基于PSCAD的动态电压恢复器DVR控制功能仿真

基于PSCAD的动态电压恢复器DVR控制功能仿真

方存洋邹宁施胜丹

（南瑞集团公司国网电力科学研究院；国电南瑞科技股份有限公司211106）

摘要：电网电能质量事件多数为电压暂降，抑制电压暂降的主要方法，就是安装动态电压恢复器（DVR）。介绍了DVR基本工作原理，并分析DVR电路拓扑的串联型和串并联混合型特点及应用场合。基于PSCAD自定义的元件脚本接口，搭建了DVR仿真模型，利用PSCAD脚本接口调用外部控制功能子程序，完成控制功能算法仿真测试。

关键词：DVR；动态电压恢复器；PSCAD；仿真

1.引言

电压暂降又称为电压跌落、电压骤降，是指在工频下，电压有效值短时间内的下降。目前，国际上对电压暂降的幅度没有统一的规定，我国DL/T1229-2013动态电压恢复技术规范，电压暂降定义为电压有效值下降到额定值的90%～1%，故障持续时间10ms～1min。

电压暂降产生的原因主要有电力系统故障，大容量电机的启动和负载突增，以及大型变压器投入运行等。根据权威数据，92%以上电能质量事件为电压暂降和暂升，其它电能质量事件所占比例不到8%。

目前，抑制电压跌落方法，主要是安装大容量UPS、动态电压恢复器DVR。DVR等效为可控电压源，串联至电网中，电网电压暂降时，DVR输出相应电压与电网共同给负载供电，保持负载电压不变。

2.DVR工作原理

DVR电路拓扑分为串联型或串并联混合型两类，其与电网耦合方式，分为串联变压器和串联电容器两种耦合方式。串联型DVR，直流能量由直流储能供给，电压暂降补偿时间由直流储能单元容量来决定，电池维护费用高；串并联混合型DVR通过电网获取直流能量，实现对电压暂降连续补偿，弥补串联型DVR不足[2][4]，见图2.1。

图2.1串并联混合型DVR电路拓扑

动态电压恢复器DVR串联在电源和负载之间，是一种串联型电压控制系统，功能等效于可控电压源[3]。当供电线路发生电压跌落时，根据预设的控制策略，快速产生与跌落电压的幅值相等、相位相同的补偿电压，叠加输出到电压跌落相上，使得负载侧电压保持稳定，确保负荷安全运行，见图2.2。

图2.2DVR补偿电压原理图

3.PSCAD自定义元件

3.1接口原理

EMTDC是PSCAD/EMTDC仿真软件的计算核心，其主程序基于Fortran语言开发，由SystemDynamics和NetworkSolution两部分组成，SystemDynamics包括DSDYN和DSOUT两个子程序，DSDYN用于添加控制动态代码，DSOUT输出经过NetworkSolution计算后的变量。

EMTDC具有良好的开放性，目前可与Fortran、C和MATLAB三种语言编写的代码或程序进行接口。用户将自定义代码添加至EMTDC有两种方法：

（1）直接嵌入：在自定义元件的PSCAD脚本定义中编写元件功能的Fortran代码，用户代码作为DSDYN或DSOUT子程序的一部分直接嵌入至EMTDC主程序中；

（2）间接调用：在自定义元件的PSCAD脚本定义中添加对外部子程序的调用声明，由DSDYN或DSOUT子程序对其进行调用，自定义元件的核心功能在外部子程序中实现。

C程序与PSCAD/EMTDC接口采用间接调用方式。PSCAD/EMTDC的V4.0及以上版本在GNUFortran77编译器环境下支持直接调用外部C程序，只需在自定义元件PSCAD脚本的FORTRAN段中添加调用外部C程序的代码，而无需另外编写FORTRAN接口文件。在仿真模型运行时，PSCAD/EMTDC将直接调用经过编译后的外部C程序进行运算，因此仿真运行速度快、运行效率高。C与PSCAD/EMTDC的接口原理如图3.1所示。

