姜浩楠，劉旭陽，劉 震，寧珂甲

（1.國網(wǎng)沈陽供電公司沈北分公司，遼寧 沈陽 110121；2.遼寧省送變電工程有限公司，遼寧 沈陽 110021；3.國網(wǎng)撫順供電公司，遼寧 撫順 113012；4.沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136）

隨著電子設備的廣泛應用，用戶及工業(yè)生產(chǎn)過程中所用到的設備對電能質量要求越來越高，一旦出現(xiàn)電壓中斷或者電壓驟降等現(xiàn)象，將造成敏感設備的異常運行，給用戶及企業(yè)帶來較為嚴重的經(jīng)濟損失［1］。調度工作人員在對調度計劃進行安全校核后，根據(jù)校核結果提出合理的輔助決策來解決出現(xiàn)的實際問題，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行［2］。尤其在可再生能源快速發(fā)展的時期，新能源并網(wǎng)比例日益提高，負荷種類也隨之增多，電網(wǎng)在提高靈活性的同時，其結構也越發(fā)復雜。因此，改善電能質量，進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性是當前電力系統(tǒng)應需面對的問題和挑戰(zhàn)。

電壓暫降和瞬時電源中斷是影響電氣設備正常安全運行的最嚴重的動態(tài)電能質量問題之一。動態(tài)電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）作為一種有功功率的補償裝置，具有較強的經(jīng)濟性和可靠性，在現(xiàn)代電力設備運行過程中可以有效提高電能質量［3］，推動電力系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化發(fā)展。DVR 的動態(tài)響應速度和穩(wěn)態(tài)控制精度是評估其性能的重要指標，不斷研究和優(yōu)化檢測算法及控制技術是促進動態(tài)電壓恢復技術在電能質量領域廣泛應用的必經(jīng)之路。

1 DVR的電壓檢測方法

1.1 DVR的基本結構

DVR 是一種自帶儲能功能的可以提供功率補償?shù)拇?lián)型電能質量控制器，其主電路結構一般由逆變器、蓄電池、濾波器和變壓器4 部分組成。當電網(wǎng)中電壓發(fā)生降落時，DVR 可以在毫秒級內注入一個補償電壓Vdvr到線路中［4-6］，這個補償電壓的幅值、相位是可控的，從而保證了負荷電壓的恒定。DVR原理如圖1所示。

圖1 DVR原理

1.2 DVR的電壓檢測方法

DVR 對電壓暫降問題實加補償?shù)南葲Q條件是對電壓暫降的變化值進行捕捉，如何在短時間內捕捉異常電壓并快速響應是關鍵。下面對幾種典型的DVR的檢測方法進行對比分析。

1）有效值法

有效值法又稱均方根值法，此方法主要是通過使用周期均方根來實現(xiàn)對電壓有效值的檢測。周期性數(shù)據(jù)序列移動平均值可表示為

該方法至少需要一半的歷史數(shù)據(jù)周期進行電壓幅度的監(jiān)視，這就導致有一些時間上的延遲。因此，不能準確給出電壓驟降的起止時間，也不能反映電壓驟降的其他可能性。

2）瞬時無功功率理論的dq0變換方法

瞬時無功功率理論的dq0 變換方法是目前DVR 檢測方法中最常用的算法，在此基礎上還有很多相關的改進方法。其基本原理是對abc坐標系中的三相功率進行Park 變換，并在對稱無異常情況下簡化電壓，將abc坐標系中的三相功率轉換為dq0坐標系中的相應分量，可表示為

設us(t)=u1+uh是檢測電壓，表示電壓總分量，uh為直流分量，u1=Usin(ωt+φ)是基波分量。經(jīng)過Park變換后，dq0坐標系中的DC分量對應abc坐標系中的基波分量，通過低通濾波獲得坐標系中的DC分量，并對其進行Park逆變換，從而獲得電壓驟降基波特性量。以瞬時無功功率理論為核心的檢測法有較好的實時性，常用于三相電路中［7-9］。

3）單相電路的瞬時電壓dq0變換方法

由于現(xiàn)實的電壓驟降絕大多數(shù)是單相問題，對于單相電路，此方法構建虛擬三相系統(tǒng)時一般采用三相三線電路特性和單相電壓作為參考［10-12］。單相電壓為ua，將ua延時60°得到-uc，那么通過ub=-ua-uc得到ub，將其轉換到dq坐標系，并通過低通濾波器提取dq坐標系中電壓的直流分量ud0和uq0，即

基波電壓的幅值和相位跳變?yōu)?/p>

此方法不僅可以檢測相電壓，也可以檢測電壓下降時可能出現(xiàn)的相跳。實驗證明，在檢測電壓驟降幅度持續(xù)時間和相位跳變角方面，此方法比電壓峰值方法和有效值方法更有優(yōu)勢，但一般不用于多個過渡段的干擾和短期干擾檢測。

4）改進的abc-dq變換算法

傳統(tǒng)的dq0 轉換方法是通過低通濾波器滑動窗口分離DC分量，存在一定的延遲性，可通過改進計算dq軸上的直流分量來提高系統(tǒng)的實時性能［13］。

得到基波正序分量的相角信息為

改進的abc-dq 變換方法不僅能更加準確地檢測基本正序分量的相角跳變，還能精準地檢測電壓驟降的啟停時間。

5）FFT法

快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）分析法可以準確地獲得每個頻率分量的幅度和相位信息，通過監(jiān)視基波幅度和相位變化，可以有效地檢測電壓降幅度和相位跳變角。此方法對時域和頻域之間的轉化進行了簡化，降低了計算量，但延遲時間較長。盡管可以使用正弦半波的對稱性來構造半波數(shù)據(jù)以減少一半工頻周期的延遲，但電壓下降時的波形不能保證其仍然具有半波對稱特性，所以計算的結果存在一定的誤差。

