基于配電網電壓跌落的DVR研究

肖小兵，何肖蒙，陳波

（1.貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550003；2.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

電壓跌落是指在某一時刻電壓的幅值突然偏離正常工作范圍，經很短時間后又恢復到正常水平的現象［1］。目前大多數文獻都采用跌落的幅值和持續時間作為描述電壓跌落的特征量。造成電壓跌落的主要原因主要有:惡劣天氣（雷擊、暴風雨）、系統故障（主要是單相接地）、大負荷啟動等。因此研究治理配電網電壓跌落問題對于大用戶，高敏感的用戶具有很重要的現實意義。目前對于治理電壓跌落的技術手段主要分為系統側和用戶側，文獻［2］提出了從系統側解決電壓跌落是最為有效的手段。而本文主要是從用戶側著手去解決問題，采用動態補償技術，如不間斷電源（UPS）、動態電壓恢復器（DVR）、靜止同步補償器（STATCOM）和超導儲能系統（SEMS），在此主要介紹的是DVR。

2 DVR 的簡介［1，3 －5］

2.1 DVR的工作原理

如圖1所示為含有DVR的電路簡化圖。

圖1 DVR電路簡化圖

以單相的DVR為例，介紹DVR的工作原理。

圖2

DVR裝置包括了儲能裝置、變流器、濾波電路和變壓器四個部分。通過檢測電源電壓產生指令信號，對變流器進行控制，產生需要的補償電壓，再經濾波電路和變壓器通過串聯方式疊加到負載電路中，以補償電壓跌落的影響，保證用戶的電能質量。對于DVR應用于配電系統，只適用于三相四線制電力系統。

2.2 DVR的基本結構

DVR的結構主要是按照裝置與配電網的連接方式來劃分。主要有串聯型DVR裝置（如圖3所示）和并聯型DVR裝置（如圖4所示）。

圖3 串聯型DVR

圖4 并聯型DVR

串聯型DVR裝置在電壓跌落期間，迅速向系統注入幅值、相角和頻率都可控的三相電壓與供電電壓向串聯抵消跌落部分。因為其含有直流儲能單元，所以補償跌落電壓持續的時間受直流儲能裝置的容量限制。

并聯型DVR裝置是通過向系統注入與畸變電流分量大小相等，極性相反的補償電流，利用整流裝置，能彌補串聯型DVR的缺點，但并聯變壓器的成本高，占地面積大。因此有文獻提出了省去串聯變壓器的串并聯混合型的DVR裝置。

2.3 電壓跌落檢測技術

檢測電壓跌落是治理配電網電壓跌落問題的關鍵和前提，由于配電網電壓跌落具有隨機性和快速性，因此要求實現檢測技術能快速跟蹤檢測，即檢測要求動態實時性和檢測準確性。目前的技術主要有基于瞬時無功功率理論的αβo變換方法、dqo變換方法和小波分析方法。

隨著配電系統的非線性負荷增加，傳統的正弦波特性不能滿足研究要求，因此提出了瞬時無功功率理論，即首先把電壓、電流的瞬時值通過坐標變換，然后在新的坐標系下獲得瞬時無功功率，瞬時有功功率。

其中αβo變換方法是把abc坐標系變換到靜止的αβo坐標系下，其變化矩陣為常數矩陣，該法實現簡單，但只適用于三相正弦對稱且負荷對稱的系統。dqo變換方法是把abc坐標系變換到同步旋轉的dqo坐標系下，其變換矩陣是時變三角矩陣，該法實現復雜，但能用于任意非正弦、非對稱的三相電路。

小波變換是基于傅里葉變換的檢測法，是一種窗口大小固定，但形狀可改變的時頻局部化分析方法，在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時間分辨率。對于不平衡電壓跌落，需要檢測出三序電壓，DVR也需要補償三序電壓。

2.4 控制策略

對于DVR的控制策略，主要可以從逆變器和整流器來考慮，文獻［4］詳細介紹了各種控制策略。用于逆變器部分的控制策略分為線性控制，如前饋控制、反饋控制和復合控制，非線性控制，如人工神經網絡控制，模糊控制，無差拍控制，空間矢量控制等。用于整流器部分的控制策略主要有相角幅值控制、滯環控制、定頻率預測控制、同步坐標系下狀態變量電流控制，同步坐標系下帶有前向反饋補償的PI控制和最小時間電流控制。

