郭　祺，涂春鳴，姜　飛，吳連貴，莊士成

（湖南大學國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，長沙410082）

?

適用于微電網(wǎng)的新型饋線間DVR拓撲及控制方法

郭祺，涂春鳴，姜飛，吳連貴，莊士成

（湖南大學國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，長沙410082）

摘要：傳統(tǒng)動態(tài)電壓恢復器（DVR）存在功能性單一、運行經(jīng)濟性差等缺陷。改進型DVR通過在饋線間采用2 個DVR共用儲能電容的方式解決了運行經(jīng)濟性差的問題，但當2條饋線同時發(fā)生電壓跌落時仍有一定局限性。首先提出一種多功能饋線間動態(tài)電壓補償器（MF-IDVR）的拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具備抑制諧波電壓、動態(tài)補償雙饋線電壓跌落的功能；然后，分別提出了MF-IDVR所含有2個獨立變換器、直流儲能模塊的控制策略，及不同工作模式的切換流程；最后，在PSCAD/EMTDC仿真軟件上驗證了所提新拓撲的有效性。

關(guān)鍵詞：動態(tài)電壓補償；雙饋線；諧波電壓；直流儲能

Project Supported by the National Natural Science Found of China（51377051）

引言

隨著微電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用微型電源互聯(lián)為重要負載供電成為了一種高效運行方式。微電網(wǎng)中含有了大量敏感電力設(shè)備（例如計算機、通信系統(tǒng)等），由各類型故障引起的電壓跌落問題勢必對其正常運行帶來極大負面影響［1］。此外，負荷的多樣性使得微網(wǎng)中諧波電壓問題不容忽視［2］。

動態(tài)電壓恢復器DVR（dynamic voltage compensation）是被認為解決電壓質(zhì)量問題最經(jīng)濟有效的設(shè)備之一［3-4］。常規(guī)DVR補償電壓的能量由直流側(cè)提供：當采用系統(tǒng)整流方式獲取時［5-6］，需外加可控或不控整流模塊；當采用直流儲能單元獲取時，需外加蓄電池、飛輪儲能或大容量電容儲能設(shè)備［7-8］。雖然以上2種方式已能較好地實現(xiàn)電壓跌落補償功能，但當補償容量較大時，額外增加的整流裝置或大容量儲能設(shè)備勢必降低裝置的經(jīng)濟性。

饋線間動態(tài)電壓恢復器IDVR（interline dynamic voltage compensator）［9］是通過2條饋線或者多條饋線上的DVR共用直流儲能電容。當某條饋線發(fā)生電壓跌落時，由另一條饋線提供補償能量，實現(xiàn)饋線間的能量交互流動，降低設(shè)備成本。IDVR能夠補償較大深度的電壓跌落，一定程度上提高了設(shè)備利用率，解決了經(jīng)濟性問題。此外，IDVR也可互聯(lián)微電網(wǎng)中多個微型電源，實現(xiàn)孤島運行下重要負荷的持續(xù)可靠供電。然而，現(xiàn)有IDVR只能實現(xiàn)對單條饋線的電壓補償，未能解決系統(tǒng)的諧波電壓治理問題［10-11］。若2條饋線均出現(xiàn)電壓跌落時，饋線間的能量交換控制較為復雜，直流側(cè)電壓難以長期維持穩(wěn)定，2條饋線均無法實現(xiàn)電壓跌落補償功能。

本文以微電網(wǎng)中2個微型電源互聯(lián)為例，首先提出了一種多功能饋線間動態(tài)電壓補償器MF-IDVR（multi-functional interline dynamic voltage compensator）的拓撲；然后提出了電能質(zhì)量補償模式下的閉環(huán)比例-積分的補償控制，諧波電壓治理與電壓補償控制模式切換控制，及直流儲能模塊工作時的閉環(huán)比例-積分控制；再分析了不同故障情況下的系統(tǒng)運行策略；最后通過PSCAD/EMTDC仿真軟件驗證了所提拓撲對雙饋線電壓跌落及諧波電壓治理的有效性。

