一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿方法及电路与流程

本发明涉及电网供电领域，特别涉及一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿方法及电路。

背景技术：

动态电压恢复器(DVR)是一种串联在系统电网与敏感用户负荷之间的新型串联电压补偿装置，能够有效地消除电压波动、电压闪变以及姐姐各相电压的不对称和短时供电中断等故障，具有良好的动态性能、经济成本低以及不错的补偿效益等优点。

动态电压恢复器(DVR)可以等效为一个受控电压源，具有能量输出的功能，在工作状态时，可以向电网系统输入能量，其在电力系统中的安装配置如图1所示。

动态电压恢复器(DVR)的工作原理：

如图1所示，当系统电网正常供电时，旁路开关处于闭合状态，动态电压恢复器(DVR)处于备用状态，没有接入电网系统，不会对电网系统或者敏感负荷造成影响。而当系统电网的电压发生跌落时，旁路开关就会在很短的时间内(几毫秒)由闭合状态转向断开状态，动态电压恢复器(DVR)立即接入电网系统，在系统电网与敏感负荷之间注入补偿电压，补偿电网的电压跌落，使得敏感负荷几乎不会感受到系统电网电压跌落的影响，一直保持工作在正常的电压水平下，可有效解决电压跌落的问题。

动态电压恢复器(DVR)是敏感负荷用户解决电网动态电能质量问题、减少系统电网电压跌落对自身敏感负荷造成的影响而投资、安装的用户电压补偿装置，其串联安装在系统电网与敏感负荷支路之间。目前常用的三种基本电压跌落补偿策略：跌落前电压补偿、同相电压补偿和最小能量补偿，这三种补偿策略的补偿目标都是基于满足自家敏感负荷维持工作在正常电压水平下，而忽略了邻近负荷电压的变化情况，因此，动态电压恢复器(DVR)的接入不可避免地对邻近负荷造成一定影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿方法，有效解决了DVR的效益和用户之间的能量交换问题。

本发明的另一目的在于提供一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿电路。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿方法，包含以下步骤：

S1、设定敏感负荷和非敏感负荷的等效阻抗相同，因此敏感负荷的正常电流和邻近非敏感负荷的正常电流大小相等，相位相同，则敏感负荷和邻近非敏感负荷的正常电流的幅值都为1；系统电压发生暂降后，敏感负荷和邻近非敏感负荷的电流幅值下降为x₁，相角变化值为β，通过移相使得β＝β_set，满足的终点恰好落在一次事件电流圆上，其中β₁<β_set<β₂；

其中：

β为和之间的相位角或者和之间的相位角；

为电压暂降后DVR单独作用时流过敏感负荷的补偿电流；

为电压暂降后系统电压单独作用时，流过敏感负荷的电流；

为电压暂降后DVR单独作用时流过邻近非敏感负荷的补偿电流；

为电压暂降后系统电压单独作用时，流过邻近非敏感负荷的电流；

β₁为的终点在一次事件电流圆内时和之间的相位角；

β₂为的终点在一次事件电流圆外时和之间的相位角；

β_set为的终点恰好落在一次事件电流圆上时和之间的相位角；

为邻近非敏感负荷在系统电压和补偿电压的共同作用下的电流；

为电网电压暂降前，流过敏感负荷的电流；

为电网电压暂降前，流过敏感负荷的电流；

S2、将的相角减去β_set与的幅值结合合成目标电压相量其中目标电压相量的相角为的相角减去β_set，幅值为的幅值；

其中：

为电网电压暂降前，敏感负荷两端的电压；

为电压暂降后系统电压单独作用时，敏感负荷两端的电压；

S3、标准电压相量减去目标电压相量得到经过滞环比较器即得到PWM驱动信号；

S4、PWM驱动信号驱动逆变单元，逆变单元输出的信号经过滤波单元后产生理想的补偿电压

步骤S1中，所述β_set的获取方式如下：

设的幅值为x₂，则在和的相量三角形，满足余弦定理：

记在和的相量三角形中，其中Z_L为系统至母线B间主干线路阻抗，公共母线B分别为配置了DVR的敏感负荷和邻近非敏感负荷供电；Z₂为邻近非敏感负荷的等效阻抗；x₃为Z_L与Z_L+Z₂的幅值比；α为与－之间的相位角；

