动态电压恢复器研究综述

第31卷　第9期

　　　　

2007年5月10日Vol. 31　No. 9

　　　　　

May 10, 2007

101

动态电压恢复器研究综述

王同勋1,2, 薛禹胜1, S. S. C HO I 2

(1. 国网南京自动化研究院/南京南瑞集团公司, 江苏省南京市210003; 2. 南洋理工大学, 新加坡639798)

摘要:动态电压恢复器(DV R ) 作为一种重要的用户电力装置, 受到国内外研究者的广泛关注。首先介绍DVR 的工作原理和基本结构, 然后从拓扑结构、补偿策略以及控制方法几个方面对现有文献进行综述。最后对DVR 的研究发展进行了探讨。关键词:电能质量; 用户电力; 动态电压恢复器中图分类号:TM761. 1

0　引言

, [1]。动态电压恢复器(DVR ) 被认为是目前解决电压暂降问题最经济、有效的用户电力装置[2], 各国研究者对DVR 的诸多方面进行了广泛的研究。本文将从拓扑结构、补偿策略和控制方法等几个方面对现有文献进行综述。

1　D VR 的工作原理和基本结构

DV R 是一种串联型电能质量控制器。当电网

图2　单相DVR 的结构

Fig. 2　Topology of a single phase DVR

电压

・V s

2　D VR 的拓扑结构

现有的DVR 拓扑结构有很多种, 下面将根据应用场合、逆变器结构、输出滤波器位置、电网连接方式以及能量提取方式的不同进行分类介绍。2. 1　应用场合

根据应用场合不同,DV R 可分为中压DV R 和低压DV R 。中压DVR 应用于三相三线电力系统[7], 而低压DV R 应用于三相四线电力系统[8]。对于不平衡电压暂降, 中压DVR 只需补偿正序和负序电压, 而低压DVR 还需要额外补偿零序电压。2. 2　逆变器结构

DV R 的逆变器有2种结构, 最常用的是采用3个独立的单相逆变器。在这种结构中, 三相补偿电压之间完全独立, 可向线路中注入正序、负序和零序补偿电压。其中, 单相逆变器可采用两电平半桥[9]、两电平全桥[10]和三电平半桥[11]等结构类型, 拓扑结构如图3所示。

DV R 逆变器也可采用三相全桥结构[12], 如图3(d ) 所示。在这种结构中, 三相脉冲需要统一控制, 不能相互独立, 无法补偿零序电压。为了解决这个

发生电压暂降时,DVR 向线路中注入一个

・V inj

幅值、相位可控的串联补偿电压, 以保证负荷电压恒定, 如图1所示。图中,PCC 表示公共连接点

。

图1　简化原理图

Fig. 1　Simplif ied schem atic diagram

如图2所示, 常见的DV R 主要由电压型逆变

器(VSC ) 、控制单元、输出滤波器、储能单元、串联变

[324]

压器和旁路保护系统组成。DV R 进行补偿时, 控制单元控制VSC 产生串联补偿电压, 经串联变压器注入线路中。其中:输出滤波器用于滤除高次谐波; 储能单元提供补偿所需的有功功率; 旁路系统通常由机械断路器和双向可控硅等组成[5], 用于系统发生短路和电压浪涌故障时的VSC 保护[6]

。

收稿日期:2006211224; 修回日期:2006212231。

102

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007, 31(9) 　　

问题, 文献[13]在三相全桥结构中增加了一个射极

跟随器, 用于补偿零序分量

。

图3　不同的逆变器拓扑Fig. 3　Different 2. 3　DV R L C 滤波器, 根据位置不同可分为逆变器侧和线路侧2种, 如图4所

电压暂降特征、滤波器参数、储能单元容量以及补偿策略等因素[18219]。另外,DV R 进行电压补偿时, 变压器的饱和会产生极大的激磁涌流, 引起负荷电压畸变。为了抑制变压器饱和, 可以注入谐波电压抵消铁心磁通的直流分量[20], 或者使用波形系数对注入电压进行调整[21]。

