裴素萍， 仵麗虹

(1.中原工學(xué)院， 鄭州 450007； 2.南陽(yáng)市供電公司， 河南 南陽(yáng) 473000)

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一種電壓降落補(bǔ)償器的研究與設(shè)計(jì)

裴素萍1， 仵麗虹2

(1.中原工學(xué)院， 鄭州 450007； 2.南陽(yáng)市供電公司， 河南 南陽(yáng) 473000)

摘要：設(shè)計(jì)了一種電壓降落補(bǔ)償器，補(bǔ)償器的每一相可從其他兩相獲得能量。該補(bǔ)償器即使在一相電壓丟失的情況下，仍可以繼續(xù)對(duì)敏感性負(fù)載的所有三相提供電能。除了單相電壓降落，補(bǔ)償器能夠補(bǔ)償任意平衡和不平衡電壓降落和相位跳變。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電壓降落補(bǔ)償器有效可行。

關(guān)鍵詞：電壓降落補(bǔ)償器;動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器;最小能量補(bǔ)償; 瞬時(shí)無(wú)功

隨著敏感性負(fù)載數(shù)量在電網(wǎng)系統(tǒng)中的增加，電壓質(zhì)量問(wèn)題變得越來(lái)越重要。從大量電能質(zhì)量調(diào)查的數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出，與電壓相關(guān)的電力故障事件中，90%以上的故障是由電壓降落引起的[1-3]。電壓降落是指電壓暫態(tài)降落的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)電壓的0.1到0.9。對(duì)工業(yè)系統(tǒng)和敏感性負(fù)載而言，電壓降落會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生產(chǎn)損失[4]。因此，保護(hù)敏感性負(fù)載免受電壓降落的影響非常重要。

目前，主要通過(guò)應(yīng)用電力電子變換器來(lái)解決電壓降落問(wèn)題，該技術(shù)具有靈活性和高性能的優(yōu)點(diǎn)。其中，采用串行連接電壓源變換器進(jìn)行電壓降落補(bǔ)償是最合適的解決方案[5-7]。在這種配置中，變換器的輸出電壓通過(guò)串聯(lián)變壓器連接到線路中，完成對(duì)電壓降落的補(bǔ)償。

本文設(shè)計(jì)了一種基于變換器的新型電壓降落補(bǔ)償器。變換器在每一相中由電網(wǎng)的其他兩相提供電能，不需要另外的補(bǔ)償電源提供電能。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該補(bǔ)償器的可行性。

1電壓降落補(bǔ)償器原理

電壓降落補(bǔ)償是通過(guò)耦合變壓器將電壓補(bǔ)償器串聯(lián)連接在電網(wǎng)和負(fù)載之間，根據(jù)受控電壓源方式，來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載電壓幅值和補(bǔ)償電壓諧波，從而保證供電電壓的質(zhì)量和可靠性。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落、上升、不平衡、諧波等問(wèn)題時(shí)，通過(guò)電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)出指令電壓信號(hào)，并按照一定的控制方法轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，從而控制變流器工作。電壓降落補(bǔ)償器原理如圖1所示，變流器的輸出電壓通過(guò)耦合變壓器串聯(lián)接入電網(wǎng)，從而調(diào)節(jié)負(fù)載電壓保持基波正弦。忽略開(kāi)關(guān)管損耗并且設(shè)定串聯(lián)側(cè)變壓器為理想變壓器，則其單相等效電路如圖2所示。

圖1　電壓降落補(bǔ)償器原理圖

圖2　電壓降落補(bǔ)償器等效電路圖

圖3所示是最小能量補(bǔ)償向量圖。系統(tǒng)電壓跌落前為UP，跌落后為U1，系統(tǒng)電壓補(bǔ)償后為U2，補(bǔ)償電壓為UC，負(fù)載電流為I，功率因數(shù)角為φ，補(bǔ)償后相位超前角為α，伴隨電壓跌落的跳變角為δ。最小能量補(bǔ)償是通過(guò)引入無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。采用與電網(wǎng)側(cè)電壓相位超前的電壓注入，從而減少有功交換。這種方法是利用補(bǔ)償器有功功率最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有功功率的最大化，結(jié)果是電網(wǎng)功率因數(shù)增加，補(bǔ)償器功率因數(shù)減小。

圖3　最小能量補(bǔ)償向量圖

2電壓降落補(bǔ)償器控制策略

三相電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)dq0同步坐標(biāo)變換后，負(fù)序和諧波仍為交流分量。通過(guò)兩個(gè)濾波器可將基波正序分量分別提取出來(lái)。udf和uqf在dq0空間的對(duì)應(yīng)量為直流分量。它們與abc系統(tǒng)中電源電壓峰值Usm、基波電壓初相角θlp以及電壓相位跳變角γ有如下關(guān)系：

(1)

(2)

三相目標(biāo)電壓函數(shù)為 ：

(3)

