禹龍基，呂廣強(qiáng)

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210096)

基于負(fù)載設(shè)備靈敏度的電壓跌落補(bǔ)償策略優(yōu)化

禹龍基，呂廣強(qiáng)

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210096)

針對傳統(tǒng)同相補(bǔ)償策略無法應(yīng)用于對相位跳變敏感的負(fù)載電壓跌落補(bǔ)償問題，提出了一種優(yōu)化補(bǔ)償策略。通過對負(fù)載數(shù)學(xué)模型進(jìn)行電壓跌落的耐受測試，提取出負(fù)載對電壓相位跳變角的容忍度，以此作為相位修正的閾值。當(dāng)補(bǔ)償電壓相位與系統(tǒng)電壓相位差達(dá)到閾值時，進(jìn)行補(bǔ)償相位更新，從而避免了因相位角偏移過大引起的負(fù)載運(yùn)行故障。通過實驗驗證了該策略的可行性，相比傳統(tǒng)的同相補(bǔ)償而言，提升了對敏感負(fù)載的適用范圍。

同相補(bǔ)償；負(fù)載靈敏度；相位修正；補(bǔ)償策略

動態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer,簡稱DVR)是治理電壓跌落最為經(jīng)濟(jì)高效的電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備[1-2]。采用電網(wǎng)取能方式可使DVR實現(xiàn)連續(xù)的能量供應(yīng)，針對該方式目前國內(nèi)外研究和使用的電壓跌落補(bǔ)償策略最普遍的是同相補(bǔ)償和完全補(bǔ)償[3]。由于完全補(bǔ)償使裝置的注入功率不可控，同時經(jīng)濟(jì)性較差，因此在實際中采用很少[4]；同相補(bǔ)償簡單但對相位跳變敏感的負(fù)載不適用。同時針對沖擊性負(fù)荷，例如大電機(jī)啟動，或者線路切換過程中電壓跌落時間較長，通常會持續(xù)幾秒甚至數(shù)分鐘。因此，對于較長時間的電壓跌落，系統(tǒng)電壓頻率和波形會出現(xiàn)不同情況的變化[5-6]。這樣易出現(xiàn)因為系統(tǒng)電壓波形不規(guī)則導(dǎo)致的鎖相不準(zhǔn)，無法得到正確的單次采樣相位幅值信息，從而影響補(bǔ)償效果。

本文通過分析負(fù)載設(shè)備模型對電壓相位角跳變的靈敏度，在補(bǔ)償過程中使負(fù)載電壓相位和系統(tǒng)電壓相位保持在相位跳變?nèi)萑潭确秶鷥?nèi)，一旦到達(dá)容忍度閾值則進(jìn)行相位角更新。這樣由于系統(tǒng)慣性，無需實時獲取系統(tǒng)鎖相信息用于補(bǔ)償過程，只需定時比較系統(tǒng)電壓與負(fù)載電壓相位差，只有當(dāng)需要相位更新時才獲取系統(tǒng)相位，重構(gòu)參考電壓，大大提升了補(bǔ)償?shù)目煽啃?。通過對同相補(bǔ)償策略進(jìn)行優(yōu)化，增加了DVR對敏感負(fù)載的適用性。

1 動態(tài)電壓恢復(fù)器及補(bǔ)償策略

1.1 動態(tài)電壓恢復(fù)器工作原理

動態(tài)電壓恢復(fù)器屬于串聯(lián)型電壓跌落補(bǔ)償設(shè)備，能夠在毫秒級時間內(nèi)將跌落電壓補(bǔ)償?shù)秸Ｖ?，從而保證負(fù)載側(cè)設(shè)備不受電壓跌落的影響。動態(tài)電壓恢復(fù)器的工作原理圖如圖1所示。

圖1 DVR工作原理圖

從圖1中可以看出，在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，DVR通過耦合裝置提供補(bǔ)償電壓，然后使得串聯(lián)后端的負(fù)載電壓穩(wěn)定，保證敏感負(fù)載免受電壓跌落的干擾。