采用无串联变压器DVR 则可以消除变压器所带来的附加相移、电压降落、谐波损耗以及冲击电流等问题[22], 但为了避免三相节点短路问题, 这种DVR 必须采用3[23]。无串联变压器DVR , 在高压应用场合, 可, 如图5, 这会降低DVR 的响应速度。[24]提出了级联多电平结构的DVR , 如图5(b ) 所示。文献[25]则提出了一种基于高频链逆变器的DVR

。

示

。

图4　输出滤波器Fig. 4　Output f ilter

采用逆变器侧滤波器, 由于输出电压中高次谐

波被滤除, 可以降低串联变压器的设计容量, 但会引起输出电压的相移和幅值衰减, 增加控制系统的设计难度。采用线路侧滤波器, 由于可以将串联变压器的漏感作为滤波电感, 滤波器的设计会相对简单, 对控制系统的影响也较小, 但这种类型的DV R 需要较大容量的串联变压器, 滤波效果也较差[14]。

文献[15]和[16]分别分析了逆变器侧和线路侧滤波器参数的选择对DVR 逆变器容量、输出电压衰减程度以及串联变压器压降的影响, 并提出了滤波器设计原则。文献[17]则讨论了滤波器参数对系统控制特性的影响。2. 4　电网连接方式

根据与电网的连接方式不同,DV R 可分为有串联变压器类型和无串联变压器类型。

有串联变压器DVR 通常采用升压变压器, 从而降低直流侧电压等级, 另外, 变压器还起到隔离逆变器和电网的作用。但是, 变压器的参数设计比较复杂, 需要考虑变压器损耗及允许压降、负荷容量、

图5　级联单相DVR

Fig. 5　Single phase transformerless DVR with

cascaded switches or inverters

2. 5　能量提取方式

根据能量提取方式不同,DVR 可以分为有储能装置类型和无储能装置类型, 如图6所示[26]

。

图6　能量提取方式

Fig. 6　E nergy extration m anner

・综述・　王同勋, 等　动态电压恢复器研究综述103

对于有储能装置的DVR , 直流电容器是最常见

的储能方式[27], 如图6(a ) 所示。这种储能方式的变流器结构简单, 电容器可以通过VSC [22]或附加的充电电路为其充电, 但由于所储能量与电容电压的平方成正比,DV R 进行电压补偿时直流侧电压会随着能量的消耗而衰减。另外,DVR 也可采用直流储能系统如蓄电池[28]、超级电容[29]、超导储能装置[30]以及飞轮储能装置[31]等, 如图6(b ) 所示。在这类储能装置中, 能量必须通过DC/DC 变流器从储能系统传递给直流环节电容, 这样, 直流侧电压基本可以保证恒定, 但是这种储能方式成本较高。

无储能装置DV R 是利用并联整流电路从电网侧或负荷侧的线路上提取能量, 如图6(c ) , (d ) 所示。这种结构能够维持长时间电压补偿[32233], 能引起更严重的电压暂降。

的相位, 从而对DV R 的补偿速度有一定影响

。

图8　Fig. 8　Pre 2strategy

|V |cos φ右侧区域, ; 位于|V |cos φ左,DVR 将注入有功功率。因此, 与同相位补偿策略相比, 该补偿策略对DVR 的储能单元容量要求较高, 并需要采取额外措施来解决储能单元电压上升的问题, 如使用斩波器与直流电阻组成的放

・

・

3　补偿策略

电压暂降发生后,DV R 会向线路中连续注入补偿电压, 直到电网电压恢复正常。补偿过程中, DVR 可以采取不同的补偿策略, 如同相位补偿策略、暂降前电压补偿策略、能量优化补偿策略以及综合补偿策略。下面将具体介绍这几种不同的补偿策略。3. 1　同相位补偿策略[34]

对于同相位补偿策略,DVR 的补偿电压与瞬时电网电压同相位, 补偿电压的幅值为负荷参考电压与电网电压之差, 如图7所示, V pre 是暂降前的电网电压。这种补偿方式只需测量电网侧瞬时电压, 补偿速度快且补偿电压幅值最小, 但无法补偿暂降前后电网电压相位跳变, 由此可能会导致负荷电压波形的断续

。

・

电电路等[36]。3. 3　能量优化补偿策略

能量优化补偿策略是通过调整DV R 补偿电压的相位, 从而实现对DV R 功率因数的控制, 使功率在电网与DV R 之间重新分配, 从而减少DVR 有功功率注入和吸收。如图9所示, 如果采用同相补偿策略,DVR 注入的有功功率将为V ip1|I |, 而能量优化补偿策略则通过注入一个超前相位的补偿电压