1　MF-IDVR的拓撲結(jié)構(gòu)

1.1整體拓撲結(jié)構(gòu)分析

本文結(jié)合DVR和串聯(lián)APF的優(yōu)點提出了一種具有補償電壓暫降、暫升、雙饋線能量交換和治理系統(tǒng)諧波電壓功能的多功能饋線間電壓補償器，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。MF-IDVR整體結(jié)構(gòu)由2個三相串聯(lián)變流器背靠背組成，共用儲能電容C，每相串聯(lián)變流器經(jīng)LC輸出濾波器后，通過串聯(lián)變壓器接入饋線。當微源側(cè)發(fā)生電壓跌落故障時，MFIDVR可向電網(wǎng)補償基波電壓；當電網(wǎng)正常運行時，MF-IDVR可補償系統(tǒng)諧波電壓。直流儲能模塊由超級電容接雙向Buck-Boost組成，其輸出端并聯(lián)在共用直流側(cè)電容Cdc兩端。

圖1　MF-IDVR整體拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Global topological structure of MF-IDVR

MF-IDVR的雙變流器均可工作于動態(tài)電壓補償模式和諧波電壓治理模式。若雙饋線中微源側(cè)未發(fā)生電壓跌落，MF-IDVR雙變流器可治理諧波電壓。當某條饋線微源側(cè)電壓跌落故障程度較低、時間較短［12］時，該側(cè)變流器工作于電壓補償模式，則另一條饋線工作于諧波電壓治理模式，電容和非故障側(cè)提供故障饋線電壓補償所需有功；當故障饋線跌落程度較大，導致非故障饋線以及直流母線電容無法提供故障側(cè)電壓補償所需有功時，超級電容通過雙向Buck-Boost電路工作，穩(wěn)定直流側(cè)電壓，提供補償?shù)潆妷核栌泄?；當檢測兩條饋線的微源側(cè)均發(fā)生電壓跌落時，雙向Buck-Boost電路工作于Boost工作模式，兩側(cè)串聯(lián)變流器均工作于動態(tài)電壓補償模式，直流儲能模塊的超級電容處于放電階段，提供兩端補償電壓所需要的能量。因此，所提拓撲有效保證了當雙端饋線微源側(cè)均發(fā)生電壓跌落故障時，敏感負荷的電壓質(zhì)量要求。由于在10 kV微網(wǎng)或配電網(wǎng)中，系統(tǒng)側(cè)電壓不平衡故障也較為普遍，故直流側(cè)采用2組對稱電容形式，將串聯(lián)變流器副邊星型連接的中點n、直流側(cè)兩組電容中點N及負載中點連在一起［13］，實現(xiàn)電網(wǎng)輸入電壓不對稱的補償。

此種拓撲結(jié)構(gòu)可以應對不同電壓跌落故障，由于僅在雙饋線均發(fā)生電壓跌落故障及某單一故障饋線跌落程度較大時，超級電容才工作，由此大大減少直流儲能環(huán)節(jié)供電的工作次數(shù)與時間，故不需要提供容量過大的超級電容，極大程度地降低了成本，并且解決了雙端饋線側(cè)均發(fā)生電壓跌落故障時敏感負荷的電壓穩(wěn)定問題。

1.2工作過程中的能量流動分析

以實際工況下易出現(xiàn)的2種故障為例，分析系統(tǒng)的能量流動過程。當電壓源側(cè)US1發(fā)生輕微電壓故障時，故障側(cè)工作于動態(tài)電壓補償模式，如圖2所示，串聯(lián)變壓器2等效為一個電壓源ΔUS2，保證負荷側(cè)電壓恒定；非故障側(cè)工作于諧波電壓治理模式，消除非故障側(cè)諧波電壓以及穩(wěn)定雙饋線公用直流側(cè)電壓，為故障側(cè)補償電壓提供相應的有功支撐，串聯(lián)變壓器2等效為電壓源ΔUh，抵消非線性負載帶來的諧波電壓。當2條饋線側(cè)系統(tǒng)均發(fā)生深度電壓跌落故障時，兩側(cè)變壓器均工作于動態(tài)電壓補償模式，串聯(lián)變壓器1、2分別等效為一個電壓源ΔUS1、ΔUS2，進而保證2條饋線負荷端電壓均恒定，直流儲能模塊為故障側(cè)補償電壓提供相應的有功支撐，如圖3所示。

圖2　單一饋線輕微電壓跌落的能量流動Fig.2 Energy flow during slight voltage sags at one feeder

圖3　2條饋線均發(fā)生電壓跌落的能量流動Fig.3 Energy flow during voltage sags at two feeders

2　MF-IDVR工作機理分析

2.1動態(tài)電壓補償模式

串聯(lián)變換器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2代表三相橋臂開關(guān)管的控制信號，L1代表濾波電感，R代表濾波電感的內(nèi)阻，v12a、v12b、v12c分別為串聯(lián)變換器a、b、c相輸出電壓。

