1、用于緩解電壓驟降的串聯電壓恢復器（SVR）的仿真與分析摘要：本文介紹了一個系列的串聯電壓恢復器（SVR）的技術，和其根據壓敏負載經驗減少錯誤數量的相對有效性。一共有三種不同的SVR補償技術被提出，并且對它們相應的電壓驟降減緩能力通過仿真進行了驗證。初始工作點的影響、系統的負載功率因數、相一角跳躍與每個SVR的瞬態和穩態性能方面的電壓驟降和直流電容的相關性也進行了檢驗。對SVR之間的潛在影響，連接的負載，電力系統和系統故障的考慮是必要的，因為SVR所應用于非常敏感且要求異常嚴格的負載。1引言電能質量問題包括各種干擾，從電壓驟升、電壓驟降到的諧波失真。在這些干擾，電壓驟降可能是當下電力工程師所面臨

2、的最常見的電能質量問題之一。電壓驟降定義為在電力頻率下電壓或電流有效值在0.5個周期到1分鐘之間持續的減小。大多數的驟降暫降都源于輸電或配電系統故障。對于一些現代高科技電子為主的產業對供電電壓偏差非常敏感，持續時間短驟電壓驟降就可能是災難性的。幸運的是，在過去十年中電力行業已經證明，電壓暫降問題通過使用串聯的、快速的控制、強制換相的電力電子設備可以減輕或完全避免，如使用GTO和IGCT。但是，串聯連接的電壓恢復器（SVR）的家族中，還存在著各種補償技術。本文將闡述、討論和比較三種補償技術的模擬結果。三種技術在電壓幅值和相移修正時具有不同的精確度。哪個屬性更重要的取決于負載。在使用相同的初始工作

3、點和直流電容的情況下不同的技術的瞬態性能也不同。為了研究三種類型的SVR的補償技術的瞬態和穩態性能，對三個獨立的具有典型等級和特征的SVR進行建模，并通過仿真檢驗。2三種補償技術SVR確保的本質是，通過一個串聯連接的升壓變壓器來提高負載電壓的方式來增加電壓。SVR包括以下主要部件：一個電容器組，具有合適的控制系統的脈寬調制器（PWM）逆變器，交流諧波濾波器，注入變壓器和一個可選的能量存儲系統4.5。如果希望SVR提供有功功率補償那么儲能系統就是必要的。Lc»4 busPWM逆變器用于產生具有所期望的幅值和相位的串聯升壓電壓。然而，所希望的升壓電壓的幅值和相位的定義對于三種類型的SVR

4、的補償技術是不同的。三種技術在IIA和B部分中進行了討論。圖1和圖2分別顯示了無功補償SVR和有功功率補償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.無功補償技術無功功率補償技術的實質是在圖3.中被描述。從圖3.可以看出，串聯電壓與隨負載電流正交并且SVR沒有注

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

6、1mMi也可以被推導并用電能傳輸來解釋。輸入SVR的三相功率Pin,在SVR像負載輸出的功率Pout,在下面測式子中被描述：P5H3MLMc仆似?何(5)產血=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1Vlm1111出現。(3)和(4)都顯示負載功率因數在這種專門技術的補償能力上扮演重要角色。向眇 3 Phasor diagr

7、am of reactive compensation SVR由SVR提供的無功功率由下式計算：Qsvr旬d(WLkin(cos"(pf)AivtI2-ivtP(pff)無功功率完全由構成逆變器的GTO開關動作提供。B.有功和無功功率補償In-相角補償技術4.中展示。在這種補償方式中，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的最小供應電壓是:(10)不像無功補償SVR,這種有功功率SVR的運行對負載功率因數是獨立的由SVR提供的功率為:(11)比匕I)Fig*4Phasordiagramofin-phasecompensadcatechnology相角和幅值修正

8、技術有一些負載不僅對負載電壓的有效值敏感還對負載電壓的相位敏感。在這種情況下，由圖5.所展示，需要一個SVR使得提升了的負載母線電壓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是供應電壓與驟降前的負載電壓直接的相角。可被補償最大相角mu為:其僅僅受IYSVRI和儲存系統中有功功率的量限制。SVR給圖5.中展示的運作所提供的功率為：TlL*產Tl%H匕18-(14)等式(10)和(12)

9、展示，不像無功補償SVR,這種補償技術的工作與負載功率因數相獨立。但是負載功率因數影響SVR可使負載母線電壓保持在VL的連續性。給出一個帶有儲能EDC的SVR,依據圖4.的持續時間Tdurl為：占=皈AkI(1/I-1VD討)(13)并且依據圖5.的持續時間Tdur2為：7后區川”0/I(討-1%IcoKcosT(H)±(16)因此，對于相位補償和相角幅值修正技術二者，在功率因數低的時候持續時間都更小。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。其中一個僅僅產生無功功率，另外兩個能夠提供有功功率，這兩個中的一個使用相位補償技術，另一個使用

