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缓解电压骤降的新控制策略的开发


缓解电压骤降的新控制策略的开发
Ali O Al-Mathnani , M A Hannan, Majid Al-Dabbagh , Mohd Alauddin Mohd Ali and Azah Mohamed Universiti Kebangsaan Malaysia, Department of Electrical and Electronic Enginee

ring Bangi, Selangor, Malaysia Email: matnani1@yahoo.com

摘要——电压骤降是一个重要的电能质量问题,动态电压恢复器( DVR) 被认为是一种有效解决该问题的的装置。本文提出了一种新的控制算法,通过动 态电压恢复器(DVR) ,低有功功率注入短延时缓解电压骤降。这是基于使用 12 脉冲逆变器的双矢量控制技术。 提出一种使用相补偿方法的平滑控制技术。所提 出的控制方法在 11 千伏配电系统进行测试。在这种控制系统中,DVR 检测和跟 踪电源电压的相位角, 并从额定负载电压幅值获得基准电压信号。在任何相位偏 移中, 基准电压的相位角调整为跟踪电源电压的相位角。参考和测量的电压之间 的差由 DVR 注入到线路。 锁相环是用来保持负载电压连续同步和跟踪源极电压。 结果表明,所提出的方法可以提高的 DVR 的性能。系统的稳定性依赖于使用控 制算法中用于提供非常快的响应的无差拍增益。光伏(PV)源升和压转换器也 可支持在电压暂降时的直流电源。

关键词:DVR; PV;两个继续环控制和锁相环。

1. 导论
功率质量的问题中最重要的是电压暂降问题, 即电压幅值相对于标称电压突 然短时间减 0.1 至 0.90 PU [1]。 DVR 可以在故障持续时间内将负载电压保持在希 望的电压幅值,通过敏感负载端电压注入的补偿电压到串联。Choi et al. (2000) 介绍了一种 DVR 以最小的能量注入, 以补偿在配电系统的电压干扰的方法 【2】 。 目的是保持负载电压恢复不变。当 DVR 恢复电压扰动,无功功率和有功功率或 能量应该从 DVR 注入到配电系统【3】 。事实上,通过选择适当被注入的 DVR

输出电压的幅度和相位角,通过控制注入/吸收功率,使得与零或最小功率注入 的补偿可以实现。这意味着或者最小功率等级的能量存储装置可被结合到设计 中,或者最大负荷穿越可以通过能量存储能量来实现。[4] 本文讨论了一种新的 DVR 强调其控制技术来减轻电压骤降。本文讨论了一种新的通过突出其控制技 术来减轻电压骤降的 DVR。控制算法研究和开发为了实现在配电系统减轻电压 骤降。它是基于矢量控制的方式,由两个控制回路组成。该算法包含电压和电流 控制器,它可以改进 DVR 的暂态性能。该算法的响应时间可以迅速恢复系统电 压。

2. DVR 基本结构
DVR 的基本结构由一个控制电路和电源电路组成。该控制电路被用于推导 如幅度,频率和相位偏移的参数。基于控制信号,注入的电压由电压源逆变器 (VSI)中的电源电路的开关控制生成的。图 1 示出了 DVR 系统的基本结构。 能量存储电容器(ESC)的是大小 400μ f,以增加能量存储,并减少对直流链路 电压的纹波。

图 1;DVR 的基本配置

经验表明电压骤降总是不平衡的, 并伴随着一个移相角。 为了迅速恢复电压, 有必要测量系统的电压暂降。 图 2 示出了在电压暂降和相位角的变化可以在公共 耦合(PCC)的点进行测量,如下所示在故障期间的配电系统。

图 2.配电系统故障 其中,V 是 PCC 下垂时的电压,ZF=Rf+JXf 是 PCC 和故障之间的阻抗。 Zs=Rs+JXs 是 PCC 的与电源间的阻抗。电源电压 E=1pu 电源电路主要由五个主要部件组成,光伏,能量存储单元,电压源逆变器, 无源滤波,电压注入变压器和电容器。 A. 光伏 图 3 中的光伏(PV)通过注入有功功率到配电系统,向 DVR 提供一个直流 电源。设计和建模的光伏以良好的效率通过一个升压变换器为 DVR 电容器和电 池进行充电。升压转换器的设计目的,是提高其从所述光伏电源产生的功率,并 将其提供到 DVR 电容器。可以由阴极和地之间连接一个大电容来获得转换器输 出的连续电压,使得电容器电压增加时;输出电压也增加。 【5】