圖4　串聯(lián)變換器電路模型Fig.4 Model of series converter circuit

串聯(lián)變換器實際上可以等效為一個電壓型逆變器，系統(tǒng)建模模型以及平均數(shù)學模型［13］分別表示為

式中：vNO為三相中點電壓；Si為開關(guān)函數(shù)，b，c，其中Si=1代表第i相上管導通下管關(guān)斷，Si=0代表下管導通上管關(guān)斷。

將式（1）變換到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下，將d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量Vs的方向上，則其同步變換矩陣為

式中，w為電源頻率動態(tài)電壓補償模式下dq坐標系下的數(shù)學模型為

MF-IDVR最主要的功能是實現(xiàn)雙饋線敏感負荷端的端電壓穩(wěn)定，保證負載端電壓V2為額定值且與系統(tǒng)電壓V1同相。當某一饋線系統(tǒng)側(cè)電壓發(fā)生電壓跌落故障時，故障側(cè)變換器工作于動態(tài)電壓補償模式，將dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸定在系統(tǒng)電壓矢量V1的方向上，可以得到故障側(cè)在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的控制框圖如圖5所示。當故障側(cè)電壓跌落程度較輕時，直流側(cè)電壓由非故障側(cè)控制，提供有功支撐，當系統(tǒng)跌落程度較深或者兩端均發(fā)生電壓跌落，直流側(cè)電壓由超級電容控制。圖5中τ= 0.02為改善輸出波形的慣性濾波環(huán)節(jié)時間常數(shù)。

圖5　DVR在dq坐標系下的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Control system structure of DVR in dq coordinate system

對于電壓源型逆變器而言，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)，具有良好的靜、動態(tài)性能。本文采用基于串聯(lián)變換器輸出電壓和輸出濾波器電感電流的雙環(huán)控制，在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系下通過引入d軸和q軸的電壓、電流狀態(tài)，通過反饋解耦實現(xiàn)d、q軸之間的解耦。這樣通過直接控制v12d和v12q來實現(xiàn)負載端電壓恒定。串聯(lián)變換器在dq坐標系下的解耦控制框圖如圖6所示。由圖6可見，電壓給定信號v12d*、v12q*與輸出電壓反饋信號v12d、v12q比較后得到電壓誤差，經(jīng)過電壓電流調(diào)節(jié)器形成控制量Sd、Sq，對逆變器實施控制。

圖6　串聯(lián)變換器在dq坐標系下的解耦控制框圖Fig.6 Decoupling control block diagram of series converter in dq coordinate system

2.2諧波電壓治理模式

諧波電壓治理的關(guān)鍵在于串聯(lián)型變流器能夠?qū)崟r產(chǎn)生與負載諧波電壓大小相等、方向相反的補償電壓，與負載諧波電壓相抵消，進而獲得理想的補償效果［14］，使電源電流接近正弦波。若三相負載電壓瞬時值為uLa、uLb、uLc，串聯(lián)型變流器三相諧波電壓指令為u*ca、u*cb、u*cc，則參照諧波電流的實時檢測方法可得

當uLa、uLb、uLc含有諧波時，up、uq中的直流分量up、uq分別與三相負載電壓中的基波正序分量相對應，其交流分量分別與三相負載電壓的諧波分量相對應。用低通濾波器濾去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為

式中：C-1為C的逆矩陣；C23為C32的逆矩陣。

于是，負載諧波電壓分量為

從而可以得到諧波電壓的指令為

此諧波電壓的指令信號就是串聯(lián)變流器在諧波治理模式下串聯(lián)變壓器一次側(cè)輸出電壓。

2.3直流側(cè)穩(wěn)壓控制

2.3.1共用直流母線電壓控制

PWM變流器直流側(cè)電壓的變化由它與電網(wǎng)之間的能量流動所決定。在MF-IDVR中，直流側(cè)電壓的穩(wěn)定對于變流器工作于電壓補償模式尤為重要。當某條饋線電源側(cè)電壓跌落故障程度較低、時間短時，直流側(cè)從非故障側(cè)獲取能量用以穩(wěn)定系統(tǒng)直流側(cè)電壓，只有當非故障側(cè)PWM變流器從電網(wǎng)側(cè)吸收的有功等于故障側(cè)變流器補償電壓所需有功與線路和開關(guān)器件的損耗功率之和時，其直流側(cè)電壓才保持不變，進而實現(xiàn)雙饋線間的能量交換。在此控制過程中，忽略線路和開關(guān)的損耗。