1.2 電壓補(bǔ)償策略

傳統(tǒng)的補(bǔ)償策略有三種，分為完全補(bǔ)償、同相補(bǔ)償和最小能量補(bǔ)償[7-9]。對于采用蓄電池等儲能設(shè)備作為能量供應(yīng)的DVR裝置，通常采用最小能量補(bǔ)償以增加補(bǔ)償?shù)木S持時間和補(bǔ)償深度；對于電網(wǎng)取能方式作為能量供應(yīng)的DVR裝置，通常采用完全補(bǔ)償和同相補(bǔ)償，其差別僅在于補(bǔ)償相位角，本文討論的DVR拓?fù)錇椴捎秒娋W(wǎng)取能方式供電。

DVR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 DVR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2中，US為系統(tǒng)電壓；UD為補(bǔ)償電壓；UL為負(fù)載電壓；Udc為逆變器直流側(cè)電壓。其中，DVR補(bǔ)償時需要的能量通過整流器從系統(tǒng)電壓側(cè)獲得。

完全補(bǔ)償能夠保證當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生跌落時負(fù)載側(cè)電壓不受電壓跌落的影響，但是需要實時檢測系統(tǒng)電壓，同時對補(bǔ)償質(zhì)量要求嚴(yán)格，無法控制注入功率的大?。欢嘌a(bǔ)償則是在發(fā)生電壓跌落時使得補(bǔ)償之后的相位為系統(tǒng)電壓跌落后的相位，這樣對相位跳變敏感的負(fù)載則具有一定的局限性[10-12]。

2 相位偏移分析

在系統(tǒng)電壓發(fā)生跌落時，由系統(tǒng)參數(shù)可能導(dǎo)致相位角發(fā)生跳變。該過程僅發(fā)生在系統(tǒng)電壓跌落的時刻，因此可以通過鎖相環(huán)得到跌落前后的相位差；但是，當(dāng)?shù)浒l(fā)生之后的補(bǔ)償階段，也會產(chǎn)生一定程度的相位偏移問題，該偏移問題是長時間補(bǔ)償必須要解決的問題。

相位偏移原因分析如下：

(1)構(gòu)造相位角使用的π的精確度

在實際的控制算法中，選擇π的精確度會成為影響補(bǔ)償?shù)南辔唤桥c系統(tǒng)電壓實際相位角之間誤差的一個因素。若采用π=3.1416，程序運(yùn)行頻率為10 kHz，在不考慮系統(tǒng)電壓頻率波動情況下，1小時相位偏差為0.3°，因此可以忽略該因素的影響。

(2)采樣精度

常用的采樣方式有兩種：一種是采用主控芯片進(jìn)行采樣，例如TMS320 F28335控制芯片有16路12位的AD采樣通道；另一種是采用DSP外接AD采樣芯片，例如AD7606芯片進(jìn)行采樣。每塊AD7606芯片是8通道16位200 kbps(每秒采樣千次數(shù))雙極性同步采樣AD。這樣在一定程度上可以減輕主控芯片的執(zhí)行壓力。采樣精度與的精度一樣，對相位角影響很小。

(3)頻率

根據(jù)相位角公式，系統(tǒng)相位表達(dá)式為φt=wt+φ0，而角頻率w=2πf，所以頻率也是影響相位角的一個方面。如果系統(tǒng)頻率為49.9 Hz，按照工頻50 Hz計算，則1 s相差36°。因此在實際補(bǔ)償過程中，主要影響系統(tǒng)相位與構(gòu)造相位偏差的因素為系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定。通常，在構(gòu)造參考電壓時采用的頻率為標(biāo)準(zhǔn)的工頻50 Hz。而實際的系統(tǒng)電壓無論是否發(fā)生電壓跌落，在一段很小時間內(nèi)頻率都是在50 Hz附近變化，因此會造成一定的相位偏移。

利用相位角跳變?nèi)萑潭仍O(shè)置補(bǔ)償閾值，可以解決補(bǔ)償過程中相位偏移問題，以便于實現(xiàn)長時間電壓跌落補(bǔ)償。因此，獲取負(fù)載對相位移的敏感程度，即敏感負(fù)載能夠承受的相位跳變角，是進(jìn)行補(bǔ)償策略優(yōu)化的關(guān)鍵，對于設(shè)置相位角跳變補(bǔ)償閾值具有指導(dǎo)意義。

