通过DVR和DSTATCOM补偿电压降的分布式系统.docx

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通过DVR和DSTATCOM补偿电压降的分布式系统

通过DVR和D-STATCOM补偿电压降的分布式系统

摘要本文主要描述了在分布式系统中通过DVR和D-STATCOM两个电力电子基本设备来校正电源电压降的技术。

在校正电压降的过程中，DVR提供一个与系统电压串联的电压，D-STATCOM给系统提供一个电流。

DVR和D-STATCOM的稳态性能是通过比较各种电压暂降值，系统故障和负荷水平来确定的。

最小视在功率的输出需要通过这些设备来校正电压降，而且它也需要比较和确定。

最大电压降可以不通过给系统输入有功功率来校正，并且确定。

仿真表明，DVR与D-STATCOM相比，它可以通过输出更少的视在功率来校正电压降。

1.引言

电压幅值是决定供电质量的主要因素之一。

载荷的配送水平通常受因为不同原因造成的频繁的电压降的影响。

敏感的载荷是非常不希望出现电压降的，特别总是在高新技术产业中。

在电压扰动时，通过校正电压从保持理想的负载电压是一个具有挑战性的任务。

DVR和D-STATCOM可以在不同的分布水平（1，2，3，4）来校正电压降。

由一系列的设备构成的DVR可以为电源提供一个交流电压，并且需要通过注入变压器与电源电压串联来实现。

注入的电压和负载电流确定的DVR注入功率。

另一方面，一个D-STATCOM分流装置产生的交流电压，这反过来又导致电流通过一个分流变压器来注入。

DSTATCOM的负载电压与注入电流决定着其注入功率的大小。

对于更低的电压降，载荷的电压只能通过给系统注入无功功率来校正电压。

然而，对于更高的电压骤降，在注入无功功率外，注入有功功率是校正电压的根本。

需要注意的是，DVR和D-STATCOM能够产生或吸收无功功率，但是有功功率注入必须由外部能量源或能量存储系统提供。

两DVR和D-STATCOM的响应时间是非常短的，并且受到电力电子器件和电压降检测时间的限制。

预期的响应时间25毫秒左右[6]，比一些传统的电压补偿方法要短的多，例如抽头变压器。

为简单起见，在这项研究中只比较DVR和D-STATCOM的稳定性能。

本文研究的是当DVR和D-STATCOM被应用到供应配电系统中来校正电压降时的稳态性能。

不需要注入任何有功功率就可以被校正的最大电压降也是确定的。

最小的视在功率注入所需要校正一个给定的电压，这个电压也是来可以被计算的。

在不同的电压降、系统故障水平和负载水平下的DVR和DSTATCOM的性能也是可以被测定和比较的。

2.DVR校正电压降

一个典型的DVR的示意图如图1所示。

DVR左手边的电路代表戴维南等效电路的系统。

系统阻抗（Zth=Rth+jXth）取决于负载总线的故障水平。

系统电压（Vth）下降时，DVR通过注入变压器注入串联电压VDVR，以致所需的负载电压VL可以保持。

DVR的串联注入电压的可以由如下公式表示：

VDVR=VL+ZthIL-Vth

（1）

在这里IL是负载电流

当VL被看作一个参照，等式。

（1）示可以被写为

这里α，β和δ分别是VDVR，Zth和Vth的角度，θ是负载的功率因数角（θ=tan-1（QL/PL））。

DVR的复功率输入可别写为

图1DVR的方案框图

它可以在这里提到的，当注入电压VDVR与IL保持正交时，就不需要DVR来注入有功功率来校正电压降。

它只需要无功功率，并且DVR能够产生无功功率。

值得注意的是，VDVR可以在电压降上升到一定值之前与IL保持正交，当电压降超过这一定值时这种正交关系将不能校正电压降。

。

对于这样一个的情况下，有功功率注入系统是必不可少的。

注入的有功功率必须由DVR的能量存储系统提供。

另一方面，当的DVR注入电压的大小最小化时，为校正电压降而注入系统的视在功率可以达到最小。

这方面的电压校正也很重要，因为它可以最大限度地减少注入变压器的大小。

对于零有功功率输入（ZAPI）和最小视在功率注入（MAPI）的DVR电压校正讨论如下。

A零有功功率注入（ZAPI）

正如前面所提到的，当vDVR和IL之间的相位角差保持在90度，就不需要注入有功功率来校正电压降。

在这种情况下，注入电压VDVR的α的角度的大小可以写为

α=π/2-θ（5）

从公式（3），α可以被表示为

通过等式（5）（6），Vth的相位角δ可以被表示为

这里需要提到的是，对于δ的条件

必须被满足。

在经过一系列的数学运算后，等式（8）可以被表示为

等式右边的。

（9）取决于负载电流，阻抗电压和负载的系统。

当

系统的大小或戴维南等效电压（Vth）满足方程式（9）时，所需的电压校正可以在没有任何有功功率注入到系统的情况下被实现。

在这钟的情况下，DVR注入视在电压的可从方程式（3）与方程式（7）的δ的值得到。

一旦vDVR是已知值，DVR的注入复功率从从方程式（4）得到，它将只有复数部分。

B最小视在功率注入（MAPI）

对于一个给定的负载电流，DVR的注入视在功率的大小取决于注入电压的大小。

