CN104052062A - 基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法，其步骤包括：获取配电网系统三相电压的幅值和相位；对配电网在发生电压暂降后的系统电压进行检测分析，确定电压暂降信号的特征量；对发生电压暂降前后系统电压、负荷参考电压以及补偿电压之间的关系进行推导分析，建立有功功率特性方程并对其求导，确定动态电压恢复器在向系统注入最小有功功率补偿负荷电压的情况下所要满足的条件；条件满足时系统向逆变器发出补偿指令，逆变器输出补偿系统所需电压。本发明能及时准确地进行故障电压的检测与补偿，最大程度地降低DVR装置在工作时向系统注入的有功功率，降低DVR装置直流储能单元的能量损耗，有效地延长补偿时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法，属于暂态电能质量扰动信号分析领域，特别适合配电网中出现短时电压扰动的检测与补偿。
背景技术
上世纪八十年代以来，一些新型电力电子负荷对电能质量的要求不断提高，电能质量已成为电力企业和用户共同关心的问题。电能质量诸多问题中，尤以暂态电压扰动，包括电压暂时下降、升高、闪变等造成的危害最为普遍。统计表明，大型电力用户，幅度超过20％的电压暂降年发生率在10-20次左右，像机场、银行、精密电子元器件制造业、计算机网络和服务监控中心等重要场合，每次由电压暂降造成的经济损失达数十万至数百万元之多。可见，减少或减缓暂态电压扰动的发生及其造成的危害是提高供电质量的重要内容。
电压暂降和短时供电中断是影响用电设备正常、安全运行最严重的动态电能质量问题。动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和重要负荷之间。它具有很好的动态性能，当发生电压暂降或短时中断时，能在很短的时间（几个毫秒）内将故障处电压恢复到正常值，所以它是解决电压暂降等短时电压扰动问题最有效的手段，相比于其它几种电压校正装置而言更具灵活性和经济性，应用前景非常广阔。
如何使DVR工作效率更高，补偿时间更长，运行成本更低等问题成为国内外电力领域学者研究的热点。DVR在补偿系统所需电压的同时需要给系统注入有功功率，消耗的这些有功功率由直流储能单元给及，直流储能单元容量的大小会直接影响到DVR装置的体积以及运行成本。因此，对DVR装置采用不同的补偿控制策略会导致DVR在工作时向系统注入的有功功率和补偿电压也不同，从而不仅会影响到DVR补偿工作的持续时间以及对负荷电压的补偿程度，而且还关系到DVR装置直流储能单元的容量大小，特别是对以蓄电池组等小功率储能器件为直流储能单元的DVR装置，选取合适的补偿控制策略，减少DVR在工作时向系统注入的有功功率，降低DVR在工作时的能量消耗，有效地补偿系统所需电压和延长补偿时间，提高 DVR 装置的经济性，意义重大。
目前DVR装置采用的控制策略主要有三种：完全补偿控制策略、同相补偿控制策略和最小能量补偿控制策略，完全补偿控制策略以及同相补偿控制策略虽都能较好的补偿系统在发生电压暂降时负荷所需电压，但是DVR装置在进行补偿工作时需要向系统注入大量的有功功率，消耗的能量比较多。传统的最小能量补偿控制策略理论比较复杂，在确定DVR装置实现最小能量补偿的条件时需要分情况讨论，数学推导模糊，另外，补偿后负荷电压相量可能存在着相位的跳变等问题。
发明内容
为了满足DVR装置在对系统发生电压暂降扰动后能够及时准确地进行故障电压的检测与补偿，最大程度地降低DVR装置在工作时向系统注入的有功功率，降低DVR装置直流储能单元的能量损耗，有效地延长补偿时间，本发明提出了一种基于最小有功功率注入的DVR补偿控制方法对系统电压暂降扰动进行有效地检测与补偿。
本发明的技术方案是：
基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法，包括以下步骤：
步骤一：获取配电网系统电压的幅值和相位；
步骤二：利用dq变换电压检测方法对配电网在发生电压暂降后的系统电压进行检测分析，确定电压暂降信号的特征量；
