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        級聯(lián)多電平動態(tài)電壓恢復(fù)器補(bǔ)償與控制策略的系統(tǒng)設(shè)計

        2017-11-07 15:26:46周珊孟祥宇
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年30期

        周珊+孟祥宇

        摘 要:動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)是一種串聯(lián)在電力系統(tǒng)和負(fù)載間的能量補(bǔ)償裝置。文章以級聯(lián)多電平動態(tài)電壓恢復(fù)器為研究對象,介紹了DVR裝置的組成成分、工作過程以及主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等;提出了改進(jìn)最小能量補(bǔ)償方法,優(yōu)化了控制策略。通過試驗結(jié)果表明,該級聯(lián)多電平動態(tài)電壓恢復(fù)器具有快速補(bǔ)償?shù)潆妷旱哪芰Γ掷m(xù)時間長,運(yùn)行可靠性高,解決了敏感負(fù)載用電質(zhì)量問題。

        關(guān)鍵詞:動態(tài)電壓恢復(fù)器;單相SPWM;電壓暫降

        中圖分類號:TM732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-2945(2017)30-0123-03

        引言

        隨著電力建設(shè)的不斷擴(kuò)張,電能質(zhì)量作為評估電力系統(tǒng)的一個重要方面,其地位越來越不可忽視。長期以來,對于負(fù)荷用電安全威脅最大的電能質(zhì)量問題主要是電壓跌落[1](Voltage Sags)以及瞬時供電電壓中斷。電壓跌落發(fā)生的頻率最高,引起的原因有雷擊、短路故障、大型電力設(shè)備的啟動以及負(fù)荷突然增加等。針對此類問題,電壓恢復(fù)器應(yīng)運(yùn)而生,DVR以其簡單的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的運(yùn)行可靠性成為了目前治理供電電壓跌落,保證電網(wǎng)供電質(zhì)量最為有效的電力電子設(shè)備。

        將級聯(lián)多電平技術(shù)[2]應(yīng)用于DVR裝置,提高輸出電壓的電平數(shù),增大裝置的電壓等級,解決了電力電子裝置對變換器容量的限制,改善了輸出電壓的諧波特性,實現(xiàn)了DVR裝置在高壓、大容量系統(tǒng)中的應(yīng)用。文章通過采用合理的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法以及改進(jìn)的能量補(bǔ)償策略[6],提升了裝置的動態(tài)性能,改善了電能質(zhì)量,其結(jié)果具有重要意義。

        1 級聯(lián)型DVR的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        本文選取具有獨(dú)立儲能電容的級聯(lián)多電平逆變器結(jié)構(gòu)[3~4]作為高壓、大容量條件下DVR裝置的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

        逆變器結(jié)構(gòu)由多個級聯(lián)H橋逆變單元構(gòu)成,各個逆變器都由相互獨(dú)立且幅值與頻率相同的直流側(cè)電容電壓供電。這一特點(diǎn)使得DVR經(jīng)過耦合電容后可以直接接入電網(wǎng)當(dāng)中,對于實現(xiàn)DVR在高壓、大容量系統(tǒng)中的應(yīng)用十分重要。

        2 能量優(yōu)化補(bǔ)償

        改進(jìn)型最小能量補(bǔ)償法[9]系統(tǒng)向量如圖2。

        為確保系統(tǒng)正常工作,負(fù)荷電壓在橫軸上的分量必須等于δU,因此:

        發(fā)生跌落后,負(fù)荷參考電壓為UL,相位跳變?yōu)椤鳓龋虼素?fù)載有功功率PL、系統(tǒng)有功功率PS和DVR補(bǔ)償?shù)挠泄β蔖dvr分別表示為:

        其中只有δ(暫降后系統(tǒng)電壓與負(fù)荷參考電壓的夾角)是未知量。

        下面對DVR的兩種狀態(tài)進(jìn)行分析:

        (1)零有功功率注入狀態(tài)

        通過選取合適的δ使DVR裝置與電力系統(tǒng)之間沒有有功功率的損耗。

        令Pdvr=0則有

        等式成立,需滿足約束條件

        滿足上述條件,則DVR可工作在零有功功率注入狀態(tài)。

        (2)最小有功功率補(bǔ)償狀態(tài)

        當(dāng)約束條件不滿足時,選取合適的δ使裝置在滿足補(bǔ)償要求的同時輸出的有功功率最小。

        對Pdvr求導(dǎo)并令其在δn的一階導(dǎo)數(shù)等于零

        通過對故障前后系統(tǒng)電壓、補(bǔ)償電壓、負(fù)荷電流之間進(jìn)行關(guān)系推導(dǎo),確定了最小有功功率補(bǔ)償?shù)臈l件,縮短了過渡過程,更加容易控制。

        3 控制策略

        實際工程應(yīng)用中,多采用負(fù)載電壓外環(huán),濾波電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略[7~8]。本文將采取改進(jìn)的比例諧振控制器進(jìn)行調(diào)節(jié),其傳遞函數(shù)為:

        其中,kp是比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù),而諧振調(diào)節(jié)器的增益由kr決定,增加阻尼系數(shù)ωc用于設(shè)定控制器的帶寬,需適當(dāng)?shù)剡x擇三個參數(shù)kp,kr和ωc。

        (1)設(shè)kp=0,ωc=10rad/s,僅kr變化下系統(tǒng)的伯德圖(圖3)

        (2)設(shè)kp=0,kr=10,僅ωc變化下系統(tǒng)的伯德圖(圖4)

        (3)設(shè)kr=10,ωc=5rad/s,僅kp變化下系統(tǒng)的伯德圖(圖5)

        綜上所述,選取PR控制器的各個參數(shù)分別為:ωc=20rad/s,kp=10,kr=500。

        通過分析,設(shè)計控制系統(tǒng)框圖如圖6。

        根據(jù)圖6,設(shè)G1(S)為P調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù);G2(S)為比例諧振控制器傳遞函數(shù),得到輸出電壓的傳遞函數(shù)為:

        由于在基波頻率ω0處G1(S)G2(S)的增益很大,擾動量的作用接近于零,可忽略不計,輸出電壓能夠精確跟蹤負(fù)載參考電壓,實現(xiàn)無靜差控制。

        比例諧振控制的仿真結(jié)果:

        設(shè)電力系統(tǒng)在0.1s發(fā)生25%的電壓跌落,持續(xù)時間為1s。

        4 結(jié)束語

        動態(tài)電壓恢復(fù)器是目前解決電網(wǎng)電壓跌落最為有效的補(bǔ)償裝置。文中通過采用合理的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法以及改進(jìn)的能量補(bǔ)償策略對DVR裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過仿真結(jié)果可看出DVR裝置具有良好的動態(tài)性能,可以快速的完成電壓檢測與能量補(bǔ)償。

        參考文獻(xiàn):

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        [8]陳國棟.動態(tài)電壓恢復(fù)器電壓跌落檢測算法與控制技術(shù)綜述[J].電氣工程學(xué)報,2015,5.endprint

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