图3.1.C与PSCAD/EMTDC接口原理示意图

3.2接口方法

图3.2给出了一个包含n个C函数的自定义模型与PSCAD/EMTDC模型接口方法示意图。根据3.1接口原理，只需在接口元件的脚本中添加直接调用接口函数C_SUB（）的FORTRAN代码，并由接口函数调用C自定义模型，即可实现C模型和PSCAD/EMTDC模型的连接。

图3.2.基于C的自定义模型与PSCAD/EMTDC接口方法示意图

4.DVRPSCAD建模

DVRPACAD/EMTDC仿真模型由三相工频交流电源、三相故障模块、DVR系统和负载组成，如图4.1。

图4.1DVR功能仿真电路模型

DVR主电路由整流、逆变和储能单元组成（图2.1），整流单元由三相IGBT全桥组成，逆变电路由三个单相IGBT全桥组成，IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）绝缘栅双极型晶体管，为复合全控型电压驱动式功率半导体器件，开关速度快，驱动功率小而饱和压降低。

DVR系统的主电路由PSCAD提供元件搭建，控制系统由PSCAD自定义元件脚本，调用对外部控制算法子程序实现[1][5]。

PSCAD调用外部软件的接口如图4.2所示，接口输入包括DVR主电路PSCAD模型输出的模拟量（AI）、开关量（DI），接口输出主要是DVR功率单元IGBT模型的驱动脉冲（PLS）信号。DVR核心控制功能均在外部子程序实现，这样在控制硬件设计的同时，同步进行控制软件开发，缩短了产品开发周期。

图4.2DVR控制算法PSCAD接口元件

5.仿真试验

在实际电力系统中，电压暂降多由电网故障引起，因此本文利用三相故障模型，模拟单相接地短路故障、两相接地故障和两相相间故障，实现电压不平衡暂降，三相短路故障实现三相电压平衡暂降，测试DVR电压补偿策略。

仿真模型运行至0.5s，线路发生故障，0.9s故障恢复，模拟三相电压对称和不对称暂降，测试DVR电压补偿策略正确性。图5-4为三相电压发生对称和不对称暂降时，基于最小能量法补偿策略输出的电压波形，图的上部为电网电压、中部为DVR输出电压、下部为负载电压。

图5-4（a）三相电压暂降图5-4（b）二相电压暂降

图5-4（c）一相电压暂降

6.结语

动态电压恢复器（DVR）是解决动态电压质量问题的主要手段，正在受到越来越多关注。基于PSCAD自定义元件脚本接口，调用对外部子程序功能，搭建DVR控制功能仿真模型，实现DVR控制软件开发和硬件开发同步进行，缩短了产品研发时间，该方法具有推广价值。

参考文献

[1]邹宁,方存洋，刘育鑫等.PSCAD/EMTDC—MATLAB联合仿真技术在SVC控制系统仿真建模中的应用[J]，江苏电机工程.2012，31(5)：40-45.

[2]张新闻，同向前.电容耦合型动态电压恢复器参数建模与控制[J].电工技术学报,2016，31(6):212-217.

[3]王同勋，薛禹胜等.动态电压恢复器研究综述[J].电力系统自动化,2007,31(9):101-107

[4]田明，王昌南，贺诚.一种用于动态电压恢复器的电压跌落检测算法[J].工矿自动化,2013,39(6):70-73.

[5]吴志坚，徐星星，王宝安.一种新型低压电网动态电压恢复器的仿真分析[J],江苏电机工程，2012，31（3），39-42.

作者简介

方存洋（1968.10.5），性别：男；籍贯：安徽寿县；民族：汉；学历：本科、学士；职称：工程师；职务：项目研发；研究方向：电力电子控制研究及应用。

邹宁（1977.2.10），性别：女；籍贯：江苏无锡；民族：汉；学历：硕士；职称：高级工程师；职务：项目研发；研究方向：电力电子控制研究及应用。

施胜丹（1985.11.21），性别：女；籍贯：江苏南通；民族：汉；学历：硕士，研究生；职称：工程师；职务：项目研发；研究方向：电力电子控制研究及应用。