1、用于緩解電壓驟降的串聯(lián)電壓恢復(fù)器（SVR）的仿真與分析摘要：本文介紹了一個(gè)系列的串聯(lián)電壓恢復(fù)器（SVR）的技術(shù)，和其根據(jù)壓敏負(fù)載經(jīng)驗(yàn)減少錯(cuò)誤數(shù)量的相對(duì)有效性。一共有三種不同的SVR補(bǔ)償技術(shù)被提出，并且對(duì)它們相應(yīng)的電壓驟降減緩能力通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。初始工作點(diǎn)的影響、系統(tǒng)的負(fù)載功率因數(shù)、相一角跳躍與每個(gè)SVR的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能方面的電壓驟降和直流電容的相關(guān)性也進(jìn)行了檢驗(yàn)。對(duì)SVR之間的潛在影響，連接的負(fù)載，電力系統(tǒng)和系統(tǒng)故障的考慮是必要的，因?yàn)镾VR所應(yīng)用于非常敏感且要求異常嚴(yán)格的負(fù)載。1引言電能質(zhì)量問(wèn)題包括各種干擾，從電壓驟升、電壓驟降到的諧波失真。在這些干擾，電壓驟降可能是當(dāng)下電力工程師所面臨

2、的最常見(jiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題之一。電壓驟降定義為在電力頻率下電壓或電流有效值在0.5個(gè)周期到1分鐘之間持續(xù)的減小。大多數(shù)的驟降暫降都源于輸電或配電系統(tǒng)故障。對(duì)于一些現(xiàn)代高科技電子為主的產(chǎn)業(yè)對(duì)供電電壓偏差非常敏感，持續(xù)時(shí)間短驟電壓驟降就可能是災(zāi)難性的。幸運(yùn)的是，在過(guò)去十年中電力行業(yè)已經(jīng)證明，電壓暫降問(wèn)題通過(guò)使用串聯(lián)的、快速的控制、強(qiáng)制換相的電力電子設(shè)備可以減輕或完全避免，如使用GTO和IGCT。但是，串聯(lián)連接的電壓恢復(fù)器（SVR）的家族中，還存在著各種補(bǔ)償技術(shù)。本文將闡述、討論和比較三種補(bǔ)償技術(shù)的模擬結(jié)果。三種技術(shù)在電壓幅值和相移修正時(shí)具有不同的精確度。哪個(gè)屬性更重要的取決于負(fù)載。在使用相同的初始工作

3、點(diǎn)和直流電容的情況下不同的技術(shù)的瞬態(tài)性能也不同。為了研究三種類型的SVR的補(bǔ)償技術(shù)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，對(duì)三個(gè)獨(dú)立的具有典型等級(jí)和特征的SVR進(jìn)行建模，并通過(guò)仿真檢驗(yàn)。2三種補(bǔ)償技術(shù)SVR確保的本質(zhì)是，通過(guò)一個(gè)串聯(lián)連接的升壓變壓器來(lái)提高負(fù)載電壓的方式來(lái)增加電壓。SVR包括以下主要部件：一個(gè)電容器組，具有合適的控制系統(tǒng)的脈寬調(diào)制器（PWM）逆變器，交流諧波濾波器，注入變壓器和一個(gè)可選的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)4.5。如果希望SVR提供有功功率補(bǔ)償那么儲(chǔ)能系統(tǒng)就是必要的。Lc»4 busPWM逆變器用于產(chǎn)生具有所期望的幅值和相位的串聯(lián)升壓電壓。然而，所希望的升壓電壓的幅值和相位的定義對(duì)于三種類型的SVR

4、的補(bǔ)償技術(shù)是不同的。三種技術(shù)在IIA和B部分中進(jìn)行了討論。圖1和圖2分別顯示了無(wú)功補(bǔ)償SVR和有功功率補(bǔ)償SVR的框圖。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.無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在圖3.中被描述。從圖3.可以看出，串聯(lián)電壓與隨負(fù)載電流正交并且SVR沒(méi)有注

5、入有功功率。在VSVR與負(fù)載電流IL相互正交的假設(shè)下，由6給出的可能被提升之VL供應(yīng)電壓V1為wi=JiyP-z匕叱/而沖（1）是功率因數(shù)角C'M,并且pf是負(fù)載在此相位下的功率因數(shù)。VSVR是SVR注入進(jìn)系統(tǒng)的電壓。具可以從式（1）看出在MvrHVl嶗迎的時(shí)候最小供應(yīng)電壓會(huì)出現(xiàn)。如果svr能注入進(jìn)系統(tǒng)的最大提升電壓W擦小于MJsm©時(shí)最小供應(yīng)電壓可能被提升到VL,依照公式（1）。(3)ivf111nl21Kli喘Isin(。川V：如果svr所能達(dá)到最大提升電壓大于或等于1VLi或",可被提升至VL最小供應(yīng)電壓可簡(jiǎn)化為I環(huán)皿曰yjcos)(4)可能的最小供應(yīng)電壓1丫

