三角形時(shí)，該三角形的最小覆蓋圓就是以三角形最長邊為直徑的圓。

由于U˙z的求解是一個(gè)集合，而實(shí)際需要的僅僅是這個(gè)解集中的一個(gè)解。因此，當(dāng)三角形為鈍角或直角三角形的情況下，選取最長邊的中點(diǎn)與原點(diǎn)構(gòu)成的相量解可滿足要求，這個(gè)相量可作為U˙z的一個(gè)解。同理，當(dāng)三角形為銳角三角形時(shí)，可以選取銳角三角形的外接圓圓心與原點(diǎn)構(gòu)成的相量作為U˙z的一個(gè)解。

2 三相三線制系統(tǒng)線電壓補(bǔ)償法及補(bǔ)償能力的提高

圖5為三相三線系統(tǒng)DVR結(jié)構(gòu)圖，對(duì)于圖5所示系統(tǒng)，因?yàn)闆]有中性線，能夠測(cè)量的只有線電壓，并且有

所以只需測(cè)量兩個(gè)線電壓即可。選擇uab、ubc，將它們分別進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除干擾信號(hào)，然后與理想電壓u*ab、u*bc比較，得到應(yīng)該補(bǔ)償?shù)碾妷簎′ab，u′bc為

則三相逆變器輸出的補(bǔ)償電壓u′ca為

可見，只要能夠保證負(fù)荷側(cè)線電壓的兩個(gè)為理想值，那么負(fù)荷側(cè)的電壓就為理想的。

通常，三相電壓源型PWM逆變器的開關(guān)控制策略是基于相電壓的，它利用待輸出的3個(gè)相電壓u′a，u′b，u′c作為調(diào)制波，并與一個(gè)三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生所需的控制信號(hào)，控制三相逆變器的開關(guān)動(dòng)作。因此，應(yīng)將得到的線電壓瞬時(shí)值u′ab，u′bc轉(zhuǎn)換為相電壓瞬時(shí)值u′a，u′b，u′c，最簡單的方法為

當(dāng)采用線性調(diào)制時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿足

圖5 三相三線系統(tǒng)DVR結(jié)構(gòu)圖Fig.5DVR circuit for three-phase three-wire grid

即

式中，ud為逆變器直流側(cè)電壓。

可見采用這種方式，三相逆變器的最大輸出能力是輸出線電壓的峰值等于當(dāng)電壓跌落峰值超過時(shí)，電壓補(bǔ)償不上去。針對(duì)這個(gè)問題提出了新的改進(jìn)算法[5～6]。令

d的取值遵循以下原則：

這種方法的適用范圍為

從式（13）可看出，當(dāng)采用改進(jìn)算法時(shí)，三相逆變器的最大輸出能力是輸出線電壓的峰值ud。通過第2節(jié)平移法的判據(jù)和求解，d分量其實(shí)就是在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，3個(gè)相電壓u′a、u′b和u′c共同參考的零電位相對(duì)于逆變器直流側(cè)中性點(diǎn)的偏移。

仿真如下，電網(wǎng)相電壓有效值為220 V，系統(tǒng)側(cè)電壓有5個(gè)周波的跌落，當(dāng)電壓跌落40%時(shí)，跌落幅值為可采用一般算法把負(fù)載端電壓補(bǔ)償?shù)降淝暗姆?，如圖6所示。當(dāng)電壓跌落90%時(shí)，跌落幅值為用一般算法補(bǔ)償達(dá)不到效果，負(fù)載端電壓畸變嚴(yán)重，如圖7所示。當(dāng)采用改進(jìn)算法時(shí)，完全可把負(fù)載端電壓補(bǔ)償?shù)降淝暗姆担鐖D8所示。

圖6 系統(tǒng)電壓跌落40%補(bǔ)償后負(fù)載線電壓波形Fig.6Load line voltage waveforms with DVR after 40% voltage drop

圖7 系統(tǒng)側(cè)電壓跌落90%采用一般算法補(bǔ)償后負(fù)載側(cè)線電壓波形Fig.7Load line voltage waveforms with usual compensation after 90%voltage drop of grid side

圖8 系統(tǒng)側(cè)電壓跌落90%采用改進(jìn)算法補(bǔ)償后負(fù)載側(cè)線電壓波形Fig.8Load line voltage waveforms with improved compensation after 90%voltage drop of grid side

3 結(jié)語

本文針對(duì)三相三線制系統(tǒng)，通過相量圖采用平移法提高電壓的補(bǔ)償能力，并提供了判據(jù)法則和求解平移相量的方法。最后算例在一般的算法上，通過疊加零矢量的方法，大大提高了電壓的補(bǔ)償能力，仿真也驗(yàn)證了該方法的有效性。

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Compensation Strategy of Dynamic Voltage Restorer via Line Voltage Compensation

Lü Wen-ting1，HUANG Ben-run2
（1.PLATroop91991，Zhoushan 316001，China；2.PLATroop92557，Guangzhou 510720，China）

Dynamic voltage restorer（DVR），which is based on the three-phase three-wire grid system，generally adopts line voltage compensation.When the voltage drop surpasses 1/2 of the DC voltage，DVR cannot compensate the load voltage to normal level.Since the neutral point voltage is variant in the three-phase three-wire grid system，the viable method is to add zero sequential component to the original compensation voltage of every phase，and different zero sequential component can be selected according to the range of compensation voltage.The method can double the range of compensation voltage.Finally，the simulated analysis results denote that the algorithm remarkably enhances the compensatory capability of DVR.

dynamic voltage restorer（DVR）；voltage drop；three-phase three-wire system；line voltage compensation；zero sequential voltage

TM761

A

1003-8930（2014）08-0081-04

呂文亭（1981—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量控制。Email：110702381@qq.com

2011-04-14；

2012-09-25

黃本潤（1981—），男，博士，工程師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量控制。Email：hbraben@163.com