一種新型低壓電網(wǎng)動態(tài)電壓恢復(fù)器的仿真分析

吳志堅(jiān)，徐星星，王寶安

(1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州225009；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)和微處理器的敏感負(fù)荷越來越多，對電壓質(zhì)量的要求都較高，即使幾個(gè)周期的供電中斷或電壓暫降都將影響其正常工作。另一方面，非線性、沖擊性負(fù)荷的大量增加，以及電網(wǎng)故障造成的電壓暫降、瞬時(shí)斷電等電能質(zhì)量問題日益增多，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）能補(bǔ)償電壓的暫降、暫升等動態(tài)電壓質(zhì)量問題，被認(rèn)為是當(dāng)前治理動態(tài)電壓問題最經(jīng)濟(jì)、最有效的裝置。我國低壓電網(wǎng)都采用三相四線制結(jié)構(gòu)，三相電壓不平衡情況較多，針對這種現(xiàn)狀，文中提出一種用于低壓電網(wǎng)的通過功率單元串聯(lián)輸出補(bǔ)償電壓、采用三單相結(jié)構(gòu)的新型DVR。

1 DVR的基本工作原理

DVR的主要功能是為敏感負(fù)荷提供穩(wěn)定的交流電壓，使敏感負(fù)荷不受電壓暫降、瞬時(shí)中斷、諧波等電能質(zhì)量問題的影響。DVR串聯(lián)在電源與敏感負(fù)荷之間，當(dāng)負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)DVR被旁路，由電網(wǎng)提供電壓；當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓問題時(shí)，DVR可以在毫米級內(nèi)向線路中注入一個(gè)幅值、相位可控的串聯(lián)補(bǔ)償電壓，以確保敏感負(fù)荷輸入電壓的恒定。

常見的DVR主要由電壓型逆變器、控制單元、儲能單元、輸出濾波單元和串聯(lián)變壓器組成，其典型主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)DVR工作時(shí)，必然會與系統(tǒng)之間進(jìn)行能量交換，儲能裝置就是給DVR提供能量的部分，通常有2種結(jié)構(gòu)：直接采用儲能單元的儲能元件和采用整流方式。直接采用儲能元件有電容儲能、蓄電池儲能、超導(dǎo)儲能等，這種方式只能在一段時(shí)間內(nèi)對電能質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償；而采用整流方式的DVR可以一直不間斷的對電源電壓進(jìn)行補(bǔ)償，缺點(diǎn)是會給電網(wǎng)帶來一定的諧波污染。

控制單元利用傳感器、檢測系統(tǒng)檢測出電網(wǎng)電壓，經(jīng)過對采集到的數(shù)據(jù)分析、判斷，利用控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生逆變器中功率開關(guān)器件所需的脈寬調(diào)制PWM信號，再由驅(qū)動電路控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通。逆變器主要產(chǎn)生系統(tǒng)所需的補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償電壓經(jīng)過輸出濾波單元濾除高次諧波電壓后，再由串聯(lián)變壓器或直接通過濾波器電容注入電網(wǎng)，最終產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓將抵消電網(wǎng)側(cè)電壓波動，確保負(fù)載側(cè)輸入電壓的穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

2 新型DVR的工作原理

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

DVR從補(bǔ)償方式上看可分為2類：基于線電壓補(bǔ)償且各相相互關(guān)聯(lián)的線電壓補(bǔ)償型DVR和基于相電壓補(bǔ)償且各相相互獨(dú)立的相電壓補(bǔ)償型DVR。DVR從逆變器拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)上來看主要有：三相橋結(jié)構(gòu)、三相四線結(jié)構(gòu)和三單相結(jié)構(gòu)。針對我國低壓電網(wǎng)現(xiàn)狀，用于低壓電網(wǎng)的DVR通常采用補(bǔ)償電容器與系統(tǒng)串聯(lián)的方式，這種方式也更符合工程的實(shí)際應(yīng)用。文中提出一種新型的用于低壓電網(wǎng)的三單相結(jié)構(gòu)的相電壓補(bǔ)償型DVR，其主電路如圖2所示。