步骤三：选取负荷参考电压，通过对配电网在发生电压暂降前后系统电压、负荷参考电压以及DVR向系统注入的补偿电压之间的关系(包括电压幅值和相位)进行推导分析，建立系统电压、电流向量图以及DVR装置在工作时的有功功率特性方程，对有功功率特性方程进行求导，利用导数知识确定DVR装置在向系统注入最小有功功率补偿负荷电压的情况下所要满足的条件；
步骤四：对DVR装置中的逆变器采用最小注入有功功率补偿控制方法，补偿系统所需电压，更为有效地降低DVR装置的能量损耗，提高DVR装置的经济性。
本发明的有益效果是：
本发明动态电压恢复器中的逆变器采用最小有功功率注入的补偿控制方法，能够更为有效地延长动态电压恢复器的补偿时间，提高动态电压恢复器的工作效率，确保配电网中重要负荷的供电可靠性。
本发明提出的配电网DVR补偿控制方法的系统理论简单易懂，无需分情况讨论，数学推导清晰，在确定DVR最小注入有功功率条件时简洁方便，且可以进一步减少DVR在工作时向系统注入的有功功率，延长补偿时间。
本发明能有效满足DVR装置在对系统发生电压暂降扰动后能够及时准确地进行故障电压的检测与补偿，最大程度地降低DVR装置在工作时向系统注入的有功功率，降低DVR装置直流储能单元的能量损耗，提高动态电压恢复器的经济性，有效地延长补偿时间。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2为配电网中DVR装置的工作原理示意图；
图3为本发明一实施例，利用相量图表示的配电网在发生电压暂降前后系统三相电压、负荷参考电压、负荷三相电流以及DVR向系统注入的补偿电压之间的关系：
图4是本发明一实施例，带有dq变换电压检测的DVR最小有功功率注入的补偿控制方法框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法，通过对DVR装置在补偿配电网发生电压暂降扰动时所消耗的有功功率进行分析，对暂降扰动发生后系统电压、DVR装置向系统注入的补偿电压、负荷参考电压、负荷电流之间的关系进行推导，建立系统向量图以及DVR装置工作时的有功功率特性方程，对方程进行求导，利用导数知识确定DVR装置在向系统注入最小有功功率补偿负荷电压的情况下所要满足的条件，从而有效地延长DVR装置的补偿时间，提高DVR装置的工作效率。
本发明基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法的具体步骤如图1所示，包括：
步骤一：获取配电网系统三相电压的幅值和相位；
步骤二：利用dq变换电压检测方法对配电网在发生电压暂降后的系统电压进行检测分析，确定电压暂降信号的特征量；
步骤三：选取负荷参考电压，通过对配电网在发生电压暂降前后系统电压、负荷参考电压以及动态电压恢复器向系统注入的补偿电压之间的关系，包括补偿电压的电压幅值和相位，进行推导分析，建立系统电压、电流相量图以及动态电压恢复器在工作时的有功功率特性方程，对有功功率特性方程进行求导，利用导数知识确定动态电压恢复器在向系统注入最小有功功率补偿负荷电压的情况下所要满足的条件；
步骤四：当条件满足时，系统向动态电压恢复器中的逆变器发出补偿指令，逆变器输出补偿系统所需电压。
步骤三中，系统电压、电流相量图以负荷参考电压为轨迹圆，轨迹圆以系统暂降前的系统电压幅值为半径，相量图中包括配电网在发生电压暂降扰动前后系统三相电压、负荷参考电压、负荷三相电流以及动态电压恢复器向系统注入的补偿电压。
步骤三中，有功功率特性方程是通过对系统相量图的分析，建立的配电网系统、负荷、DVR装置三者之间的有功功率特性方程，方程以动态电压恢复器向系统注入的有功功率为因变量，以负荷参考电压与系统暂降前电压之间的相位夹角为自变量，建立角度与有功功率之间的函数关系；利用导数对有功功率特性方程函数进行推导，求出函数最小值，并求出函数取最小值时负荷参考电压与系统暂降前电压之间的相位夹角，也即当所取的负荷参考电压与系统暂降前电压之间相差最小注入有功功率角度时，动态电压恢复器能以向系统注入最小的有功功率来补偿负荷所需电压。
当配电网发生电压暂降扰动后，动态电压恢复器需向系统补偿电压，使得负荷电压不受影响；动态电压恢复器在进行补偿工作时向系统注入有功功率，对DVR装置采用补偿控制策略，使得动态电压恢复器在补偿系统所需电压的情况下向系统注入的有功功率最小。
