|
基于三相变流器主电路的动态电压恢复器研究 李 可 李彦栋 卓 放 李红雨 王兆安(西安交通大学电气工程学院 710049) 摘 要：动态电压恢复器(DVR)通过向配电系统中串入一个电压源来保障用户端的电压质量。本文从DVR所能解决的电压质量问题入手，分析其工作原理并确定控制思想；对主电路结构形式进行了探讨与选择，阐述了电路参数的选择方法。最后，为验证设计思想，进行了Matlab仿真，仿真结果很好的验证了设计方法的正确性。 关键词：动态电压恢复器 电能质量 电压跌落。 Research on Dynamic Voltage Restorer Based on a Single Three-phase PWM Inverter Li Ke, Li Yandong, Zhuo Fang, Li Hongyu, Wang Zhaoan(Xi’an Jiaotong University 710049) Abstract: The principle of Dynamic Voltage Restorer (DVR) is to ensure the customer’s power quality with a series voltage source. This paper begins with the discussion of the power quality items that DVR copes with, also its’ working principle and control idea are presented. Then analysis and choice of the main circuit connection style are given, and the design of the circuit parameters is proposed. Finally, simulated results obtained with Matlab are also given and analyzed to validate the whole system. Key Words: Dynamic Voltage Restorer, Power quality, Sag. 1 引 言 在配电传输系统中，电网电压的瞬间扰动或者负载发生故障如短路等的时候，会对敏感负荷的支路电压造成跌落，上升等问题；这种变化对诸如半导体制造业生产厂是非常致命的，每年由于电压突将等问题造成的损失数以万计。DVR主要以补偿短时间的电压跌落、上升为目的，它通过向配电系统串入一个电压源来调节用户端电压质量，以抑制配电系统的电压扰动对敏感负荷的影响；和同类型的电能质量调节装置如UPS相比，以补偿短时间电压问题为目的的动态电压恢复器还具有容量小，造价低等优点。目前，DVR的研究正受到越来越多的关注。 关于DVR的研究，国外已有相当的研究成果。德国、韩国和新加坡等国都有DVR的实验报导；德国西门子公司的兆伏级DVR装置已以产品推向市场；国内也有一些试验性的研究成果出现。但与国外相比尚有很大的差距。 2 和DVR相关的电能质量问题： DVR主要解决瞬间的电压跌落、上升等问题；但根据控制方法的选择，也可以解决其它一些电能质量问题。IEC(1000-2-2/4)（International Electrician Committee）标准对电能质量的定义：电能质量是指提供给用户设备正常工作的情况下供电系统的物理特性。最严重的电能质量问题是电压跌落和电压完全中断。其中，和DVR相关的几种电能质量名词及其含义： 电压跌落（sags）：电压有效值降至额定值的10%-90% ,持续时间为0.5-30个周期。 电压中断 (interruptions) ：在一相或多相线路中完全失去电压 (低于额定值的10% )一段时间。持续时间0.5个周期至 3ｓ为瞬时中断；持续时间3ｓ至60s为暂时中断；持续时间大于60s为电压中断。 电压上升（swells）：电压或电流有效值升至额定值的110%以上，典型值为额定值的110% -180% ,持续时间为0.5-30个周期。 电压瞬变(transient)：是指在一定时间内电压在两个稳态量之间的变化，电压瞬变可以是任意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 过电压(over-voltages)：电压为额定值的110%-120%，持续时间大约为1min。 欠电压(under-voltages)：电压为额定值的80%-90%，持续时间大约为1min。 电压波动(fluctuations)(闪变 )：电压波动 (闪变 )是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化。其电压幅值的变化通常为额定值的90% -110%。这种电压波动常称为电压闪变。 由于DVR是一种动态调节装置，所以在能力允许的范围内可以动态补偿不同程度的电压问题；其中，根据装置设定的补偿容量，DVR可以补偿的有电压波动（闪变），过电压，欠电压和一定的电压跌落和电压跌落，抑制电压瞬变。同时，在持续直流侧（参考图1）供能的条件下，可以对电压瞬时中断有一定的抑制能力。 在负荷对电压要求不是很苛刻的条件下，可以设置成电压跌落幅值超出一定界限后DVR才投入工作，这样可以降低DVR器件的设计要求，减小设计成本。 3 DVR工作原理 DVR系统主要是以补偿短时间的电压变化为目的，一般来说补偿电压的变化的时间范围大概在0.5-30个电压周期。常见的结构有以三个单相桥为基础分相补偿的结构，也有以单个三相桥为基础的电路结构形式，本文主要研究后一种情况；具体的构成有电压型三相桥变流器，直流储能电容C以及和电容相连的储能装置，滤波电路，串联变压器，如图1所示；把DVR控制成受控电压源，输出电压 图1 DVR系统示意图 基本控制原理可以用图2表示，其中重要的部分是构造与电网电压同相位的标准正弦波信号，然后和检测的网侧电压信号相比较，根据公式(1)，得到变压器上要补偿的理想电压降，这里理解为指令，用它和检测回来的实际变压器上的电压相比较，经调节器（瞬时值比较）进行PWM调制。此时，控制系统对负载电压仍是闭环的。 这里与标注正弦波信号相比较的之所以选择网侧电压信号，是为了使DVR系统获得较好的动态响应效果，即一旦网侧电压发生变化，DVR系统就马上做出反应。 