用于缓解电压骤降的串联电压恢复器(SVR)的仿真与分析

1、用于缓解电压骤降的串联电压恢复器（SVR）的仿真与分析摘要：本文介绍了一个系列的串联电压恢复器（SVR）的技术，和其根据压敏负载经验减少错误数量的相对有效性。一共有三种不同的SVR补偿技术被提出，并且对它们相应的电压骤降减缓能力通过仿真进行了验证。初始工作点的影响、系统的负载功率因数、相一角跳跃与每个SVR的瞬态和稳态性能方面的电压骤降和直流电容的相关性也进行了检验。对SVR之间的潜在影响，连接的负载，电力系统和系统故障的考虑是必要的，因为SVR所应用于非常敏感且要求异常严格的负载。1引言电能质量问题包括各种干扰，从电压骤升、电压骤降到的谐波失真。在这些干扰，电压骤降可能是当下电力工程师所面临

2、的最常见的电能质量问题之一。电压骤降定义为在电力频率下电压或电流有效值在0.5个周期到1分钟之间持续的减小。大多数的骤降暂降都源于输电或配电系统故障。对于一些现代高科技电子为主的产业对供电电压偏差非常敏感，持续时间短骤电压骤降就可能是灾难性的。幸运的是，在过去十年中电力行业已经证明，电压暂降问题通过使用串联的、快速的控制、强制换相的电力电子设备可以减轻或完全避免，如使用GTO和IGCT。但是，串联连接的电压恢复器（SVR）的家族中，还存在着各种补偿技术。本文将阐述、讨论和比较三种补偿技术的模拟结果。三种技术在电压幅值和相移修正时具有不同的精确度。哪个属性更重要的取决于负载。在使用相同的初始工作

3、点和直流电容的情况下不同的技术的瞬态性能也不同。为了研究三种类型的SVR的补偿技术的瞬态和稳态性能，对三个独立的具有典型等级和特征的SVR进行建模，并通过仿真检验。2三种补偿技术SVR确保的本质是，通过一个串联连接的升压变压器来提高负载电压的方式来增加电压。SVR包括以下主要部件：一个电容器组，具有合适的控制系统的脉宽调制器（PWM）逆变器，交流谐波滤波器，注入变压器和一个可选的能量存储系统4.5。如果希望SVR提供有功功率补偿那么储能系统就是必要的。Lc»4 busPWM逆变器用于产生具有所期望的幅值和相位的串联升压电压。然而，所希望的升压电压的幅值和相位的定义对于三种类型的SVR

4、的补偿技术是不同的。三种技术在IIA和B部分中进行了讨论。图1和图2分别显示了无功补偿SVR和有功功率补偿SVR的框图。InjectionTnmsfocrncf-TT-Ocnirol SystemFWMiFYrrf "Fi£-1 PtdoriaJ of Lhe SVR for reactiYE and sctive pawn 的岬cgiiooMHFi£.l Picforial of the metive pewtx ccrnpcEkAaiim SVRA.无功补偿技术无功功率补偿技术的实质是在图3.中被描述。从图3.可以看出，串联电压与随负载电流正交并且SVR没有注

5、入有功功率。在VSVR与负载电流IL相互正交的假设下，由6给出的可能被提升之VL供应电压V1为wi=JiyP-z匕叱/而冲（1）是功率因数角C'M,并且pf是负载在此相位下的功率因数。VSVR是SVR注入进系统的电压。具可以从式（1）看出在MvrHVl崂迎的时候最小供应电压会出现。如果svr能注入进系统的最大提升电压W擦小于MJsm©时最小供应电压可能被提升到VL,依照公式（1）。(3)ivf111nl21Kli喘Isin(。川V：如果svr所能达到最大提升电压大于或等于1VLi或",可被提升至VL最小供应电压可简化为I环皿曰yjcos)(4)可能的最小供应电压1丫

6、1mMi也可以被推导并用电能传输来解释。输入SVR的三相功率Pin,在SVR像负载输出的功率Pout,在下面测式子中被描述：P5H3MLMc仆似?何(5)产血=31匕叫何)(6)由于SVR不提供用功功率，Pin与Pout相等，使Pin等于Pout,I匕IcosfcospflWpf)(7)a=coJfpf)-cQs"吟器a是V1和VL之间的相位差。从式(7)看出，由于85(88。一日)41,在COS(COS"(pf)-a)=1并且(7)减化成(4)时1Vlm1111出现。(3)和(4)都显示负载功率因数在这种专门技术的补偿能力上扮演重要角色。向眇 3 Phasor diagr

