动态电压调节器串联补偿电压研究

收稿日期: 2001O01O12 动态电压调节器串联补偿电压研究 杨 潮1,韩英铎1,黄 瀚1 ,马维新1 ,高 强2 ,孟令宾2,姜国义2,徐力新2 ( 11清华大学 电机系,北京 100084; 21赤峰电业局,河北 赤峰 024001) 摘要: 动态电能质量问题正在给飞速发展的信息技术时代带来巨大的危害。动态电压调节器(以 下简称 DVR)是解决动态电压问题的有效手段。对这类装置中能量流动和补偿电压控制问题进行 了分析。提出了可以补偿电压浪涌和保证最小能量补偿的电压补偿轨迹。并且分析了在考虑补偿 装置内阻抗情况下的电压补偿策略。 关键词: 电能质量; 动态电压调节器; 电压骤降; 电压骤升 中图分类号: TM 773 文献标识码: A 文章编号: 1006O6047( 2001) 05O0001O05 0 引言 随着信息和计算机技术的飞速发展,动态电压 质量问题给电力用户带来的危害也日益严重起来。 相关的研究和的数据及负荷已经很好地证 明了这些容易被人们忽视的电压质量问题[ 1]。DVR 是FACTS家族中的重要成员, 其良好的动态性能和 容量上的相对优势使得它成为治理动态电压问题最 经济、有效的手段。第一台工业应用的 DVR 由 Westinghouse 公司于 1996 年研制成功, 并安装在 Duke电力公司的 12147 kV 系统上, 装置容量为 2 MV#A,主要用于抑制纺织厂供应电压的骤升 (SWELL)骤降( SAG)。随后 ABB、西门子等公司也 相继开发出各自的相关产品来保证敏感负荷对电压 质量的要求,一部分已经成为电力服务的重要内容 之一。国内学者也相继开始了有关 DVR 的研究。 图1是一个典型的DVR系统框图。 图 1 典型 DVR框图 串联补偿装置在补偿运行过程中, 和系统存在 着能量交换,通常有一个储能单元。电容储能是其 中最简单的方式[ 2]。由不可控整流桥与储能电容构 成的储能单元使得系统电压跌落时,可通过不可控 整流桥向串联装置输送能量。保证装置具有一定的 电压补偿能力, 一些系统中也采用这样的。由 于不可控整流的存在,能量只能通过 DVR向负载注 入,所以无法补偿电压浪涌带来的危害。使用 DC/ DC变换器和直流储能单元(例如蓄电池组)构成 的系统不仅可以克服直流侧电压问题, 而且可以将 直流侧电压稳定。储能单元的存在也使得 DVR具 有了一定的吸收浪涌的能力。但是它需要额外的充 电装置,这些都使得系统成本提高,可靠性降低。 如果仅仅利用电容器储能, DVR的补偿能力和 电容器的容量直接相关。通常可以根据电压跌落过 程中(跌落时间约为 150~ 200 ms)负载需要补偿的 最大能量进行计算。减小故障期间的有功功率注入 也可以提高 DVR 的补偿能力, 根据负载电流情况 调节注入电压相角可以减小注入能量, 增加补偿 能力[ 2]。 DVR中的串联补偿装置存在着内阻抗,这个阻 抗是影响输出电压的重要因素, 它将影响到能量补 偿情况和电压补偿能力。 本文对串联单元内阻抗的特点进行了分析,并 且根据其影响对电压注入方式进行调整, 得出了该 状态下的电压补偿方式。并将其扩展, 使得 DVR具 有了抑制浪涌的功能。仿真结果和使用该补偿策略 的分析结果非常吻合。 1 DVR的能量流动和补偿电压控制 111 DVR的电压注入方式 DVR的电压注入方式通常要考虑 2 个方面的 问题。一是电压补偿能力,即在相同的直流侧电压 Ud条件下, 如何补偿更大幅度的电压跌落问题; 二 是能量补偿能力, 即在相同直流侧电压 Ud 和储能 电容 C 的条件下, 在电压跌落情况下如何获得更长 的补偿时间问题。这 2个问题是相互关联的,一般 可通过实时检测输入电压幅值和相位, 以及通过求 第 21 卷第 5期 2001 年 5月 电 力 自 动 化 设 备 Electric Power Automation Equipment Vol. 21 No. 5 May. 2001 取电压有效值或瞬时值并与基准值比较的方式确定 电压跌落的幅度。