基于飞轮储能的动态电压恢复器补偿电压暂升的研究

近年来, 随着接入电网的非线性负荷的数量不断增加, 电网污染不断加重, 造成了种种电能质量问题。在诸多电能质量问题中, 电压质量问题造成的危害最为普遍。动态电压恢复器 (DVR) 是目前解决电压质量问题的最有效手段[1]。

D V R可通过储能装置获取能量, 当DVR需要向电网注入有功时由储能装置提供能量。其中, 飞轮储能装置具有长寿命、无污染等优点, 因此得到了广泛应用[2]。实际应用中, DVR也需要补偿电压暂升, 此时DVR可能从电网吸收有功功率形成能量倒灌, 能量倒灌将引起直流母线电压泵升, 这将严重威胁装置的正常运行。文献[3]提出了单向功率流动控制策略, 但这种方法适用于采用不可控整流为直流侧电容充电的D V R。

基于以上原因, 本文对基于飞轮储能的DVR在补偿电压暂升时能量倒灌问题进行了研究:首先分析了传统控制策略的局限性;然后提出了整体协调控制策略;最后给出了仿真结果。

1 电路结构和工作模式

基于飞轮储能的DVR的电路结构如图1所示, 由飞轮储能装置、转换开关、变换器A、滤波器、旁路开关和串联变压器几部分组成。

基于飞轮储能的DVR主要有3种工作模式:分别是待机模式、充电模式和工作模式。

2 传统控制策略的局限性

DVR补偿电压暂升的原理如图2所示。图中VS为发生电压暂升后电网侧电压相量;VL为发生电压暂升前的负载侧电压相量;V L′为补偿后负载侧电压相量;VL和V L′大小相等;CV′为DVR输出的补偿电压相量;δ为VS的跳变角;α为补偿前后负载侧电压的相位跳变角;IL和I L′为补偿前后负载电流相量, 大小相等;φ为负载功率因数角。

发生电压暂升时, 电网侧电压的幅值和相位都发生了改变, 若只关心补偿后负载侧电压的幅值, 那么使其端点落到图2虚线所示的圆弧上就可以实现补偿。

DVR与电网的有功功率交换值为:

如果取PDVR=0, 即满足:

由于没有能量的倒灌, 直流母线电压就不会发生泵升, 零有功交换即为文献[3]采用的单向功率流动控制策略的基本原理。这种控制方法虽然简单, 但会引起负载电压的相位跳变, 这对电压相位敏感的负载将产生极大的影响。

对于基于飞轮储能的DVR, 在待机模式下, 为了提高系统的效率, 飞轮处于不可控状态, 由于损耗, 飞轮的转速会缓慢下降。因此, 电压暂升发生时飞轮转速通常不处于最高值, 也就能吸收一定的能量。

3 整体协调控制策略

要想保持直流母线电压恒定, 就要保证吸收的有功功率inP能完全被飞轮储能装置吸收。当飞轮处于高转速状态时, 采用恒功率PFES充电模式。

情况1:PFES>Pin DVR吸收的有功功率能完全被飞轮储能装置吸收, 则DVR采用暂升前电压补偿策略, 飞轮的充电功率为Pin。

情况2:PFES

情况3:当飞轮转速达到最大值时, 维持飞轮转速恒定的功率很小, 这时系统的控制等同于单向功率流动控制。

根据以上的分析结果, 本文提出的整体协调控制策略的控制框图如图3所示。

飞轮控制策略主要包含功率计算单元、充电控制和放电控制3个功能模块。

D V R的控制主要包括过电压判断、参考电压的生成和产生所需的补偿电压等几部分。

4 仿真结果

为验证以上分析, 对图1所示的系统进行仿真。通过仿真得到:当PFES>Pin时, 补偿前后负载侧电压的幅值和相角都保持一致;当PFES

5 结语

针对补偿电压暂升时直流母线电压泵升, 本文结合飞轮储能的特点以及DVR的补偿要求, 提出了一种整体协调控制策略, 该策略根据飞轮额定充电功率与DVR吸收功率的不同关系, 自动调整飞轮的充电控制策略和DVR的补偿策略使得直流母线电压保持恒定, 此外在调整飞轮充电控制策略时还综合考虑飞轮转速的影响。仿真结果表明, 该控制策略既实现了直流母线电压恒定, 又兼顾了补偿效果。

摘要：本文对基于飞轮储能的动态电压恢复器 (DVR) 在补偿电压暂升时可能引起直流母线电压泵升的问题进行了研究。首先分析了传统控制策略的局限性, 继而提出了一种整体协调控制策略, 该策略根据飞轮额定充电功率与DVR吸收功率的关系以及飞轮转速的影响, 自动调整飞轮的充电控制策略和DVR的补偿策略, 使得直流母线电压保持恒定。最后, 利用仿真结果对该策略的实用性和有效性进行了验证。

关键词：动态电压恢复器,飞轮储能,电压暂升

参考文献

[1] Woodley N H, Morgan L, Sundaram A.Experience with an inverter-based dynamic voltage restorer[J].IEEE Trans on Power Delivery, 1999, 14 (3) :1181～1186.

[2] Bitterly J G.Flywheel technology:past, present, and21st century pro-jections[J].IEEE Aerospace and Elec-tronic System Magazine, 1998, 13 (8) :13～16.

[3] 林智声, 戴宁怡, 黄民聪, 等.DVR的不平衡浪涌和过电压控制[J].电力系统自动化, 2005, 29 (2) :35～39.