該新型DVR采用三單相結(jié)構(gòu)，分別對每相電壓進(jìn)行補(bǔ)償，主要包括LC濾波器、功率單元模塊、控制電路和移相變壓器4個(gè)組成部分。首先檢測出電網(wǎng)電壓信號，然后通過控制電路得到各個(gè)功率單元逆變電路的開關(guān)器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動信號，控制IGBT的導(dǎo)通，使功率單元模塊輸出所需要的補(bǔ)償電壓，并經(jīng)LC濾波器濾除高次諧波電壓后與電源電壓串聯(lián)，從而保證敏感負(fù)荷輸入電壓的穩(wěn)定。

DVR與系統(tǒng)的耦合方式有2種，即串聯(lián)變壓器耦合和電容耦合。耦合變壓器可以降低DVR電壓等級，隔離系統(tǒng)與DVR裝置，但是變壓器的存在會增加逆變器的容量，也可能給控制的精度和穩(wěn)定性帶來負(fù)面的影響。因此，在電壓等級較低的應(yīng)用中可以考慮省去串聯(lián)變壓器。文中的DVR采用電容耦合方式，用工頻變壓器隔離直流側(cè)和電網(wǎng)。

每個(gè)功率單元模塊由2個(gè)功率單元逆變電路輸出串聯(lián)而成，每個(gè)功率單元由6個(gè)二極管組成的三相整流電路通過電解電容連接到4個(gè)IGBT和4個(gè)二極管組成的單相逆變電路構(gòu)成。該模塊中的2個(gè)逆變電路開關(guān)器件IGBT的驅(qū)動信號錯(cuò)開一定角度，使逆變輸出電壓波形毛刺減少，從而降低LC濾波器中電感的要求。此外，2個(gè)功率單元的串聯(lián)省去了傳統(tǒng)方式中的串聯(lián)變壓器，降低了裝置成本，可靠性相對較高，不存在傳統(tǒng)器件串聯(lián)引起的均壓問題。

6個(gè)功率單元分別由移相變壓器的6個(gè)二次側(cè)繞組供電。移相變壓器有1個(gè)一次側(cè)星形繞組和6個(gè)二次側(cè)繞組，其二次側(cè)繞組中3個(gè)為星形聯(lián)結(jié)，其他3個(gè)為三角形聯(lián)結(jié)，每個(gè)二次側(cè)繞組分別移相一定的角度給6個(gè)功率單元的6脈波二極管整流供電。移相變壓器的采用實(shí)現(xiàn)了其一次側(cè)、二次側(cè)線電壓的相位偏移，使得由于整流而產(chǎn)生的諧波折算到移相變壓器一次側(cè)時(shí)相互抵消，從而消除整流產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的影響。此外，移相變壓器不僅實(shí)現(xiàn)功率單元與電源間的電氣隔離，還使每組功率單元的主回路相對獨(dú)立，彼此間相互絕緣，互不影響。當(dāng)某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，可自動退出系統(tǒng)，而其余的功率單元可繼續(xù)保持運(yùn)行，減小停機(jī)時(shí)造成的損失。

2.2 DVR的檢測算法

電壓幅值和相位實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測是DVR的關(guān)鍵。常見的檢測算法主要有：有效值法、峰值電壓法、dq變換和小波變換等[2]。這些檢測算法大多基于頻域分析，只有dq變換法實(shí)時(shí)性較高，其余算法需要的采樣數(shù)據(jù)量很大，實(shí)時(shí)性較差。因此在對實(shí)時(shí)性要求較高的DVR檢測中通常都采用dq變換。

傳統(tǒng)的dq變換以三相對稱系統(tǒng)為基礎(chǔ)，能實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地檢測出三相對稱系統(tǒng)的電壓跌落。而低壓電網(wǎng)中電壓跌落多為單相事件，三相不對稱居多，此時(shí)負(fù)序分量較大，傳統(tǒng)的dq變換不能準(zhǔn)確提取出電壓基波正序分量，檢測精度受到影響。因此，文中采用改進(jìn)的dq檢測算法（如圖3所示），用于提取三相不對稱系統(tǒng)的電壓基波正序分量，濾除負(fù)序分量轉(zhuǎn)化帶來的二次諧波[3]，同時(shí)消除低通濾波器帶來的延時(shí)，提高DVR檢測的實(shí)時(shí)性。

