图1 补偿时间与电压跌落深度的关系
李占凯， 王景芹， 张福民
(河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室, 天津 300130)
摘要：针对长时间电压跌落下矿用动态电压恢复器直流链路电容储能利用率较低的问题，提出了一种从完全补偿法到同相补偿法的优化组合补偿策略，即2种补偿策略之间平滑缓慢过渡，从而抑制跌落时刻的负载电压畸变，降低动态电压恢复器注入电压幅值，延长动态电压恢复器的补偿时间。实验结果表明，该策略在平衡和不平衡电压跌落条件下均能正确可靠地补偿电网电压跌落。
关键词：动态电压恢复器； 电压跌落； 相位跳变； 同相补偿； 完全补偿
煤矿供电系统中，受井下电网容量的限制，母线短路故障、大型设备开关浪涌、重型负载启动等引起的电压跌落导致重要敏感设备停机，是煤矿安全生产的重要隐患[1-4]。为避免井下负荷欠压脱扣跳闸，采用动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)恢复有限时段的电压跌落是一项有效措施[5-6]。
矿用DVR的直流链路电容容量过大会导致装置成本增加，这就需要对电容存储能量进行充分利用[7]。如果仅采用同相补偿法生成DVR注入电压来补偿电压跌落，注入电压幅值低，可以减小电容尺寸，但无法解决跌落瞬间相位突变问题，相位敏感型负载无法适用。仅采用完全补偿法可以缓解电压幅值、相位变化，但注入电压偏高，在补偿期间直流链路电容会缓慢放电，导致直流母线电压偏低，此时为保证补偿效果，不能改变注入电压基波幅值，逆变装置只能工作于过调制状态或增加辅助充电装置，过调制会导致电网中引入大量谐波[8]，而增加辅助充电装置会额外增加DVR成本。针对该问题，本文在分析对比常用电压跌落补偿策略的基础上，提出了一种优化组合补偿策略，即通过完全补偿法和同相补偿法的缓慢过渡，逐步实现相位逼近，降低补偿电压幅值，在保证负载波形畸变最低的前提下延长补偿时间。实验结果表明，该组合补偿策略实现简单，能够有效利用直流链路电容储能。
1.1 现有补偿策略的对比分析
常用电压跌落补偿策略有同相补偿法[9]、完全补偿法[10]、最小能量法[11]。
DVR补偿时间与电压跌落深度、负载侧功率因数及跌落时相位跳变均存在较强的耦合关系。补偿时间与电压跌落深度的关系如图1所示。可看出在各种跌落深度情况下，完全补偿法效果最佳。同相补偿法在跌落深度较小时，其补偿时间略低于完全补偿法；在跌落深度较大时，与完全补偿法效果基本相同。最小能量法所需能量最小，但其仅能在跌落深度较小时提供较长的补偿时间。
图1 补偿时间与电压跌落深度的关系
补偿时间与负载侧功率因数的关系如图2所示。可看出完全补偿法和同相补偿法在任意功率因数下均可以补偿电压跌落；最小能量法仅适用于功率因数高于0.8的场合，且补偿时间低于前2种方法，应用场合受到限制。
图2 补偿时间与负载侧功率因数的关系
补偿时间与相位跳变的关系如图3所示，可看出同相补偿法和最小能量法的补偿时间与相位跳变无关。采用完全补偿法时，负载电压幅值和相位均需正确恢复，因此补偿效果受相位跳变影响较大，当相位跳变为9°左右时补偿效果最佳。
图3 补偿时间与相位跳变的关系
可见完全补偿法的优势取决于网侧电压相位跳变大小，相位跳变较小时补偿效果较好，相位跳变较大时应考虑其他补偿策略。考虑到最小能量法不适用于相位敏感型负载，本文提出一种基于同相补偿法和完全补偿法的DVR优化组合补偿策略，即电压跌落初始时刻采用完全补偿法，保证负载电压波形无暂态畸变，然后逐步过渡为同相补偿法，降低DVR注入电压幅值，提高直流链路电容储能的利用率，延长跌落补偿时间。
1.2 补偿原理
DVR优化组合补偿策略基本原理如图4所示，其中Ug为跌落前的网侧电压，Ul为跌落前的负载电压，
g为跌落后的网侧电压，l为跌落补偿过程中的负载电压，dvr为跌落补偿过程中的DVR注入电压幅值，Il为跌落前的负载电流，
