三相電壓暫變補(bǔ)償裝置控制策略的研究

李艷芳

(西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院，陜西 西安 710025)

三相電壓暫變補(bǔ)償裝置控制策略的研究

李艷芳

(西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院，陜西 西安 710025)

提出了一種三相電壓暫變補(bǔ)償裝置的主電路拓?fù)洹Ｔ摲桨咐镁€電壓對(duì)直流母線電容充電，擴(kuò)大了補(bǔ)償電壓的范圍。針對(duì)此方案對(duì)三相電壓暫變進(jìn)行獨(dú)立補(bǔ)償，采用了補(bǔ)償裝置的三角波比較控制方法，通過(guò)對(duì)比3種常見(jiàn)的控制策略的原理，最終給出了采用能量最優(yōu)控制法系統(tǒng)的仿真結(jié)果和主電路補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。

三相電壓；暫變；控制策略；能量最優(yōu)

隨著電力系統(tǒng)中各種大型裝備、電力電子裝置、以及具有非線性特性設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越多，電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重。因此，如何提高和保證電能質(zhì)量，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外電氣工程領(lǐng)域迫切需要解決的重要課題之一[1-6]。電壓暫變是最主要的電能質(zhì)量問(wèn)題之一。電壓暫變包括電壓暫低和電壓暫高。

文中作者曾研究提出了一種三相電壓暫變補(bǔ)償裝置。它利用線電壓對(duì)直流母線電容充電，從而擴(kuò)大了可補(bǔ)償電壓的范圍；既可用于三相四線系統(tǒng)，又可用于三相三線系統(tǒng)。理論分析說(shuō)明，理想狀況下，這種裝置在三相電壓對(duì)稱(chēng)暫低最大深度到剩余37%；或者兩相同時(shí)暫低到0而一相電壓保持額定時(shí)，仍能持續(xù)補(bǔ)償負(fù)載電壓至額定[7-9]。文中給出了此拓?fù)溲a(bǔ)償電壓暫高的補(bǔ)償深度分析。

針對(duì)補(bǔ)償主電路拓?fù)涞娜嗒?dú)立補(bǔ)償，文中給出了三相電壓暫變的控制方法。并給出三相電壓暫變的控制策略。最后給出運(yùn)用時(shí)間最優(yōu)控制法控制的系統(tǒng)仿真圖。

1 補(bǔ)償裝置拓?fù)涞幕驹?/h2>

1.1 電路拓?fù)?/h3>

文中研究的新型補(bǔ)償裝置主電路拓?fù)淙鐖D1所示。圖中給出了A相的完整電路拓?fù)洌珺、C兩相和A相電路對(duì)稱(chēng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電網(wǎng)電壓直接向負(fù)載供電，同時(shí)封鎖逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這樣就減少了逆變器中開(kāi)關(guān)管和電感的損耗。此時(shí)，線電壓給直流側(cè)電容充電。當(dāng)電壓發(fā)生暫變時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)關(guān)斷，逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)解封鎖，逆變器工作；逆變器輸出電壓與暫變后的電網(wǎng)電壓作用后共同給負(fù)載供電，將負(fù)載電壓補(bǔ)償?shù)筋~定值。由圖1可知，該主電路利用本相與其它兩相構(gòu)成的幅值較大的線電壓給直流側(cè)電容充電，使相電壓暫變到幅值較低時(shí)仍然有相對(duì)較高的直流母線電壓，提高了電壓暫變的補(bǔ)償范圍。同時(shí)，可直接應(yīng)用于三相三線系統(tǒng)。

圖1 主電路拓?fù)銯ig.1 Topology of the main circuit

根據(jù)分析 可知補(bǔ)償電路能補(bǔ)償對(duì)稱(chēng)三相電網(wǎng)電壓暫低至正常值的37%，或者一至兩相電壓暫低至零而至少一相電壓保持額定。同時(shí)，補(bǔ)償電路在任何三相電網(wǎng)電壓暫高情況下均能補(bǔ)償負(fù)載電壓至額定值。更重要的是，在線充電方式使得補(bǔ)償電路對(duì)于電壓暫變補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間沒(méi)有限制。

1.2 電壓暫高補(bǔ)償深度分析

下面對(duì)電壓暫高情況下的補(bǔ)償深度進(jìn)行分析。三相電壓暫高的相量圖如圖 2 所示。 在圖 2 中，i、j、k=a、b、c 且 i≠j≠k。假設(shè)三相電壓中，i相為暫高幅值最大的一相，j為額定相，k為暫低相。 Ui2、Uj2、Uk2是三相電壓的暫變輸入，Uij2是i、j相之間的線電壓，而且為i相逆變器中的電容充電。UiR是i相的額定電壓，N是理論中性點(diǎn)。x為補(bǔ)償電路注入電壓最大值與母線電壓最大值的比值。有式(2)、(3)。