V inj , 将负荷电压幅值补偿到暂降前的水平, 使得注

・

・

入的有功功率减少为V ip2|I |。因此, 该策略能够优化利用直流储能, 延长DV R 的有效补偿时间。同时, 由于补偿电压幅值较大, 该策略对DVR 的视在功率要求较高。另外, 瞬时相位角的实时旋转也会引起电压波形不连续、过零点不准确以及负荷功率摆动等问题。为了减小这种相位跳变对负荷的影响, 文献[37]提出了一种渐进式的相位旋转方法

。

・

图7　同相位补偿策略

Fig. 7　In 2phase compensation strategy

3. 2　暂降前电压补偿策略[35]

对于暂降前电压补偿策略, 如图8所示,DVR 的补偿电压为瞬时电网电压与暂降前电网电压的差值。这种策略保证了电压暂降前后负荷电压的连续性, 但需要连续跟踪电网电压, 检测暂降前电网电压

图9　能量优化补偿策略

Fig. 9　E nergy saving compensation strategy

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当补偿电压和负荷电流垂直时, 该策略可实现

零有功功率注入。但在电压暂降严重时, 由于电压补偿极限的限制,DV R 则无法实现零功率注入[38]。针对这种情况, 文献[37]和[39]分别提出了单相和三相DV R 的最小能量注入补偿策略, 并给出了α的确定方法, 文献[40]则提出一种改进方法, 以恒定步长改变α, 根据特定量决定α的变化方向, 不需要直接求取α。另外, 考虑到负荷对电压有一定的容许范围, 文献[41]提出了相应的补偿策略。

对于不平衡电压暂降, 文献[42]提出通过旋转正序分量来实现能量优化, 文献[9]的能量优化补偿策略则考虑了零序、负序和正序分量。对于使用不控整流器提取能量的DVR , 文献[43]提出了不平衡电压暂升情况下DV R 对于三相三线系统, 文献[44], 3. 4　综合补偿策略

综合补偿策略即在电网电压暂降后,DV R 采用暂降前电压补偿策略将负荷侧电压恢复到暂降前水平。随着储能单元电压下降, 调制比上升到预定值时,DVR 再采用渐进式相位旋转方法过渡到能量优化补偿方式[45], 而当补偿参考电压大于DVR 的额定电压时, 则过渡到同相补偿策略[46]。该策略综合考虑上述3种补偿策略, 以实现多目标优化。

应。为了提高DVR 对电网侧电压波动的响应速度, 则可以采用电网侧电压前馈和负荷电压反馈相结合的复合控制策略[13]。

为了提高DVR 的暂态响应, 文献[50]将Po sicast 控制器应用于双闭环系统, 文献[51]则提出了双闭环矢量控制:先将三相交流量经过派克变换转换为旋转坐标下的直流量, 然后采用PI 控制器进行控制。为了提高系统鲁棒性以及避免复杂的坐标变换, 文献[52]采用静止坐标下的H ∞控制器。另外, 神经网络[53]、模糊逻辑控制[54]以及无差拍控制[55]也被应用于DVR 。

可以通过派克变换将正, 然后进[。为了简化计算量, 文献[57]采用R 瞬时功率理论直接将静止坐标系下的三相电压变换为PQ R 坐标系下的3个直流量, 这3个直流量分别对应正序、负序和零序分量, 然后分别进行矢量控制。

除了补偿电压暂降外,DVR 还可以通过在控制系统中增加共振滤波器[58]或重复控制器[59]进行特定谐波消除。文献[60]还提出具有故障电流限制功能的DVR 。在电网电压畸变严重的系统中,DV R 进行电压暂降补偿时必须考虑谐波的影响, 文献[61262]进行了这方面的研究。

5　D VR 的工程应用

随着DVR 理论和研究的发展,DV R 已被逐渐实用化并进入工业现场。世界上第1台工业应用的DVR 是由西屋公司和EPRI 联合研制的,1996年8月被安装在美国杜克电力公司12. 47kV 系统中, 用来保障一家纺织厂的供电质量[3]。这台DV R 的容量为2MVA , 可补偿的最大电压暂降为33%。