由于且和所构成的相量三角形为等腰三角形，则满足：

其中φ为与－之间的相位角；

因此上式变为：

式(1)中，x₁是由DVR检测模块获得，是已知量；x₃和α由系统参数及其公式求得，也是已知量；β_set、x₂是待求量；

对式(2)化简可知，式(2)是一个关于未知量x₂²的一元二次方程

a·(x₂²)²+b·x₂²+c＝0；

其中，

比较容易求出未知量

因此，求得

把求得x₂的值代入式(1)可确定β_set角度大小，使得的相量终点落在一次事件电流圆上。

DVR的接入只是改变了非敏感负荷电流的相位，而没改变幅值，也就是不改变非敏感负荷消耗的有功功率。

步骤S2中，所述的相角是通过FFT模块获取的，的幅值也是通过FFT模块获取的；FFT模块即快速傅立叶变换模块。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿电路，包括测量模块、第一FFT模块、第二FFT模块、第一加法器、合成目标电压相量模块、第二加法器、滞环比较器、逆变单元、滤波单元，其中测量模块分别测量电网电压暂降前，敏感负荷两端的电压以及电压暂降后系统电压单独作用时，敏感负荷两端的电压通过第一FFT模块测得的相角，的相角通过第一加法器减去β_set，最终到达合成目标电压相量模块；通过第二FFT模块测得的幅值，最终到达合成目标电压相量模块；合成目标电压相量模块合成目标电压相量其中目标电压相量的相角为的相角减去β_set，幅值为的幅值；标准电压相量通过第二加法器减去目标电压相量得到经过滞环比较器即得到PWM驱动信号；PWM驱动信号经过逆变单元得到正弦波信号；滤波单元滤除正弦波信号中的多次谐波，得到理想的补偿电压

动态电压恢复器(DVR)的接入对邻近负荷造成的影响分析如下：

如图2，公共母线B分别为配置了DVR的敏感负荷和其它(非敏感)负荷供电，系统电压为系统至母线B间主干线路阻抗为Z_L，公共母线的出线中安装了DVR的相应线路阻抗以及所连接的敏感负荷阻抗等效为Z₁，除安装DVR线路之外的其它出线及其连接的负荷暂等效为一个非敏感负荷，相应的阻抗为Z₂。

当发生扰动系统电压暂降时，DVR瞬间投入电网工作，串联在系统与敏感负荷之间，其可以等效为一个受控的串联电压源电压暂降后，由系统电压、DVR电压给负荷提供合适的电压水平。下文利用叠加定理，分别研究和对负荷的作用。

在图3-1中，电压暂降后系统电压单独作用时，流过敏感负荷Z₁的电流为流过非敏感负荷的电流为流过电源主干线路的电流为在图3-2中，DVR单独作用时流过敏感负荷Z₁的补偿电流为流过非敏感负荷的补偿电流为流过电源主干线路的补偿电流为规定正方向如图3-1、3-2中箭头方向。

根据图3-2利用电流分流原理得到非敏感负荷支路电流有如下关系：

其中：

线路阻抗Z_L和负荷等效阻抗Z₁、Z₂都是感性阻抗，而且一般情况下，线路阻抗远小于负荷等效阻抗，线路阻抗角远大于负荷等效阻抗角，为了方便分析，假设敏感负荷阻抗Z₁与邻近非敏感负荷阻抗Z₂的阻抗模与阻抗角相等，可以证明，不会影响分析结果的普遍性。因此，根据图3-2的电流正方向，则和四者的相量关系如图4所示(其中α取决于)。

