一種動態(tài)電壓恢復電路在PET中的應用研究

張 穎 文 明 曾 翔

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410114）

隨著工業(yè)自動化程度的日益提高，電力用戶對電能質(zhì)量問題也越來越敏感。其中電壓跌落已經(jīng)成為影響電力負荷安全運行最突出的問題之一[1-4]。動態(tài)電壓恢復器DVR（Dynamic Voltage Restorer）因可以維持負荷側(cè)的電壓穩(wěn)定而成為解決電壓跌落有效的電力設備。當電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓跌落和突起時，DVR向線路中注入一個幅值、相位可控的串聯(lián)補償電壓，以保證負荷電壓恒定。而電力電子變壓器PET（Power Electronic Trans-former）是近幾年電能變換和傳輸領域的重要研究之一，文獻[5-8]已經(jīng)對其做了比較多的研究。PET的突出特點在于通過變壓器原、副方電壓源變換器對其交流側(cè)電壓幅值和相位的實時控制，可以實現(xiàn)變壓器原、副方電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)。文獻[9]提出了電力電子變壓器的控制方案， PET可以滿足未來電力系統(tǒng)很多新的要求，包括：整合各種交直流分布式電源、更高的穩(wěn)定性、更加靈活的輸電方式、實現(xiàn)電力市場下對功率潮流的實時控制等。它同時具有傳統(tǒng)電力變壓器和電能質(zhì)量控制器的功能。將其應用于配電系統(tǒng)可實現(xiàn)變壓、隔離、能量傳遞及電能質(zhì)量控制，保證在原方電網(wǎng)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定，三相不對稱，諧波含量大等情況下，負荷側(cè)仍能得到高質(zhì)量的電能，同時也可防止負載沖擊對電網(wǎng)的影響。對于電力電子變壓器的電能質(zhì)量控制，就可以選用傳統(tǒng)的DVR解決動態(tài)電壓質(zhì)量問題。本文主要是提出了一種簡單的DVR電路在電力電子變壓器中的應用。

1 DVR電路簡介

DVR是串聯(lián)在電網(wǎng)和負載之間的提供電壓補償?shù)难b置。其DVR與電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。本文提出的這種DVR電路如圖2所示，它為一個單相的電壓補償裝置，包括直流儲能裝置、逆變器單元、高頻隔離變壓器、LC濾波器等幾個部分。儲能元件有電容、可充電電池等，為系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時提供電壓補償。

圖1 單相全橋動態(tài)電壓恢復器（DVR）在電力電子變壓器中的應用

圖2 DVR電路圖

圖2中，Vi為供電系統(tǒng)中單相電壓，Vcom為差動電壓，用來參與單相回路中電壓差值的補償。文獻[10]提出了一個多功能零電壓和零電流開關相移調(diào)制轉(zhuǎn)換器，通過合理的脈沖信號控制本電路變高頻隔離變壓器原邊的全控開關S1-S4及副邊整流單元的全控開關Sa-Sb，就可以改變直流側(cè)電壓的輸入，用以補償供電系統(tǒng)中電壓跌落。LC濾波器包括Cf和Lf兩個元件，可以將逆變器輸出補償電壓中的高次諧波濾除。本電路應保證LC濾波器的共振頻率應該遠遠高于開關的頻率，避免共振的產(chǎn)生。

表1和圖3分別是開關S1-S4脈沖真值表和開關S1-S4、Sa-Sb的脈沖序列。G1、G2、G3、G4、Ga、Gb分別為開關 S1、S2、S3、S4、Sa、Sb門開啟脈沖信號。Sa和 Sb的關斷取決于 Vc的正負。Vd是電源BATT電壓值；N為高頻隔離變壓器原邊與副邊的變比；Ton為1/2Ts時間內(nèi)逆變單元開關導通時間。

表1 開關S1-S4脈沖真值表

圖3 開關S1-S4、Sa-Sb的脈沖序列

2 電壓補償相關計算

從脈沖序列圖可以看到在時間Ts內(nèi)開關Sa-Sb完成一次關斷，在開關Ga與Gb關斷周期內(nèi)，開關G1、G2、G3、G4的開啟時間為 Ton。Ton的開啟時間由補償電壓的大小而定，所以設變量D(kTs)，令