6、1mMi也可以被推導(dǎo)并用電能傳輸來(lái)解釋。輸入SVR的三相功率Pin,在SVR像負(fù)載輸出的功率Pout,在下面測(cè)式子中被描述：P5H3MLMc仆似?何(5)產(chǎn)血=31匕叫何)(6)由于SVR不提供用功功率，Pin與Pout相等，使Pin等于Pout,I匕IcosfcospflWpf)(7)a=coJfpf)-cQs"吟器a是V1和VL之間的相位差。從式(7)看出，由于85(88。一日)41,在COS(COS"(pf)-a)=1并且(7)減化成(4)時(shí)1Vlm1111出現(xiàn)。(3)和(4)都顯示負(fù)載功率因數(shù)在這種專門技術(shù)的補(bǔ)償能力上扮演重要角色。向眇 3 Phasor diagr

7、am of reactive compensation SVR由SVR提供的無(wú)功功率由下式計(jì)算：Qsvr旬d(WLkin(cos"(pf)AivtI2-ivtP(pff)無(wú)功功率完全由構(gòu)成逆變器的GTO開(kāi)關(guān)動(dòng)作提供。B.有功和無(wú)功功率補(bǔ)償In-相角補(bǔ)償技術(shù)4.中展示。在這種補(bǔ)償方式中，提升電壓被注入給驟降電壓的相位。其在圖圖4.中，可被提升至VL的最小供應(yīng)電壓是:(10)不像無(wú)功補(bǔ)償SVR,這種有功功率SVR的運(yùn)行對(duì)負(fù)載功率因數(shù)是獨(dú)立的由SVR提供的功率為:(11)比匕I)Fig*4Phasordiagramofin-phasecompensadcatechnology相角和幅值修正

8、技術(shù)有一些負(fù)載不僅對(duì)負(fù)載電壓的有效值敏感還對(duì)負(fù)載電壓的相位敏感。在這種情況下，由圖5.所展示，需要一個(gè)SVR使得提升了的負(fù)載母線電壓VL與驟降前的電壓相角保持一致。Fig, 5 Phaser dtajrani for phase<um- magnitude snection technology可被提升的最小電壓VL是：1Hm曰4|cos”IV鐮127yLi25bl(12)其中a是供應(yīng)電壓與驟降前的負(fù)載電壓直接的相角。可被補(bǔ)償最大相角mu為:其僅僅受IYSVRI和儲(chǔ)存系統(tǒng)中有功功率的量限制。SVR給圖5.中展示的運(yùn)作所提供的功率為：TlL*產(chǎn)Tl%H匕18-(14)等式(10)和(12)

9、展示，不像無(wú)功補(bǔ)償SVR,這種補(bǔ)償技術(shù)的工作與負(fù)載功率因數(shù)相獨(dú)立。但是負(fù)載功率因數(shù)影響SVR可使負(fù)載母線電壓保持在VL的連續(xù)性。給出一個(gè)帶有儲(chǔ)能EDC的SVR,依據(jù)圖4.的持續(xù)時(shí)間Tdurl為：占=皈AkI(1/I-1VD討)(13)并且依據(jù)圖5.的持續(xù)時(shí)間Tdur2為：7后區(qū)川”0/I(討-1%IcoKcosT(H)±(16)因此，對(duì)于相位補(bǔ)償和相角幅值修正技術(shù)二者，在功率因數(shù)低的時(shí)候持續(xù)時(shí)間都更小。3 .性能分析為了分析SVR的性能，使用PSCAD/EMTDC仿真包建立三種SVR模型8。其中一個(gè)僅僅產(chǎn)生無(wú)功功率，另外兩個(gè)能夠提供有功功率，這兩個(gè)中的一個(gè)使用相位補(bǔ)償技術(shù)，另一個(gè)使用

10、能夠修正電壓幅值和相角。除了另有規(guī)定外，所討論的所以驟降都是不帶相一角跳變的平衡三相驟降。由于相位補(bǔ)償SVR和相角幅值修正SVR、的結(jié)果非常相似，僅僅用相位補(bǔ)償SVR于無(wú)功功率SVR進(jìn)行比較。檢驗(yàn)在下面的條件下進(jìn)行：A.負(fù)載功率因數(shù)的影響Minimumsupplyvoltagevm-*=0*4pttvmlllI=®*4PuIMFig.6Minmimumvalueofsupplyvoltagethatcanbeboasted圖6.驗(yàn)證了負(fù)載功率因數(shù)在三補(bǔ)償技術(shù)在第二節(jié)中提到的影響進(jìn)行了理論分析。無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)僅僅在低功率因數(shù)負(fù)載中是可用的。在IIB部分中對(duì)更高的功率因數(shù)負(fù)載依舊性能良