图 3.光伏建模与升压转换器

B. 能量存储单元 能量存储单元,用于在暂降时提供有功功率。电池,电容器,飞轮可以 作为能量存储设备。DVR 的补偿能力是基于从系统或能量存储装置提供的 有功功率的无功功率的吸收/供应量。电池因为在充电和放电的高响应而广为使 用。 C. 电压源逆变器 该电压源逆变器(VSI)的功能是将直流电压转换成交流电压。VSI 控制器 是 DVR 的主要部分,以减轻电压骤降。 D. 无源滤波器 低通滤波器被装在 VSI 的输出部分以抑制谐波分量,该谐波分量由直流转 换为交流的脉冲宽度调制产生。 E. 电压注入变压器 注入变压器的高压侧串联连接到配电线上,而低电压侧连接到 DVR 的电源 电路。 三个单相电压注入变压器连接到配电线路。注入变压器的功能是当 DVR 的 电路与配电网络隔离时通过注入电压,将过滤 VSI 输出达到期望的水平。变压 器等级对保持变压器两端的电压降是非常重要的。要实现这一目标,初级侧被设 计成可以承载全线电流。 初级侧电压等级是 DVR 可以注入到系统中的最大电压。 DVR 的等级可以通过最大注入电压乘以初级电流来确定。 变压器的比率被选择为 0.415 千伏/0.415 千伏 i:e=1:1 DVR 通过直流蓄 电装置,能够补偿的电压暂降的全部,也可用于提供完整有功功率需求。因此, 选择匝数比为:1:1,额定 0.9MVA 变压器。 F. 电容的大小 电容器的大小在 DVR 中具有重要作用。它作为一个直流电源,以在故障情 况下为负载提供无功功率。下面的等式用于确定电容器的大小:Cdc

Vdc: 预设储能电容的下限电压。 Δ I L1:负载电流的有功部分的步增峰值。

T: 有效电压源的周期 从(3) ,由三相系统中的直流电容值可推导,

三:控制策略 DVR 通过与输入电源电压同步的负载电压注入串联的单相电压。注入电压 的相位角和幅值根据 DVR 和配电系统之间可变有功和无功功率交换变化。有功 和无功功率由 DVR 供给量取决于电压扰动的类型。对于 DVR 的基本控制策略 如下说明。 A. 暂降电压预补偿 这种策略被用于非线性负载,其中电压的幅值和相位角都需要进行补偿。 DVR 补偿的是预暂降和暂降电压之间的差。图 4 示出了使用预暂降电压补偿技 术来恢复电压的幅值和相位角。

图 4.预暂降补偿技术 B. 同相补偿 利用同相补偿,DVR 注入与下陷电压同相的电压,如图五所示。并仅电压 幅值进行补偿。该方法最大限度地减少了 DVR 注入电压。预暂降电压补偿和相 位补偿必须随时向负载提供有功补偿。然而,相当一部分的有功功率被限制到

DC 链路。稳定状态下注入的有功功率为:

V L 和 V 1 是相 - 地电压

图 5: 同相补偿技术 C. 相移补偿 此方法被提出,以减少能量的存储大小。在该方法中,DVR 的有功功率 P 依赖于角 a。在暂降时,负载电压由于负载的问题,相位将以一定的幅度变化。 图 6 显示了被保持在故障前状态的恢复负载电压的幅值。如果 Pin 和 Pout 分别 为提供的输入功率和负载功率。那么:

当 J=a,b,c V1 和 VL 分别为故障电压矢量与负载电压恢复矢量。假设平衡 负载(ILj= IL)和平衡输出电压(VLJ= VL) 。则 DVR 的有功功率为:

图 6.相移技术

IV。DVR 仿真模型
包含 DVR 的配电检测系统, 是通过使用 PSCAD/ EMTDC 对 DVR 的电压暂 降的缓解能力的仿真评估来实现,如图 7 所示。该测试系统包括一个由戴维南等 效表示的 11KV 的传输系统,并供给到降压变压器。DVR 随负荷放置于 0.415 千伏串联配电系统中。在长时间暂降时,直流侧光伏向 DVR 提供所需的能量。

A.提出的控制策略 . 该控制策略采用的是利用 DVR 在深暂降时注入一股小的有功功率。控制 器的主要部分是 maximum block(Max),滤波器,超前滞后,PI 控制器和锁相环 (PLL) 。用于插值触发脉冲,如图 8

图 7:仿真模块

图 8.两种连续矢量控制 总的来说 PLL 是一个闭环反馈控制系统,它生成与所述输入信号相同的频 率和相位角的信号。 PLL1 产生一个可控幅值和频率的正弦信号, PLL2 产生三角波。 三角波形具 有一个开关频率,是基频 50 赫兹的 33 倍(1650 赫兹) 。这个频率被用于切换 DVR 的逆变器开关。50Hz 的正弦参考波与三角波进行比较,三角波使用正弦脉 宽调制技术来产生开关脉冲。如图 9 所示,12 个 DVR 脉冲的插值触发脉冲由栅 极驱动电路产生,需要诸如基准信号 (RSgnOn 和 RSgnOff) 和三角形波信号 (TrgOn 和 TrgOff)。 信号之一是用来打开 DVR, 而另一个信号时断开 DVR 开关。 在这种情况下, 有在电路应用 12 个开关。 一个 a-q-0 转换被连接到 PLLS 与 DVR 输出之间,来提取 DVR 的参考电压。本控制器可以用控制两个方向上的功率:

