动态电压调节器（DVR）对电压暂降的缓解作用
摘要： 在众多的电能质量扰动中，电压暂降是最为突出的电能质量问题之一。也是当前和未来是我国电网所面临急需解决的重要问题。动态电压调节器(DVR)是一种静态串联补偿器。目前各种新的拓扑方案和控制方法层出不穷，侧重点和补偿效果也不尽相同。该文主要对其中一种典型的DVR方案进行了叙述，介绍了其工作原理、特点和动态性能。
关键词： 动态电压调节器;电能质量;电压暂降;电压补偿
电压暂降是最为突出的电能质量问题之一，也是当前和未来我国电网所面临急需解决的重要问题。目前受到广泛关注，发展最快的是在负荷侧装设动态电压调节器(Dynamic Voltage Regular——DVR)进行电能质量补偿。它是基于电力电子技术，采用电压源型变换器为基本模块来实现的。动态电压调节器是一种保证电能质量敏感负荷供电的串联补偿装置。它安装在电力系统与用电设备的接口处，能在电源电压发生暂降时，通过串联补偿控制，恢复负荷端电压到正常值，保护敏感负荷不受电压暂降得影响，同时还能抑制电源电压中谐波闪变等的干扰的有效补偿装置。对用户侧的电压暂降补偿而言，如今采用的几种方法是：动态电压调节器，静止无功发生器，统一电能质量控制器，超导磁能储蓄等。而各国专家已经普遍达成共识：DVR是改善电压型电能质量问题的最经济、最有效的手段。但处理电压暂降的有效性和速动性是电压补偿的难点。因此，对于DVR的研究已成为当前国内外研究的热点之一。
1 动态电压调节器的拓扑结构[Ul]
动态电压调节器被看做是减轻电压瞬变影响的有力措施。该装置的基本拓扑结构如图1所示。
图1(a)所示的主功率回路系统，主要由电能储存单元、直流电压稳定与滤波单元、VSC型全控型逆变器、滤波器及串接变压器、保护与控制等单元组成。电能储存单元用于电压暂降期间给负载提供有功功率，其具有一定的电能储存与功率交换能力，典型和潜在的储能设备包括：电池、超级电容、超导储能及飞轮储能等。滤波单元通常由电容器实现，当电压较高时，可由起均压控制的电容器组合而成。VSC型全控型逆变器采用全控器件如IGBT、GTO等。控制单元用来完成信息的采集、处理、运算及驱动脉冲的产生，可采用DSP等高速数字信号处理微控制器实现。保护回路则实现系统短路或过载情况下对DVR主回路的保护。串联式DVR检测到供电电压跌落时，立即产生补偿电压，并通过串联变压器叠加到供电回路中，保证负荷电压的稳定。
图1(b)所示的主功率回路系统、控制系统的结构与串联式的结构非常接近，但它通常不采用电能储存单元置位系统提供无功，通过并联方式接入系统。这类控制器并不是直接补偿负荷电压，而是通过对无功电流的控制来实现电压调整，通常被称为静态无功发生器或静态补偿器。
图1(c)所示的则是将串联补偿电流与并联补偿电路结合起来的一种拓扑结构。就目前储能技术的发展水平而言，经济实用、方便可靠的大容量储能技术还未实用化，高昂的造价限制了图1(a)所示的串联式补偿器的应用。事实上，设立DVR的目的在于补偿供电系统电压的跌落，而当系统电压跌落发生时，通常还有一定的残压存在(如大于50%额定电压)，可以利用这部分电压为逆变回路提供能量，这样就不必采用储能单元，可降低系统的造价，从供电系统获得能量的部分通过并联变压器或直接并联接入系统。
2 动态电压调节器的电压、电流及功率关系
DVR的工作过程包括稳态和动态两种模式。稳态模式的电压、电流及功率关系是进行设计DVR与控制的基础。下面首先就这一问题展开讨论。
串联式DVR电路[参见图1(a)]中的负荷电压为电源电压与补偿电压向量和各量的含义如图2所示。
在发生电压暂降前，设负荷的电压标幺值为1，相位角为零，负荷电流幅值变为[IL]，相位滞后[φ]，暂降发生后供电电压幅值变为[Usag]，相位角跳变为[ψ]。通过DVR的补偿，负荷侧电压的幅值及相位保持不变，这样，负荷吸收的功率为
