基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法，其步驟包括：獲取配電網系統三相電壓的幅值和相位；對配電網在發生電壓暫降后的系統電壓進行檢測分析，確定電壓暫降信號的特征量；對發生電壓暫降前后系統電壓、負荷參考電壓以及補償電壓之間的關系進行推導分析，建立有功功率特性方程并對其求導，確定動態電壓恢復器在向系統注入最小有功功率補償負荷電壓的情況下所要滿足的條件；條件滿足時系統向逆變器發出補償指令，逆變器輸出補償系統所需電壓。本發明能及時準確地進行故障電壓的檢測與補償，最大程度地降低DVR裝置在工作時向系統注入的有功功率，降低DVR裝置直流儲能單元的能量損耗，有效地延長補償時間。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法，屬于暫 態電能質量擾動信號分析領域，特別適合配電網中出現短時電壓擾動的檢測與補償。 基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法
【背景技術】
[0002] 上世紀八十年代以來，一些新型電力電子負荷對電能質量的要求不斷提高，電能 質量已成為電力企業和用戶共同關心的問題。電能質量諸多問題中，尤以暫態電壓擾動，包 括電壓暫時下降、升高、閃變等造成的危害最為普遍。統計表明，大型電力用戶，幅度超過 20%的電壓暫降年發生率在10-20次左右，像機場、銀行、精密電子元器件制造業、計算機 網絡和服務監控中心等重要場合，每次由電壓暫降造成的經濟損失達數十萬至數百萬元之 多。可見，減少或減緩暫態電壓擾動的發生及其造成的危害是提高供電質量的重要內容。
[0003] 電壓暫降和短時供電中斷是影響用電設備正常、安全運行最嚴重的動態電能質量 問題。動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR)是一種電壓源型電力電子補償裝 置，串接于電源和重要負荷之間。它具有很好的動態性能，當發生電壓暫降或短時中斷時， 能在很短的時間（幾個毫秒）內將故障處電壓恢復到正常值，所以它是解決電壓暫降等短時 電壓擾動問題最有效的手段，相比于其它幾種電壓校正裝置而言更具靈活性和經濟性，應 用前景非常廣闊。
[0004] 如何使DVR工作效率更高，補償時間更長，運行成本更低等問題成為國內外電力 領域學者研究的熱點。DVR在補償系統所需電壓的同時需要給系統注入有功功率，消耗的這 些有功功率由直流儲能單元給及，直流儲能單元容量的大小會直接影響到DVR裝置的體積 以及運行成本。因此，對DVR裝置采用不同的補償控制策略會導致DVR在工作時向系統注 入的有功功率和補償電壓也不同，從而不僅會影響到DVR補償工作的持續時間以及對負荷 電壓的補償程度，而且還關系到DVR裝置直流儲能單元的容量大小，特別是對以蓄電池組 等小功率儲能器件為直流儲能單元的DVR裝置，選取合適的補償控制策略，減少DVR在工作 時向系統注入的有功功率，降低DVR在工作時的能量消耗，有效地補償系統所需電壓和延 長補償時間，提高DVR裝置的經濟性，意義重大。
[0005] 目前DVR裝置采用的控制策略主要有三種：完全補償控制策略、同相補償控制策 略和最小能量補償控制策略，完全補償控制策略以及同相補償控制策略雖都能較好的補償 系統在發生電壓暫降時負荷所需電壓，但是DVR裝置在進行補償工作時需要向系統注入大 量的有功功率，消耗的能量比較多。傳統的最小能量補償控制策略理論比較復雜，在確定 DVR裝置實現最小能量補償的條件時需要分情況討論，數學推導模糊，另外，補償后負荷電 壓相量可能存在著相位的跳變等問題。
【發明內容】
[0006] 為了滿足DVR裝置在對系統發生電壓暫降擾動后能夠及時準確地進行故障電壓 的檢測與補償，最大程度地降低DVR裝置在工作時向系統注入的有功功率，降低DVR裝置直 流儲能單元的能量損耗，有效地延長補償時間，本發明提出了一種基于最小有功功率注入 的DVR補償控制方法對系統電壓暫降擾動進行有效地檢測與補償。
