动态电压恢复器的能量稳定补偿策略及其补偿特性分析

动态电压恢复器的能量稳定补偿策略及其补偿特性分析

0dvr能量稳定补偿策略研究动态电压恢复装置（dynamicdynamicvre）是目前公认的一种有效的联合补偿装置，用于确保敏感负荷的供电电压稳定。通过在系统和负荷之间连接并调整相位电压，我们可以确保敏感负荷的电压在系统电压中断时仍然处于可受接受范围内。由于在补偿过程中装置与其外部系统之间存在有功交换,因此保持装置的能量稳定是非常重要的。文献从基本原理、实验验证、减少计算量、避免补偿后的负荷相位跳变及三相补偿等方面对DVR的最小能量补偿策略进行了研究,为DVR能量稳定补偿策略的研究奠定了基础。考虑到装置耐压等方面的影响,DVR可输出的补偿电压是有限的,因此文献[9-14]对考虑装置可输出补偿电压约束时装置能量保持策略的基本原理、补偿策略流程、减小补偿后的负荷电压相位跳变等方面进行了研究,但上述文献并未给出当装置输出电压达到补偿电压极限时的应对补偿策略。由于DVR装置的运行是串联于系统与负荷之间的,系统与负荷的运行状态直接会影响到装置补偿策略的补偿效果。甚至在某些系统扰动及负荷类型条件下,理想的能量稳定补偿策略目标是无法满足的。因此,对系统电压的扰动特性及负荷特性对装置补偿策略的影响进行分析是有意义的。文献对负荷功率因数及系统电压幅值对补偿策略的影响进行了分析,但仅给出了影响关系3维图,并未明确给出影响关系的量化结论,文献仅针对系统发生电压暂升且负荷为阻感负载时的情况进行了分析,并且文献[15-16]均未考虑装置补偿电压约束的影响。文献则运用状态方程和相量法分析了负荷功率因数与补偿范围及其容量的关系。文献分析了系统特性与装置参数设计之间的影响。本文对DVR能量稳定补偿策略进行详细分析,提出能够同时满足补偿电压约束及最小能量补偿目标的能量稳定补偿策略,并在对所提出的补偿策略特性进行理论与数值分析的基础上,得出能量稳定补偿策略的补偿效果同时受到暂降(暂升)幅值、负荷功率因数及装置极限补偿电压大小影响的结论,并给出了其影响关系曲线。分析结果对DVR补偿策略的设计及工程实践将具有重要意义。1在最小能量补偿策略中的原理1.1小能量补偿策略目前,DVR的补偿策略主要有3种:同相补偿(in-phasecompensation)、暂降前补偿(pre-sagcompensation)和最小能量补偿(minimumenergycompensation)。其中,采用同相补偿和暂降前补偿策略时装置的有功交换量是不受控制的,而最小能量补偿可通过控制输出电压的相位和幅值来使装置与系统之间的有功交换量最小,但该方法会引起一定的相位跳变,对此已有文献进行了分析并提出了相关对策。最小能量补偿策略的目标是保证装置与系统之间的有功交换量最小。当负荷分别为阻感负载及阻容性负载时,采用最小能量补偿策略时的补偿相量图分别如图1、2所示。图中,为锁相得到的暂降(升)前系统电压相量,将其作为参考相量;与ϕs分别为暂降(暂升)电压相量及其相位;与ϕr分别为采用最小能量补偿策略时的补偿电压参考相量及其相位;与ϕc分别为装置输出的补偿电压相量及其相位;为负荷电流相量;ϕL为负荷功率因数角,当负载为阻感性时ϕL>0,当负载为阻容性时ϕL<0。分析图1、2可知,当负荷为阻感性负载时,对于电压暂降(暂升)补偿,参考电压相量应以暂降(暂升)电压相量为基准逆(顺)时针旋转至有功交换最小的点;当负荷为阻容性负载时,对于电压暂降(暂升)补偿,参考电压相量应以暂降(暂升)电压相量为基准顺(逆)时针旋转至有功交换最小的点。1.2补偿电压暂降时系统能量输出分析图1、2所示的相量图可知,采用最小能量补偿策略时,单相系统提供的有功功率为负荷吸收的有功功率为则DVR提供的有功功率为式中:当PDVR>0表示装置发出有功;PDVR<0表示装置吸收有功;PDVR=0表示装置与外界无有功交换。该式虽然对阻感性及阻容性负载的计算结果是一致的,但为了区分物理意义,在此分别列出。分析式(3)可知,装置的有功交换量和补偿参考电压相量的相位ϕr有关。若PDVR=0,则根据式(3)可得补偿参考电压的相位:分析式(4)可知,只有当满足条件Us≥UrcosϕL时,该式才能成立。当系统发生电压暂升时,该条件恒成立,因此在不考虑装置补偿电压约束时,对于系统发生的任意暂升,装置均能实现零有功交换补偿。而对于暂降,当暂降过深导致不能满足该条件时,装置必须输出有功,此时有由于装置补偿电压暂降时PDVR>0,因此当∂PDVR/∂ϕr=0时,PDVR最小,可得此时负荷电流相量与暂降电压相量同相位,即由系统尽可能多的提供负荷所需的有功功率。分析相量图可得装置输出的补偿电压幅值:2幅值及最小能量补偿策略当由式(7)计算得到的补偿电压大于装置的极限补偿电压时,则需采取补偿电压约束下的最小能量补偿策略。