PWM變流器是從饋線系統(tǒng)側(cè)吸收有功功率還是發(fā)出有功功率，由交流側(cè)電壓的基波分量與基波電流之間的相位決定。根據(jù)串聯(lián)型變流器的工作原理可知，當變流器工作于諧波電壓抑制模式時，PWM變流器交流側(cè)輸出電壓為諧波電壓，與負載諧波電壓大小相等、方向相反、不含基波，不能與饋線系統(tǒng)側(cè)進行有功交換，故只有在諧波電壓指令中加入一定量的基波成分［15］，才能控制PWM變流器的能量流動，以保證直流側(cè)電壓恒定。諧波電壓治理以及直流側(cè)穩(wěn)壓控制電路的串聯(lián)變換器直流母線電壓控制框圖如圖7所示，圖中，Kdcp、Kdci分別為直流母線電壓PI調(diào)節(jié)器的比例常數(shù)與積分常數(shù)，τdc為直流母線電壓采樣延時時間常數(shù)。

為了確保直流母線電容電壓不變，通過控制非故障相串聯(lián)變換器的輸出v12d來實現(xiàn)。將諧波電壓治理過程中的變換器用一階慣性環(huán)節(jié)替代［16］，即

式中，TV為等效慣性時間常數(shù)，TV=Cdc/KVP，KVP為電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。

考慮直流母線電壓對輸出變換器的小型號模型分析，可得

圖8　諧波電壓治理以及直流側(cè)電壓控制Fig.8 Harmonic voltage control and DC side voltage control

2.3.2直流母線側(cè)容量與電壓補償?shù)年P(guān)系

電力系統(tǒng)中電壓跌落故障時常發(fā)生，通常跌落程度淺，故障持續(xù)時間短，把電壓跌落幅值標幺值在0.9～1.0之間、故障持續(xù)時間在半個周期至幾十秒定義為淺度電壓跌落故障。淺度電壓跌落故障過程，故障側(cè)變換器工作于動態(tài)電壓補償模式，其補償所需能量由直流側(cè)以及非故障系統(tǒng)側(cè)提供，非故障側(cè)工作于諧波電壓補償模式時提供有功的能力和速度是有限的，故實時檢測直流側(cè)電壓，若直流側(cè)電壓低于臨界值，進行工作模式切換，直流儲能模塊動作，現(xiàn)對直流電壓臨界值進行計算。

本文設(shè)定電壓跌落幅值在0.9 Vs～Vs區(qū)間，設(shè)Vs為電網(wǎng)側(cè)電壓；SN為故障側(cè)額定容量；Udcref為變換器公用直流側(cè)電壓；Udcmin為直流側(cè)臨界電壓；ΔV為電源電壓跌落量；α為負載側(cè)功率因數(shù)角；Cdc為直流側(cè)電容。故障持續(xù)時間10 s以內(nèi)的電壓跌落為淺度電壓跌落故障。

故補償故障側(cè)電壓所需能量為公用直流側(cè)所能提供能量與直流側(cè)電壓有關(guān)，則直流側(cè)能量變化量為

為了得到直流側(cè)電壓臨界值，設(shè)線路cos α=1，ΔV=0.1 Vs。忽略線路損耗以及開關(guān)管的損耗，則由式（10）和式（11）可得

化簡得

直流側(cè)臨界電壓Udcmin是控制模式切換的關(guān)鍵，系統(tǒng)發(fā)生淺度電壓跌落故障的概率是相當大的，在此故障過程中，非故障側(cè)為故障側(cè)電壓補償提供能量，而不需直流儲能模塊動作。實時檢測直流側(cè)電壓值，若直流側(cè)電壓小于Udcmin，控制超級電容通過雙向Buck-Boost電路向電容充電，進而為串聯(lián)變換器的補償提供有功支撐。

3　MF-IDVR工作模式分析

3.1雙饋線均未發(fā)生電壓跌落故障

雙饋線均未發(fā)生電壓故障，即正常穩(wěn)定運行時，兩系統(tǒng)側(cè)變流器均工作于諧波電壓治理模式。消除2個系統(tǒng)負載側(cè)所帶來的諧波電壓，穩(wěn)定公用直流側(cè)電壓，并且，直流儲能模塊動作，控制切換至Buck降壓模式，超級電容處于充電狀態(tài)。