圖2 三相電壓暫高的相量圖Fig.2 Phasor diagram of the higher voltage and its compensation

本文拓?fù)渲兄绷髂妇€電壓為本相相電壓與其它兩相相電壓組成的線電壓最大值。根據(jù)式(2)、(3)可知，只要在補(bǔ)償電路直流電容容量允許范圍內(nèi)，無(wú)論i相電壓在任何暫高情況下，補(bǔ)償電路均有足夠的母線電壓將負(fù)載電壓補(bǔ)償至額定。

電壓暫高的情況下，補(bǔ)償電路控制總是可以工作在零有功功率模式。在這種模式下，當(dāng)電壓暫高后不會(huì)使母線電壓不斷上升，電壓暫高深度是不受限制的。若使用零有功補(bǔ)償控制方式以外的其他控制方式，會(huì)導(dǎo)致母線電壓不斷上升，補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中都有有功注入，由于存在能量交換，所以電壓暫高受限。

2 控制策略的研究

文中介紹了幾種常見(jiàn)的電壓暫變補(bǔ)償控制策略：暫變前相位補(bǔ)償控制方法、同相位補(bǔ)償控制法、能量最優(yōu)控制法（最小能量控制法），以及本文所采用的時(shí)間最優(yōu)控制法。

2.1 暫變前相位補(bǔ)償

這種控制策略使暫變后負(fù)載電壓始終與暫變前電壓幅值、相位保持一致。圖4為暫變前相位補(bǔ)償控制的相量圖。其中圖(a)為電壓暫低時(shí)的情況，圖(b)為電壓暫高時(shí)的情況。圖中為負(fù)載電壓，為剩余電壓，為注入電壓，I˙為暫變前負(fù)載電流。（下文不特殊說(shuō)明圖中符號(hào)意義相同，不再贅述）

圖3 暫變前相位補(bǔ)償控制的相量圖Fig.3 Phasor diagram of phase comparison before transient variation

因此，運(yùn)用此控制策略必需既檢測(cè)電壓暫變前電壓的幅值和相位，還要檢測(cè)電壓暫變后電壓的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

暫變前相位補(bǔ)償控制方法的優(yōu)點(diǎn)是能保證暫變前后用戶(hù)電壓的連續(xù)性，其缺點(diǎn)是輸出電壓和功率不受控制，能量消耗比較大，注入電壓比較大。

2.2 同相位補(bǔ)償

同相位補(bǔ)償控制是指只保證負(fù)載電壓幅度恒定，對(duì)其相位沒(méi)有嚴(yán)格要求，允許負(fù)載電壓可以發(fā)生一定程度的相位跳變的控制策略。圖4為同相位補(bǔ)償控制的相量圖。其中圖(a)為電壓暫低時(shí)的情況，圖(b)為電壓暫高時(shí)的情況。′為暫變后負(fù)載電流。由圖可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生暫變后，s電壓幅值暫變的同時(shí)還伴隨有相位跳變，根據(jù)同相位補(bǔ)償法，使暫變后電壓相位保持不變，幅值和暫變前一致。因此注入補(bǔ)償電壓的相位與暫變后電壓相位相同。

圖4 同相位補(bǔ)償控制的相量圖Fig.4 Phasor diagram of the same phase comparison

同相位補(bǔ)償控制方法的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓幅值最小，控制方法比較簡(jiǎn)單；其缺點(diǎn)是輸出功率不受控制，而且電壓具有相位角突變。

在電源電壓只有幅值暫變而不伴隨相位跳變時(shí)，同相位控制策略與暫變前相位控制策略沒(méi)有區(qū)別；只有在電壓暫變中包含相位跳變時(shí)，這兩種控制策略才有比較大的區(qū)別。

2.3 能量?jī)?yōu)化控制

串聯(lián)補(bǔ)償裝置給負(fù)載提供注入電壓使其保持額定時(shí)，使負(fù)載電壓相對(duì)于電網(wǎng)電壓某一程度的相位變化可以減少串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償裝置的有功輸出，減少相應(yīng)儲(chǔ)能的容量。能量?jī)?yōu)化控制策略(Energy Optimal Control)是在這種思想上建立起來(lái)的控制策略。