副邊調(diào)制電壓 Vs在開關開啟時段（即 Ton階段）可以寫成

整流單元的解調(diào)輸出電壓

式中， s ign(k Ts)= 1 或-1此處 s ign(k Ts)的正負是由參考補償電壓（參考補償電壓由下文給出）而定的，它與開關的脈沖有如下的關系：

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整流部分輸出電壓Vc的高頻成分被電路中的Cf和Lf濾波電路濾除，Vc在Ts/2內(nèi)的平均有效輸出電壓Vc補(t)應該寫成

式中，t=kTs。

為了LC低通濾波器的性能達到最佳狀況，應該避免其共振頻率fc與開關的頻率fs相等或相近，所以采用共振頻率fc遠遠小于開關的頻率fc，即

3 參考電壓的計算及控制策略

此DVR系統(tǒng)的主要工作是使負載電壓跟蹤標準電壓 Vref(t)(即理想情況下的電能質(zhì)量)。Vref是標準電壓的有效值為標準電壓的頻率。此處值得說明的是，標準電壓 Vref(t)的相位角應該跟蹤輸入電源Utility的相位角。DVR電路中能量的傳遞關系滿足下面的關系式

式中， Wi為電源的輸入能量；W負為負載消耗的能量；W耗為DVR系統(tǒng)損耗的能量；WCd，WBATT分別為 DVR系統(tǒng)逆變單元電容和電池吸收的能量。電容和電池與電源之間形成能量循環(huán)，當電容和電池吸收的能量為負時，說明此時電壓出現(xiàn)暫降；當電容和電池吸收的能量為正時，說明此時電壓出現(xiàn)凸起。W負和W耗均可看成一個額定的常量。由于電容和電池構(gòu)成一個儲能和釋放能量的系統(tǒng)，為了分析的必要，將電池去掉，則系統(tǒng)的能量變化關系如下式

功率變化關系如下式：

式中， ( T2- T1)是假定一段時間。 Δ Pi(a vr)即為假定的這個時間內(nèi)的功率的平均變化量。設Vi為輸入電源基波幅值的有效值且為常量，設 Ii為輸入電源的電流有效值，則

通過式（9）和式（10）可以得到

標準電壓 Vref的有效值在一定的范圍內(nèi)時，可以通過式（12）運用傳統(tǒng)的PI控制方法跟蹤儲能單元的電容C的電壓變化。在此PI控制單元中設一個直流電壓 Ech來替代充滿電的電池BATT。PI控制的輸出為標準電壓的幅值的有效值。在取適當?shù)碾妷河行е档那曳€(wěn)定的情況下，電容的電壓變化趨近于零，其有功功率只在電網(wǎng)的暫降、凸起與直流單元電池的充、放電之間轉(zhuǎn)移。直流電池的變化量的允許范圍為額定電壓的±3%。參考補償電壓為

將式（5）和式（13）聯(lián)合可得

其中t=(k-1)Ts

將此式與式（1）聯(lián)合，可以得到

設定 fs，可認定 fs/2為電壓的采樣率，Ts= 1 /fs，因為0＜D＜1，由式（1）可得

圖4為本電路的整體控制圖。電路中開關的脈沖信號均由門脈沖發(fā)生裝置提供。PI控制的輸出為標準電壓的幅值的有效值，鎖相環(huán)PLL的輸出信號的頻率和相位自動跟蹤輸入電源 Vi( t)。

