学术简报︱适用于动态电压恢复器的最小能量柔性切换控制策略

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摘要

国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）、长沙理工大学电气与信息工程学院的研究人员涂春鸣、孙勇、郭祺、姜飞、张丽，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文指出，动态电压恢复器（DVR）采用最小能量补偿策略可有效减少其有功输出，增大补偿时间。考虑到系统电压跌落往往伴随着相角跳变，以及传统最小能量补偿在电网电压跌落和恢复时也会造成负载电压相角偏移，进而影响敏感负荷的安全运行，提出一种最小能量柔性切换控制策略。

该控制策略可保证DVR有效减少有功输出的同时，在电网电压跌落时平滑进入最小能量补偿，而在电网电压恢复时又可平滑退出最小能量补偿，DVR输出电压相角在整个补偿过程中做到平滑过渡，由此可解决负载电压的相角跳变问题。此外，考虑到了DVR输出电压约束时的情形，通过对DVR参考电压的动态调节，使其在补偿的各个时期都不超过DVR输出的极限水平。实验和仿真结果验证了理论分析的正确性。

近年来，可再生能源（如风能、太阳能等）和敏感负荷（如精密仪器、变频器及计算机等）的大量使用，使得电能质量问题越来越突出，其中电压跌落已成为影响电力负荷稳定运行最突出的问题之一。动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer, DVR）串联在系统与敏感负荷之间，能解决电压跌落、闪变、不对称等多种电能质量问题，成为保证敏感设备正常工作的有效电力设备。

DVR补偿的基本方式有同相补偿、完全补偿及最小能量补偿。由于可减少DVR与系统的有功交换，增大其补偿时间，最小能量补偿成为学者研究的重点。

• 有学者介绍了最小能量补偿的基本原理及控制方法。

• 有学者对最小能量补偿策略进行改进，进一步减少了能量损耗，延长了补偿时间。

• 有学者提出了一种基于负荷电压的最小能量控制策略，以解决负荷不平衡时的工况。

深入研究发现，系统电压跌落以及DVR采用传统最小能量补偿时，在电网故障和恢复时刻都会对负载电压产生一定的相角跳变，这样的角度突变可能会导致负载电压波形不连续，不准确过零点，不利于晶闸管、电动机等相位敏感类负荷的安全稳定运行。

• 为解决该问题，有学者分析了电网电压幅值及相位跳变角，并通过限幅的方式来保证负荷电压的相位变化在可承受范围之内。

• 有学者采用相角过渡的补偿方式对最小能量补偿进行了优化，通过多步旋转补偿电压来解决负载电压的相角跳变问题，但文中未对其旋转变化过程进行详细的分析，并未给出相应的量化关系。

• 有学者仍采用多步旋转补偿电压的方式解决相角跳变问题，并给出了具体的角度过渡过程。

然而，上述研究都未考虑电网电压恢复时刻的相角突变问题。

有学者通过对DVR拓扑进行改进，将其与晶闸管投切电抗器结合，通过控制电抗器的补偿电流以实现DVR注入有功为零，并以跌落前的负载电压作参考，从而保证电网故障前后负荷端电压都无相位变化，但该结构增加了成本。

此外，当电网电压发生较大程度的跌落时，DVR进行最小能量补偿所需要的输出电压幅值较大，而DVR输出电压水平应有一定的极限，以上研究也都未对其给予相应的重视。而有的学者虽然考虑到了最小能量补偿极限问题，但并未考虑故障前后相角跳变的问题。

综合以上在电网电压跌落和恢复时刻负载电压有相角跳变的问题，以及DVR在电网电压深度跌落时输出补偿电压能力有限的情形。本文在现有文献的研究基础上，提出了一种适用于DVR的最小能量柔性切换控制策略。该控制策略可保证DVR实现最小能量补偿的同时，在故障全过程中负载电压得到平滑过渡。此外，详细考虑了最小能量补偿方式下DVR输出电压达到极限时的情况，通过对参考电压的动态调节，使得该柔性切换策略下的DVR输出电压在极限水平之内。仿真和实验验证了理论分析的正确性及所提控制策略的有效性。

图22  RT-LAB硬件在环实验平台

总结

本文针对系统电压跌落时负载电压的相角跳变问题，提出了最小能量柔性切换补偿策略，得到了如下结论：

• 1）通过柔性切换过程，可保证DVR平滑进入和平滑退出最小能量补偿，从而保证负载电压相角变化率满足负荷需求，并有效减少DVR有功输出。

• 2）通过动态调节参考电压，可保证DVR输出电压在补偿全过程中不超越极限值。

• 3）故障期间，电网电压发生相角跳变时，本文所提控制策略仍能保证负载电压的平滑过渡。

该柔性切换控制策略同样适用于静止同步串联补偿器和统一潮流控制器等结构的电力电子装置，具有一定工程意义与价值。

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