可见，不计电压相位跳变时，补偿设备的容量与负荷的容量及要补偿的电压暂降幅度成正比。计及相位跳变时，DVR的容量为
可见，发生相位跳变时，补偿系统的容量将增大。例如，若相位跳变为
则补偿设备的容量与负荷容量相等。这显然不符合串联式DVR的设计原则。通常，在相位的跳变不影响负荷正常运行的情况下，DVR在暂降发生时检测电源的电压相位，并在此基础上将负荷电压补偿到额定值，这样就使得电源相位不发生跳变，保证了补偿设备的容量最小。
由于串联式DVR需要储能单元，为了降低储能单元的容量，有时需要通过无功方式来补偿电压跌落。极端情况下，如果DVR只补偿无功功率，对应的向量图如图3所示。
补偿电压的相位及幅值可由相量图获得，分别为
从式(8)可以看出，通过纯无功方式来补偿电压跌落并不总是能够实现。事实上，式(8)右面大于1时无解。另一方面，从相量图也可以看出，采用纯无功补偿时，补偿电压的幅度要大得多，这意味着补偿器的容量也要大得多，这样可能反而造成整个设备造价的升高。因此，补偿方案应将储能设备的容量与逆变器等其他主回路设备的容量结合起来考虑，采取技术上和经济上都比较合理的方案。
并联式DVR[图1(b)]的等效电路如图4所示。发生电压暂降后，负荷母线的电压可以看做是系统等效电压源与补偿等效电流源作用相叠加的结果。
这一电压变化是通过注入电流实现的。如果从补偿电流源端点看，得到电路的等效阻抗为(实际上，就是系统阻抗与负荷等效阻抗的并联值)，则注入电流为
由于补偿后的电压已设为[1p.u]，故式(12)电流的数值就是补偿器功率的数值，因而
可以看出，暂降时若不发生相位跳变，则补偿器功率为
可见，并联补偿方式不仅与负荷大小、暂降程度有关，还与供电系统的阻抗有关。事实上，系统阻抗较小时，所需的补偿容量很大，以至于这种补偿方法实际上无法实现。
串并联补偿方式的DVR是由上述串联方式和并联方式组合而成的。有关串联部分的电压、电流及功率关系与前述分析完全一致，这里主要给出并联部分的功率分析。
(a)并联式DVR等效电路;(b)系统等效电压源作用;(c)补偿等效电流源作用
图4 并联DVR的等效电路及补偿等效电压源、电流源图
暂降发生时，并联支路的电压为[Usag]，电流为[Ip]，[Usag]的相位角为[ψ]，[Ip]的相位角与电压相同，则并联支路的功率为
稳态运行时，并联部分从系统获取的功率应与串联部分补偿的功率一致。由此，令式(4)与(15)的实部相等可得并联部分的电流为
电压不发生跳变时，且负荷功率因数接近1时，并联直流的电流为
由式(17)可见，这种情况下，并联支路的电流在暂降幅度小于0.5([Usag>0.5])时，而在暂降幅度大于0.5([Usag<0.5])时，[Ip>IL]。
值得指出的是，这种串并联组合方式的DVR，不仅可以抑制电压暂降与暂升，还可通过串联支路控制三相电压不平衡与电压谐波。并联部分采用全控整流电路时，可实现无功补偿及电流谐波的抑制。因而，这种组合式DVR又称为统一电能质量控制器，是电能质量控制领域极具前景的设备。以下，主要针对这种组合式DVR的实现方法作简单介绍。
3 动态电压调节器的实现
串并联组合式DVR装置的实现从总体上讲可分为两类：基于相电压补偿、各相相互独立的相电压补偿(Phase Voltage Compensation——PVC)型(如图5所示)和基于线电压补偿、各相相互关联的线电压补偿(Line Voltage Compensation——LVC)型DVR(如图6所示)。这两种电路的拓扑结构主要区别在于：前者具有各相相互独立、能够单独控制、可补偿零序电压等特点，但存在所需功率器件多、系统体积大、各相间不易实现功率交换等问题;线电压补偿型DVR侧具有结构紧凑、功率器件少、易处理电压泵升问题等优点，但存在无法补偿零序电压等问题。由于中压配电系统普遍采用中性点不接地系统，且许多三相负载为无中性线的对称负载，因而线电压补偿型DVR也具有广泛的应用场合。