根据DVR的工作原理，当系统电压发生畸变(幅值下降，相角变化)，敏感负荷的电压幅值随之下降，相角也随之变小，DVR在很短的时间内投入工作，在敏感负荷与系统之间注入一个补偿电压在一定时间内为敏感负荷维持正常电压水平并正常工作。当敏感负荷电压恢复后，如图5的左半部分所示，在的作用下，产生补偿电流使敏感负荷支路的电流恢复至正常水平。同时，根据分流原理及图4的补偿电流相量图，流过邻近非敏感负荷的的幅值和相角也如图5的左半部分所示。如图5的右半部分所示，邻近非敏感负荷在系统电压和补偿电压的共同作用下，其电流变为该电流表示为DVR投入使用后邻近负荷的电流，其幅值和相角如图5的右半部分所示。以电压暂降后系统电压独立作用下的邻近负荷电流为半径作一个圆，此处称该圆为一次事件电流圆。

当是受控量，改变其幅值和相位将对邻近负荷电流产生不同的影响，也将关系着DVR的效益和用户之间的能量交换问题。

①的相量终点落在一次事件电流圆内。

如图5所示，当和之间的相位角β＝β₁时，邻近负荷电流由于系统电压下降而变为由于DVR的接入产生一个附加电流使得电流变为显然存在假设邻近负荷的功率因数保持不变，那么在电压降落至DVR接入系统期间，其电流幅值先后下降两次，导致其有功功率发生两次跌落。这种情况下DVR动作提升扰动后敏感负荷运行电压的行为造成了邻近负荷功率下降更严重，这种客观影响可能导致敏感用户与非敏感用户之间的用电纠纷。

②的相量终点落在一次事件电流圆外。

如图6所示，当相位角β＝β₂>β₁时，与①分析相似，系统发生电压暂降导致邻近负荷电流变为DVR的接入反而导致该电流幅值有所上升，因此，邻近负荷的有功功率因在电压暂降事件后发生正常下降的情况下有所提升，其增大的有功功率部分由系统和DVR共同承担。在此条件下，DVR存储的能量存在转供邻近负荷的可能，而这种情况将导致通常由敏感负荷用户投资的DVR能耗增加，进一步可能会导致电网、敏感用户与邻近用户各方针对投资责任与资源权利相关的协调难题。

③的相量终点落在一次事件电流圆上。

如图7所示，当相位角β＝β_set时，其中，β₁<β_set<β₂，与①分析相似，在系统发生电压暂降导致邻近负荷电流变为后，DVR的接入产生一个附加电流使得邻近负荷电流变为的终点落在一次事件电流圆上，即此时恰好是DVR的接入不会对邻近负荷的电流造成影响的情形。系统变化过程中，邻近负荷的有功功率大小只跟随系统电压的变化而变化，与DVR的接入与否无明显关系。

综上所述，可以得出一个结论：对于扰动后系统电压降落期间，倘若系统敏感负荷支路电流相角变化为β＝β_set，则DVR的补偿电压的接入不会对邻近负荷的有功功率造成影响(即情况③)；如果β≠β_set，那么DVR的补偿电压的接入会造成邻近负荷的有功功率的上升(即情况②)或者下降(即情况①)，都会对邻近负荷造成一定的影响。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明所述消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿方法，能够有效消除DVR对邻近负荷影响，且不影响DVR的正常工作。