以阻感性负载为例,其补偿相量图如图3所示,图中的小圆表示装置的极限补偿电压圆,大圆弧表示参考电压圆。假设图3中,为通过式(7)计算得到的电压,该电压大于装置的极限补偿电压,为了同时满足补偿电压幅值及最小能量补偿的目的,应采用尽可能大的补偿电压使装置与外部系统之间的有功交换最小。此时可采取以极限补偿电压为装置的输出电压,以补偿电压极限圆与参考电压圆的交点为补偿参考电压相量的终点的补偿策略,此时装置输出的补偿电压相量如图3中所示。对于电压暂降及阻感性(阻容性)负载的补偿,应选择以暂降电压相量为基准,逆(顺)时针旋转所达到的圆交点作为补偿后参考电压相量的终点;对于电压暂升及阻感性(阻容性)负载的补偿,应选择以暂升电压相量为基准,顺(逆)时针旋转所达到的圆交点作为补偿后参考电压相量的终点。此时补偿参考电压相量的相位为式中ULim为装置可输出的极限补偿电压幅值。当负荷允许有一定的电压偏差时,可首先考虑使参考电压幅值稍微偏离1pu,扩大装置可实现最小能量补偿的范围,进而再采用本节所述的补偿电压约束下的最小能量补偿策略。此外,当系统电压与参考电压差的幅值|Us-Ur|大于装置极限补偿电压时,装置应按同相补偿原理补偿,并直接以|Us-Ur|作为装置的输出电压。3无功交换量的影响由于能量稳定策略的补偿目标是使装置与外部系统之间的有功交换最小,因此衡量该补偿策略效果的最主要指标就是装置的有功交换量的大小。根据第1、2节分析可知,装置的有功交换量同时受到系统电压幅值、负荷功率因数及装置极限补偿电压的影响。当三者满足一定的关系时,补偿策略即可让装置分别运行在如下0有功交换、最小能量补偿和极限补偿电压约束下的最小能量补偿3种状态下:1u3000增设cum设参考电压幅值及负荷电流值分别为Ur=1pu,IL=1pu,由第1节分析可知,当Uc≤ULim时装置的有功交换量为由式(4)、(7)可得当Us≥cosϕL时装置输出的补偿电压为求解以Us为未知量、其他量为已知量的不等方程(10),可分析得到:为达到装置输出电压小于等于极限补偿电压、并且装置可实现0有功交换的目的,要满足如下条件:2装置输出无功量由式(6)、(7)可得,当Us<cosϕL时,由于此种情况只有暂降才能满足(暂降的阈值为0.9pu),因此装置输出的补偿电压范围为求解式(12),可得为使装置输出电压小于极限补偿电压,需满足此时装置输出有功量为cosϕL-Us,随着负荷功率因数的增大及暂降幅值的减小,装置输出的有功量将增大。3极限补偿电压计算进一步分析可知当系统电压幅值、负荷功率因数及装置极限补偿电压的关系不满足式(11)、(13)时,装置需要输出极限补偿电压,此时的有功交换量可由式(3)、(8)计算得出。4试验结果及分析由第3节分析可知,当系统电压幅值、负荷功率因数及装置极限补偿电压满足一定关系时,装置的能量稳定控制策略即可分别达到零有功交换补偿、最小能量补偿及极限电压约束下的最小能量补偿效果。为使所得分析结果实用化,首先以装置极限补偿电压为0.5pu时的补偿特性为例对所做分析进行数值验证。根据式(11)、(13)可知,当ULim=0.5pu时,装置运行于0有功交换状态及最小能量补偿状态下的条件分别为根据式(15)、(16)可得到,当ULim=0.5pu时装置运行于各种状态下的条件如图4所示。图中,当系统电压幅值与负荷功率因数的关系处于图中区域①、②中时,装置可运行于0有功交换状态;当其关系处于区域③时,装置可在补偿电压限值范围内运行于最小能量补偿状态;当其关系处于图中阴影区域时,装置需输出极限补偿电压,此时装置运行于补偿电压约束下的最小能量补偿状态;当其关系处于区域④时,系统电压幅值处于0.9~1.1pu之间,不属于电压暂降和暂升范围,此时装置不输出补偿电压。进一步分析补偿电压极限值对补偿特性的影响,图5为ULim分别为0.5、0.8和1.0pu时装置的补偿策略特性。分析图5可知,随着装置可输出极限补偿电压值的提高,装置可实现0有功补偿及最小能量补偿的范围将扩大。若ULim达到1.0pu,图4中区域(3)的边界范围扩展至纵坐标轴,与纵坐标轴重合,则对于所有电压暂降的补偿的电压均小于极限补偿电压。图4、5所示分析曲线可指导控制策略的设计及工程实践。实际工程中,若按照装置的极限补偿电压绘制出该补偿特性曲线,则可根据曲线直接判断出装置是否需要输出极限补偿电压,从而简化了复杂的计算判断过程。此外,还可根据装置接入点的负荷特性及发生电压扰动特性的历史统计结果,判断采用该种能量稳定补偿策略是否能满足其补偿目标,从而为补偿策略的设计提供了参考依据。5补偿电压约束下的补偿策略1)对DVR能量稳定补偿策略进行了详细的分析,得到阻感性及阻容性负载时最小能量补偿策略