DVR通过控制单元对系统电压的幅值及相位进行检测，并与参考电压(可根据日负荷变化造成的电压波动计算)进行比较。当检测到电压瞬时突变时，DVR依据系统电压瞬时值、相位、参考电压及电流母线电压等，给出逆变器的控制信号，最终输出所需要的补偿电压。同时，它依据输出电压的补偿效果，对补偿强度进行闭环调节。逆变器输出的开关频率通过综合考虑控制单元的响应时间、功率器件的功耗及滤波器的成本来选定。而DVR装置的容量则依据需补偿负荷的容量及补偿的电压变动范围来确定。
4 结束语
采用动态电压调节器，尤其是采取串并联组合式的DRV具有更好的补偿调节作用，可以有效保护敏感负荷不受电压暂降的影响，同时还能抑制电源电压中谐波闪变等的干扰。随着信息技术、控制技术及电力电子技术的发展也为高可靠性、低价格的DVR的实现创造了条件，其应用前景非常广阔。所以各国电力领域的专家学者们普遍认为：采用DVR 是解决电压暂降等动态电压质量问题的最经济、最有效的于段。但是，对于DVR的控制补偿策略方面，依赖DVR控制这样单一的控制策略，目前仍然存在无法兼顾快速性、稳定性和通用性的缺点，还需要在更高的电能质量工业要求下，综合采取多种控制补偿策略。
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作者：邱云兰
摘 要:随着我国电力事业的不断发展与进步,无功电压的优化作用日益显著,改善高耗能、高投入的电力运行现状。促进电力系统的安全稳定高效运行是无功电压优化的目的,用尽量较少的无功补偿投入来获取最大限度的高质量电压,达到优化电压系统的作用,近年来在我国电力事业中不断得到重视和发展。本文从无功电压的特点入手,具体的分析了无功电压的优化和调节问题,以期为无功电压的进一步优化做出理论上的分析。
关键词:电力系统 无功电压 优化 调节
随着我国电网事业的快速发展,目前对电网的控制手段越来越复杂,电网部门对电网事业的经济性日益看重,优化无功电压的重要性逐渐突出,无功电压优化是指对三维协调的电网分布式无功电压系统进行优化、调节和控制。三个维度具体是在目标、时间和空间三个层次上进行综合、分解、协调的理念来操控整个配电网的无功电压系统优化。其中, 在目标维度方面,无功电压系统的优化和调节是维护电力系统的安全稳定运行,从而在保证电压质量的基础上降低网损程度等多种目标上进行分解式的协调和控制;另外,在空间维度上,主要是指在高压、中压、低压三个电压等级之间进行的分解、协调、控制;在时间维度上,为保证电力系统运行的稳定性和持续性,促进电力经济的健康发展,在不同时间尺度上进行调解控制。总之,配电网电压无功优化和控制的目标即在保证供电电压质量和稳定的基础上,使电网系统稳定和无功功率的平衡,从而使电能损耗在最小程度上。
1 无功电压优化和调节的内容以及特点
无功电压的优化和调节是保证电力系统电压在满足各种系统稳定运行的基础上,通过调整发电机的端电压、改变变压器接头、提供无功补偿设备等手段来降低无功投入的消耗,用尽量少的无功投入来获取最大程度上的电压质量和降低网损的改善。无功电压优化控制的特点简单来说主要有:大规模、离散性、非线性等,具体方面主要有一下几方面;
1)无功电压的优化和控制规模大,跨越范围广,不仅支持省、地、县三级电压的协调与控制,在协调控制模式以及电压独立优化控制模式方面也得到优化和调节;这是无功电压优化和调节的最突出特点,即体现在覆盖的规模范围上,在进行配电网无功电压优化时要全方位的考虑范围上的广度,做到跨越式的调节和优化,促进配电网的稳定发展,以实现电力系统的健康运行。