3 負(fù)載對相位移靈敏度分析

本文中主要討論相位移對敏感負(fù)載的影響，但考慮到跌落幅值、跌落維持時間、相位偏移對敏感負(fù)載的影響具有耦合關(guān)系，因此在分析過程中需要通過控制變量法得到所需的敏感度參數(shù)[13]。但是，由于主要考慮對象為相位角跳變的影響，因此在分析模擬過程中需要保證電壓跌落深度和持續(xù)時間在可補(bǔ)償范圍內(nèi)，不會因為超過DVR補(bǔ)償容量而導(dǎo)致干擾。

3.1 靈敏度分析步驟

檢測敏感設(shè)備接入的母線電壓波形，對跌落波形進(jìn)行長期記錄，形成電壓跌落事件，并進(jìn)行標(biāo)記。通常在敏感負(fù)載進(jìn)線端安裝電能質(zhì)量監(jiān)測裝置(PQ-BOX200等)來監(jiān)測負(fù)載的電能質(zhì)量狀況[14]。

對標(biāo)記的具有不同特點的電壓跌落事件，提取相應(yīng)的運(yùn)行特性參數(shù)；在實際的參數(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行調(diào)整(以實際為參考，在此基礎(chǔ)上按比例增加跌落深度、跌落持續(xù)時間、相位移等量)；重構(gòu)電壓跌落波形，以新參數(shù)輸入電壓跌落信號發(fā)生器中。在進(jìn)行抗電壓暫降測試時，可采用工業(yè)電壓暫降發(fā)生器(IPC)模擬裝置，可任意設(shè)置電壓暫降的幅度、持續(xù)時間和相位角[14]。

3.2 靈敏度分析流程圖

建立設(shè)備數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行靈敏度測試。相應(yīng)的測試流程圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備靈敏度判斷流程圖

如圖3所示，設(shè)備靈敏度判斷流程圖考慮到跌落過程中會出現(xiàn)的電壓幅值變化、相位變化以及相應(yīng)的跌落時間。在重構(gòu)電壓跌落波形時，將起始跌落深度調(diào)整至負(fù)載無法正常運(yùn)行的范圍，然后通過控制變量法減小特征參數(shù)從而得到負(fù)載電壓跌落承受度。文獻(xiàn)[15]針對交流接觸器列出了考慮相位跳變等的負(fù)載耐受曲線。該流程圖對敏感負(fù)載具有普遍的適用性，對DVR等用戶定制型電能質(zhì)量設(shè)備的使用具有一定的參考價值。

4 電壓跌落補(bǔ)償策略優(yōu)化

在實際實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落后波形畸變時，若采用完全補(bǔ)償，會因為采樣波形的不規(guī)則導(dǎo)致鎖相不準(zhǔn)確，最終導(dǎo)致補(bǔ)償效果不理想。常見的補(bǔ)償效果如圖4所示。圖4(a)中，波形為示波器記錄的系統(tǒng)電壓波形，圖4(b)中，波形為補(bǔ)償后負(fù)載電壓波形。由于系統(tǒng)電壓波形存在畸變，導(dǎo)致鎖相無法得到準(zhǔn)確的相位幅值信息，從而使得補(bǔ)償失敗。

圖4 電壓跌落補(bǔ)償效果圖

采用優(yōu)化的補(bǔ)償策略，當(dāng)檢測到系統(tǒng)電壓發(fā)生跌落時，通過軟件鎖相環(huán)記錄跌落前的電壓幅值Um與相位φ0，構(gòu)造延續(xù)的電壓波形：

u′=Umcos (wt+φ0)

w=2πf=2×3.1416×50

(1)

式中t——采樣運(yùn)算周期。

將構(gòu)造的電壓波形離散化與系統(tǒng)實際采樣電壓波形相減作為補(bǔ)償量：

un(ti)=u′(ti)-u(ti)

(2)

式中un——需要補(bǔ)償?shù)碾妷翰睢?/p>

同時，檢測跌落過程中的系統(tǒng)電壓相位，與構(gòu)造的以50Hz頻率延續(xù)的相位進(jìn)行比較，當(dāng)相位偏差達(dá)到負(fù)載設(shè)備的相位跳變?nèi)萑潭葧r更新相位，以類似同相補(bǔ)償方式繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)?shù)鋾r間完成之后，補(bǔ)償在下一個過零點結(jié)束，這樣也避免了切除DVR對負(fù)載造成的影響。

