动态电压恢复器的原理及控制综述

动态电压恢复器的原理及控制综述
KONG Shuhong, YIN Zhongdong，SHAN
Renzhong
North China Electric Power University
Beijing , China
e-mail: kshsh043@
SHANG Weidong
Kaifeng Power Supply Company
Henan，China
摘要随着自动化技术信息化的发展，动态电压问题日益凸显。

动态电压恢复器（DVR）是现代配电系统中重要的缓解电压暂降的电力设备。

DVR的工作原理、结构和控制方法在许多DVR相关的学术会议和期刊上被引用和比较。

同时对未来DVR在电力系统中的应用和一些问题提出了建议。

关键词：电压暂降;动态电压恢复器（DVR）；控制技术；电能质量；优化的补偿；储能
I引言
最近几年，社会对于高功率质量（PQ）和电压稳定性的要求显著增加。

PQ 特性包括频率变化，电压变化，电压波动，不平衡三相电压，电压突变和谐波失真。

对于敏感的设备的一个严重威胁是持续10至100毫秒的电压暂降（60％至90％的额定电压的下降）。

电压暂降是因为大功率电机并网或切换操作时由动物接触，暴风雨，设备故障，绝缘故障，短路冲击电流较大等因素引起的。

这将导致巨大的财产和经济损失。

众所周知的保护关键负载不受干扰的定制功率器件有：STA TCOM分布（静止同步补偿器DSTATCOM），动态电压恢复器（DVR）和统一电能质量调节器（UPQC）。