附图说明

图1为动态电压恢复器(DVR)及与电网连接的电路图。

图2为典型的低压配电网的等效电路图。

图3-1为系统电源单独作用的电路图。

图3-2为DVR单独作用的电路图。

图4为补偿电流相量图。

图5为负荷电流补偿相量图(圆内)，其中该图的左半部分为敏感负荷的相关情况，右半部分为邻近非敏感负荷的相关情况。

图6为负荷电流补偿相量图(圆外)，其中该图的左半部分为敏感负荷的相关情况，右半部分为邻近非敏感负荷的相关情况。

图7为负荷电流补偿相量图(圆上)，其中该图的左半部分为敏感负荷的相关情况，右半部分为邻近非敏感负荷的相关情况。

图8为本发明所述一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿方法的流程图。

图9为目标电压相量合成部分的电路图。

图10为PWM驱动信号生成部分的电路图。

图11为补偿电压生成部分的电路图。

图12为本发明所述一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿电路的电路图。

图13为系统仿真图。

图14为DVR补偿前后的敏感负荷电压波的波形图。

图15-1为相角变化为30°时，传统DVR补偿方式的有功功率仿真结果示意图。

图15-2为相角变化为-30°时，传统DVR补偿方式的有功功率仿真结果示意图。

图16为本发明所述DVR补偿方式的有功功率仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿方法，包含以下步骤：

步骤1：β_set计算

为了简单阐述确定β_set大小的原理，和前面的假设保持一致，敏感负荷和非敏感负荷的等效阻抗相同，因此敏感负荷的正常电流和邻近非敏感负荷的正常电流大小相等，相位相同，则可以设两者正常电流的幅值都为1；系统电压发生跌落之后，两者的电流幅值下降为x₁，相角变化值为β，通过移相使得β＝β_set，满足的终点恰好落在一次事件电流圆上，如图7所示，此时的的幅值为x₂，则在和的相量三角形，满足余弦定理：

记在和的相量三角形中，如图7所示，由于且和所构成的相量三角形为等腰三角形，则满足：

其中

因此上式变为：

结合方程式(1)(2)可得下面方程组

式(1)中，x₁是由DVR检测模块获得，是已知量，x₃和α由系统参数及其公式求得，也是已知量。β_set、x₂是待求量。

对式(2)化简可知，式(2)是一个关于未知量x₂²的一元2次方程

a·(x₂²)²+b·x₂²+c＝0

其中，

比较容易求出未知量

因此，求得

把求得x₂的值代入式(1)可确定β_set角度大小，使得的相量终点落在一次事件电流圆上，DVR的接入只是改变了非敏感负荷电流的相位，而没改变幅值，也就是不改变非敏感负荷消耗的有功功率。

步骤2：目标电压相量合成

参考图7，其中与对应，与对应，可以证明与的相角差等于与的相角差。如图9所示，根据测量模块得到的经过FFT模块得到的相角；同样，根据测量模块得到的经过FFT模块得到的幅值；最后把的相角减去β_set与的幅值结合合成目标电压相量

步骤3：PWM驱动信号

如图10所示，将步骤2合成的目标电压相量与标准电压相量作比较，得到经过滞环比较器，即可得到PWM驱动信号。

步骤4：补偿电压

如图11所示，用步骤3生产的PWM驱动信号驱动逆变单元，再经过滤波单元，即可生产理想的补偿电压。

如图12，一种消除DVR对邻近负荷影响的电压补偿电路，包括测量模块、第一FFT模块、第二FFT模块、第一加法器、合成目标电压相量模块、第二加法器、滞环比较器、逆变单元、滤波单元，其中测量模块分别测量电网电压暂降前，敏感负荷两端的电压以及电压暂降后系统电压单独作用时，敏感负荷两端的电压通过第一FFT模块测得的相角，的相角通过第一加法器减去β_set，最终到达合成目标电压相量模块；通过第二FFT模块测得的幅值，最终到达合成目标电压相量模块；合成目标电压相量模块合成目标电压相量其中目标电压相量的相角为的相角减去β_set，幅值为的幅值；标准电压相量通过第二加法器减去目标电压相量得到经过滞环比较器即得到PWM驱动信号；PWM驱动信号经过逆变单元得到正弦波信号；滤波单元滤除正弦波信号中的多次谐波，得到理想的补偿电压