再通过检测负载正序电流分量得 到负载电流的相位。装置则通过改变注入电压的相 位和幅值控制输出电压的情况。图 2是系统电压、 补偿电压、输出电压、负载电流之间的向量关系图。 图 2 DVR系统向量图 将系统电压用半径为 Kc的同心圆表示,圆周上 不同的点则表示了系统电压的相位。从圆周上任意 一点到补偿后的负载电压 UL 的向量就是补偿电压 Uc,例如图 2 中的 Uc1, Uc2。寻求最小电压补偿和 最小能量补偿就是要在这些圆周上选取最合适的工 作点以满足补偿要求。可以 DVR装置最大的 电压补偿值为 Uc, max ,所以, 实际装置可以补偿的向 量必须开始于以 UL端点 D 为圆心, 以 Uc, max为半径 的圆内。在一个特定的电压跌落幅度 Kc的情况下, 补偿向量的轨迹为 2个圆相交的圆弧部分, 例如图 2中的弧AB。保持补偿电压和系统电压同相的补偿 方式称为同相补偿方式。在同相补偿方式下, 注入 电压的幅度最小。并且, 输出电压没有相位偏移, 也 没有输出功率的波动。但是, 在不同的功率因数角 的情况下,补偿装置提供的有功分量并不是最小的, 例如图 2的 U cp1> U cp2。文献 [ 2]对于最小能量补 偿进行了详细分析, 得到了补偿电压计算方法。但 是,依然存在 2个问题: a. 仅讨论了电压跌落情况下注入电压的关系, 并没有综合考虑电压浪涌情况。 b. 没有考虑 DVR 等效阻抗对于补偿效果的 影响。 本文将对这 2个问题进行分析, 分析装置的浪 涌抑制能力,并且在考虑 DVR等效阻抗的前提下修 正补偿电压计算方法。 112 DVR的理想补偿轨迹 DVR的补偿轨迹可以定义为在不同电压跌落 条件下, 按照一定补偿选取的一组补偿电压端 点所构成的轨迹。采用的补偿规则不同, 得到的补 偿电压轨迹也不同。例如:在图 2中如果按照最小 电压补偿规则进行补偿, 其补偿电压轨迹为 CD。 实际上,补偿电压轨迹和以 Kc为半径的圆的交点就 是在一定补偿规则条件下的补偿电压的端点,这个 端点到 D 点的矢量就是补偿电压。图3~ 图 5就是 3种不同情况下 DVR的补偿轨迹。 图 3 最小电压补偿的补偿轨迹 图 4 最小能量补偿的补偿轨迹 ( Uc, max [ ULcos U) 图 5 最小能量补偿的补偿轨迹 ( Uc, max> ULcos U) 图 6表示了在不同电压跌落情况下,采用不同 的电压补偿轨迹对注入有功功率的影响。图 6中规 定最大补偿电压 Uc, max= UL / 2,能量补偿比例定义 为补偿装置工作时, 它向系统输送的有功功率和负 荷总有功功率的比值。 2 电 力 自 动 化 设 备 2001 年 图 6 能量补偿的比较 在相同的电压跌落程度下,采用最小电压补偿 轨迹和最小能量补偿轨迹对能量的补偿效果是不同 的。采用了最小能量补偿方式后, DVR向系统输送 的能量远远小于最小电压补偿的情况。从图 6中还 可以看出,随着负载功率因数角的增加,能量补偿比 例也相应缩小。 113 浪涌电压的抑制效果 DVR最小能量补偿轨迹的 DE 段(见图 4, 图 5) 具有抑制电压浪涌的特性。通常在 DVR 的设计过 程中都对储能装置特别考虑。能量传输和转换是一 个非常重要的问题。一般都是通过电容和不可控整 流装置实现能量的正向(系统到 DVR 装置)传输。 在图 1的 DVR典型结构中能量只能单向流动,又没 有蓄电池等储能装置。所以, 补偿电压浪涌的时候, 也要控制能量的流向以确保储能电容电压不会一直 升高。 DVR最小能量补偿轨迹 DE 段正好可以满足以 上要求。DVR在 DE 段的时候, DVR不向负载提供 有功功率, 补偿后的负载电压 UL滞后系统电压 Us 一个角度。输出电压降低, 起到了抑制电压浪涌的 作用。 浪涌抑制能力和负载功率因数角 U密切相关。 图7为不同负载功率因数角情况下 DVR 抑制浪涌 电压的能力。图 7 中 Us, max为最大可补偿的系统 电压。 图 7 DVR抑制浪涌电压的能力随 U变化曲线 由图 7可见, 当负载功率因数角 U= 90b, 即纯 电感负载时, 补偿能力最强, 可以补偿掉 50%的过 电压。