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

11、好的技術，其不同之處僅僅在于補償的持續時間(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，增加無功功率SVR的直流電容對穩態負載的電壓有效值沒有改善。另一方面，會發現增加有功功

12、率SVR的直流電容會很大程度的減少穩定狀態電壓有效值的振蕩，如圖8.所示。無論使用什么補償方案直流電容很難影響穩態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對瞬時電壓敏感的負載將會被瞬態超調量和他們經歷的暫態最小電壓影響。從表1.看出，直流電容從100uF增加到1000UF,一般的趨勢是超調量降低最小電壓增加。然而，在用于無功功率補償方法降低前驟降超調量方面，增加直流電容比發生在驟降開始時增加的暫態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的超調量有更

14、大的影響。涉及到決定電容值方面的其他考慮包括補償的持續性。電容值應該符合客戶的需求。對于有功功率SVR的建立，當一個38%電壓驟降發生時，SVR可以可以保持負載電壓大約0.15秒。直流電容器的必要的能量存儲可以由以下公式估£8=第婿九3(/)%(17)其中I是通過svr的最大電流，時是持續時間。C.電壓驟降幅值修正表2.總結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、壓驟降開始時，由于控制系統的延遲，會出現一個電壓不足。由于相同的原因，在驟降結束時會出現超調。驟降會變得更加嚴重，超調也會變得更大并且電壓不足也很變得更嚴重。有功功率補償SVR在穩態和暫態都勝過無功補償SVR。一個原因可能是在無功補償SVR中，控制系統不僅需要矯正VSVR幅值還要矯正相位。D.初始工作點的影響對于無功補償SVR,無功功率儲備7是影響瞬時最小負載電壓和超調量的關鍵因素。SVR模型在不同的初始工作點對電壓驟降進行檢測。當SVR的初始工作在無功吸收區時，有豐富的初始無功功率可產生較高的最低負載電壓和22.1%的過沖超調。如果SVR最初是在無功放電區，有一個初始的無功功率不足，因此導致

17、較低的最低負載電壓和14.7%的過沖超調。對于有功補償SVR,最小負載電壓和超調量值主要取決于直流電容器的有結果發現，初始工功儲存，因此雖然有功功率儲備直流電壓仍然是非常重要的作點的影響逆變電源的直流電壓回的收率和振蕩的量。當SVR最初是在其生成區是直流電壓恢復最慢，并且產生1.1%的很小超調量。在小負載電壓下初始工作的影響很小。當有功功率SVR初始在浮動點的時候，直流電壓經歷持續的振蕩在恢復，導致更大的超調。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%幅值驟降的結果在表4

19、.中展示。相一角跳變分別為0度，60度和-60度。對于無功功率SVR,圖9中的仿真結果表明，滯后相移沒有顯著影響的穩態負載電壓的有效值。然而它導致瞬態量超調的顯著增加。領先的相移引起的穩態負載電壓的有效值振蕩嚴重。它也顯著延長了SVR響應時間。這是因為相移突然是SVR進入無功功率產生區域，導致功率短缺（111D部分）。對于有功功率SVR,圖10中的仿真結果表明，相移在驟降開始和結束的位置產生半周期的持續時間的瞬態欠壓。這種現象可以歸因于在控制系統中的延遲。仿真結果表明，相一角躍變進一步增加了無功功率SVR瞬態超調的量，他們進一步使有功功率SVR暫態最小負載電壓降低而不增加其過沖。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 .結論仿真結果表明，無功功率SVR只有在使用低功率因數負載時是有效的。有功功率SVR,有相位補償和相角幅值修正方法構成，能用于具有更高功率因數的負載。負載功率因數只會對最大可能補償持續時間有影響。直流電容的尺寸對SVR的幅值能力沒有顯著的影響。然而一個更大的直流電容大大的減少了有功功率SVR穩態有效值的振蕩，盡管其對無功功率SVR的穩態性能沒影

26、響。隨著直流電容的增加，無功SVR中超調量明顯減少然而有功SVR中暫態最小電壓明顯增加。根據初始運行點和初始無功功率儲備量，不同SVR模型暫態最小電壓和瞬態超調值會有所不同。相一角跳變被發現會增加無功功率SVR的暫態超調并且減少無功功率SVR暫態最小負載電壓。這些副作用可以歸因于控制系統的速度。更可以快速跟蹤相角跳變的先進的控制方法，可以提高SVR的瞬態響應。總之，對于SVR的電壓驟降幅值能力是毫無疑問的。像直流電容這樣的一定的參數值，初始工作點和相一角跳變將影響SVR的暫態性能但是他們對問題電壓值基本沒有影響。一般而言，有功功率SVR能比無功功率SVR補償更深的電壓驟降。REFERENCE1

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