实施例二

DVR作为一种为敏感负荷提供稳定合理的电压工作环境的电压补偿装置，一般在中低压配电网络中使用较多，而中低压配电网多为三相四线制，针对三相四线制，本技术方案采用三单相全桥结构作为仿真模型。储能装置选择超级电容器，由于是低压配电网，电压等级不高，耦合类型选用较为简单的电容耦合，滤波器则由电抗与耦合电容组成。

假设三相的输出电压互为独立，不互相干扰，故可以模拟单相DVR补偿电路，分析研究其相应补偿效果。设置一个配电网末端系统，由一个单相电源，线路等效阻抗，两个等效负荷阻抗(敏感负荷等效阻抗和邻近负荷等效阻抗)，和DVR组成。DVR与敏感负荷支路串联。在Matlab2014a/Simulink下搭建仿真系统，如图13所示。

本实施例仿真算例中DVR采用滞环控制比较方式，它是一种快速实时PWM跟踪技术，补偿量响应快，电路简单，不用载波，在逆变器的电压输出中几乎不含特定频率的谐波分量，补偿电压波形理想，补偿效果好。负荷参数Z₁＝Z₂＝7.26+3.5162i，线路的参数Z_L＝0.264+0.738i。控制策略采用了本技术方案所提的消除DVR加剧邻近负荷有功下降和避免其转供邻近负荷的有功管理策略。

仿真模拟系统在0.06秒的时候发生一个电压跌落事件，系统发生电压暂降，电源电压暂降幅值为20％，相角为±30°，0.14秒之后，电压跌落结束，系统电压恢复正常水平，如图14所示(仅仅展示了电源电压暂降幅值为20％，相角为30°的补偿效果)。仿真结果显示本技术方案所设计的DVR补偿策略具有良好的补偿敏感负荷的能力。

下面对传统DVR补偿方式和本技术方案所设计补偿方式对邻近负荷的有功功率影响进行比较分析。

从图15-1和图15-2可以看出，采用传统的补偿策略，DVR的接入总是会引起邻近非敏感负荷的有功功率的上升或者下降。如图15-1，当相位变化为30°时，DVR的接入引起了邻近非敏感负荷的有功功率的下降，这就是对邻近非敏感负荷的造成了功率下降的不利影响；如图15-2，当相位变化为-30°时，DVR的接入引起了邻近非敏感负荷的有功功率的上升，这就是邻近非敏感负荷从DVR那里吸收了一定有功功率，增加了DVR的能量投资。

采用本技术方案设计DVR控制策略进行补偿时，如图16所示，先利用系统参数计算β_set角度大小，后将经过移相模块，变成使得β＝β_set，再在敏感负荷与系统之间注入补偿电压，使得敏感负荷的电压和电流都恢复到正常水平，同时，注入的补偿电压不会对邻近负荷有功功率造成影响。图16为采用本技术方案设计的DVR补偿方式的有功功率仿真结果图。两种DVR补偿方式补偿结果对比如表1所示。

表1

对于其他的电压降落情况(幅值跌落分别是5％、10％、15％、25％和30％，相位角变化均为10°)，也可以得到相同的结果，其他电压跌落情况两种DVR补偿方式补偿结果对比如表2所示

表2

从表2可以看出，对于其他的电压跌落情况，采取本技术方案新型补偿策略的DVR都几乎不会对邻近非敏感负荷的有功功率造成影响，此时DVR只会为敏感负荷工作；而采用传统的补偿方式的DVR总是会引起邻近非敏感负荷的有功功率的上升或者下降，此时DVR总是会对邻近非敏感负荷造成一定的影响。

针对上述影响可能带来的问题，本技术方案发明了一种新型DVR控制策略，通过旋转负载参考电压的方式，牺牲DVR对于敏感负荷相角的部分补偿能力，以便DVR为敏感负荷补偿时不影响邻近负荷的有功功率消耗。

仿真实例证明了本技术方案所设计的DVR补偿方案具有良好的补偿敏感负荷能力，同时亦能很好地消除对邻近负荷有功功率的影响，是一种具有实用价值的补偿方案。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。