圖4 DVR的控制策略

4 Simulink仿真及其結(jié)果分析

Simulink是從1993年開始出現(xiàn)的仿真平臺，為驗證補償策略的效果，先設定仿真參數(shù)設定如表2。

表2 仿真參數(shù)設定

在Matlab/Simulink中搭建了配電網(wǎng)系統(tǒng)模型進行電壓凹陷補償?shù)姆抡娣治觯M的配電系統(tǒng)如圖5所示。圖6是電壓突降40V時S1-S3和S2-S4的脈沖序列圖，脈沖的寬度為開關開啟時間長短，由式（5）可知，寬脈沖補充電壓的值大于窄脈沖。圖7為將含有DVR的電力系統(tǒng)電壓突降40V時的電壓波形和補償后的波形圖，從波形上看，補補償效果明顯。從式（16）和式（17）可知，補償?shù)淖畲笾禐榉宸逯抵罴醋畲髤⒖佳a償電壓 Vcom-ref≤NVd。當Vcom-ref＞NVd時，其補償后電壓輸出波形如圖8所示，電壓波形分為兩部分，分為 Vcom-ref≤NVd時的正常補償部分和 Vcom-ref≤NVd時與最大補償值NVd的線性疊加部分，但補償后電壓仍然小于標準電壓。

圖5 含有DVR的電力系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖6 當電壓突降時S1-S3和 S2-S4的脈沖序列圖

圖7 含有DVR的電力系統(tǒng)電壓突降時的電壓波形和補償后的波形圖

圖8 當電壓突降大于補償電壓的最大值時補償輸出波形圖

5 結(jié)論

本文主要介紹了一種新型的電壓恢復器在電力電子變壓器中的應用。此新型的電壓恢復器在供電直流電源與輸入電網(wǎng)間進行最小的能量交換，通過開關合理的控制，達到對電網(wǎng)電壓在暫將和凸起時的補償和儲存能量。此電路在電力電子變壓器中的應用有如下特點：

1）靈活性。用簡單的直流電源也能創(chuàng)造出需要的補償電壓波形。

2）響應迅速。工作特性像一個有源濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的響應進行補償。

3）利用固定的直流電壓源或電容，來獲得所需求的補償電壓。

4）快速保護的功能。由于DVR的輸出為固態(tài)開關控制，所以能在本系統(tǒng)發(fā)生時快速的切斷，使系統(tǒng)與電網(wǎng)隔離。

[1]S.H. Hosseni, M Sabahi, “Three-Phase DVR using a Single-Phase Structure with Combined Hysteresis/Dead-band Control,” IEEE Pow.Elec. and Motion Control Conf., Aug. 2006(3):1-5.

[2]Y.H.Cho, S.Sul, “Controller design for dynamic voltage restorer with harmonic compensation function,” Indust. App. Conf., 39th IAS Annual Meeting, Oct. 2004:1452-1457.

[3]J.G.Nielsen, M.Newman, H.Nielsen, F.Blaabjerg,“Control and testing of a dynamic voltage restorer(DVR)at medium voltage level,” IEEE 3-4thannual Conf, PESC, June 2003:1248-1253.

[4]Y.H.Chang, G.H.Kwon, T.B. Park, K.Y.Lim,“Dynamic voltage regulator with solid state switched tap changer,” IEEE Quality and Security of Elec.Pow. Del. Systems, PES International Symp.,Oct. 2003:105-108.

[5]M.D. Manjrekar, R. Kieferndorf, G. Venkataramanan,“Power electronic transformers for utility applications,”IEEE Conference Record, Industry Applications Conf.,Oct. 2000(4):496-2502.

[6]毛承雄,范澍,王丹等.電力電子變壓器的理論及其應用(I)[J].高電壓術,2003,29(10).

[7]毛承雄,范澍.電力電子變壓器的理論及其應用(Ⅱ)[J].高電壓技術,2003,29(12).

[8]黃貽煜.電子電力變壓器研究[D].華中科技大學,2004.

[9]S.H.Hosseini, M. Sabahi, A.Y. Goharrizi, “Multi- function zero-voltage and zero-current switching phase shift modulation converter using a cycloconverter with bi-directional switches,” IET Power Electronics JNL,2008,1(2):275-286.

[10]H. Krishnaswami, V. Ramanarayanan, “Control of High-Frequency AC Link Electronic Transformer”,IEE Proc. Elect. Power Appl., May 2005,152(3):509-516.