输入功率和输出功率。 输入方向包括注入一个小的电压分量,并由电源充电的 ESC 得出一个小的 有功功率。这种充电方法依赖于负载电压的相位角。在这种情况下,DVR 可以 作为整流器。在因有负载电压下降而暂降的电源电压时,DVR 向负载提供有功 功率。在这种情况下,DVR 作为逆变器。反应部分应该增加,以保持负载电压 的保持在恒定的幅度。

图 9,插值触发脉冲 B.两种连续矢量控制建模 两个连续的矢量控制器属于比例控制器的类型。 它以通过注入电压来跟踪基 准值并且通过一个交叉的 LC 滤波器补偿电压环路。 注入电压的基准值推导:

VL 和 V1 分别是负载电压和 PCC 上的电压

I(dq)和 V(dq)是跟踪参考注入电压的参考电流和电压,J 是 d 和 q 分量之 间的相移。w 是电网电压的角频率,Cf,Rf,Lf 是 DVR 的低通滤波器。K u 和 K p 是滤波器的直进式涨幅。采样时间推导如下:

Ts 是采样时间。 d-q-0 转化是连接 PLLs 和 DVR 输出之间,用来提取 DVR 的参考电压。为 简单起见,零相序分量被忽略。

相对于 PI 控制器,内部增益为

, Ts 和 Ti 分别表示采样时

间和积分时间。积分时间应大于采样时间,以保持系统稳定。

五,测定电源电压相角
电压暂降常常伴随有相移。 电网供电的频率与 50HZ 或 60HZ 有微笑的偏移。 这就引入了一个约束锁相环的设计。在每个周期中的输入电压的相位角波形在 0rad 到 2π rad 之间变化。 因此, 从图 10 中获得电源电压的相位波形。 如图所示: 输入到集成器的信号时输入角频率的波形。i.e, 2 π f = 314.1593(常数) ,其中 F 额定电源频率为 50Hz。输出供给相位角波形是具有 314.1593 的梯度的线。为了 获得相角信息,信号被重新固定在每半供电周期。文献 78 中,一种抑制操作使 PLL 降速允许每个周期突然相移, 但是这个原理提出了新的进展: PLL 跟踪每半 个周期相位变化。

图 10 的相位角与电源电压的判定

在电网电压的角频率的变化是:

其中 Kp 和

KI 是 PI 控制器比例和积分增益,它们分别等于 1.14 和 0.1。K1 在电网薄弱情况 下特别必要的。此情况下电网频率可围绕标称频率偏离。相位角的增量是

VI.结果与讨论
对提出的控制策略进行仿真,并对结果进行了分析。结果表明基于 PV 的 DVR 对电压暂降的缓解是有效的。 通过一个 11 千伏电压源供给的配网如图 7 所 示。

A. 用 DVR 缓解电压暂降 DVR 用于补偿负载端的电压暂降。为表明 DVR 补偿的电压暂降,首先一个 t=0.5s 时的故障出现, 引起了电压暂降。 如图 11 所示, 故障的持续时间是 0.5 秒, 暂降的百分比是 22%,这种情况下,电压由 1.0p.u 降到 0.78p.u。需要从 DVR 注入系统电压的 22%到系统中。图 12 示出了在电压暂降由 DVR 注入到系统中 的电压, 图 13 表示被 DVR 缓解后的负载电压, 实验结果证明, 基于 PV 的 DVR 能够减轻电压骤降的 22%。 同相补偿电压的计算公式如下:

图 11,电压骤降情况

图 12. DVR 注入电压

图 13,负载电压 B.光伏组件的性能 光伏连接到升压转换器,使得更大的输出可从 PV 面板获得。图 14,15 和 16 分别表示光伏电压,电流和经升压转换器后的功率。

图 14,产生的光伏电压

图 15. 产生的电流

图 16,光伏电源 C,锁相环 锁相环是用来追踪并供给每半个周期的角度和频率, 与正常工作状态不同的 任何变化都会很容易的被检测出来。如图 17。从图中可以看出,对于电源电压 和相角的操作,可以精确的保持在零交叉点。

图 17.相位角检测

七。结论
在这项研究中, 呈现出使用使用 PSCAD 配套控制系统对 DVR 仿真和建模。 讨论了各种动态电压恢复器补偿技术。 快速锁相环是用来追踪故障每半个周期中 的相位变化。仿真结果表明 DVR 可以快速的补偿电压暂降,并且提供出色的电 压调节。动态电压恢复器将负载电压被保持住,并且使有功功率最小化。所提出 的控制策略提高了效率。 这种新方法减少了有功功率的注入,并通过使用两矢量 控制算法连续跟踪电源电压。 通过 DVR 的帮助, 可以在有敏感设备的配电网中, 使用稳定的电源电压成为可能。

REFERENCES [1] RAI. Amrita and Nadir .A.K "Modeling and simulation of

dynamic voltage restorer (DVR) for

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Lanka.


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