3.2單一饋線發(fā)生電壓跌落故障

單一饋線系統(tǒng)側(cè)發(fā)生淺度電壓跌落故障時，故障系統(tǒng)側(cè)變流器工作于動態(tài)電壓補償模式，動態(tài)補償系統(tǒng)側(cè)電壓跌落而導致的負荷側(cè)電壓波動，穩(wěn)定敏感負荷側(cè)電壓，保證其穩(wěn)定安全運行。未發(fā)生電壓跌落故障系統(tǒng)側(cè)變流器工作于諧波電壓治理模式，消除非故障側(cè)諧波電壓以及穩(wěn)定雙饋線公用直流側(cè)電壓，為故障側(cè)補償電壓提供相應的有功支撐。

當故障饋線跌落程度較大，導致非故障饋線以及直流母線電容無法提供故障側(cè)電壓補償所需有功時，超級電容通過雙向Buck-Boost電路工作，穩(wěn)定直流側(cè)電壓，提供補償?shù)潆妷核栌泄Γ枪收舷嘧兞髌饕廊还ぷ饔谥C波電壓治理模式。

3.32條饋線均發(fā)生電壓跌落故障

2條饋線系統(tǒng)側(cè)均發(fā)生電壓跌落時，為了保證2條饋線敏感負荷正常穩(wěn)定工作，兩端變流器均工作于動態(tài)電壓補償模式。直流儲能模塊動作，控制切換至Boost升壓模式，超級電容放電以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，提供兩端變流器動態(tài)電壓補償所需的有功［17-18］。

直流儲能模塊的Boost電路的控制采用電壓電流雙閉環(huán)控制，首先采樣直流側(cè)電壓Udc，Udc與期望的直流側(cè)電壓Udcref求差，得到直流側(cè)電壓的波動值，波動值經(jīng)過PI控制器調(diào)制之后，與直流電源端電流i1再求差，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后與三角波進行比較，調(diào)制所得即是直流儲能模塊IGBT的PWM控制信號。其控制框圖如圖9所示。

圖9　超級電容放電模式控制Fig.9 Control of super capacitor discharge mode

直流儲能模塊的Buck電路的控制采用電壓電流雙閉環(huán)結(jié)合電壓前饋控制，采樣超級電容側(cè)電壓Udc1，Udc1與期望的直流側(cè)電壓Udcref1作差，得到直流側(cè)電壓的波動值，波動值經(jīng)過PI控制器調(diào)制之后，與直流電源端電流i1再求差，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后與三角波進行比較，調(diào)制所得的就是直流儲能模塊IGBT的PWM控制信號。其控制框圖如圖10所示。

圖10　超級電容充電模式控制Fig.10 Control of super capacitor charge mode

3.4電網(wǎng)輸入電壓不對稱時的電壓補償

如果電網(wǎng)側(cè)所需補償?shù)妮斎腚妷簩ΨQ且三相負載平衡，那么串聯(lián)變壓器副邊變流器完全可以采用三相半橋結(jié)構(gòu)。三相三線制系統(tǒng)由于設(shè)有公共零線，串聯(lián)變壓器副邊無論是星型連接還是三角型連接，均不能實現(xiàn)對負載或電網(wǎng)不平衡輸入。為了達到電網(wǎng)輸入不平衡時負載側(cè)電壓平衡，直流側(cè)采用兩組對稱電容形式，將串聯(lián)變流器副邊星型連接的中點n、直流側(cè)兩組電容中點N及負載中點連在一起，使系統(tǒng)具有公共零線，即可克服以上缺點，實現(xiàn)電網(wǎng)輸入電壓不對稱的補償。

3.5不同工作模式變流器動作情況

工作模式1：雙饋線系統(tǒng)兩側(cè)電壓均未發(fā)生電壓跌落故障時，串聯(lián)變流器S1與串聯(lián)變流器S2工作于諧波電壓治理模式。

工作模式2：雙饋線系統(tǒng)僅單一饋線發(fā)生電壓跌落故障時，若饋線Us1電壓發(fā)生輕微跌落，串聯(lián)變流器S1工作于DVR模式，串聯(lián)變流器S2工作于諧波電壓治理模式；若饋線Us1電壓發(fā)生深度電壓跌落，可控晶閘管m3動作，直流儲能模塊接入電路，串聯(lián)變流器S1工作于DVR模式，串聯(lián)變流器S2仍工作于諧波電壓治理模式。