图2 控制部分结构框图 4 主电路结构选择 对于三相系统，根据图1所示的结构示意，可以有几种不同的构成形式： 1) 对于储能装置的选取，常见的有静态装置蓄电池及动态的整流桥两种。我们选择从电网主电路系统中接整流桥和电容相连给DVR供能，这样的优点是可以提高DVR系统补偿电压的能力，尤其体现在补偿时间上，同时还可以减少电容的容量。对于接整流桥的，又有如下两种结构： a 接在电网侧 此时电压恢复的起点和终点有电压瞬间的冲击出现（仿真结果验证），对电压跌落情况下，由于网侧电压变低，所以较之挂在负载侧此时电压恢复较慢。优点是没有谐波电压出现（和挂在负载侧比较）。 b 接在负载侧 此时当电压出现跌落时，直流电容向变流器的交流侧回馈能量，电容电压下降需要从负载侧吸取能量，此时额外的电流从网侧经串联变压器流向负载侧，由于变压器的存在，此时会导致负载侧电压降的加大，如果负载为非线性，还会导致电压谐波的出现。此时较之挂在电网侧的情况，优点是电压跌落时恢复较快。 由于DVR是以保证负载的供电电压质量为补偿目的，所以应尽量选择不破坏负载电压质量的连接方式，所以，结合上述情况，选择整流桥连接在电网侧的能量供给方式。 2) 串联变压器有星形和三角形两种接法。 在变压器三角形连接时，线电压等于相电压，此时同等条件下比变压器星行连接对直流侧电压要求低，直流侧电容电压利用率高。但此时对于电压不对称情况，不可能单独依靠一个三相桥变流器补偿由不对称带来的零序分量。而在变压器星形连接时，直流侧电容电压利用率低，容量要求是三角形连接的1.73倍，但是对于三相四线制系统，可以通过构造直流侧中线形成零序回路，实现对电压零序分量的补偿。所以，考虑电压零序的补偿，选用变压器星形连接方式。 综述所述，整个系统电路结构选择如下： 图3 DVR系统电路结构 5 电路参数设定 拟定DVR的补偿指标定为：补偿电压跌落能力 设定靠近电网侧的变压器为副边，变流器一侧为原边，原副边变比1:n，原边电流电压为 系统容量 补偿电压能力 变压器两边电压,电流关系（网侧为n）： 补偿的负载容量大小 带入上述各式，得 所以，DVR系统容量 关于滤波电路，从图1可得下图， 可看出等效阻抗不仅和串联变压器有关，还和滤波电路参数有关，所以在进行滤波电路设计时，在满足滤波条件的前提下应尽量使其等效阻抗最小。结合仿真结果， 图4 滤波电路等效图 6 仿真结果 为了验证上述系统，进行了基于Matlab的仿真，整个系统如图2所示，构造电压跌落50%， 图5-a为系统网侧电压波形，在t=0.03s时三相电压同时跌落，在t=0.063s时电压恢复正常，图5-b为投入DVR之后的三相负载侧电压波形，从中可见在投入DVR时一段很短的动态时间范围内负载侧电压即恢复正常；在t=0.063s时网侧电压恢复，负载电压也自动回落至正常状态。同样，对于单相电压跌落情况见图5-c，图5-d为投入DVR之后的负载侧电压波形；此时整个过程敏感负荷的供电电压保持了很好的供电质量。 a) 三相网侧电压跌落波形 b)三相跌落补偿后负荷电压波形 c)单相跌落网侧电压波形 d) 单相跌落补偿后负荷侧电压波形 图5 仿真波形图 7 结 论 本文根据动态电压恢复器的工作原理，探讨了几种主电路的结构形式并结合实际情况进行了选择，控制上检测电网电压根据给定值控制变压器电压；为验证设计思路，进行了Matlab仿真，从仿真结果可以看出电压得到很好的恢复与保持，很好的验证了整个系统设计思路的正确性。 参考文献： [1] 肖国春 等. 电能质量及其控制技术的研究进展. 电力电技术.2002.12(6),58-60 [2] Y.H.Zhang, D.M.Vilathgamuwa, S.S.Choi, “An experimental investigation of Dynamic Voltage Restorer (DVR)”. Power Engineering Society Winter Meeting, IEEE , Volume: 4 , 2000 ,2745-2750 [3] Changjiang Zhang, et al, “Dynamic Voltage Restorer Based on Voltage-Space-Vector”. Industry Applications, IEEE Transactions on , Volume: 37 Issue: 6 , Nov.-Dec. 2001,1855-1863 [4] Yop Chuang,Sang-Young, Park, et al “The Control and Analysis of Zero Seuqence Components in DVR System”. Power Engineering Society Winter Meeting, IEEE , Volume:3, 2001 ,1021-1026 [5] N.H.Wooley, L.Morgan, Ashok Sundaram, wade Malcolm, “Experiecne with an inverter-based dynamic Voltage restorer”, IEEE Trans on Power Delivery, volume:14,no.3,1999.7 [6] 丁洪发 等, 一种用于不对称配电系统的新型动态电压恢复器.中国电机工程学报.第20卷(11),2000.11,46-50 |
，当系统S点电压出现变化时，为保证敏感负载的电压 
维持在正常水平，控制 
，使之满足关系式：
(1)
，补偿负载能力 
kVA
，副边电流电压为 
，有如下关系：
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
=30kVA。根据已有的设计经验，开关组件为IGBT的30kVA的电能质量调节装置的IGBT选用的是西门子的BSM150G120DN2，即150A，1200V的IGBT模块，电流有效值大概在40-50A，考虑谐波或电流畸变，峰值在110 A左右；直流电压是二极管整流滤波之后的电压值，约550-600V，分别留有一定裕量，满足要求。此时电流 
确定，据式(2)得变流器交流侧电压大概在200-250V；变压器副边电压式由式(3)得： 
；所以，变压器变比原副边变比2：1；另外，考虑避免磁饱和现象，设计变压器时电压裕量要留足一些。
， 
为变压器的等效电阻和等效电抗，写出整个变压器副边的等效阻抗，公式为：
(7)
， 
。
， 
。