7、am of reactive compensation SVR由SVR提供的无功功率由下式计算：Qsvr旬d(WLkin(cos"(pf)AivtI2-ivtP(pff)无功功率完全由构成逆变器的GTO开关动作提供。B.有功和无功功率补偿In-相角补偿技术4.中展示。在这种补偿方式中，提升电压被注入给骤降电压的相位。其在图图4.中，可被提升至VL的最小供应电压是:(10)不像无功补偿SVR,这种有功功率SVR的运行对负载功率因数是独立的由SVR提供的功率为:(11)比匕I)Fig*4Phasordiagramofin-phasecompensadcatechnology相角和幅值修正

8、技术有一些负载不仅对负载电压的有效值敏感还对负载电压的相位敏感。在这种情况下，由图5.所展示，需要一个SVR使得提升了的负载母线电压VL与骤降前的电压相角保持一致。Fig, 5 Phaser dtajrani for phase<um- magnitude snection technology可被提升的最小电压VL是：1Hm曰4|cos”IV镰127yLi25bl(12)其中a是供应电压与骤降前的负载电压直接的相角。可被补偿最大相角mu为:其仅仅受IYSVRI和储存系统中有功功率的量限制。SVR给图5.中展示的运作所提供的功率为：TlL*产Tl%H匕18-(14)等式(10)和(12)

9、展示，不像无功补偿SVR,这种补偿技术的工作与负载功率因数相独立。但是负载功率因数影响SVR可使负载母线电压保持在VL的连续性。给出一个带有储能EDC的SVR,依据图4.的持续时间Tdurl为：占=皈AkI(1/I-1VD讨)(13)并且依据图5.的持续时间Tdur2为：7后区川”0/I(讨-1%IcoKcosT(H)±(16)因此，对于相位补偿和相角幅值修正技术二者，在功率因数低的时候持续时间都更小。3 .性能分析为了分析SVR的性能，使用PSCAD/EMTDC仿真包建立三种SVR模型8。其中一个仅仅产生无功功率，另外两个能够提供有功功率，这两个中的一个使用相位补偿技术，另一个使用

10、能够修正电压幅值和相角。除了另有规定外，所讨论的所以骤降都是不带相一角跳变的平衡三相骤降。由于相位补偿SVR和相角幅值修正SVR、的结果非常相似，仅仅用相位补偿SVR于无功功率SVR进行比较。检验在下面的条件下进行：A.负载功率因数的影响Minimumsupplyvoltagevm-*=0*4pttvmlllI=®*4PuIMFig.6Minmimumvalueofsupplyvoltagethatcanbeboasted图6.验证了负载功率因数在三补偿技术在第二节中提到的影响进行了理论分析。无功功率补偿技术仅仅在低功率因数负载中是可用的。在IIB部分中对更高的功率因数负载依旧性能良

11、好的技术，其不同之处仅仅在于补偿的持续时间(15)和(16)。B.直流电容的影响Fig. 7a C=lOO|JtF Top; DC voltage Bottom: load rms voltageFig. 8a 0100|jF Top: DC voltage Bouom: load rms voltageFig.7b0=1000pFTop:DCvoltageBottom:loadrmsvoltageHg,«bOlOOOpFTop:DCvoltaicBottom:loadrmsvalue如图7.所示，增加无功功率SVR的直流电容对稳态负载的电压有效值没有改善。另一方面，会发现增加有功功

12、率SVR的直流电容会很大程度的减少稳定状态电压有效值的振荡，如图8.所示。无论使用什么补偿方案直流电容很难影响稳态下的电压有效值的平均值。Tabi匕JPerformancecomparisonunderdiffere口tcqjachorvaluesSVRReactiveSVRIn-PhaseSVRICapacitance(pF)1001000100!00QMaxnnsvalue(pu)L0391Q500.9991.007Minrmsvalue(pu)0.9210.9220t9580.964Averagevalue(pu)0.9440.9460.9840,988TransientOvershoo