在方程式（3）中，注入电压的大小可以表示为

从而对于最小输入电压的大小（或者最小视在功率）输入，条件为

必须满足。

方程式（11）现在就可以为δ的值算出，由下式给出

一旦的δ值是已知的，DVR的注入视在电压和视在功率就可以

分别通过方程式（3）和（4）得到。

3.D-STATCOM校正电压

一种D-STATCOM示意图如图2所示。

在该图中，分流注入电流Ish通过调节系统阻抗Zth上的电压降来校正电压降。

Ish的值可以通过调节转换器输出电压来通知。

分流注入电流Ish可写为

D-STATCOM的复功率可以表示为

DSTATCOM在校正电压降时的有效性取决于Zth大小或者总线负载的故障水平。

当并联电流Ish与VL保持正交时，所需的电压校正可以再次的在不向系统注入任何有功功率的情况下实现。

另一方面，当Ish最小时，相同的电压校正可以在向系统输入最小视在功率的情况下实现。

通过D-STATCOM使用上述两种方法来使电压骤降校正讨论如下。

图2.D-STATCOM的方案框图

A零注入有功功率

在这种情况下，D-STATCOM向系统注入任何有功功率。

因此整个负载的有功功率（P，）必须由系统的戴维南等式提供。

图2中戴维南阻抗（负荷侧）有功功率可以写为[7]

通过等式（15），δ可以被表示为

对于一个可以使用的δ的值，条件

必须满足，上述的限制条件可以整理成为

因此，当系统电压幅值满足等式（18）时，D-STATCOM可以在不向系统注入任何有功功率而校正电压降。

对于这样的情况下，D-STATCOM输出的复电流和视在功率可以很容易地分别从方程式（13）和（14）中得到。

请注意，注入的视在功率将只有复数成分。

B最小视在功率注入（MAPI）

正如前面所提到的，

注入电流最小时，D-STATCOM可以用于校正电压降而向系统输入的视在功率也就最小。

因此，最小的视在功率条件为

Ish的解析表达式可以很容易地从方程式（13）中得到，（19）等式的结果如下

因此，对于一个给定的负载，δ的值可以很容易从从方程式（20）得到。

一旦δ的值是已知的，D-STATCOM的复电流和视在功率能再次分别由方程式（13）和（14）得到。

4仿真结果

用来证明DVR和D-STATCOM应用到校正电压降的稳态性能的简易系统示意图如图3所示。

在这里系统在滞后功率因数0.8的情况下负载为1.0pu，负载总线的故障水平是是10pu并且X/R比为2。

这是一个假定的负载总线电压的大小在有电压降的情况下保持1.0pu。

结果发现，不同的是对的DVR和D-STATCOM在上述标准下得到的结果简要的总结如下。

图3.DVR或D-STATCOM的简化系统

ADVR

先阐述DVR被用于校正系统电压降。

在ZAPI和MAPI的情况下，DVR为校正电压降保持负载电压标1.0pu。

对于这个系统，DVR可以在给系统注入任何有功功率而校正电压为0.236Pu最大电压降。

如图（4）所示，对于更低的电压降（〈0.236pu）,则不需要注入任何有功功率，但需要更高的视在功率注入到系统中来校正电压降（对比MAPI的情况）。

DVR由于不同的故障水平、负荷水平、负荷功率因数和X/R比系统阻抗下的注入视在功率的也被详细的研究。

结果发现，对于一个给定的负载电平，DVR的最小注入视在功率与系统故障水平、系统阻抗的X/R比以及负载功率因数无关。

然而，在MAPI中Sinj由负载水平，如图5所示。

图5表明，对于一个给定的电压降，DVR的注入视在功率随着负载水平增加而增加。

图4.抑制电压跌落的DVR的注入有功的变化

图5.不同负载下DVR的最小注入有功

BD-STATCOM

图6显示了D-STATCOM在校正电压降注入的视在功率的变化。

在ZAPI和MAPI两种情况下的结果例图6中所示。

从图6中可以看出在MAPI的情况下Sinj随着电压降而线性变化。

然而，Sinj在ZAPI情况则较MAPI情况下略高。

在这个系统

中D-STATCOM可以不给系统注入任何电压降而校正电压到0.563pu,这一值比DVR的（0.236pu）高很多。

同时还发现在MAPI的情况下Sinj负载、负载功率因数和系统阻抗的X/R比率无关。

然而，由图7可以看出Sinj对于系统故障水平是非常敏感的。

从图中可以看出Sinj随着系统的故障水平的增加而增加。

图6抑制电压跌落的D-STATCOM的注入有功的变化

图7.不同故障等级下D-STATCOM的最小注入有功功率

5结论

DVR和D-STATCOM在校正电源电压的稳定性在这里比较和确定。

ZAPI和MAPI的电压校正技术也已经被讨论。

简易系统的仿真结果表明校正一个给定电压降所需要注入的视在功率，D-STATCOM要较DVR高出许多。

主要原因是DVR只在电压的下游校正电压，D-STATCOM在两侧校正电压。

同时还发现，DSTATCOM在不给系统注入任何有功功率下能校正比DVR更高的电压降。

最小视在功率对负载水平的变化非常迟钝，但对系统故障却非常敏感，另一方面DVR的则与其相反。

就最小视在功率或耦合变压器的大小这两个方面的性能而言，DVR要优于DSTATCOM。