11、好的技術(shù)，其不同之處僅僅在于補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時(shí)間(15)和(16)。B.直流電容的影響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如圖7.所示，增加無(wú)功功率SVR的直流電容對(duì)穩(wěn)態(tài)負(fù)載的電壓有效值沒(méi)有改善。另一方面，會(huì)發(fā)現(xiàn)增加有功功

12、率SVR的直流電容會(huì)很大程度的減少穩(wěn)定狀態(tài)電壓有效值的振蕩，如圖8.所示。無(wú)論使用什么補(bǔ)償方案直流電容很難影響穩(wěn)態(tài)下的電壓有效值的平均值。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對(duì)瞬時(shí)電壓敏感的負(fù)載將會(huì)被瞬態(tài)超調(diào)量和他們經(jīng)歷的暫態(tài)最小電壓影響。從表1.看出，直流電容從100uF增加到1000UF,一般的趨勢(shì)是超調(diào)量降低最小電壓增加。然而，在用于無(wú)功功率補(bǔ)償方法降低前驟降超調(diào)量方面，增加直流電容比發(fā)生在驟降開(kāi)始時(shí)增加的暫態(tài)最小電壓具有更大影響。相反，在直接在他最小電壓方面增加直流電容比減小有功功率SVR的超調(diào)量有更

14、大的影響。涉及到?jīng)Q定電容值方面的其他考慮包括補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)性。電容值應(yīng)該符合客戶的需求。對(duì)于有功功率SVR的建立，當(dāng)一個(gè)38%電壓驟降發(fā)生時(shí)，SVR可以可以保持負(fù)載電壓大約0.15秒。直流電容器的必要的能量存儲(chǔ)可以由以下公式估£8=第婿九3(/)%(17)其中I是通過(guò)svr的最大電流，時(shí)是持續(xù)時(shí)間。C.電壓驟降幅值修正表2.總結(jié)了電壓驟降幅值能力和在不同幅值驟降的SVR模型的伴隨暫態(tài)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在電

16、壓驟降開(kāi)始時(shí)，由于控制系統(tǒng)的延遲，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓不足。由于相同的原因，在驟降結(jié)束時(shí)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。驟降會(huì)變得更加嚴(yán)重，超調(diào)也會(huì)變得更大并且電壓不足也很變得更嚴(yán)重。有功功率補(bǔ)償SVR在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)都勝過(guò)無(wú)功補(bǔ)償SVR。一個(gè)原因可能是在無(wú)功補(bǔ)償SVR中，控制系統(tǒng)不僅需要矯正VSVR幅值還要矯正相位。D.初始工作點(diǎn)的影響對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償SVR,無(wú)功功率儲(chǔ)備7是影響瞬時(shí)最小負(fù)載電壓和超調(diào)量的關(guān)鍵因素。SVR模型在不同的初始工作點(diǎn)對(duì)電壓驟降進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)SVR的初始工作在無(wú)功吸收區(qū)時(shí)，有豐富的初始無(wú)功功率可產(chǎn)生較高的最低負(fù)載電壓和22.1%的過(guò)沖超調(diào)。如果SVR最初是在無(wú)功放電區(qū)，有一個(gè)初始的無(wú)功功率不足，因此導(dǎo)致

17、較低的最低負(fù)載電壓和14.7%的過(guò)沖超調(diào)。對(duì)于有功補(bǔ)償SVR,最小負(fù)載電壓和超調(diào)量值主要取決于直流電容器的有結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初始工功儲(chǔ)存，因此雖然有功功率儲(chǔ)備直流電壓仍然是非常重要的作點(diǎn)的影響逆變電源的直流電壓回的收率和振蕩的量。當(dāng)SVR最初是在其生成區(qū)是直流電壓恢復(fù)最慢，并且產(chǎn)生1.1%的很小超調(diào)量。在小負(fù)載電壓下初始工作的影響很小。當(dāng)有功功率SVR初始在浮動(dòng)點(diǎn)的時(shí)候，直流電壓經(jīng)歷持續(xù)的振蕩在恢復(fù)，導(dǎo)致更大的超調(diào)。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.相一角跳變的影響在電壓驟降中的相移影響所有SVR模型的驟降幅值能力。80%幅值驟降的結(jié)果在表4