本发明用于解决配电网中出现的电压暂降、暂升、短时中断等电压扰动问题。基于最小有功功率注入的DVR补偿控制方法包括电压检测与电压补偿控制两部分。本发明在电压检测方面采用基于dq变换的电压扰动检测方法；电压补偿控制方面采用基于最小有功功率注入的DVR补偿控制方法，基本原理是确定系统在发生电压扰动后所选取的负荷参考电压与扰动前负荷电压之间的最小有功功率夹角，使得DVR装置在此情况下在向系统注入的有功功率最小，减少DVR装置在工作时与系统发生的有功交换。本发明提出的配电网DVR补偿控制方法，核心思想是利用二阶导数确定DVR装置在向系统注入最小有功功率补偿负荷电压的情况下所要满足的条件，该方法系统理论简单易懂，无需分情况讨论，数学推导清晰，在确定DVR最小注入有功功率条件时简洁方便，且可以进一步减少DVR在工作时向系统注入的有功功率，延长补偿时间。
参见图2所示， 配电网中DVR装置的工作原理示意图。图2中，DVR装置通过耦合变压器串联在配电系统与负荷之间，可见负荷侧电压等于系统电压与DVR装置输出的电压两者之和。在配电网正常供电情况下，DVR 工作在备用状态，不接入系统。而当配电网发生电压暂降扰动影响到负荷用电的时候，DVR 立即(几毫秒内)向系统注入补偿电压，补偿故障下的电压差，使负荷电压不受系统电压变化的影响，始终工作在要求的电压等级。
DVR装置的主电路由直流储能单元、电压源型逆变单元、耦合单元、滤波器组成。其中，逆变单元是DVR装置的核心，它是基于全控器件的电压源型逆变器,将直流电压逆变成系统所需补偿的电压，保证系统中负荷的供电可靠性。对逆变器采取有效的补偿控制策略不仅能够及时准确地补偿系统在发生电压暂降扰动时所需的电压，而且能够减少DVR在工作时向系统注入的有功功率，节约DVR直流储能单元的容量，延长补偿时间。
参见图3所示，利用向量图表示的配电网在发生电压暂降扰动前后系统电压、负荷参考电压以及DVR向系统注入的补偿电压之间的关系。本发明根据系统相量图建立DVR装置工作时的有功功率特性方程，对方程进行求导，利用导数知识确定DVR装置在向系统注入最小有功功率的情况下所要满足的条件，该方法系统相量图少，无需分情况讨论，数学推导清晰简洁，且可以进一步减少DVR在工作时向系统注入的有功功率。系统相量图如图3所示，为了推导方便，假设补偿前后系统电压A、B、C三相之间始终保持平衡。
图3中， 、、为暂降前配电网三相电压；、、为暂降后配电网三相电压；、、为暂降后负荷三相参考电压；、、为暂降发生后DVR向系统补偿的三相电压；、、为负荷电流，、、为负荷功率因数角，本文假设暂降前后功率因数角不变；、、为暂降前后配电网三相电压之间的夹角；为暂降发生后配电网电压与负荷参考电压之间的夹角，随着负荷参考电压位置选取的不同而变化。
易知，暂降发生后负荷以及配电网的的有功功率可分别表示为
(1)
(2)
则可知DVR向系统注入的有功功率为
(3)
式(3)中，等式右边只有是未知量，可以发现是关于的一次函数，通过优化选取合适的，即可使DVR向系统注入的有功功率。由要想最小，则必须满足导数在的一阶导数为0，即
(4)
(5)
化简式5得
(6)
令
(7)
(8)
则公式(5)可表示为
(9)
考虑到X和Y是直角三角形的两条直角边，则式(7)、(8)又可以表示为
(10)
(11)
式中 (12)
则式(9)又可表示为
(13)
易知 (14)
也即当暂降前的系统电压与暂降发生后系统所取的参考电压之间的相位角为时，DVR能够向系统注入最小的有功功率来补偿系统电压暂降问题，降低DVR在补偿过程中所需消耗的能量。
为了验证当是系统的最小注入有功功率角，需将代入公式(5)中，验证二阶导数是否为正值。
式(5)中，令，则
(15)
化简式(15)，得
(16)
根据公式(7)和(8)，则公式(16)可以表示为
(17)
易知，，则恒成立，所以为最小注入有功功率角，此时DVR向系统注入的最小有功功率为
(18)
参见图4所示，基于dq变换电压检测的DVR最小有功功率补偿控制框图。图4中包含了电压检测与电压补偿控制模块。