l为跌落补偿过程中的负载电流，φ为功率因数角，δ为相位跳变。图4(a)为补偿过程的第1个阶段(模式1)，在电压跌落时刻采用完全补偿法，锁相环锁定网侧电压相位并进行存储，此时负载侧电压波形无畸变，在此期间直流链路电容缓慢放电；图4(b)为补偿过程的第2个阶段(过渡阶段，模式2)，直流母线电压低于设定值后，DVR注入电压相位由完全补偿法向同相补偿法缓慢过渡，锁相环立刻锁定负载电压相位，注入电压幅值减小；图4(c)为补偿过程的第3个阶段(过渡阶段，模式3)，通过锁相环将负载电压相位缓慢平滑过渡至网侧电压相位，进一步减小注入电压幅值；图4(d)为补偿过程的第4个阶段(模式4)，采用同相补偿法，DVR输出电压、网侧电压和负载电压的相位完全相同，注入电压幅值达到最小。采用该优化组合补偿策略时，在短时间电压跌落情况下，可实现负载侧电压无畸变；在长时间电压跌落情况下，若没有出现过调制且无大容量存储装置，可保证负载电压畸变很小。
相位敏感型负载无法承受较大相位跳变，但可以承受相位的持续变化，为了保证负载侧电压畸变较小，相位过渡应尽可能缓慢进行。该优化组合策略中，锁相环用于跌落时刻网侧电压相位的锁定存储，在过渡阶段，锁相环必须实时追踪负载电压相位，以保证相位平滑过渡。
图4 优化组合补偿策略基本原理
1.3 实现原理
图5描述了DVR优化组合补偿策略的实现原理，其中Udvr为DVR注入电压，θ为网侧电压相位，θ′为负载电压相位，Ud_ref为参考电压d轴分量，Uq_ref为参考电压q轴分量，Ud_g为网侧电压d轴分量，Uq_g为网侧电压q轴分量，Udc_ref为直流母线平均电压参考值，Udc_mean为直流母线平均电压，Ua_ref为DVR A相注入电压，Ub_ref为DVR B相注入电压，Uc_ref为DVR C相注入电压，Us(dvr_max)为DVR最大电压，Ul_ref为负载电压参考值，Ql为负载无功功率，Pl为负载有功功率，а为计算幅值和相位的输出相位。当发生电压跌落时，同步电压检测模块、电压跌落检测模块检测出网侧电压幅值，锁相环检测到跌落时刻相位，将其特征量与参考值进行比较，以确定DVR是否投入补偿。将网侧电压与期望值比较，生成误差信号，首先采用完全补偿法计算DVR注入电压幅值和相位，当直流母线电压低于设定值时，开始执行同相补偿法，锁相环被解锁并与网侧电压同步，控制补偿电压与网侧电压同相位。注入信号(Ua_ref，Ub_ref，Uc_ref)输入PWM脉冲产生模块形成脉冲调制信号，由H桥逆变单元控制逆变器功率器件的开关输出电压，最后经LC滤波器消除高次谐波，完成对负载电压的补偿。
图5 DVR优化组合补偿策略的实现原理
为验证DVR优化组合补偿策略的有效性，搭建了10 kV/2 MVA级联多电平DVR实验样机，包括逆变H桥单元、电容储能装置、滤波器、控制系统等，如图6所示(仅描述了主回路中的一相，其中C1—C12为H桥单元的直流电容，Ud_l为负载电压d轴分量，Uq_l为负载电压q轴分量。)，实验参数见表1。
图6 DVR实验样机结构
实验方法：直流母线电压降至其标称值的80%时，快速启动补偿策略的模式2，同步电压检测模块、电压跌落检测模块测量DVR输出电压、电网电压和负载电压的幅值和相位角(使用正序组件)，通过以下3组实验验证优化组合补偿策略。
(1) 短时间平衡电压跌落。
表1 实验参数
设置105 ms时发生电压跌落，持续100 ms，网侧电压跌落深度为30%，相位跳变-10°。图7为该情况下网侧电压、DVR注入电压、负载电压测量波形。由于跌落时间较短，直流链路电容储能足够，直流母线电压未低于判断阀值，补偿策略的模式2未被触发，因此采用优化组合补偿策略中的模式1即可完成电压补偿。
图7 短时间平衡电压跌落时的测量波形
(2) 长时间平衡电压跌落。
设置20 ms时发生电压跌落，持续时间超过280 ms，电压跌落深度为50%，相位跳变+50°。图8为该情况下的测量波形。电压跌落发生时刻采用完全补偿法，负载侧电压波形无任何暂态过渡，跌落前后幅值和相位完全相同；100 ms后，改变补偿策略，负载电压相位角缓慢过渡至网侧电压相位角，该过程中DVR注入电压幅值明显降低，补偿时间大大提高。
(3) 长时间不平衡电压跌落。
