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摘要：信息技术的发展，使基于微处理器控制的设备得到迅速普及和发展，未来不少用户对电能的利用都要经过电力电子装置的转换或控制。一方面这些装置给人们的生产、生活带来了方便和效率，而另一方面具有非线性负荷特征的设备在电力系统中的应用越来越广泛，这些设备的运行可能会使电网中电压和电流波形畸变越来越严重，而且有时还会产生严重的电压波动、电压闪变和负序分量等电能质量问题。从而导致矛盾的局面：系统一方面要承受电力电子装置带来的污染，又要用它来消除这种污染，提高电能质量。针对以上问题本文将设计基于虚拟磁链技术的DVR无电网电压传感器控制系统用于解决电压波动问题。

关键词：虚拟磁链技术；电压暂降；DVR

1、国内外现状

自20世纪80年代末起，全球电力工业放松管制，开放电力市场成为趋势。在此背景下，用户与供电企业都在追求自身利益最大化。1988年，美国N.G.Hingorani博士提出CustomPower概念，即利用现代电力电子、计算机和控制技术，按用户特定要求提供电力供应并控制电能质量。我国学者称之为DFACTS，视为FACTS技术在配电系统的延伸，并开展了广泛研究。1996年，日本学者提出类似概念FRIENDS，旨在建立灵活、可靠的电力供应系统。同年，美国Westinghouse电子公司发表动态电压恢复器（DVR）研究报告。1998年，ABB公司开始DVR研究，其产品在新加坡半导体制造厂成功应用，有效减少电压跌落带来的损失。2000年，ABB推出22.5MVA的DVR，并在以色列微处理器制造厂投入使用，产品升级至AVC系列，容量从160kVA到30MVA，响应时间少于一周波。

国内，清华大学、东南大学等高校相继开展DVR研究，但样机功率等级较低。目前，DVR理论研究集中在主电路结构和控制方法。主电路结构研究不同逆变器结构对故障电压补偿效果的影响；控制方法则聚焦快速准确捕捉畸变电压并补偿，尤其是不平衡畸变电压补偿和能量优化补偿。然而，传统并网逆变器闭环控制系统需多个传感器，增加成本和空间占用，且传感器异常会影响系统稳定性。为此，本文采用基于虚拟磁链技术估计网侧电压的方法，研究无网侧电压传感器的并网逆变系统，以解决上述问题。

2、动态电压恢复器（DVR）的工作原理

DVR作为电压暂降补偿装置，其主要由检测电路、控制电路、驱动电路、逆变器、储能单元、滤波器以及串联变压器组成。

检测电路主要负责实时监测电网电压，如果电网电压正常，旁路开关会闭合， 使DVR进入“旁路模式”；如果线路发生电压跌落，旁路开关会断开，并将检测电路的采样数据及时传送给控制电路，DVR对检测电路的实时性和检测精度要求较高。控制电路主要将检测电路采集的数据进行加工，判断是否出现电压暂降，如果发生电压暂降，则将电压信号转换为驱动电路所需的PWM波，由驱动电路驱动逆变器产生相应的补偿电压。储能单元主要为暂降电压提供能量补偿，经逆变器产生电网所需的补偿电压，使负载在电压暂降期间得到有功补偿，所以动态电压恢复器对储能装置的储能能力有较高的要求。逆变器主要是将储能装置的直流逆变成电网电压所需的正弦交流电压，目前逆变器主要由全控型器件如GTO、GTR和IGBT等组成。DVR的滤波器主要是滤除由电力电子器件产生的开关谐波，确保输出电压幅值和相位不失真，避免对敏感负载产生影响。最后，经滤波器滤波的补偿电压通过串联变压器注入到系统中，使跌落的电压恢复到正常水平。

为逆变器输出电压，为电网侧电压，为DVR的输出电压，为负载侧电压，L、C分别为滤波器的电感与电容，r为滤波器的等效电阻，、分别为滤波回路的电感电流与电容电流，为负载电流，为负载。