2)无功电压优化和调节要实现高压、中压配电网的无功的协调与控制,从而为实现地县级电力电网的无功优化做出基础性准备,即在进行无功电压优化时,要注意协调高压、低压的协调配合发展,为保证低压系统的优化做出前提性保障,实现配电网无功电压的全面优化和调控。
3)无功电压的优化和调节要实现对各种无功电压设备的调节和控制,比如对配电网的风电机组、小火电、SVC设备等进行全方位的优化和控制,实现配电网无功电压在设备设施上的优化,促进发展电力系统的良好控制手段,同时,无功电压的优化要促进无功优化发展规划与无功优化控制的协调性,一方面,优化控制可以对不合理的无功补偿和母线以及变电站进行协调,另一方面,无功电压的科学合理规划可以为无功电压的优化控制提供良好的运行调节基础,以促进电力系统的全面优化和控制,在管理和协调手段上不断改进。
4)无功电压的优化和调节具有离散性的特点,在促进电压调度权和集控权分离的调度模式的基础上,保证了配电网集中优化与分布式控制的协调发展,同时,无功电压控制和评估的可靠性很高,在配电网系统主站服务器全网优化控制计算时进行自动优化计算的模式促进无功电压系统的优化;在主配电站出现故障或与集控中心通讯出现异常时,可以通过启动电力系统区域自动优化计算系统来进行调节和控制。
5)无功电压的优化和调节在电力系统运算方面自动优化系统,在潮流计算、潮流灵敏度分析与专家预算决策系统结合的混合型决策框架基础上,对短期符合预测技术、潮流灵敏度分析辅助决策的专家系统进行有效的模拟调度和专家决策的预算和控制行为,确保电力系统全面的协调和控制。此外,对于电力系统的双机、双网互备,故障自动重启、自动恢复,电网故障、通道故障、系统故障实现自动调度和处理,以确保电力系统运行的安全和可靠性;具有高度的灵敏性和通用性,可以实现电力系统的全面调控,适用和调度的范围广。
2 无功电压优化和控制的主要手段
随着我国电力事业的不断发展与进步,电力系统中无功电压的优化和调节作用日益显著,优化无功电压,从而改善高耗能、高投入的电力系统运行现状,更好地促进我国电力系统的安全稳定高效运行,用尽量较少的无功补偿投入来获取最大限度的高质量电压,达到优化电压系统的作用,其中,电力系统中改善和调节无功补偿设备是进行无功电压优化最根本的控制手段。首先明确电力系统调整的具体要求,按照就地平衡、就近补偿的原则对无功电压设备进行优化和调节。具体来讲,无功电压优化和调节主要有以下几种方式。
2.1 调节发电机的机端电压
首先对发电机机端电压进行优化和调节,电力系统优化中不需要耗资的最简便的调节电压的设备是发电机机端,利用发电机电压励磁,改变母线的电压,进行逆调压来满足电力系统电荷质量的前提下,改善向用户提供电力的直接便捷的电力系统,但是,当发电机经的多级变压器向负荷供电时,单单靠发电机进行调压往往不能满足负荷对电压质量的要求,这时需要对无功补偿设备进行继续优化和调节的手段,在满足电力质量的基础上,对配电网的风电机组、小火电、SVC设备等进行全方位的优化和控制,实现配电网无功电压在其他设备设施上的改进,保证电力系统的优化控制设施的改进,此外,无功电压的优化要促进无功优化发展规划与无功优化控制的协调性,来优化控制可以对不合理的无功补偿和母线以及变电站进行协调,以实现对无功电压的调控和优化的目的。
2.2 调节变压器
无功电压系统优化中对变压器的变化的调节也有明显的直接优化作用,在进行变压器的调解时,由于受到变压器变比次数的限制,这时可以选择对双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组的若干分接头进行调节。是一种常用的便捷手段,在进行变压器的变比调压时,电力系统无功功率水平比较高,局部电压较低时,往往使用变压器进行调节,但是由于受到调节次数的限制,要不断的更新设备装置来改进变压器,使得电力系统无功电压的调节更为便捷高效。
