線電壓補償型動態電壓恢復器補償策略

呂文亭，黃本潤

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

線電壓補償型動態電壓恢復器補償策略

呂文亭1，黃本潤2

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

基于三相三線制電網系統的動態電壓恢復器DVR通常采用線電壓補償方法。當電網電壓跌落超過直流側電壓的1/2時，動態電壓恢復器不能把負載電壓補償至正常范圍。文中在常規補償方法基礎上，利用該系統中點電位可以浮動的特點，在原來補償電壓上疊加零序分量，并通過補償電壓的范圍選擇不同的零序分量，該方法可以使補償電壓的范圍增加1倍。最后通過仿真驗證了該方法的有效性。

動態電壓恢復器；電壓跌落；三相三線制系統；線電壓補償；零序電壓

隨著現代科技的發展，電力用戶對電能質量的要求越來越高。根據各國統計，在電力系統的各種電能質量問題中，電壓跌落發生概率最高[1-2]。在配電網側安裝動態電壓恢復器DVR是解決此問題比較經濟和有效的一種方案[3-4]。

DVR裝置可分為兩類：基于相電壓補償、各相相互獨立的相電壓補償型DVR和基于線電壓補償、各相相互關聯的線電壓補償型DVR。相電壓補償型DVR具有控制方便，可補償零序電壓的優點，但存在每相需設單獨的功率回路，功率器件多、造價高，且不易處理電壓泵升等問題。線電壓補償型DVR則具有結構緊湊、功率器件少、易處理電壓泵升問題，但無法補償零序電壓等特點。由于我國中壓配電網普遍采用中性點不接地系統，且許多三相負載為無中性線的對稱負載。因而線電壓補償型DVR有廣泛的應用場合。

如果負荷為相位敏感型負荷（如異步電動機），則在系統電壓跌落時，一般情況下DVR必須使負荷側電壓大小和相位保持不變，此時不能進行能量優化。但在實際中有大量的負荷是相位不敏感負荷，所以當系統電壓發生跌落時，可適當選擇負荷側輸出電壓的相位，這樣可減少裝置直流儲能單元的容量，降低DVR的成本。

本文針對三相三線制系統，從幾何方法分析推導提高補償電壓的判據方法，平移相量解的求法，以提高線電壓補償能力的算例進行仿真。

1 平移法的判據和求解

在三相三線制系統中，只需要輸出三相線電壓為額定基波正序電壓，三相線電壓構成的正三角形中點電位可以浮動，可以利用零序電壓來改變三相補償電壓的大小。

如圖1所示，利用常規算法無法補償的電壓跌落，在這種情況下C相的補償電壓Ucomc超過了補償極限Ulim。而采用平移方法即適當注入電壓就可解決這個問題，如圖2所示。通過零序分量U˙Z的作用可將三相補償電壓都移動到補償極限內。

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

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

如圖1所示，當三相補償電壓中至少有一相相量的大小超過了補償極限，即

平移的目的就是求取一個合適的零序電壓相量U˙z，使得系統在補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可描述為：以個相量終點為頂點的三角形是否可通過一定的平移將3個終點都分別移到以個相量終點為圓心，為半徑的圓內。

圖3 補償電壓簡化圖Fig.3Simplified chart of compensation voltage

通過以上分析，如圖4所示，U˙z解的存在性判據就由一個復雜的復數不等式組解的存在性判據問題轉變成了以3個相量終點為頂點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圓包含，則U˙z一定有解，反之則U˙z無解。

圖4 補償電壓范圍Fig.4Range of compensation voltage

假設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，就可用這個半徑與Ulim的大小作為U˙z是否存在的判據。

根據三角形的形狀不同，求取其最小覆蓋圓：

（1）當三角形為銳角三角形時，該三角形覆蓋圓就是三角形的外接圓。

（2）當三角形為鈍角或直角三角形時，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的求解是一個集合，而實際需要的僅僅是這個解集中的一個解。因此，當三角形為鈍角或直角三角形的情況下，選取最長邊的中點與原點構成的相量解可滿足要求，這個相量可作為U˙z的一個解。同理，當三角形為銳角三角形時，可以選取銳角三角形的外接圓圓心與原點構成的相量作為U˙z的一個解。

2 三相三線制系統線電壓補償法及補償能力的提高

圖5為三相三線系統DVR結構圖，對于圖5所示系統，因為沒有中性線，能夠測量的只有線電壓，并且有

所以只需測量兩個線電壓即可。選擇uab、ubc，將它們分別進行數字濾波，濾除干擾信號，然后與理想電壓u*ab、u*bc比較，得到應該補償的電壓u′ab，u′bc為

則三相逆變器輸出的補償電壓u′ca為

可見，只要能夠保證負荷側線電壓的兩個為理想值，那么負荷側的電壓就為理想的。

通常，三相電壓源型PWM逆變器的開關控制策略是基于相電壓的，它利用待輸出的3個相電壓u′a，u′b，u′c作為調制波，并與一個三角波進行比較，產生所需的控制信號，控制三相逆變器的開關動作。因此，應將得到的線電壓瞬時值u′ab，u′bc轉換為相電壓瞬時值u′a，u′b，u′c，最簡單的方法為

當采用線性調制時，應當滿足

圖5 三相三線系統DVR結構圖Fig.5DVR circuit for three-phase three-wire grid

即

式中，ud為逆變器直流側電壓。

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電壓跌落峰值超過時，電壓補償不上去。針對這個問題提出了新的改進算法[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，當采用改進算法時，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節平移法的判據和求解，d分量其實就是在每個開關周期內，3個相電壓u′a、u′b和u′c共同參考的零電位相對于逆變器直流側中性點的偏移。

仿真如下，電網相電壓有效值為220 V，系統側電壓有5個周波的跌落，當電壓跌落40%時，跌落幅值為可采用一般算法把負載端電壓補償到跌落前的幅值，如圖6所示。當電壓跌落90%時，跌落幅值為用一般算法補償達不到效果，負載端電壓畸變嚴重，如圖7所示。當采用改進算法時，完全可把負載端電壓補償到跌落前的幅值，如圖8所示。

圖6 系統電壓跌落40%補償后負載線電壓波形Fig.6Load line voltage waveforms with DVR after 40% voltage drop

圖7 系統側電壓跌落90%采用一般算法補償后負載側線電壓波形Fig.7Load line voltage waveforms with usual compensation after 90%voltage drop of grid side

圖8 系統側電壓跌落90%采用改進算法補償后負載側線電壓波形Fig.8Load line voltage waveforms with improved compensation after 90%voltage drop of grid side

3 結語

本文針對三相三線制系統，通過相量圖采用平移法提高電壓的補償能力，并提供了判據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償能力，仿真也驗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，研究方向為電能質量控制。Email：110702381@qq.com

2011-04-14；

2012-09-25

黃本潤（1981—），男，博士，工程師，研究方向為電能質量控制。Email：hbraben@163.com