能量?jī)?yōu)化控制策略有3種工作模式：零有功功率注入模式，臨界模式,最小有功功率注入模式。最小有功功率注入模式如圖5中所示。通過(guò)控制補(bǔ)償裝置的注入電壓幅值和相位，可以使電網(wǎng)電壓提供負(fù)載所需的有功功率，補(bǔ)償裝置提供負(fù)載所需的一部分的有功功率和全部的無(wú)功功率來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，這樣也可以緩解直流環(huán)節(jié)需要提供的能量，這種模式為最小有功注入模式。

圖5 最小有功功率注入模式Fig.5 Phasor diagram of minimal active power injection mode

圖6為電壓暫高時(shí)能量?jī)?yōu)化控制策略的相量圖，I˙′為暫變后負(fù)載電流。圖中，串聯(lián)型補(bǔ)償電路的注入電壓垂直于負(fù)載電流I˙′，因此它注入的有功功率為零；此時(shí)電網(wǎng)電壓提供負(fù)載所需的所有有功，補(bǔ)償裝置注入無(wú)功功率。

圖6 電壓暫高時(shí)能量?jī)?yōu)化控制策略的相量圖Fig.6 Phasor diagram of zero active power injection mode when voltage transient high

當(dāng)電壓發(fā)生暫高時(shí)，同樣利用能量?jī)?yōu)化控制的思想，由于電壓暫高時(shí)，暫變電壓幅值始終滿足Us＞UN*cosφ，通過(guò)旋轉(zhuǎn)剩余電壓，使得串聯(lián)型補(bǔ)償裝置的注入電壓正好垂直于負(fù)載電流I˙′。因此電壓暫高情況下負(fù)載電壓補(bǔ)償時(shí)總能采用零有功功率注入模式進(jìn)行控制。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)果

本文在PSCAD仿真平臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。

圖7是在電壓暫變主電路拓?fù)湎拢娋W(wǎng)電壓發(fā)生電壓暫低，負(fù)載電壓在最小有功功率注入模式控制策略控制下補(bǔ)償時(shí)間仿真圖。 圖中 Ea2、Eb2、Ec2分別表示 a、b、c 三相電網(wǎng)電壓，Ea、Eb、Ec分別表示 a、b、c 三相負(fù)載電壓。 圖中電壓暫低從0.05 s開(kāi)始，幅值暫低至額定電壓的1/6。圖(a)表示電網(wǎng)電壓，圖(b)表示負(fù)載電壓。

從圖中可以看出，負(fù)載電壓在能量?jī)?yōu)化控制的最小有功功率注入模式控制策略下的補(bǔ)償時(shí)間為0.05～0.2 s，從0.2 s后就無(wú)法補(bǔ)償。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 能量?jī)?yōu)化控制策略下的補(bǔ)償仿真圖Fig.7 Simulation result of energy optimal control

文中對(duì)系統(tǒng)整體控制補(bǔ)償效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中額定電網(wǎng)相電壓為110 V，電網(wǎng)電壓暫低時(shí)間為40～180 ms。圖8為三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱(chēng)暫低至額定電壓的45%時(shí)的補(bǔ)償波形[10]。

圖8 系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Compensating waves of energy optimal control

4 結(jié)論

文中對(duì)之前提出的三相電壓暫變補(bǔ)償主電路拓?fù)溥M(jìn)行分析，并對(duì)其暫高補(bǔ)償深度做了詳細(xì)分析。對(duì)比研究了3種控制策略在電壓暫高和暫低時(shí)的補(bǔ)償原理和具體實(shí)現(xiàn)。在原理分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)能量?jī)?yōu)化控制的策略的方法，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。結(jié)果證明此種方法的可行性。

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Research on control strategy for three-phase voltage transient variation compensation

LI Yan-fang
(North Institute of Information Engineering,Xi’an Technological University Xi’an 710025,China)

One topology of three-phase voltage transient variation is proposed in this paper.The proposed scheme can extend the compensating depth with small filtering capacitances in the inverters because they are continuously charged by the residual line-to-line voltages.In order to achieve the respective compensation by the topolgy,there is triangle wave comparison method for control.Then,the basic theory of three kinds of control strategy is elaborated on.At last，the simulation and experimental results of system controled by energy optimal control are presented.

three-phase voltage；transient variation；control strategy；energy optimal

TN98

A

1674-6236（2014）13-0168-03

2013-09-26 稿件編號(hào)：201309203

李艷芳(1983—)，女，山西代縣人，碩士，講師。研究方向：電壓瞬變的檢測(cè)方法控制策略。