而负载功率因数角 U= 0b,即纯有功负载时, 补偿能力最弱,约可以补偿 11%的过电压。 114 DVR的等效阻抗 DVR串联接入电网需要经过一个升压变压器。 逆变器通常是采用 SPWM 控制的电压型逆变器, 输 出电压中含有的高次谐波分量可通过加入适当的滤 波器滤除。图8为 DVR的等效电路。 图 8 DVR等效电路 在图 8的等效电路中, L 2, C1, R1 表示逆变器输 出滤波器参数, L 1, R 2 是串联变压器等效电感和电 阻。由戴维南定理,可以求得等效电势和等效内阻为 U c C= UC C1L2S 2+ 1 (1) Z c C= R2+ L1S + L 2S C1L2S 2+ 1 (2) 将 S= j X代入以上 2个式子,可以得到: U c C= UC 1- X2C1L 2 (3) Z c C= R2+ j ( L 1+ L2) X- C1L1L 2X 3 1- X2C1L2 (4) 从式 ( 3)可以得出, 对于工频成份要尽可能保证 UC= U c C, 即 X2C1L 趋向于 0。所以式(4)在这个条 件下可以化简为 Z c C= R2+ j[ ( L1+ L2) X] (5) 115 DVR等效阻抗对于电压补偿轨迹的影响 正是由于 DVR存在等效阻抗, 使最小能量补偿 的轨迹发生了变化,也使得补偿效果发生了变化。图 9中可以很清楚地看到这些变化产生的原因和结果。 图 9 DVR内阻对补偿效果的影响 3第 5期 杨 潮, 等: 动态电压调节器串联补偿电压研究 图9中虚线表示的坐标轴为不考虑 DVR 阻抗 情况下的向量图。在这种情况下, 是以 UL 为补偿 结果的。负载电流在内阻抗上的压降为 UZC。在 UZC的作用下, 补偿结果由 UL变化到了 U cL ,而负载 电流也由 IL变化到 I cL。如果依然采用原来的补偿 轨迹 A - B- C, 最后的补偿效果将发生很大的变 化。主要表现在: a. 负荷电压下降, 在某些情况下补偿后的电压 幅度甚至小于补偿前的电压幅度。 b. 负载电流向量的变化使得很有可能能量由 系统向 DVR 装置输送, 例如图 9 中的补偿轨迹 B- D。 可以通过改变电压补偿轨迹的方式来消除 DVR内阻对输出电压的影响。图 10就是考虑内阻 压降后的系统向量图。 图 10 考虑内阻压降后的系统向量图 式(5)表明, 由于内阻抗主要是由 L1+ L2 构成, 内阻抗上的压降主要为垂直于负载电流的电压向 量,所以可根据系统参数和负载电流情况预先求得 内阻压降向量 UZC。在补偿过程中,只要将 D 点沿 垂直负载电流的方向增加得到D . , 采用相同的方法 可以得到以 D .为中心, U c, max为最大补偿极限的补 偿轨迹 A . - B. - C. 。和原先补偿轨迹A- B- C 相比,发生了以下几点变化: a. 最大电压跌落补偿能力下降; b. 依然可以保持最小能量注入的特性; c. 抑制电压浪涌的能力得到增强。 2 仿真结果分析 图11, 图12是在没有考虑串联单元内阻情况下 对电压浪涌补偿的仿真结果。主要仿真参数设定 如下。 a. 逆变器输出滤波电感: L 2= 25 mH; b. 逆变器输出滤波电容: C1= 10 LF; c. 系统电压浪涌程度: Kc= 113; d. 最大补偿电压极限: U c, max= 0. 5 p. u. ; e. 负载电阻: R L= 20 8 ; f. 负载电感: LL= 100 mH; g. 负载功率因数角: U= 5715 b; h. 直流侧储能电容: CS= 2 000 LF。 在不考虑串联单元内阻的情况下, 如果采用最 小电压注入方式来补偿电压浪涌, 直流储能电容电 压将持续升高,这主要是因为没有能量反向流动通 道的缘故。图11中的 US 为系统电压, UL为补偿后 的负载电压, I L为负载电流。而图 12 采用的补偿 方式是按照补偿轨迹计算出来的相角和幅值进行补 偿的结果。可见, 电容电压基本保持不变,能量传递 发生了改变。 图 13是在考虑 DVR内阻后的补偿效果。