随后,ABB ,Siemens ,SST , GE 等公司都相继推出各自的中压DVR 产品。世界上最大的一台DV R 是由ABB 公司设计的, 安装在以色列一家半导体工厂的22kV 馈电线路上, 被保护的负荷容量为45MVA , 其响应时间小于1ms , 可补偿的最大电压降落为50%, 补偿时间可达500ms 。SST 公司则推出了用于480V 以下系统的DVR 产品, 容量为1. 5kVA ～2000kVA , 效率可达99%以上, 响应时间小于2ms [63]。

我国也开展了广泛的DVR 工程研究, 如中国电力科学研究院承担的中压级联多电平DVR 示范工程等。

4　控制方法

比较简单的DVR 控制方式是前馈控制[3], 即根据电网电压计算出参考补偿电压, 直接产生调制信号进行补偿。前馈控制具有很高的动态响应速度, 但电压超调比较严重, 控制精度不高。

为了提高DV R 输出电压稳定性, 可以采用电压单闭环反馈控制[47], 但这种方法的负载适应能力不强。为了减小负荷变化对控制性能的影响, 常用的方法是采用内环为滤波电感电流反馈或滤波电容电流反馈的双闭环反馈控制。其中, 电感电流反馈有较好的负载适应能力和过流保护能力[10]; 而由于电容电流与输出电压的变化率成正比, 电容电流反馈控制则具有更好的动态性能[48]。为了综合上述2种方法的优点, 文献[22]采用电感电流反馈加负荷电流前馈的控制方案, 这在采样电路精度足够高的情况下, 等效于电容电流反馈控制, 同时又具有限流保护能力。

双闭环控制具有很好的控制精度, 但电流反馈环节的引入降低了系统的动态响应。文献[49]则提出了一种状态反馈控制方法, 采用全维电流观测器估计输出电流的微分量, 以此来提高系统的动态响

6　结语

DV R 作为一种有效的电能质量调节装置, 有助

・综述・　王同勋, 等　动态电压恢复器研究综述105

于降低电能质量恶化所引起的生产中断、设备损坏

和产品报废等带来的经济损失。为了进一步降低装置成本, 提高DVR 的经济性, 无串联变压器类型是一个发展方向。另外, 由于减小储能单元容量也同样可以降低DV R 的成本, 因此采用从电网提取能量的DV R 也是一种较好的选择。因此, 本文认为DVR 的研究还需要就以下几个方面进行深入探讨:

1) 对电压暂降的成因、特征以及电压暂降对典型负荷的影响进行深入分析, 以指导DV R 的设计;

2) 进一步研究无串联变压器DV R 的保护方案及其工程应用;

3) 对于从电网提取能量的DV R , 应研究其控制方案及其与电力系统的相互作用;

4) 研究开发具有多种功能的DVR ;

5) 进行DVR [9]张秀娟, 杨潮, 唐志, 等. 串联型电能质量控制器注入电压的研

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Piscataway , NJ , USA :

) , 男, 博士研究生, 研究方向为电能质王同勋(1977—

量。E 2mail :[email protected]. sg

) , 男, 博士生导师, 总工程师, 中国工程薛禹胜(1941—

院院士, 主要从事电力系统自动化方面的研究工作。E 2mail :yxue @nari2china. com

) , 男, 教授, 主要从事电力系统分S. S. CHOI (1949—

析与控制以及电能质量方面的研究工作。E 2mail :esschoi @ntu. edu. sg

R eview of Dynamic V oltage R estorer

W A N G Tong x un 1, 2, X U E Yusheng 1, S. S. C HO I 2

(1. Nanjing Automation Research Institute , Nanjing 210003, China )

(2. Nanyang Technological University , Singapore 639798)

Abstract :Dynamic voltage restorer (DVR ) has been considered to be a cost effective custom power device and has attracted much research attention recently. A comprehensive review of DVR topologies , compensation strategies and control methods is presented in this paper. It is aimed at providing a broad perspective on the status of DVR to researchers , designer , and application engineers working on custom power device.

K ey w ords :power quality ; custom power ; dynamic voltage restorer (DVR )