3、动态电压恢复器（DVR）拓扑结构

目前，动态电压恢复器在电网中的使用方式主要有三种，分别是串联式、并联式和串并联混合式。

当DVR采用串联式结构时，DVR输出的有功功率均由储能装置提供，如果DVR具备足够的储能，在此结构下，DVR可以在中断供电的情况下保证负载的正常工作。其次采用串联结构时，DVR输出的补偿电压是电压的差值，受其他因素的影响较小，并且输出的能量也较少。

并联结构下的DVR主要通过调节系统的无功电流来间接调控电压，而不是像串联结构直接对暂降电压进行补偿。并联结构的 DVR其功能类似于静止无功补偿器，主要通过发出或吸收无功功率对电压进行调节，对小范围的电压暂降进行补偿。

由于受客观因素的限制，大容量的储能装置并没有得到广泛的应用，因此对DVR串联结构的使用受到一定的限制。当电网电压发生暂降时，通常情况下电力母线上会有一部分残压，这时可以将这部分残压经整流装置储存在储能装置中，再通过逆变装置将该部分能量注入到电网中，这样既降低了对储能装置的要求，也减少了对DVR能量的消耗。但混合式的DVR结构相对复杂，提高了应用成本。

4、虚拟磁链技术（VF）

在有电网电压采样的矢量控制系统中，电网电压主要作用是提供同步旋转坐标变换所需要的角度信号，所以无电网电压传感器矢量控制中的核心任务是利用有关检测量观测出坐标系统的空间位置角度。实现这一目标有3种思路：估计电网电压获得角度信号、直接估计电网电压的角度和估计虚拟电网磁链得到角度信号。思路一中的电网电压的估计用到电流信号的微分量，这将容易引入和放大噪声干扰。思路二中采取的直接估计电网角度的方法需要选取合适的PI参数，物理意义难以明晰，不利于参数调整。

三相电压型PWM整流器的主电路，其中，，分别是三相电网电压，L、R是进线电抗器的电感与电阻，是直流母线电压；它与逆变器供电三相交流电机定子电路有着很大的相似性。PWM整流器中的电网电压相当于交流电机的气隙磁场在定子绕组中产生的感应电势，电抗器的电感和电阻分别相当于电机定子绕组的漏感和电阻。所以，可以将PWM整流器看成一台无限大由逆变器供电、以同步速恒速运行的、定子电阻和漏感分别为R和L的同步电机。

在三相交流电机的矢量控制或直接转矩控制中，采用磁链作为矢量控制中的定向矢量或直接转矩控制中扇区的判别矢量。利用定子电流、直流母线电压和变频器的开关信号可构成多种观测磁链的方法。由此可以设想在PWM整流器中，也可以将电网电压看成是一个虚拟的磁链的微分量，采用类似于交流电机磁链观测的方法来观测这个虚拟电网磁链，用以取代电网电压作为定向矢量，以达到省去电网电压传感器的目的。

5、DVR补偿策略

常见的补偿策略有三种，同相位补偿、完全电压补偿和最小能量补偿。同相位补偿是指电网电压发生暂降时，动态电压恢复器只对暂降电压的幅值进行补偿，而不对跳变相位进行补偿，所以补偿后的电压与暂降前电压相比幅值相等，但相位不同；完全电压补偿就是将暂降电压的幅值和相位补偿到电压暂降前的水平，确保电压暂降前后电压的连续性，避免对负载产生较大的影响。对电能质量要求较高的负载而言，该补偿策略是最理想的，它需要实时的检测电网电压的幅值和相位，从而保证负载的持续工作；最小能量补偿就是在电网出现电压暂降时，DVR 在保证电压补偿效果的同时，还可以通过调节补偿电压相位角使输出得有功功率最少，如果储能装置容量有限，采用该策略可以有效的延长电压补偿的时间。

当电网出现电压暂降时，DVR需要对暂降电压的幅值和相位进行补偿，此时DVR将会与系统进行能量交换。为减小DVR能量的输出，降低储能单元的容量，确保动态电压恢复器能最长时间的实现对电压暂降的补偿，在保证补偿效果的前提下保证其经济性，所以选择合适的补偿策略对治理电压暂降至关重要，因此需要对常用的补偿策略进行分析并加以改进，尽可能减小电压暂降对负载的影响，并努力提高其经济性。

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