13、t(%)22518.212.51L7TransientMinvoltage(ft)75.676JS6.9969MaxvoltageonDC(kV)4,8993.7237.0133.704MinvoltageonDC(kV)1,6873.52206742.106对瞬时电压敏感的负载将会被瞬态超调量和他们经历的暂态最小电压影响。从表1.看出，直流电容从100uF增加到1000UF,一般的趋势是超调量降低最小电压增加。然而，在用于无功功率补偿方法降低前骤降超调量方面，增加直流电容比发生在骤降开始时增加的暂态最小电压具有更大影响。相反，在直接在他最小电压方面增加直流电容比减小有功功率SVR的超调量有更

14、大的影响。涉及到决定电容值方面的其他考虑包括补偿的持续性。电容值应该符合客户的需求。对于有功功率SVR的建立，当一个38%电压骤降发生时，SVR可以可以保持负载电压大约0.15秒。直流电容器的必要的能量存储可以由以下公式估£8=第婿九3(/)%(17)其中I是通过svr的最大电流，时是持续时间。C.电压骤降幅值修正表2.总结了电压骤降幅值能力和在不同幅值骤降的SVR模型的伴随暂态特性。Table2MitigationeffectforsagaofdifferentmagnitudesSagmagoitudc(%)|75818692ReactiveSVRMinVoltage(%)I76

15、AR0.284091.7Overshoot(%)18.917,71L68.7Minrmsvoltage0.92109340,9480565M«u(rmsvoltageh049L0711,081.04Steadyrmsvoltage0-945L004LO34L013In-phaseSVRMinVoltage(%)98498,999299.«Overshoot(%)825.6442AMinrmsvoltage0.9740.9800,9830985MaxrmsvoltageL003L0030.OT9。.殃Steadyrmsvoltage0.9950.9950.9920,992在电

16、压骤降开始时，由于控制系统的延迟，会出现一个电压不足。由于相同的原因，在骤降结束时会出现超调。骤降会变得更加严重，超调也会变得更大并且电压不足也很变得更严重。有功功率补偿SVR在稳态和暂态都胜过无功补偿SVR。一个原因可能是在无功补偿SVR中，控制系统不仅需要矫正VSVR幅值还要矫正相位。D.初始工作点的影响对于无功补偿SVR,无功功率储备7是影响瞬时最小负载电压和超调量的关键因素。SVR模型在不同的初始工作点对电压骤降进行检测。当SVR的初始工作在无功吸收区时，有丰富的初始无功功率可产生较高的最低负载电压和22.1%的过冲超调。如果SVR最初是在无功放电区，有一个初始的无功功率不足，因此导致

17、较低的最低负载电压和14.7%的过冲超调。对于有功补偿SVR,最小负载电压和超调量值主要取决于直流电容器的有结果发现，初始工功储存，因此虽然有功功率储备直流电压仍然是非常重要的作点的影响逆变电源的直流电压回的收率和振荡的量。当SVR最初是在其生成区是直流电压恢复最慢，并且产生1.1%的很小超调量。在小负载电压下初始工作的影响很小。当有功功率SVR初始在浮动点的时候，直流电压经历持续的振荡在恢复，导致更大的超调。Table3ComparisonofMitigationAbilityofSVRdesignsatvariousinitialoperationpointsQ=VmJmiSinin(2w

18、t)3TypesofInitialOperatingPointssin(2wt)=Ofloatingsin(2wt)=labsorptionsin(2wt)=lgenerationReactiveSVRTransientminloadvnltagef/)80.5855802Transientovershoot(%)17.722A14.7bi-phaseSVRTransientminloadvoltagef%)96.996.69&2Transientovershoot(%)1045.81.1E.相一角跳变的影响在电压骤降中的相移影响所有SVR模型的骤降幅值能力。80%幅值骤降的结果在表4

19、.中展示。相一角跳变分别为0度，60度和-60度。对于无功功率SVR,图9中的仿真结果表明，滞后相移没有显着影响的稳态负载电压的有效值。然而它导致瞬态量超调的显著增加。领先的相移引起的稳态负载电压的有效值振荡严重。它也显著延长了SVR响应时间。这是因为相移突然是SVR进入无功功率产生区域，导致功率短缺（111D部分）。对于有功功率SVR,图10中的仿真结果表明，相移在骤降开始和结束的位置产生半周期的持续时间的瞬态欠压。这种现象可以归因于在控制系统中的延迟。仿真结果表明，相一角跃变进一步增加了无功功率SVR瞬态超调的量，他们进一步使有功功率SVR暂态最小负载电压降低而不增加其过冲。儡!赛湍需湍鼎