工作模式3：雙饋線系統(tǒng)兩側(cè)均發(fā)生電壓跌落故障時，可控晶閘管m3動作，直流儲能模塊接入電路，串聯(lián)變流器S1與串聯(lián)變流器S2均工作于DVR模式。MF-IDVR整體工作模式框圖如圖11所示。

圖11　不同工作模式切換控制Fig.11 Switching control of different working modes

4　仿真結(jié)果分析

采用PSCAD/EMTDC仿真軟件對MF-IDVR應用于10 kV中性點不接地的電網(wǎng)系統(tǒng)進行仿真驗證。仿真具體參數(shù)如下：系統(tǒng)電壓為10 kV，系統(tǒng)和線路等效阻抗為0.010+j0.314 Ω，串聯(lián)變壓器變比均為5：1，共用直流側(cè)電容為6 500 μF，串聯(lián)變流器輸出電感Lz=1 mH，濾波電容為20 μF，負載為阻感性負載，其后接三相不控整流模擬電壓型諧波。IGBT的開關(guān)頻率為10 kHz，共用直流側(cè)電壓期望值為1 600 V，直流儲能模塊直流電壓源為600 V。等效微網(wǎng)額定容量SN=75 kW，由式（13）得Udcmin=1 100 V。

4.11條饋線發(fā)生電壓跌落

在0.20～0.35 s時間段，系統(tǒng)Us2發(fā)生電壓跌落，系統(tǒng)電壓由10 kV跌落到7.5 kV。變流器S2工作于動態(tài)電壓補償模式，其輸出VFa2明顯變大。而系統(tǒng)側(cè)US1未發(fā)生電壓跌落，其變流器S1工作于諧波電壓治理模式，仿真波形如圖12、圖13所示。圖12中，VLa為饋線1負載側(cè)電壓，Va為變流器S1輸入側(cè)端電壓，VFa為變流器S1輸出電壓；圖13中VFa2為變流器S2輸出電壓，Va2為饋線2系統(tǒng)側(cè)電壓，VLa2為饋線2負載側(cè)電壓。由圖12可見饋線1負載側(cè)電壓波形VLa含有相應諧波，變流器S1輸出電壓VFa1補償相應的諧波含量。變流器輸入端電壓Va由于串聯(lián)變流器S1諧波治理作用，近似正弦波。由圖13可見而且共用直流側(cè)電壓Udc1在故障時間段略有跌落，基本穩(wěn)定在1 600 V，雖然系統(tǒng)電壓幅值跌落程度較深，但是故障持續(xù)時間短，直流側(cè)電壓與非故障側(cè)能夠提供其電壓補償所需能量，直流側(cè)電壓并未下降到臨界值，直流儲能模塊未動作。

圖12　饋線兩側(cè)電壓跌落時側(cè)諧波電壓治理仿真波形Fig.12 Harmonic voltage suppression simulation waveforms during feeder 1 and feeder 2 voltage dropping

圖13　饋線2側(cè)電壓跌落時電壓補償仿真波形Fig.13 Voltage compensation simulation waveforms during feeder 2 voltage dropping

4.22條饋線均發(fā)生電壓跌落故障

在0.20～0.35 s時間段，系統(tǒng)Us1發(fā)生電壓跌落，系統(tǒng)電壓由10 kV跌落到9 kV，系統(tǒng)Us2發(fā)生電壓跌落，系統(tǒng)電壓由10 kV跌落到8 kV，變流器S1和S2均工作于動態(tài)電壓補償模式，其輸出電壓VFa1和VFa2明顯變大，如圖14、圖15所示。圖15中，Ve為直流電源電壓，Vdc1為直流儲能輸出電壓。通過檢測，2條饋線均發(fā)生電壓跌落故障，直流儲能模塊接入電路，超級電容放電，為兩端變流器補償電壓提供能量，仿真波形如圖16所示。由圖可以明顯看出，直流儲能模塊在故障時間段投入運行，其輸出電壓近似1 600 V，為兩端變流器補償電壓提供有功。

圖14　饋線1側(cè)相應電壓仿真波形Fig.14 Simulation voltage waveforms at the feeder 1

圖15　饋線2側(cè)相應電壓仿真波形Fig.15 Simulation voltage waveforms at the Feeder 2

圖16　直流儲能模塊側(cè)電壓仿真波形Fig.16 Simulation voltage waveforms of DC energy storage module