检测模块分析如下：配电网系统电压通过低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)经过 abc-dq 变换，将三相电压变为两相电压，即得到 dq 坐标系的配电网电压、以及电压相位角；将、与系统暂降前电压(由图3可知在幅值上与参考电压相等)进行比较，得到dq坐标系下的暂降电压幅值、以及两个电压之间的相位角，再通过dq-abc坐标反变换得到abc坐标系下的电压暂降幅值以及相位夹角；
补偿模块分析如下：负荷电流通过低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)与参考电压经过获取功率因数角环节，求得功率因数角后再与、经过最小有功功率角计算环节，获得DVR装置在向系统注入的最小有功功率情况下所选取的参考电压(包括电压幅值和相位角)，此时向DVR装置中的逆变器发出补偿指令，DVR输出补偿电压，补偿负荷在系统发生电压暂降的情况下所需电压，确保负荷供电的可靠性。
为了提高配电网中负荷的供电可靠性，DVR装置需要对负荷电压进行实时、快速准确地检测，一旦检测到电压暂降扰动时，DVR装置中的逆变器立即采取最小有功功率注入的补偿控制方法，补偿负荷所需电压，维持负荷电压在额定值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法，其包括以下步骤：
步骤一：获取配电网系统三相电压的幅值和相位；
步骤二：利用dq变换电压检测方法对配电网在发生电压暂降后的系统电压进行检测分析，确定电压暂降信号的特征量；
步骤三：选取负荷参考电压，通过对配电网在发生电压暂降前后系统电压、负荷参考电压以及动态电压恢复器向系统注入的补偿电压之间的关系，包括补偿电压的电压幅值和相位，进行推导分析，建立系统电压、电流相量图以及动态电压恢复器在工作时的有功功率特性方程，对有功功率特性方程进行求导，利用导数知识确定动态电压恢复器在向系统注入最小有功功率补偿负荷电压的情况下所要满足的条件；
步骤四：当条件满足时，系统向动态电压恢复器中的逆变器发出补偿指令，逆变器输出补偿系统所需电压。
2.根据权利要求1所述基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法，其特征在于：
步骤三中，所述系统电压、电流相量图以负荷参考电压为轨迹圆，轨迹圆以系统暂降前的系统电压幅值为半径，相量图中包括配电网在发生电压暂降扰动前后系统三相电压、负荷参考电压、负荷三相电流以及动态电压恢复器向系统注入的补偿电压；
步骤三中，所述有功功率特性方程是通过对系统相量图的分析，建立的配电网系统、负荷、DVR装置三者之间的有功功率特性方程，方程以动态电压恢复器向系统注入的有功功率为因变量，以负荷参考电压与系统暂降前电压之间的相位夹角为自变量，建立角度与有功功率之间的函数关系，利用导数对有功功率特性方程函数进行推导，求出函数最小值，并求出函数取最小值时负荷参考电压与系统暂降前电压之间的相位夹角，也即当所取的负荷参考电压与系统暂降前电压之间相差最小注入有功功率角度时，动态电压恢复器能以向系统注入最小的有功功率来补偿负荷所需电压。
3.根据权利要求2所述基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法，其特征在于：包括基于dq变换电压暂降扰动检测模块以及基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制模块，动态电压恢复器先对负荷电压进行实时、快速准确地检测，一旦检测到电压暂降扰动时，动态电压恢复器中的逆变器立即采取最小有功功率注入的补偿控制方法，补偿负荷所需电压，维持负荷电压在额定值。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法，其特征在于：当配电网发生电压暂降扰动后，动态电压恢复器需向系统补偿电压，使得负荷电压不受影响；动态电压恢复器在进行补偿工作时向系统注入有功功率，对DVR装置采用补偿控制策略，使得动态电压恢复器在补偿系统所需电压的情况下向系统注入的有功功率最小。
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