设置25 ms时发生电压跌落，网侧电压以正序20%速度下降和逆序10%速度注入，且发生电压跌落时伴随-20°相位跳变。图9为该情况下的测量波形，可看出网侧电压波形畸变很大，但负载电压不受影响，150 ms左右开始改变补偿策略且DVR注入电压幅值降低，三相DVR注入电压幅值明显不同。当补偿策略改变后，有两相电压的幅值和相位非常接近。另外，三相电压的补偿幅值都有所减小，与平衡跌落现象相同。实验结果与理论分析相符，可见优化组合补偿策略在不对DVR直流链路电容进行扩充的情况下，对长时间电压跌落具有良好的补偿效果。
图8 长时间平衡电压跌落时的测量波形
图9 长时间不平衡电压跌落时的测量波形
DVR优化组合补偿策略在平衡和非平衡电压跌落情况下均有效可行，既可快速响应短时电压跌落，又能有效补偿长时间电压跌落，负载电压瞬态畸变小；对于大相位跳变跌落情况，可保证负载电压暂态过渡无畸变。
实验结果表明，负载电压波形几乎无畸变，与完全补偿法相比，该优化组合补偿策略减小了DVR注入电压幅值，最大补偿时间显著提升，且相位跳变越大，效果越明显，从而提高了直流链路电容储能利用率。
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LI Zhankai, WANG Jingqin, ZHANG Fumin
(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical
Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)
Abstract:To solve low utilization of DC-link capacitor of mine-used dynamic voltage restorer under long voltage sag, an optimized compensation strategy was proposed, namely a smooth transition between pre-sag compensation and in-phase compensation, so as to restrain aberration of load voltage during the sag, reduce amplitude of injected voltage of dynamic voltage restorer and increase compensation time. The experimental results verify feasibility and reliability of the strategy in balanced and unbalanced grid voltage sag.
Key words:dynamic voltage restorer; voltage sag; phase jump; in-phase compensation; complete compensation
作者简介：李占凯(1979-)，男，河北邢台人，讲师，博士研究生，研究方向为柔性交流输电、煤矿电力电子设备、煤矿电气安全，E-mail: abcd4907@126.com。 徐辉(1980-)，女，河北沧州人，工程师，硕士，从事智能视频分析、智能监控系统研发工作，E-mail:xuhuitdkj@163.com。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51477040)。 中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金青年基金项目(2014QN030)。
收稿日期：2015-11-03；修回日期：2015-12-12；责任编辑：李明。 2015-11-24；修回日期：2015-12-16；责任编辑：盛男。
中图分类号：TD61
文献标志码：A 网络出版时间：2015-12-31 15:55
文章编号：1671-251X(2016)01-0028-05 DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.009