19、.中展示。相一角跳變分別為0度，60度和-60度。對(duì)于無(wú)功功率SVR,圖9中的仿真結(jié)果表明，滯后相移沒(méi)有顯著影響的穩(wěn)態(tài)負(fù)載電壓的有效值。然而它導(dǎo)致瞬態(tài)量超調(diào)的顯著增加。領(lǐng)先的相移引起的穩(wěn)態(tài)負(fù)載電壓的有效值振蕩嚴(yán)重。它也顯著延長(zhǎng)了SVR響應(yīng)時(shí)間。這是因?yàn)橄嘁仆蝗皇荢VR進(jìn)入無(wú)功功率產(chǎn)生區(qū)域，導(dǎo)致功率短缺（111D部分）。對(duì)于有功功率SVR,圖10中的仿真結(jié)果表明，相移在驟降開(kāi)始和結(jié)束的位置產(chǎn)生半周期的持續(xù)時(shí)間的瞬態(tài)欠壓。這種現(xiàn)象可以歸因于在控制系統(tǒng)中的延遲。仿真結(jié)果表明，相一角躍變進(jìn)一步增加了無(wú)功功率SVR瞬態(tài)超調(diào)的量，他們進(jìn)一步使有功功率SVR暫態(tài)最小負(fù)載電壓降低而不增加其過(guò)沖。儡!賽湍需湍鼎

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廁皿MIMIWIMHIINMI植Will1限內(nèi)Eg.9cVoltagesagreliefwithareactivecompensationSVR(-0°

22、)Top:loadinstantaneousvoltageMiddle:voltageonDCcapacitorBottom:rmsloadvoltageHg.10aVoltagesagreliefwithanactivecompensationSVR(00)Top:loadinstantaneousvoltageMiddle:voltageonDCcapacitorBottom:rmsloadvoltagemiiimimfimiiiimniiiifmraiiHMimilllllllMHMIIllMlIiHHMI已用斗叫葉叫叫叫H溫RIiMihM出加，11毗酬 1111HHM楣IN1H刪訓(xùn)加i

23、IUH11II 刪 1m I1MIII1 川INMMHM:修卅叫沖甲州呷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 .結(jié)論仿真結(jié)果表明，無(wú)功功率SVR只有在使用低功率因數(shù)負(fù)載時(shí)是有效的。有功功率SVR,有相位補(bǔ)償和相角幅值修正方法構(gòu)成，能用于具有更高功率因數(shù)的負(fù)載。負(fù)載功率因數(shù)只會(huì)對(duì)最大可能補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間有影響。直流電容的尺寸對(duì)SVR的幅值能力沒(méi)有顯著的影響。然而一個(gè)更大的直流電容大大的減少了有功功率SVR穩(wěn)態(tài)有效值的振蕩，盡管其對(duì)無(wú)功功率SVR的穩(wěn)態(tài)性能沒(méi)影

26、響。隨著直流電容的增加，無(wú)功SVR中超調(diào)量明顯減少然而有功SVR中暫態(tài)最小電壓明顯增加。根據(jù)初始運(yùn)行點(diǎn)和初始無(wú)功功率儲(chǔ)備量，不同SVR模型暫態(tài)最小電壓和瞬態(tài)超調(diào)值會(huì)有所不同。相一角跳變被發(fā)現(xiàn)會(huì)增加無(wú)功功率SVR的暫態(tài)超調(diào)并且減少無(wú)功功率SVR暫態(tài)最小負(fù)載電壓。這些副作用可以歸因于控制系統(tǒng)的速度。更可以快速跟蹤相角跳變的先進(jìn)的控制方法，可以提高SVR的瞬態(tài)響應(yīng)。總之，對(duì)于SVR的電壓驟降幅值能力是毫無(wú)疑問(wèn)的。像直流電容這樣的一定的參數(shù)值，初始工作點(diǎn)和相一角跳變將影響SVR的暫態(tài)性能但是他們對(duì)問(wèn)題電壓值基本沒(méi)有影響。一般而言，有功功率SVR能比無(wú)功功率SVR補(bǔ)償更深的電壓驟降。REFERENCE1

27、G.TJteydt.W.Tan.TXaroseandM.Negley.MSitnulationandanalysisofseriesvoltageboosttechnologyforpowerqualityenhancement',IEEETransactionsonPowerDelivery,Vol.13.No.4.October1998pp335-134l2StephenW.Middlekauff,ERandolphCollins,'Systemandcuitomerimpact:considerationsforseriescustompowerdevices11TransactionsonPowerDevices,Vol13.No,1&#