从图 中可以得到通过图 9分析得到的结论。Uref是理想 状态下的补偿结果, 而实际补偿结果 UL 要小于理 想补偿结果。同时, 从直流侧电容电压 UCS的变化 也可以表示串联阻抗引起的电压跌落过程中的能量 反向流动过程。 图 14是采用改进后补偿轨迹得到的补偿效果。 从图中可以看出, 负荷电压可以有效地跟踪预期的 补偿效果( Uref基本和 UL 重合) ,并且, 能量流动方 向也重新恢复正常。 4 电 力 自 动 化 设 备 2001 年 8 结论 本文对 DVR电压补偿策略进行了细致的分析。 提出了在理想情况下, 可以采用最小能量注入轨迹 对电压浪涌进行抑制。在实际系统中,由于 DVR存 在着等效阻抗, 使得补偿结果和理想效果存在着较 大的偏差, 采用改进后的电压补偿轨迹可以消除等 效阻抗带来的影响,并可防止电压跌落过程中能量 反向流动的不正常过程。仿真结果很好地验证了分 析结果。文中并没有考虑非线性负载引起的谐波电 流对补偿效果的影响, 对于系统中存在的电压谐波 也没有进行分析,这些问题正在继续研究。 参考文献: [ 1] Koval D O, Bocancea R A, Yao K, et al. 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Chi Feng Power cop. , Chi Feng 024001, China) Abstract: Dynamic voltage problems are doing great harm to the era of fast developing information technology. Dynamic Voltage Restorer( DVR) is the main effective solution to this kind of problems. The energy flow and compensating voltage control in DVR are analyzed.The voltage compensation locus is proposed, which can com- pensate for voltage surges and ensure the minimum energy compensation. The voltage compensat ion strategy, which takes the internal impedance of the compensating device into account, is also analyzed. Keywords: power quality; dynamic voltage restorer; voltatge sag; voltage swell 诚征合作伙伴! ! ! 北京光耀电力设备有限公司是美国通用电气公司(GE)工业系统集团电力自动化及电能管理系 统的国际分销商。负责中国北方市场的开发、工程服务及技术培训。希望您访问我们的网站: http: / /www. gyee-china. com或 http: / / www. gyee. com. cn以了解公司更多的信息。 光耀电力现在全国诚征 GE POWER MANAGEMENT 的代理商,系统集成商及合作伙伴。 我们将以最大的热情与倾心的服务把国际上最先进的电力自动化产品带给您。 通过我们的合作,能使您真正地了解到世界上最赚钱的公司 ) GE, 是如何取得巨大的效 益,领略 GE 的管理与技术质量的精髓,并把它带到我们的合作中来,, 光耀电力公司总经理: 张新亚 地址: 北京市朝外大街 20号联合大厦 811A 电话: 010- 65883951 65883953 65883955 65883956 65880912 传真: 010- 65883952 E-mail: GYEE@ GYEEOCHINA. COM 5第 5期 杨 潮, 等: 动态电压调节器串联补偿电压研究