20、圈iiiiiiiiiimiiiiiinijiiiiiiiniiiinii山d川加品|uiiiiiiiiimnniiiliiuiiHifiiiiiihiminvviTrHiirfcffi.1HHijiiiiijiiLiiiiiiiiriimiiiiiiiiiiiiii4叫叩,I翌甲附附Hg+9aVoltagesagreliefwithareactivecompensationSVR(00)Top:loadiasUocaneousvoltageMiddle:vohagftcmDCcapacitorBoaom:rmsloadvoltageRg.9bVoltagesagreliefwithareicU

21、recompensationSVR(6(f)Top:loadinstantaneousvoltageMiddle:voltageonDCcapacitorBottom:rmstoadvoltage:卜油加h油山玉加ImiiiiiiiiiiiifiiiiiiiniiiiiiiiiiimiIWHIUII,皿IIIHMIIIIMMIIMIIIIUlljllllllllllllllllllllt肺1川皿川IIIIH伽IIIIIMIIIIIIH厕皿MIMIWIMHIINMI植Will1限内Eg.9cVoltagesagreliefwithareactivecompensationSVR(-0°

22、)Top:loadinstantaneousvoltageMiddle:voltageonDCcapacitorBottom:rmsloadvoltageHg.10aVoltagesagreliefwithanactivecompensationSVR(00)Top:loadinstantaneousvoltageMiddle:voltageonDCcapacitorBottom:rmsloadvoltagemiiimimfimiiiimniiiifmraiiHMimilllllllMHMIIllMlIiHHMI已用斗叫叶叫叫叫H温RIiMihM出加，11毗酬 1111HHM楣IN1H删训加i

23、IUH11II 删 1m I1MIII1 川INMMHM:修卅叫冲甲州呷Fig.10bVoltagesagreliefwitiianactivecompensattonSVR(60°)Top:loadinstantaneousvoltageMiddle:vottageonDCcapacitorBottom:rmsloadvoltaseFig-10cVoltagesagreliefwithanactivecompensationSVR(-60°)Top:loadinstantaneousvoltageMiddle:voltageonDCcapacitorBottom:rmsl

24、oadvoltageTable4ComparisonofMitigationeffectforsagsondifferentinitialoperationpointsPhaseshift60°0°-60°ReactivecompensationSVRTransientMinloadvoltage(%)798086.6TransientOvershoot(%)33518.239.3Minrmsloadvoltage0.9170.9340.942Maxrmsloadvoltage1.0631.0701.094In-phasecompensationSVRTransi

25、entMinbadvoltage(%)92.998.890.8TransientOvershoot(%)2.66.43.1Minrmsloadvoltage0.9430.9750.954Maxrmsloadvoltage0.9950.9930.9934 .结论仿真结果表明，无功功率SVR只有在使用低功率因数负载时是有效的。有功功率SVR,有相位补偿和相角幅值修正方法构成，能用于具有更高功率因数的负载。负载功率因数只会对最大可能补偿持续时间有影响。直流电容的尺寸对SVR的幅值能力没有显著的影响。然而一个更大的直流电容大大的减少了有功功率SVR稳态有效值的振荡，尽管其对无功功率SVR的稳态性能没影

26、响。随着直流电容的增加，无功SVR中超调量明显减少然而有功SVR中暂态最小电压明显增加。根据初始运行点和初始无功功率储备量，不同SVR模型暂态最小电压和瞬态超调值会有所不同。相一角跳变被发现会增加无功功率SVR的暂态超调并且减少无功功率SVR暂态最小负载电压。这些副作用可以归因于控制系统的速度。更可以快速跟踪相角跳变的先进的控制方法，可以提高SVR的瞬态响应。总之，对于SVR的电压骤降幅值能力是毫无疑问的。像直流电容这样的一定的参数值，初始工作点和相一角跳变将影响SVR的暂态性能但是他们对问题电压值基本没有影响。一般而言，有功功率SVR能比无功功率SVR补偿更深的电压骤降。REFERENCE1

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