3 DVR的補償策略

文獻［7－9］介紹并比較了DVR的補償策略主要分為同相位補償策略，跌落前電壓補償策略和最小能量補償策略。

表1 DVR的控制策略

同相位補償策略:DVR補償電壓與瞬時供電電壓同相位，補償電壓幅值為符合參考電壓與供電電壓實際值之差。

跌落前電壓補償策略（即完全補償）:指補償后的電壓可完全恢復至電壓變化前的值，其中期望的瞬時電壓采用對跌落發生前電壓的外推得到，可采用鎖相環節來實現。此策略需要連續跟蹤電網電壓。其原理圖如圖5所示。

圖5 跌落前電壓補償

最小能量補償策略:通過調整DVR補償電壓的相位，從而實現對DVR功率因數的控制，使功率在電網與DVR之間重新分配，通過引入無功功率來實現補償，采用與網側電壓一個合適的相位超前的電壓注入，可以減少有功功率交換，具有相位超前的電壓注入需要更大的注入電壓，雖然較少的有功交換，可以延長DVR的有效時間，但也帶來了電壓波形不連續，過零點不準確以及負荷功率擺動等問題。針對以上問題，文獻［8］提出了改進的最小能量補償策略，就是利用對DVR輸出補償電壓相角的旋轉和幅值的伸縮，進一步提高DVR的補償極限和優化DVR的有功輸出。文獻［9］也總結了一些改進方法，如漸進式的相位旋轉方法，可減少相位跳變對負荷的影響；對于電壓跌路嚴重時，DVR無法實現零功率注入，可采用單相和三相DVR的最小能量注入補償策略。

綜上所述，每種策略都有各自的優缺點，但都不完善。因此有文獻提出了綜合控制策略，即電壓跌落，DVR采用跌落前電壓補償策略將負荷側電壓恢復到跌落前水平，隨著儲能單元電壓降低，調制比上升到預定值時，DVR采用漸進式相位旋轉方式過渡到最小能量補償方式，而當補償的參考電壓大于DVR的額定電壓時，則過渡到同相位補償方式。

4 總結

（1）電壓跌落問題是客觀存在的，用戶對解決這類問題有強烈的要求，這對供電公司、電能質量控制設備制造廠都是發展的商機。

（2）DVR是一種對配電系統高敏感負荷改善電能質量有效的裝置。

（3）DVR具有免維修，損耗小，占地面積小，響應速度快，可靠性高，適應性強的特點。

（4）合理的電壓跌落檢測技術是DVR補償跌落電壓的重要前提，檢測算法及鎖相環設計，通過引入小波和濾波器等理論，在實時性，可靠性和魯棒性等方面可有改進。

（4）DVR采用綜合控制策略將是一種較為適用的控制策略。

［1］周杰.電壓跌落檢測的仿真研究［J］.繼電器，2007，35（增刊）:431－435.

［2］王賓，潘點存，徐丙根.配電系統電壓跌落問題的分析［J］.電網技術，2004，28（2）:56 －59.

［3］周暉，齊智平.動態電壓恢復器檢測方法和補償策略綜述［J］.電網技術，2006，30（6）:23 －29.

［4］王晶，徐愛親，翁國慶，等.動態電壓恢復器控制策略研究綜述［J］.電力系統保護與控制，2010，38（1）:145 －150.

［5］張昌銀，李建勝.動態電壓調節器（DVR）在電力系統中的應用研究［J］.電氣應用，2007，2（1）:32 －35.

［6］金釗，劉炳.電壓跌落分析與對策［J］.電力設備，2006，2（4）:63 －66.

［7］楊興，顧力，紀坤華，等.基于LDVR的低壓配電網電壓跌落治理研究［J］.華東電力，2009，32（12）:2051 －2053.

［8］馮小明，楊仁剛.動態電壓恢復器電壓補償策略的研究［J］.電力系統自動化，2004，28（6）:68 －72.

［9］王同勛，薛禹勝，S.S.CHOI.動態電壓恢復器研究綜述［J］.電力系統自動化，2007，31（9）:101 －105.