2.3 投切无功补偿装置
无功补偿装置是另外一种调压的手段,由于受到切投次数的限制,在调压时,需要附加设备的调压装置中,对无功功率不足的系统要先用并联电容器或者无功补偿器等装置进行增加无功功率电源。投切无功补偿装置的优化,在电力行业主要分为高压配电网和中低压配电网两个部分:
高压配电网—按照 “分层分区、就地平衡”的电力系统无功补偿原则,综合地分析电网系统运行的负荷数据前提下,并且对电力设备、降损以及投资等进行综合考虑后运用,运用电力系统运行快速潮流计算的方法,科学合理的安排配电网中变电站的并联电容器以及电抗器的安装地点、容量和分组方式等,避免高压配网的经验式的无功补偿计算方式,提高配电网装置的科学性,从而达到降低网损、提高电压质量,保证电力系统的安全稳定运行性。
中低压配电网—为了更好地达到降低网损、提高电压质量、节约电力设备装置投资的目的,合理的规划对中低压配电网的无功补偿配置方案,优化无功电压装置,具体包括:优化无功补偿设备的配置位置、容量以及分组配置方案,通过对补偿方案的预算以及效益的估算,来最大限度地改变中低压配电网无功补偿配置电力工作量大、计算手段和公式复杂、设备配置管理上的缺陷,从而保证中低压配网电容器补偿容量、地点以及分组方式的困扰,提高无功电压的补偿装置优化,更好地进行无功电压的硬件优化和调节。
2.4 电气设备投切次数控制的优化
在无功电压的优化调节上,对电气设备的透切次数的调控也是一个重要方面,在不同的电力运行区域,避免采取不适合的调节控制策略而导致在两个不合格区域内振荡调节的情况,这对电力系统健康运行产生较大的影响,同时,对变电站内有载调压分接头和电容器组的频繁升降和投切也会造成电气设备不同程度上的损坏。因此,要实现电气设备动态无功优化和控制,需要综合考虑控制设备次数限制等条件,合理科学地根据实际运行的电力系统进行优化电器设备投切次数,实现无功电压的最大程度上的优化和调控,促进电力系统的稳定和电力事业的进一步发展。
参考文献
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作者：黄鼎
摘要：在当前的社会发展过程当中，电压对于整体电力系统的安全运行有着极为重要的保障作用。在实际的电压系统构建过程当中，需要充分的对电压的调节措施进行详细的分析，并且需要对具体的优化方案进行探究，以下对当前现代电力系统在构建过程当中电压调节的具体措施进行分析，希望能够为我国的电力系统构建工作提供一定程度的参考。
关键词：电压调节;电力系统;系统构建
引言
电压在构建过程当中是对电能进行有效衡量的重要技术指标，在实际的应用过程当中，能够对电力系统的安全运行产生影响，并且会对电力用户的综合生活质量以及电力产品的综合质量产生影响。在当前的社会发展过程当中，电压调节工作已经受到了广大电力工作者的重视。由此，需要对电力系统的电压调节措施进行详细的分析，使得电压所具有的稳定性得以大幅度的提升。以下对相应的电压调整模式进行详细的分析，同时对具体的电压调整措施进行探究。
1对电压调整的基本方式进行分析
