一種新型電網電壓跌落的綜合控制方法

張雪薇

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021）

電壓跌落是在電能質量問題中受到關注最多的一個問題，也是電力系統中危害最大的一個電能質量問題[1]。隨著電網和智能電網的發展，各種感性負載的應用，人們對電能質量要求越來越高，根據歷史經驗的教訓，電壓跌落引起的危害及其嚴重，必須采取積極有效的措施對其進行治理[2]。因此，對電壓跌落問題的研究和探討是很有必要的，具有很大的理論意義和實用價值。

電壓跌落，指的是電壓有效值下降至額定值的10%~90%，持續時間為半個電源周期到幾秒鐘的一種現象[3]。動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）串聯在電網中，一旦出現電壓跌落，動態電壓恢復器快速的將電壓補償到電網中，它可以經濟有效地解決電壓跌落問題[4-5]。根據動態電壓恢復器的原理，實現DVR的工作過程有兩個方面。一方面，必須快速準確的獲取電網的電壓，以及裝置需要補償的電壓信號。這是動態電壓恢復器的檢測過程。另一方面，必須快速而準確的將補償信號補償到電網中，并能準確跟蹤信號。這是動態電壓恢復器的控制過程。目前應用于動態電壓恢復器的控制策略主要有前饋控制、反饋控制、復合控制、魯棒控制、PID控制等[6-7]。前饋控制是按電網電壓跌落量多少，從而根據需要來進行補償的一種開環控制，即當電壓發生跌落時，按跌落量大小直接產生補償電壓，以消除電網電壓跌落的影響。尤其具有明顯的超前控制作用以及針對跌落進行補償，但缺點是無法校驗控制結果，裝置是否快速準確的補償、是否產生偏差無法得知。反饋控制的特點是能克服多個擾動，可以對被控變量實行反饋校驗，但它的缺點是滯后性較大，控制不及時。復合控制則綜合了以上兩種控制的優點，既能快速跟蹤進行補償，同時也能進行反饋校驗，可以得到較好的效果。目前，一些研究所、院校主要對復合控制策略進行研究，但對復合控制結合同步坐標變換的檢測方法的研究很少。本文將通過理論推導，建立仿真模型，將檢測效果最好的同步坐標變換法結合復合控制策略來建立仿真模型，以實現快速補償，準確的反饋，穩定的將能量補償到電網中。

1 同步坐標變換法

同步坐標變換[8]又叫dq變換，是一種解耦控制方法，將abc三相坐標變換為dq兩相坐標系中，并且把旋轉坐標系變換成正交的靜止坐標，即可得到用直流量表示電壓及電流的關系式。這種變換方法可以使各個控制量可分別控制，可以消除諧波電壓和不對稱電壓的影響。變換后的正序分量對應dq坐標系的 直流分量，而其基波負序分量、諧波分量對應dq坐標系的不同頻率的交流分量。當電網電壓為三相不對稱且含有諧波時，dq變換后，通過低通濾波器濾波得到直流分量。由于應用了同步旋轉坐標變換，容易實現基波與諧波的分離。而dq變換法的實時性由低通濾 波器的時延決定。

在三相畸變電壓的所有分量中，只有基波正序電壓分量經過同步坐標變換后在dq坐標系下呈現為直流量，負序分量和諧波分量仍為交流量。所以，通過低通濾波器將基波正序電壓在d、q軸上的分量、提取出來，那么其數值與abc系統中的基波正序幅值Um和A相初相角θ之間存在如下關系：

根據以上推導，單位正序電壓提取原理如圖1所示。

圖1 單位基波正序分量提取原理圖Fig.1 Unit of fundamental positive sequence component extraction principle diagram

設電網的參考電壓為Un，這樣跌落后的電壓就可以確定：

跌落前的電網電壓與跌落后的電壓相減，可得到裝置需要補償的電壓量為：

其中，uca為裝置需要向A相補償的電壓量，ucb為裝置需要向B相補償的電壓量，ucc為裝置需要向C相補償的電壓量。

由以上數學理論可知，這種檢測方法不用對三相電壓進行鎖相。因為三相基波正序電壓初相角的確定，是通過計算同步坐標變換后d、q軸的電壓得出的，因此這種方法避免了對三相電壓濾波和鎖相所造成的相位差。