4.3電網(wǎng)輸入電壓不對稱時的電壓補償

在0.30～0.6 s時間段，系統(tǒng)Us1發(fā)生電壓跌落，系統(tǒng)Us1的a、b、c相電壓跌落程度不同，電壓分別由10 kV跌落為8.5 kV、7.5 kV和9.5 kV。變流器S1工作于動態(tài)電壓補償模式，其變流器S1工作于諧波電壓治理模式，由系統(tǒng)電壓跌落程度判斷，直流儲能模塊在故障時間段投入運行，提供系統(tǒng)Us1補償電壓所需能量，仿真波形如圖17～圖19所示。由圖19可明顯看出，變流器輸出VFa1、VFb1、VFc1的大小因系統(tǒng)輸入電壓不平衡的緣故，大小和相位均不同，進而達到負載側(cè)電壓平衡。

圖17　不平衡跌落故障時系統(tǒng)側(cè)三相電壓波形Fig.17 System side three phases voltage waveforms with unbalanced dropping

圖18　不平衡跌落故障時負載側(cè)三相電壓波形Fig.18 Load side three phases voltage waveforms with unbalanced dropping

圖19　不平衡跌落故障時變流器三相輸出電壓波形Fig.19 Three phases output voltage waveforms of converter with unbalanced dropping

5　結(jié)語

本文提出了一種多功能饋線間動態(tài)電壓恢復器拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)合了常規(guī)IDVR和串聯(lián)APF的雙重優(yōu)勢，在不影響微網(wǎng)正常運行的情況下可實現(xiàn)諧波電壓治理、動態(tài)電壓補償?shù)裙δ?。當單條饋線發(fā)生輕微電壓跌落故障時，不需要直流儲能模塊動作可實現(xiàn)動態(tài)電壓的補償功能；當單條饋線跌落程度較大或者多條饋線均發(fā)生電壓跌落故障時，直流儲能模塊動作，實現(xiàn)動態(tài)電壓補償功能；當2條饋線均未發(fā)生電壓跌落故障時，可實現(xiàn)諧波電壓抑制功能。仿真結(jié)果驗證了所提拓撲及控制方式的正確性和可行性。此外，新型MF-IDVR可應用于不同電壓等級含有微網(wǎng)的新型配電系統(tǒng)中，在動態(tài)電壓補償和諧波電壓治理領(lǐng)域有較好的適用性。

參考文獻：

［1］黃偉，孫昶輝，吳子平，等.含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（9）：2-6.

Huang Wei，Sun Changhui，Wu Ziping，et al. A review on microgrid technology containing distributed generation system［J］. Power System Technology，2009，33（9）：2-6（in Chinese）.

［2］劉振亞，張啟平.國家電網(wǎng)發(fā)展模式研究［J］.中國電機工程學報，2013，33（7）：2-8．

Liu Zhenya，Zhang Qiping. Study on the development mode of national power grid of China［J］. Proceedings of the CSEE，2013，33（7）：2-8（in Chinese）.

［3］顧國棟.諧波及無功補償?shù)囊?guī)范治理［J］.電力設(shè)備，2007，8 （12）：65-70.

Gu Guodong. Standardization of harmonic and reactive powercompensation［J］. Electrical Equipment，2007，8（12）：65-70（in Chinese）.

［4］姜飛，涂春鳴，帥智康，等.適用于鼠籠異步發(fā)電機的多功能串聯(lián)補償器［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（12）：3393-3400.

Jiang Fei，Tu Chunming，Shuai Zhikang，et al. A multifunctional series compensator to squirrel cage induction generator［J］. Power System Technology，2015，39（12）：3393-3400（in Chinese）.

［5］沈廣，陳允平，劉棟，等.應用動態(tài)電壓恢復器解決電壓跌落問題［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（3）：157-158.

Shen Guang，Chen Yunping，Liu Dong，et al. Application of dynamic voltage restorer（DVR）in voltage sags［J］.High Voltage Engineering，2007，33（3）：157-158（in Chinese）.

［6］韓民曉，尤勇，劉昊.線電壓補償型動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）的原理與實現(xiàn)［J］.中國電機工程學報，2003，23（12）：50-53.

Han Minxiao，You yong，Liu Hao. Principle and realization of a dynamic voltage regulator（DVR）based on line voltage compensating［J］. Proceedings of the CSEE，2003，23（12）：50-53（in Chinese）.

［7］周衛(wèi)平，師維，王智勇，等.三相三線動態(tài)電壓恢復器最優(yōu)控制策略［J］.電力自動化設(shè)備，2014，34（1）：91-92.