假設(shè)設(shè)備相位角容忍度用α表示，系統(tǒng)電壓與負(fù)載電壓夾角用Δθ表示，負(fù)載電壓與負(fù)載電流夾角用φ表示，相應(yīng)的向量圖表示如圖5所示。

由圖5分析得：當(dāng)發(fā)生電壓跌落時，系統(tǒng)電壓Us與負(fù)載電壓UL之間常常存在一個相位跳變角Δθ，而相位跳變?nèi)萑潭却嬖讦?Δθ和α≤Δθ兩種情況。當(dāng)補(bǔ)償開始時，按照完全補(bǔ)償策略進(jìn)行補(bǔ)償，隨著系統(tǒng)電壓相位偏移，當(dāng)檢測到系統(tǒng)電壓與負(fù)載電壓達(dá)到相位跳變?nèi)萑潭葧r，則重置負(fù)載電壓，使負(fù)載電壓與系統(tǒng)電壓相位角保持一致。

圖5 相角重置相量圖

相應(yīng)的補(bǔ)償策略流程圖如圖6所示。

圖6 補(bǔ)償策略流程圖

5 試驗分析

DVR樣機(jī)采用三單相補(bǔ)償方式，每一個模塊為集成電力電子模塊。三單相橋結(jié)構(gòu)，三相輸出電壓互相獨(dú)立，可以分相控制，以補(bǔ)償系統(tǒng)的正序、負(fù)序和零序電壓變化，適用于三相三線和三相四線制系統(tǒng)。

采用電網(wǎng)取能方式，電網(wǎng)電壓經(jīng)整流器濾波后向動態(tài)電壓恢復(fù)器提供連續(xù)的能量供應(yīng)。

選取A相波形進(jìn)行分析，自上到下U1、U2、U3分別表示補(bǔ)償后的負(fù)載側(cè)電壓、跌落時的系統(tǒng)電壓以及系統(tǒng)跌落前的電壓。光標(biāo)T1與T2分別記錄采樣點初值與終值的電壓有效值及相應(yīng)的相位。圖7顯示了補(bǔ)償過程中的相位偏移，但是未達(dá)到負(fù)載設(shè)備相位角跳變?nèi)萑潭鹊牟ㄐ?，圖8顯示了當(dāng)達(dá)到負(fù)載設(shè)備相位角跳變?nèi)萑潭群蟮南辔恍Ｕ?/p>

圖7 相位偏移圖

圖8 相位矯正圖

從圖7和圖8的波形上看，補(bǔ)償過程中的相位偏移達(dá)到了12°，通過之前對負(fù)載的靈敏度判斷，將負(fù)載的相位跳變?nèi)萑潭仍O(shè)置為α=12，則當(dāng)達(dá)到這個相位差后，將負(fù)載電壓相位進(jìn)行重置，從而出現(xiàn)圖8中同步到32°的情況。這樣，當(dāng)進(jìn)行長時間補(bǔ)償時，就不會因為相位移偏移引起的供電電壓過零點序列發(fā)生變化，對可調(diào)速設(shè)備、交流接觸器等對相位要求敏感的負(fù)載具有一定的實用意義。

6 結(jié)語

本文提出了一種新型的電壓跌落優(yōu)化補(bǔ)償策略，通過對設(shè)備靈敏度進(jìn)行研究，將傳統(tǒng)的同相補(bǔ)償策略進(jìn)行修改。當(dāng)?shù)浒l(fā)生時，通過鎖相環(huán)得到實時相位，構(gòu)造補(bǔ)償參考電壓，同時在補(bǔ)償過程中比較系統(tǒng)電壓與負(fù)載電壓(即補(bǔ)償參考電壓)之間的相角差，達(dá)到相角閥值后重置負(fù)載電壓。解決了傳統(tǒng)同相補(bǔ)償對敏感負(fù)載的局限，同時對基于用戶定制型的DVR設(shè)計提供了一定的參考。通過實驗驗證了該想法的合理性。

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(本文編輯：趙艷粉)

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

禹龍基(1990)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

TM761

A

2095-1256(2016)06-0699-05

2016-09-15