[0007] 本發明的技術方案是： 基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法，包括以下步驟： 步驟一：獲取配電網系統電壓的幅值和相位； 步驟二：利用dq變換電壓檢測方法對配電網在發生電壓暫降后的系統電壓進行檢測 分析，確定電壓暫降信號的特征量； 步驟三：選取負荷參考電壓，通過對配電網在發生電壓暫降前后系統電壓、負荷參考電 壓以及DVR向系統注入的補償電壓之間的關系（包括電壓幅值和相位）進行推導分析，建 立系統電壓、電流向量圖以及DVR裝置在工作時的有功功率特性方程，對有功功率特性方 程進行求導，利用導數知識確定DVR裝置在向系統注入最小有功功率補償負荷電壓的情況 下所要滿足的條件； 步驟四：對DVR裝置中的逆變器采用最小注入有功功率補償控制方法，補償系統所需 電壓，更為有效地降低DVR裝置的能量損耗，提高DVR裝置的經濟性。
[0008] 本發明的有益效果是： 本發明動態電壓恢復器中的逆變器采用最小有功功率注入的補償控制方法，能夠更為 有效地延長動態電壓恢復器的補償時間，提高動態電壓恢復器的工作效率，確保配電網中 重要負荷的供電可靠性。
[0009] 本發明提出的配電網DVR補償控制方法的系統理論簡單易懂，無需分情況討論， 數學推導清晰，在確定DVR最小注入有功功率條件時簡潔方便，且可以進一步減少DVR在工 作時向系統注入的有功功率，延長補償時間。
[0010] 本發明能有效滿足DVR裝置在對系統發生電壓暫降擾動后能夠及時準確地進行 故障電壓的檢測與補償，最大程度地降低DVR裝置在工作時向系統注入的有功功率，降低 DVR裝置直流儲能單元的能量損耗，提高動態電壓恢復器的經濟性，有效地延長補償時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發明的方法流程圖； 圖2為配電網中DVR裝置的工作原理示意圖； 圖3為本發明一實施例，利用相量圖表示的配電網在發生電壓暫降前后系統三相電 壓、負荷參考電壓、負荷三相電流以及DVR向系統注入的補償電壓之間的關系： 圖4是本發明一實施例，帶有dq變換電壓檢測的DVR最小有功功率注入的補償控制方 法框圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0013] 本發明基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法，通過對DVR裝置 在補償配電網發生電壓暫降擾動時所消耗的有功功率進行分析，對暫降擾動發生后系統電 壓、DVR裝置向系統注入的補償電壓、負荷參考電壓、負荷電流之間的關系進行推導，建立系 統向量圖以及DVR裝置工作時的有功功率特性方程，對方程進行求導，利用導數知識確定 DVR裝置在向系統注入最小有功功率補償負荷電壓的情況下所要滿足的條件，從而有效地 延長DVR裝置的補償時間，提高DVR裝置的工作效率。
[0014] 本發明基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法的具體步驟如圖1 所示，包括： 步驟一：獲取配電網系統三相電壓的幅值和相位； 步驟二：利用dq變換電壓檢測方法對配電網在發生電壓暫降后的系統電壓進行檢測 分析，確定電壓暫降信號的特征量； 步驟三：選取負荷參考電壓，通過對配電網在發生電壓暫降前后系統電壓、負荷參考電 壓以及動態電壓恢復器向系統注入的補償電壓之間的關系，包括補償電壓的電壓幅值和相 位，進行推導分析，建立系統電壓、電流相量圖以及動態電壓恢復器在工作時的有功功率特 性方程，對有功功率特性方程進行求導，利用導數知識確定動態電壓恢復器在向系統注入 最小有功功率補償負荷電壓的情況下所要滿足的條件； 步驟四：當條件滿足時，系統向動態電壓恢復器中的逆變器發出補償指令，逆變器輸出 補償系統所需電壓。
[0015] 步驟三中，系統電壓、電流相量圖以負荷參考電壓為軌跡圓，軌跡圓以系統暫降前 的系統電壓幅值為半徑，相量圖中包括配電網在發生電壓暫降擾動前后系統三相電壓、負 荷參考電壓、負荷三相電流以及動態電壓恢復器向系統注入的補償電壓。