DVR主要用于解决电压暂降问题。

1996年8月，Westinghouse电气公司在加利福尼亚州南部的Anderson在12.47KV变电站安装了世界上第一台DVR。

它主要为自动生产的工厂提供保护。

随后，ABB，西门子等其他公司也开发了自己的的产品来保证敏感负载的电压质量。

所以，在DVR的结构，参数
检测，闭锁，补偿和控制技术等方面进行了大量的电力系统的研究。

在这片论文里，将对DVR的控制技术和结构进行调查和比较。

同时，说明了DVR在电网的应用前景和几个需要解决的问题。

2.结构和原理
DVR的主要目的是调节电压在在终端的垂度（irrespective of sag），变形，或在电压提供处的不平衡。

其基本原理是在需要电压幅值和频率处串联配电馈线，每种拓扑对应着不同的性能，成本和复杂性。

总的来说，DVR，一种基于静态或电压逆变器（VSI）可以在敏感负荷总线处注入可控AC电压（通过一系列变压器）。

基本原理如图1（a）所示。

一旦一个暂降（sag）被检测到，DVR就会使用串联的拓扑结构添加电压到电源上。

所存储的能量可以从不同类型的储能装置输送如电池，电容器，飞轮，或超级磁储能系统（SMES）。

对于无存储拓扑，DVR本身没有内部储能电容，而是由发生故障电网的沉降能量替代。

这种串并联接的DVR组合结构于图1（b）所示。

这可以克服DVR 的缺点。

串并联组合由图一（c）所示的DVR结构。

它通常用于低电压条件下的电源设备电压杠杆限制（voltage lever limits）。

电容器的目的主要是为了吸收谐波脉动，因此，它具有相对较小的储能的要求，尤其是工作时在平衡条件下。

VSI采用的IGBT处于操作脉冲宽度调制（SPWM）方式。

正弦脉冲宽度调制（SPWM）开关技术是用于通过比较来控制交流输出电压与载波三角波的正弦参考信号从而得到每半周期的脉冲的技术。

LC滤波器联接在DVR的输出侧。

使他的第二绕组变压器作为DVR的衰减输出信号，并且消除谐波，并较少对变压器绕组dv/dt的影响。

参考文献【4】做出了负载端无存储拓扑与负载侧的无源支路转换器排列与恒定直流链路电压的储能拓扑的比较。

在参考文献【2】提出，光伏（PV）系统充当直流电压源。

光伏发电不需要明亮的阳光下操作，不产生噪音，有害辐射或污染气体。

这种模块化光伏系统可以快速安装在任何地方，只需要很少的维护就可以保持系统运行，也没有移动部件磨损或损坏。

DVR从电网获取电能是一个更好的选择，以减少连接DVR的电容存贮单元的成本。

一个优秀的控制策略，应使用以最小化电网失谐和暂降（sag）补偿大相位波动而不增加昂贵的DC链路的规模。

这将在下文进行分析。

（a）串联DVR线路
（b）串并结合的DVR线路
（c）串并结合的DVR线路
图1 DVR的主要结构
3.控制策略
一个DVR的控制系统主要考虑的因素有：检测电压暂降的开始和结束，基准电压的产生，注入电压的暂态和稳态控制，并且保护系统。

A:电压暂降检测
所用的电压暂降检测方法是根据误差矢量检测，它可以检测出对称和非对称暂降的均方根，以及相关联的相位跃变。

B：基准负载电压产能优化补偿
为了避免负载的脱扣，只有负载电压的振幅由DVR恢复。

实现这一目的可有多种方法。

三种主要的方法是在暂降前补偿，同相补偿和能量优化补偿。

第三种方法的优点已被特别提出在参考文献【1】中。

其主要思想是从电网吸取尽可能多的有功功率，因此要减少从DC链路所需的有功功率的量。

只要电压暂降幅
度很小，就有可能用纯无功功率补偿，因此补偿时间没有限制
图2 能量优化补偿，表示电压暂降前后电流和电压的向量变化
图3前馈/反结合的MV DVR控制结构
在图2中，根据描绘的能量优化补偿电压。

电压振幅、所需的有功功率、最大补偿时间可以被计算出来。

作为预弛度（pre-sag）和同相补偿的组合，DVR的优化控制策略完全可以对一个很小的电压暂降做出反应，而不干扰任何负载的保护。

对于长时间的电压暂降，所提出的方法仍然可以产生一个适当的电压而不过调制和最小负荷瞬态电压失真。

C：结合前馈/反馈的逆变器控制策略
图3中展现的控制系统用来控制3kHZ的采样和转换频率的DVR。

参考文献【5】中这种控制结构是基于电源电压、前馈和PI—负载电压反馈的组合。

基本组成部分由前馈部分提供。

这使DVR在补充部分大的电压暂降的同时仍保持正弦注入剖面（asinusoidal injection profile），而且还为LC谐振开关纹波过滤器提供了一些缓冲。

图4: 下游故障（downstream fault）的DVR连接系统
D：逆变器保护系统
DVR下游的大电流故障，或负载的高浪涌电流（如果暂降不被完全补偿的话）必须在波及到变压器逆变器时被制止。