电力系统在构建过程当中，其整体结构具有高度复杂性，并且用电设备数量相对较多，而电力系统在实际运行过程当中的相应部门对于整体网络中所存在的各母线电压以及具体的硬件设备端的实际电压进行监督及调整。其实际效果相对较低，由此在电力系统的构建过程当中，管理人员往往会选选部分集中复合的母线作为中枢点进行综合性的监视，并且进行有效的控制。在实际工作过程当中，仅需要将中枢点的电压进行有效的控制，能够进一步的对其他个数的实际电压质量需求进行有效的满足。就一般而言，在具体的工作过程当中，所应用的电压中枢点的母线可从以下几个角度予以分析。其一为大型发电厂所存在的高压母线。其二为整体枢纽变电站在固定过程中所具有的二次母线。其三为拥有大量地方负荷的发电厂综合母线。上述电压中枢点在构建过程当中所存在的共同特点在于能够进一步的对整体系统网络的实际电压水平进行综合性的反映，并且开展有效的控制，能够进一步的根据整体中枢前所管辖的电力网的负荷实际变化程度，以及在具体发展过程当中所存在的负荷分布范围，对于中枢点在具体调压过程当中提出具有高度针对性的原则以及具体的要求，由此对大致的电压变化范围进行有效的确定。电压中枢点在具体的调节过程当中，可将其实际调压方法分为顺调压以及逆调压、长调压三种模式，而上述三种模式在应用过程当中是系统正常运行所存在的现实要求。当整体系统存在故障时，由于其电压损耗与平时相比相对较大，因此电压质量所具有的要求允许部分降低，整体复合点的电压允许其与正常时相比偏移增加5%范圍之内。
2对现代电力系统中应用调压措施的方式进行分析
在电力系统的构建过程当中，电源所存在的无功功率输出在任何时候与同负荷所存在的无功功率与网络所存在的无功功率之和具有着相等的特征，需要进一步的满足无功功率才能够进一步使电压的水平得到有效的保证。而负调整负荷点所存在的电压可从以下几个角度进行分析。首先，对整体发电机力磁电流进行调节，由此改变整体发电低端所存在的电压。第二，可以进一步的调节整体变电压分接头，由此对其变比进行有效的改变。第三，可以对电力网络参数进行改变，而且对无功功率分步进行调整，以此降低电压的实际损失。
2.1对发电机励磁电流改变机端电压进行详细的分析
发电机在构建过程当中是整体电网在运行中极为重要的现实设备，相应的发电机其自身会存在的有功电源以及相应的无功电源对发电机的立式电流进行调节，能够对整体发电机端的电压进行调节，如果其负荷相对较大，同时电网的电压还存在较为严重的损失，则用户端电压相对较低，可以进一步的对发电机电流进行增加，以此使得整体发电机的电势得到增加，以此从整体角度使得整体网络所存在的电压水平得以提升，使电压自综合稳定性得以提升，使得当相应的负荷相对较低时，整体电网电压所具有的现实损失会下降，而用户端电压存在过高时，可以进一步减小整体发动机力磁的实际电流，来使整体发电机的电势得以下降。
2.2对变压器分接头调节模式进行分析
通过对整体变压器的分接头档位进行调整，能够进一步的对整体变压器二次侧所存在的电压进行综合性的调整，以此在一定程度上能够对局部地区的电压进行有效的改善。在实际应用过程当中主要由无载调压以及相应的有载调压两种模式予以构建，无载调压在具体应用过程当中主要是不带负荷的电压，该种调压方式在开展过程当中，需要在变压器断开电源之后再开展具体的操作工作，需要及时的对变压器所存在的分接头进行调整，由此对二次侧的电压进行综合性的调整。该种调压方式在具体的构建过程当中，会适用于季节性常见的变电站以及相应的配电所。第二种模式主要为有载调压，在实际的调压过程当中会应用有载调压变压器，在载荷条件之下对其分接头进行有效的切换，以此完成具体的调压。需要进一步的依照各类负荷大小来选取更为合适的接头，可以进一步缩小电压所存在的变化幅度，由此对整体电压的变化趋势进行改变。
结语
在电力系统的运行过程当中，调压模式具有着更加多元化的特征，对各种有效的调压措施进行应用，能够使电力系统的电网运行安全性得以提升，并且使用电的实际电能质量得到有效的提高，相应的研究人员以及工作人员需要选取更加合理化的调压模式，从诸多角度保证调查工作能够获得有效进行。
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作者：辛光芬