2 控制策略

建 立動態電壓恢復器的數學模型來研究控制策略。本文中所選以單相為例。圖2為單相DVR簡化模型。

圖2 單相DVR模型Fig.2 Single phase model of DVR

根據電路中的KCL和KVL以及DVR的原理可以推導出DVR的數學模型，可以推導出動態電壓恢復器的數學模型，即

2.1 前饋控制

前饋控制是指通過比較跌落前電壓與系統跌落后電壓的差值來獲得補償的一種控制方式。在目前已投入使用的裝置中，其控制方法都是使用前饋控制，這種方法響應速度快，控制簡單，穩定性高。但是由于補償策略控制逆變器輸出的電壓要經過濾波器以及變壓器才能注入電網，這個過程，要補償的電壓量以及相角都會有一定的偏差。所以要使負荷電壓等于參考電壓非常困難。將會影響電壓補償效果。根據前面的同步坐標變換法，建立前饋控制的仿真原理框圖。

圖3 前饋控制仿真模型框圖Fig.3 Feed forward control of the simulation model diagram

2.2 反饋控制

是通過檢測跌落后電壓與負載所需的標準電壓進行比較，而產生補償電壓指令的一種控制方式。反饋控制的工作原理為：檢測電網電壓，計算出期望的負載值即目標電壓；將其與電網跌落后的電壓相減即可得到所需要補償的電壓值。這種控制方法能得到更好的負載調節特性和穩定的輸出電壓。能夠減小變壓器對補償電壓的影響，使補償的電壓得到修正，從而提高裝置的動態性能。但如果增益取得太大，補償電壓指令幅度會增加，從而導致輸出補償電壓不能實時跟隨補償指令，同時，控制系數需要根據經驗反復調整，比較復雜。圖4是結合同步坐標變換和反饋控制的仿真原理圖。

圖4 反饋控制的原理圖Fig.4 Principle of feedback control diagram

2.3 復合控制

考慮到前饋控制和反饋控制都有它們的優缺點，本文結合兩種控制策略的優點提出一種綜合控制策略。這種控制方法是在反饋控制的基礎上加入前饋控制。如圖5，這種控制方法是檢測跌落前電壓，檢測跌落后電壓，檢測負載可正常工作時的電壓即目標電壓。跌落前電壓與跌落后電壓分別與目標電壓比較，從而計算出裝置欲補償的電壓。檢測跌落前電壓形成的指令主要來完成電壓跌落和諧波補償，這樣可利于提高裝置的穩定性和響應能力。檢測目標電壓與跌落后電壓的差值的指令用來完成變壓器內阻和漏抗對副邊電壓的影響，可以不用很大的增益。這種復合控制的方法有效的控制了裝置的穩定性，準確性和快速性，同時兼具了前饋控制和反饋控制的優點，完善了補償效果。圖5是結合同步坐標變換法和復合控制的仿真原理圖。

圖5 復合控制的原理圖Fig.5 Principle of compound control diagram

3 仿真分析

為了驗證理論分析的正確性，通過Simulink軟件搭建仿真模型。參數設計：電網電壓Um=311 V，基波頻率每秒50次，IGBT開關頻率15 kHz。電網電壓在0.4~1.0 s時發生40%的電壓跌落，并伴隨3次及5次諧波，諧波畸變率為40%。

圖6 電網電壓波形Fig.6 Voltage waveform of power grid

圖7 前饋控制補償后的負載電壓波形Fig.7 Load voltage waveform of feed forward compensation

圖8 復合控制補償后的負載電壓波形Fig.8 Load voltage waveform of composite control compensation

從仿真結果可以看出，前饋控制存在的誤差較大，不能很好的恢復到跌落前，它的負載適應性不好，而且也不能消除電網中諧波的影響。而復合控制相對前饋控制具有較好的負載適應性，同時還可以消 除電網中諧波的影響，所需響應時間短，可快速補償上去。因此，仿真證明了方法的有效性和可行性。具有實際意義。

4 結 論

本文結合同步坐標變換的檢測方法，在建立DVR的數學模型基礎上，詳細討論了前饋控制，反饋控制和復合控制在同步坐標變換法的情況下的控制效果。通過建立仿真模型，從仿真結果可以看出這種復合控制結合同步坐標變換的方法具有很好的控制的穩定性，補償的快速性，以及能將欲補償的能量準確的補償上去，誤差小，響應時間短，動態跟蹤速度快，提高了系統的阻尼特性，補償效果完美。具有實際研究意義。

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