[0016] 步驟三中，有功功率特性方程是通過對系統相量圖的分析，建立的配電網系統、負 荷、DVR裝置三者之間的有功功率特性方程，方程以動態電壓恢復器向系統注入的有功功率 為因變量，以負荷參考電壓與系統暫降前電壓之間的相位夾角為自變量，建立角度與有功 功率之間的函數關系；利用導數對有功功率特性方程函數進行推導，求出函數最小值，并求 出函數取最小值時負荷參考電壓與系統暫降前電壓之間的相位夾角，也即當所取的負荷參 考電壓與系統暫降前電壓之間相差最小注入有功功率角度時，動態電壓恢復器能以向系統 注入最小的有功功率來補償負荷所需電壓。
[0017] 當配電網發生電壓暫降擾動后，動態電壓恢復器需向系統補償電壓，使得負荷電 壓不受影響；動態電壓恢復器在進行補償工作時向系統注入有功功率，對DVR裝置采用補 償控制策略，使得動態電壓恢復器在補償系統所需電壓的情況下向系統注入的有功功率最 小。
[0018] 本發明用于解決配電網中出現的電壓暫降、暫升、短時中斷等電壓擾動問題。基于 最小有功功率注入的DVR補償控制方法包括電壓檢測與電壓補償控制兩部分。本發明在電 壓檢測方面采用基于dq變換的電壓擾動檢測方法；電壓補償控制方面采用基于最小有功 功率注入的DVR補償控制方法，基本原理是確定系統在發生電壓擾動后所選取的負荷參考 電壓與擾動前負荷電壓之間的最小有功功率夾角，使得DVR裝置在此情況下在向系統注入 的有功功率最小，減少DVR裝置在工作時與系統發生的有功交換。本發明提出的配電網DVR 補償控制方法，核心思想是利用二階導數確定DVR裝置在向系統注入最小有功功率補償負 荷電壓的情況下所要滿足的條件，該方法系統理論簡單易懂，無需分情況討論，數學推導清 晰，在確定DVR最小注入有功功率條件時簡潔方便，且可以進一步減少DVR在工作時向系統 注入的有功功率，延長補償時間。
[0019] 參見圖2所示，配電網中DVR裝置的工作原理示意圖。圖2中，DVR裝置通過耦合 變壓器串聯在配電系統與負荷之間，可見負荷側電壓等于系統電壓與DVR裝置輸出的電壓 兩者之和。在配電網正常供電情況下，DVR工作在備用狀態，不接入系統。而當配電網發生 電壓暫降擾動影響到負荷用電的時候，DVR立即（幾毫秒內）向系統注入補償電壓，補償故 障下的電壓差，使負荷電壓不受系統電壓變化的影響，始終工作在要求的電壓等級。
[0020] DVR裝置的主電路由直流儲能單元、電壓源型逆變單元、耦合單元、濾波器組成。其 中，逆變單元是DVR裝置的核心，它是基于全控器件的電壓源型逆變器，將直流電壓逆變成 系統所需補償的電壓，保證系統中負荷的供電可靠性。對逆變器采取有效的補償控制策略 不僅能夠及時準確地補償系統在發生電壓暫降擾動時所需的電壓，而且能夠減少DVR在工 作時向系統注入的有功功率，節約DVR直流儲能單元的容量，延長補償時間。
[0021] 參見圖3所示，利用向量圖表示的配電網在發生電壓暫降擾動前后系統電壓、負 荷參考電壓以及DVR向系統注入的補償電壓之間的關系。本發明根據系統相量圖建立DVR 裝置工作時的有功功率特性方程，對方程進行求導，利用導數知識確定DVR裝置在向系統 注入最小有功功率的情況下所要滿足的條件，該方法系統相量圖少，無需分情況討論，數學 推導清晰簡潔，且可以進一步減少DVR在工作時向系統注入的有功功率。系統相量圖如圖 3所示，為了推導方便，假設補償前后系統電壓A、B、C三相之間始終保持平衡。
[0022] 圖3中，1m為暫降前配電網三相電壓；為暫降后配 電網二相電壓；為暫降后負荷二相參考電壓；、&_￡)? 為暫降發生后DVR向系統補償的三相電壓；/ a、4、4為負荷電流，％、餌、％為負荷功率 因數角，本文假設暫降前后功率因數角不變4?為暫降前后配電網三相電壓之 間的夾角；為暫降發生后配電網電壓與負荷參考電壓之間的夾角，隨著負荷參考電 壓位置選取的不同而變化。