這種改進(jìn)的dq檢測算法實(shí)質(zhì)是：（1）先將三相電網(wǎng)電壓由三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止αβ坐標(biāo)系，如式（1）所示；（2）通過最小二乘法建立方程分離出uα，uβ的正序分量，接著將分離出的正序分量進(jìn)行dq變換，如式（2）所示；（3）使用低通濾波器濾除其他頻次的分量，得到由基波正序分量轉(zhuǎn)換后的直流分量；（4）將得到的直流分量進(jìn)行dq變換和αβ變換的逆變換即可得系統(tǒng)基波正序分量。

式中：θ為d軸與α軸之間的夾角。計(jì)算出的基波正序分量的有效值和相位分別為：

改進(jìn)的三相DVR檢測方法，在確保檢測精度的情況下，減少了計(jì)算量，有效地提高了dq變換在三相不對稱情況下的實(shí)時(shí)性。

2.3 無差拍控制策略

隨著高性能數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，一些先進(jìn)的控制策略隨之產(chǎn)生：如空間矢量控制、滯環(huán)比較控制、無差拍控制、模糊控制、重復(fù)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等[4]。文中采用無差拍控制策略，該控制策略是在滯環(huán)比較控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全數(shù)字化控制技術(shù)，至今已發(fā)展成一種較為理想的輸出電壓瞬時(shí)值控制技術(shù)。

該新型DVR逆變器的無差拍算法流程如圖4所示，其中：ucaf為輸出電容電壓；iLa為負(fù)載電流；uref為輸出電壓參考值。

無差拍控制策略的本質(zhì)是由DVR逆變系統(tǒng)（包含濾波器）的狀態(tài)方程和輸出反饋信號推算出下1個(gè)開關(guān)周期的脈沖寬度[4]。這樣就能確保各個(gè)采樣時(shí)刻輸出的電壓值與給定的參考值精確相等，任何由負(fù)載引起的輸出與給定的偏差，都能在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)得到校正。無差拍控制具有消除穩(wěn)態(tài)誤差、快的暫態(tài)響應(yīng)以及控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證新型DVR的性能，特對其進(jìn)行了仿真分析，其主電路如圖2所示。先將系統(tǒng)參數(shù)作如下設(shè)計(jì)：輸入相電壓額定有效值U=220V，電網(wǎng)基波頻率f=50 Hz，逆變器IGBT開關(guān)頻率為10 kHz。在時(shí)間t=0.5～0.6s之間注入30%的5次諧波和30%的電壓驟降，DVR的運(yùn)行結(jié)果如圖（5—8）所示。

可見，該新型DVR具有良好的補(bǔ)償特性；在DVR工作期間，即0.5～0.6s之間，電網(wǎng)側(cè)電流波形接近正弦，表明DVR的功率單元模塊中的整流并未對系統(tǒng)電網(wǎng)造成諧波污染。

4 結(jié)束語

文中提出一種新型的用于低壓電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的實(shí)時(shí)DVR，其采用三單相結(jié)構(gòu)、一種改進(jìn)的dq檢測算法和無差拍控制策略，通過移相變壓器從電網(wǎng)獲得DVR的能量，再通過功率單元的串聯(lián)輸出所需要的補(bǔ)償電壓。在三相平衡和不平衡時(shí)都能對系統(tǒng)電壓進(jìn)行很好的補(bǔ)償，且消除了DVR中的儲能元件整流方式引入的諧波影響，同時(shí)降低了對LC濾波器中電感的要求，具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性、良好的動態(tài)性能和補(bǔ)償效果等優(yōu)點(diǎn)。這種新型DVR控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是采用了較多的功率開關(guān)器件和較貴的移相變壓器，成本較高。

[1] 周靜，韋統(tǒng)振，趙艷雷，等.低壓配電網(wǎng)中單相動態(tài)電壓恢復(fù)器與電力系統(tǒng)之間的能量流動[J].電力自動化設(shè)備，2010，30（4）：26-30.

[2] 張國榮，丁明，梁海濤，等.一種應(yīng)用于單相DVR的檢測算法與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（4）：732-734.

[3] 楊新華，郭志成.動態(tài)電壓恢復(fù)器電壓跌落檢測[J].低壓電器，2011（5）：51-54.

[4] 馬振國，李鵬，趙保利，等.DVR電壓波形跟蹤無差拍控制方法[J].電力自動化設(shè)備，2005，25（3）：13-17.