Zhou Weiping，Shi Wei，Wang Zhiyong，et al. Optimal control of three-phase three-wire dynamic voltage restorer ［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（1）：91-92（in Chinese）.

［8］沙鷗，孫玉坤，張亮，等.基于超級電容儲能的動態(tài)電壓恢復器的研究［J］.電測與儀表，2014，51（13）：99-103.

Sha Ou，Sun Yukun，Zhang Liang，et al. Research on dynamic voltage restorer based on supercapacitor energy storage［J］. Electrical Measurement & lnstrumentation，2014，51 （13）：99-103（in Chinese）.

［9］周雪松，張智勇，馬幼捷.級聯(lián)動態(tài)電壓恢復器的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（12）：74-77.

Zhou Xuesong，Zhang Zhiyong，Ma Youjie. Study on interline dynamic voltage restorer［J］. Power System Technology，2007，31（12）：74-77（in Chinese）.

［10］Mahinda Vilathgamuwa D，Wijekoon H M，Choi S S. A novel technique to compensate volatage sags in multiline distribution system—the interline dynamic voltage restorer ［J］.IEEE Transactions on Industrial Electionics，2006，53 （5）：1603-1608.

［11］Elserougi A，Massoud A，Ayman S，et al.An interline dynamic voltage restoring and displacement factor controlling device（IVDFC）［J］. IEEE Transactions on Industrial Electionics，2014，29（6）：2738-2742.

［12］Moradlou M，Karshenas H R. Design strategy for optimum rating selection of interline DVR［J］. IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26（1）：242-244.

［13］朱鵬程.用于UPFC串并聯(lián)雙變流器控制策略研究［D］.武漢：華中科技大學電氣與電子工程學院，1999.

Zhu Pengcheng. Study on control strategy of the seriesparallel double conversion system for UPFC［D］. Wuhan：School of electrical and electronic engineering，Huazhong University of Science and Technology，1999.

［14］石游，楊洪耕.帶諧波補償功能的動態(tài)電壓補償器［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（14）：37-38.

Shi You，Yang Honggeng. A dynamic voltage restorer with harmonic compensation function［J］. Power System Technology，2006，30（14）：37-38（in Chinese）.

［15］王群，姚為正，劉進軍，等.電壓型諧波源與串聯(lián)型有源電力濾波器［J］.電力系統(tǒng)自動化，2000，7（6）：83-86.

Wang Qun，Yao Weizheng，Liu Jinjun，et al. Voltage type harmonic source and series active power filiter［J］. Power System Automation，2000，7（6）：83-86（in Chinese）.

［16］胡磊磊，肖國春，盧勇，等.一種等效奇次諧波諧振器的單相DVR控制方法［J］.電源學報，2012，10（3）：9-12.

Hu Leilei，Xiao Guochun，Lu Yong，et al. An equivalent odd harmonics resonant controller for single-phase DVRs［J］. Journal of Power Supply，2012，10（3）：9-12（in Chinese）.

［17］申科，王建賾，紀延超.級聯(lián)型多電平動態(tài)電壓恢復器直流側(cè)電壓控制方法［J］.電力自動化設(shè)備，2009，29（8）：85-86.

Shen Ke，Wang Jianze，Ji Yanchao. DC voltage control of cascaded inverter-based dynamic voltage restorer［J］. Electric Power Automation Equipment，2009，29（8）：85-86（in Chinese）.

［18］張旭輝，溫旭輝，趙峰.電機控制器直流側(cè)前置雙向Buck-Boost變化器的直接功率控制策略研究［J］.中國電機工程學報，2012，32（33）：15-17.

Zhang Xuhui，Wen Xuhui，Zhao Feng. A direct power control scheme for bi-directional buck/boost converters in motor drive systems［J］. Proceedings of the CSEE，2012，32（33）：15-17（in Chinese）.

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中圖分類號：TM 46

文獻標志碼：A

收稿日期：2015-10-21

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51377051）

作者簡介：

郭祺（1993—），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用，E-mail：qguo_215@163.com。

涂春鳴（1976—），男，通信作者，博士，教授，博士生導師，研究方向：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用，E-mail：chun ming_tu@26 3.net。

姜飛（1985—），男，博士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用，E-mail：jiamg85521@126.com。

吳連貴（1992—），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用，E-mail：765786536@qq.com。

莊士成（1989—），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用，E-mail：964514931@qq.com。