并且通过其他具有适当额定值的电路提供。

图4表示下游故障（downstream fault）可以由一降压变压器变为中等或较低的电压水平。

V pcc会下降，而且小阻值Z3上的剩余电压会很小。

暂降影响其他并行馈电线的负载。

在参考文献[6]中，一种下游的故障电流限制功能被提出并集成于DVR的操作，并恢复PCC电压和保护的DVR。

一种波动充电模式（flux-charge-model）的反馈算法，用于实现DVR控制。

4.多种功能和应用
A：选择性谐波补偿
DVR技术在降低电压暂降对敏感负载的影响方面已经在工业应用中日益成熟。

但是，由于很少发生电压下降，DVR大部分时间处于待机模式，因此，利用率低。

如果DVR的串联逆变器也可以用于补偿稳态负载电压谐波，就会提高电压质量“增值”，有益于系统。

参考文献[3]提出了一种选择性的反馈谐波控制策略，可以利用基本DVR对暂降影响最小的补偿性能，很容易的加入到中压的DVR系统以提供电压谐波补偿。

由前面提到的，zeroat电网有功功率（net real power）的谐波补偿方案总是至关重要。

B：系统频率变化下的DVR操作
DVR的操作在正常系统频率下保持关键负载终端电压不变。

万一频率失衡，DVR必须提供关键负载的有功功率需求。

如参考文献【7】中提到的，为了补偿平率变化，DVR的有功功率途径是通过直流环节的不可控整流提供。

一种简单的应用过零检测器和移动平均处理的简单频率估计技术。

5. 结论
在配电系统中大多数电能质量问题都与电压骤降有关。

动态电压恢复器（DVR）已成为对于敏感负荷电压骤降保护的一种流行的成本有效的解决方案。

为降低直流母线电容大小，缩小经济成本，提供选择性的电压谐波补偿，并使用DVR的下频率变化时，控制和设计效果显著。

在论文中，控制策略进行了探讨和应用性的方法，通过一定的参考调查后得出的结论。

理论学习后，实验方案和测试是必要的。

在一些参考文献中，使用10千伏DVR设置典型的实验结果已在对称和非对称电压骤降情况验证有效。

所以，DVR 可以广泛应用与配电系统。

REFERENCES
[1] M. Christoph, R.W. De Doncker, Y.W. Li, and F. Blaabjerg,
“Optimized Control Strategy for a Medium-V oltage
DVR—Theoretical Investigations and Experimental Results,‖
Power Electronics, IEEE Trans. on V ol. 23, Issue 6,
Nov.2008,pp.2746-2755
[2] A.O. Al-Mathnani, A. Mohamed, M.A. Mohd Ali, ― Phot ovoltaic
Based Dynamic V oltage Restorer For V oltage Sag Mitigation,‖
Research and Development, 2007. SCOReD 2007. 5th Student
Conference on 12-11 Dec. 2007, pp.1 - 6
[3] M.J. Newman, D.G. Holmes, J.G. Nielsen, F. Blaabjerg , ―A
dynamic voltage restorer (DVR) with selective harmonic
compensation at medium voltage level,‖ Industry Applications
Conference, 2003. 38th IAS Annual Meeting. Conference Record
of the V ol.2, 12-16 Oct. 2003 ,pp.1228 - 1235
[4] J.G. Nielsen, F. Blaabjerg, ―A detailed comparison of sys tem topologies for dynamic voltage restorers,‖ Industry Applications, IEEE Trans. on V ol.41, Issue 5, Sept.-Oct. 2005,pp.1272 – 1280 [5] J.G. Nielsen, M. Newman, H. Nielsen, and F. Blaabjerg, ―Control and testing of a dynamic voltage restorer (DVR) at medium
voltage level,‖ Power Electronics, IEEE Trans. on V ol.19, Issue 3, May 2004, pp.806 - 813
[6] Y. W. Li, M. Vilathgamuwa, P. C. Loh, and F. Blaabjerg , ― A Dual-Functional Medium V oltage Level DVR to Limit Downstream Fault Currents,‖ Power Electronics, IEEE Trans. on
V ol. 22, Issue 4, July 2007 pp.1330 -1340
[7] A.K. Jindal, A. Ghoshb, A. Joshi, ―Critical load bus voltage control using DVR under system frequency variation,‖ Electric Power Systems Research, V ol.78 ,2008,pp. 255–263
[8] G.V.N. Kumar, and D.D. Chowdary, ―DVR with Sliding Mode Control to alleviate V oltage Sags on a Distribution System for Three Phase Short Circuit Fault,‖ ICIIS 2008. IEEE Region 10
and the Third international Conference on 8-10 Dec. 2008 pp.1 - 4 [9] H.K. Al-Hadidi, A.M. Gole, and A.J. David, ―A Novel Configuration for a Cascade Inverter-Based Dynamic V oltage Restorer With Reduced Energy Storage Requirements, ‖ IEEE Trans. on Power Electronics, V ol. 19, Issue 3, May
2004,pp.806-813
[10] J. Wang, A.Q. Xu, and Y.Y. Shen, ―A surv ey on control strategies of dynamic voltage restorer,‖ Harmonics and Quality of Power, 2008. ICHQP 2008. 13th International Conference on Sept. 28
2008-Oct. 1 2008 ,pp.1 - 5。