需提供的補(bǔ)償電壓為：

(4)

式中：usa、usb、usc分別為三相電源電壓；uL2a、uL2b、uL2c分別為三相目標(biāo)電壓；ula、ulb、ulc分別為三相補(bǔ)償電壓；Rla、Rlb、Rlc分別為三相補(bǔ)償回路的電阻；Lla、Llb、Llc分別為三相補(bǔ)償回路的電感；ila、ilb、ilc分別為三相補(bǔ)償回路的電流；udf為dq0空間坐標(biāo)系中d軸電壓；uqf為dq0空間坐標(biāo)系中q軸電壓；udq為dq0空間坐標(biāo)系中q軸投影在d軸上的電壓；β為最小能量補(bǔ)償角；N1為變壓器原邊匝數(shù)；N2為變壓器副邊匝數(shù)。

圖4為電壓檢測(cè)原理。

圖4　電壓檢測(cè)框圖

3硬件結(jié)構(gòu)

圖5為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件電路結(jié)構(gòu)圖，包括主電路和控制電路兩部分。主電路由三相變流器、串聯(lián)耦合變壓器、直流儲(chǔ)能單元、濾波電路、供電電路等部分組成?？刂齐娐酚呻妷簷z測(cè)電路、采樣周期信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)調(diào)理電路、光耦隔離電路等部分組成[5-7]。

圖5　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4電壓降落補(bǔ)償器的仿真

仿真參數(shù)：三相電壓220 V，在0.04 s時(shí)電壓跌落，30°電壓跳變角，140 V幅值跌落值。圖6為電壓降落補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果。

圖6　仿真結(jié)果

由圖6可知，電網(wǎng)的每一相遭遇波動(dòng)電壓降落后，時(shí)間變化是從0.02 s到0.08 s，然后電壓恢復(fù)到正常值。電壓降落補(bǔ)償器在負(fù)載側(cè)恢復(fù)電壓通過(guò)在每一相注入合適的補(bǔ)償電壓以使得負(fù)載電壓保持在期望的電平上。圖6也表明，a相轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換輸出電壓是通過(guò)電網(wǎng)的b相和c相產(chǎn)生的。電壓降落伴隨著30°相位跳變，補(bǔ)償器產(chǎn)生期望的補(bǔ)償電壓并注入到電網(wǎng)中。結(jié)果是，負(fù)載側(cè)a相電壓從幅值到相角都得到完全補(bǔ)償。仿真結(jié)果可以看出：該補(bǔ)償器不僅可以恢復(fù)電壓的幅值而且可以處理突發(fā)的相位跳變。

5電壓降落補(bǔ)償器實(shí)驗(yàn)

根據(jù)硬件原理結(jié)構(gòu)圖，由電源、整流電路和電壓補(bǔ)償器組成實(shí)驗(yàn)裝置。三相電源經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)、隔離變壓器供電給整流裝置。系統(tǒng)取用三個(gè)純阻性負(fù)載，補(bǔ)償電壓經(jīng)過(guò)隔離變壓器連接到電網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)裝置中采用10%跌落量，負(fù)載電壓峰峰值為190 V。圖7中電壓為50 V/每格，補(bǔ)償電壓為10 V/每格。電壓峰峰值補(bǔ)償前為170 V，補(bǔ)償電壓為25 V，電壓峰峰值補(bǔ)償后為189 V。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以滿(mǎn)足電網(wǎng)補(bǔ)償要求。

圖7　電壓降落補(bǔ)償器實(shí)驗(yàn)波形圖

6結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新的電壓降落補(bǔ)償器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種新型的電壓補(bǔ)償器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅可以補(bǔ)償不平衡電壓降落而且還可以補(bǔ)償平衡電壓降落和相位跳變。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的電壓跌落補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

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(責(zé)任編輯：王長(zhǎng)通)

The Research and Design of a New Voltage Drop Compensator

PEI Su-ping1， WU Li-hong2

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007；2.Nanyang Power Supply Company, Nanyang 473000, China)

Abstract:In this paper, a new type of voltage drop compensator is proposed which makes each phase of the compensator can be obtained from the other two phases. Even if a phase voltage is lost, the compensator will continue to provide power for all three phase of the sensitivity load. In addition to the single phase voltage drop, the compensator can compensate for any balanced and unbalanced voltage drop and phase jump. The experimental results of a laboratory prototype show the effectiveness of the proposed voltage drop compensator.

Key words:voltage drop compensator; dynamic voltage restorer; minimum energy compensation; instantaneous reactive power

中圖分類(lèi)號(hào)：TM714

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.004

文章編號(hào)：1671-6906(2016)01-0017-03

作者簡(jiǎn)介：裴素萍(1976-)，女，河南新鄉(xiāng)人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)殡姎膺\(yùn)行與控制。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(61305080)

收稿日期：2015-12-15