[0023] 易知，暫降發生后負荷以及配電網的的有功功率可分別表示為 PL = 311^1 cos φ (1) ps = 4? cos(^ + Δ^)+^ cos(^ +Δ^)+ U^cosi^S^ + Aajl ⑵ 則可知DVR向系統注入的有功功率為 = -? - 4 ^ 31/￡1 /[^/acosC^~ -ht/^ cosi^p- -hZ/^ cos([ip- (3) 式（3)中，等式右邊只有是未知量，可以發現是關于的一次函數，通過優化 選取合適的，即可使DVR向系統注入的有功功率。由要想最小，則必須滿足導 數在的一階導數為0,即 (4) = -I[Ua Ξ?η(ζΡ- δ?ρ + Δaa}+ υ\ sm(iP- S0p + A%)+Ui sm(^- ?ιψ + ΑΘ；)]⑶ 化簡式5得 υ&[$ιη(φ~ (J^)cosA^ + οο$(φ- Sept) smA5a)] + υ^ειη?,φ- S^) cosA^+cos(^-^)smA^)]+ (6) t/JsmCtp- S^) cosA^ + cos(<j?- ^,) anA^.)] = 0 令 X = Z7a cosAB^ + U^ cosA^ +1/. cosA^ (7) 7 = +? smA4 +? smA￡^ (8) 則公式（5)可表示為 X sm(g>- δ明)+ Υ _φ - δ難)=0 (9) 考慮到Ζ和7是直角三角形的兩條直角邊，則式（7)、（8)又可以表示為
【權利要求】
1. 基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法，其包括以下步驟： 步驟一：獲取配電網系統三相電壓的幅值和相位； 步驟二：利用dq變換電壓檢測方法對配電網在發生電壓暫降后的系統電壓進行檢測 分析，確定電壓暫降信號的特征量； 步驟三：選取負荷參考電壓，通過對配電網在發生電壓暫降前后系統電壓、負荷參考電 壓以及動態電壓恢復器向系統注入的補償電壓之間的關系，包括補償電壓的電壓幅值和相 位，進行推導分析，建立系統電壓、電流相量圖以及動態電壓恢復器在工作時的有功功率特 性方程，對有功功率特性方程進行求導，利用導數知識確定動態電壓恢復器在向系統注入 最小有功功率補償負荷電壓的情況下所要滿足的條件； 步驟四：當條件滿足時，系統向動態電壓恢復器中的逆變器發出補償指令，逆變器輸出 補償系統所需電壓。
2. 根據權利要求1所述基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法，其特 征在于： 步驟三中，所述系統電壓、電流相量圖以負荷參考電壓為軌跡圓，軌跡圓以系統暫降前 的系統電壓幅值為半徑，相量圖中包括配電網在發生電壓暫降擾動前后系統三相電壓、負 荷參考電壓、負荷三相電流以及動態電壓恢復器向系統注入的補償電壓； 步驟三中，所述有功功率特性方程是通過對系統相量圖的分析，建立的配電網系統、負 荷、DVR裝置三者之間的有功功率特性方程，方程以動態電壓恢復器向系統注入的有功功率 為因變量，以負荷參考電壓與系統暫降前電壓之間的相位夾角為自變量，建立角度與有功 功率之間的函數關系，利用導數對有功功率特性方程函數進行推導，求出函數最小值，并求 出函數取最小值時負荷參考電壓與系統暫降前電壓之間的相位夾角，也即當所取的負荷參 考電壓與系統暫降前電壓之間相差最小注入有功功率角度時，動態電壓恢復器能以向系統 注入最小的有功功率來補償負荷所需電壓。
3. 根據權利要求2所述基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償控制方法，其特 征在于：包括基于dq變換電壓暫降擾動檢測模塊以及基于最小有功功率注入的動態電壓 恢復器補償控制模塊，動態電壓恢復器先對負荷電壓進行實時、快速準確地檢測，一旦檢測 到電壓暫降擾動時，動態電壓恢復器中的逆變器立即采取最小有功功率注入的補償控制方 法，補償負荷所需電壓，維持負荷電壓在額定值。
4. 根據權利要求1-3中任意一項所述基于最小有功功率注入的動態電壓恢復器補償 控制方法，其特征在于：當配電網發生電壓暫降擾動后，動態電壓恢復器需向系統補償電 壓，使得負荷電壓不受影響；動態電壓恢復器在進行補償工作時向系統注入有功功率，對 DVR裝置采用補償控制策略，使得動態電壓恢復器在補償系統所需電壓的情況下向系統注 入的有功功率最小。
【文檔編號】H02J3/28GK104052062SQ201410254476
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】黃永紅, 徐俊俊, 孫玉坤, 劉國海 申請人:江蘇大學