6）小波變換法

小波多分辨率信號分解法用于電壓信號的分解，把電壓信號分解為各個子帶，是時域分析的一種重要方法，在時域中有良好的定位能力，對于提取電壓信號的特征量來說非常實用，選擇合適的小波母函數(shù)是這種方法的關鍵所在。此方法雖然有很精準的定位能力，檢測能力也很強，能夠在相當短的時間里實現(xiàn)高難度的檢測和分析，但是到目前為止，小波母函數(shù)的選擇主要基于先前的經(jīng)驗或成就，需要與其他方法結合使用。

綜上所述，這些檢測方法都有自身不夠理想的地方，例如有效值法適用于需要快速但不要求高精度的場合；平均值法比較簡單，可適用于實時性要求低的場景；坐標變換方法較為靈活、準確、方便，最為廣泛。

2 DVR的電壓補償策略

2.1 電壓補償性能的評價原理

在相同的補償范圍中，不同的電壓補償策略會對設備的容量和性能產(chǎn)生不同的影響。一般有兩個重要的約束條件限制了DVR串聯(lián)側電壓補償性能：

1）從經(jīng)濟角度來說，設計DVR 時，應對系統(tǒng)進行優(yōu)化來減小補償裝置的容量，并將DVR 的輸出電壓限制在一定范圍內。因此，如何補償一個較大的壓降是需要考慮的問題。

2）從能量補償能力來說，DVR 的工作過程也是系統(tǒng)與設備間進行能量交換（有功，無功）的過程。DVR 提供的能量是有限的，以DVR 能夠補償更長的電壓降為前提，減少有功功率損耗的方案是補償策略中重要的研究內容。不同的電壓驟降條件，需要考慮電壓補償能力和能量補償能力，并使用不同的DVR補償方法。

2.2 完全補償法

系統(tǒng)中的電壓驟降通常表現(xiàn)為電壓幅度降低，與之伴隨的是電壓相位的變化。為了將電壓恢復到下降之前的狀態(tài)，通常將補償下降前后的電壓差考慮到系統(tǒng)中，最終達到電壓一致。完全補償方法向量如圖2所示。

圖2 完全補償法向量

這種方法的優(yōu)點是補償后的電壓幅度和相位與補償前完全相同，但是完全補償方法的實現(xiàn)是基于儲能設備提供的能量與DVR的容量足夠大。當下降電壓的相位偏差較大時，補償電壓和補償功率會同時增大，由于負載有良好的抗干擾能力，所以不需要完整的電壓補償。

2.3 同相補償法

圖3 同相補償法向量

2.4 最小能量補償法

最小能量補償法主要是調整負載電流和輸出電壓的相角。DVR 與系統(tǒng)和負載串聯(lián)連接，因此，DVR 電流與負載保持一致。當處于極限狀態(tài)時，相應DVR輸出的有功功率為0，即輸出電壓和負載電流具有90度的相位差。

為了便于分析，假設三相負載均衡且功率保持不變，功率因數(shù)恒定，補償法原理如圖4所示。

圖4 補償法原理

通過圖中所示變量關系，可以得到：

式中，PDVR為DVR 輸出功率；PL為負荷有功功率；PS為系統(tǒng)輸出有功功率。

當負載電流，相位與DVR 電流，相位相同時，DVR有功輸出為

式中，VC為DVR輸出補償電壓；VL為負荷電流；θ為DVR補償輸出的功率因數(shù)角。

最小能量補償法的優(yōu)點是可以使DVR 輸出有功最小，缺點是會導致補償前后的電壓相角產(chǎn)生變化。負載本身應在自己允許跳變的范圍內跳變，此方法或將超出最大跳變范圍。當系統(tǒng)電壓旋轉向量時（如圖5所示），最佳能量角就已超出承重范圍。

圖5 超出跳變范圍的系統(tǒng)電壓旋轉向量

2.5 最小功率法

從DVR 的視在功率角度出發(fā)，最小視在功率控制法是一種性能更好的綜合控制方法。其改進的主要內容是最小能量補償問題，此方法可以在DVR 的無功功率較小的情況下保持有功功率的轉換，功率輸出時可以最大程度地降低DVR 視在功率，DVR 注入的電壓幅度可以轉換。除此之外，還可以減少計算量，便于簡化和統(tǒng)一控制。其缺點是補償后負載側可能會出現(xiàn)電壓相位差跳變的問題。

3 結論

為了提高動態(tài)電壓恢復器用途的廣泛性，本文通過分析異常電壓干擾的狀態(tài)、特性及影響，簡化控制策略和控制器設計，對動態(tài)電壓恢復器的電壓暫降檢測算法和電壓補償策略進行了研究。主要內容及創(chuàng)新點如下：

1）在改進DVR 控制器的結構以及優(yōu)化其參數(shù)并分析其對電網(wǎng)電壓的影響時，需考慮電壓補償速度、精度、經(jīng)濟性及穩(wěn)定性，比原始DVR 在補償速度上有大幅度提高，精度上提高了3%。

2）改進后的DVR 在負荷需求和電網(wǎng)的不同條件下，適當?shù)刈龀鐾晟艱VR 控制器補償策略的動作，使DVR輸出有功最小，同時注意不同策略的集成和過渡過程，防止補償后負載側可能會出現(xiàn)電壓相位差跳變的問題。

通過實驗及向量圖的說明，證明了改進DVR的有效性與實際性。