無(wú)直流儲(chǔ)能直接AC/AC動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器及其預(yù)測(cè)控制

金楠，　康冬祎，　崔光照

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

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無(wú)直流儲(chǔ)能直接AC/AC動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器及其預(yù)測(cè)控制

金楠，康冬祎，崔光照

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

摘要:基于電壓源型逆變器的傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，需使用大容量電解電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能，體積重量大，成本高。為此，提出一種基于直接AC/AC變換的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，該方案不需使用直流儲(chǔ)能元件，易于維護(hù)，換流過(guò)程簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，能夠有效補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)。針對(duì)所提出的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的工作模式、非互補(bǔ)控制換流過(guò)程，并使用離散全維狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)控制策略。與現(xiàn)有的瞬時(shí)電壓控制策略相比，由于控制信號(hào)已在前一周期經(jīng)狀態(tài)預(yù)測(cè)并執(zhí)行控制算法后得到，當(dāng)前周期可直接更新控制信號(hào)，省去了算法執(zhí)行時(shí)間，提高電壓恢復(fù)能力。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性。

關(guān)鍵詞:無(wú)直流儲(chǔ)能；直接AC/AC變換；動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器；預(yù)測(cè)控制；換流策略

0引言

電壓跌落與電壓突升是電能質(zhì)量的常見問(wèn)題，會(huì)影響用電設(shè)備的正常工作，尤其是精密儀器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等敏感負(fù)荷的安全穩(wěn)定運(yùn)行。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能夠在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)的情況下，保持負(fù)荷電壓穩(wěn)定，對(duì)敏感負(fù)荷的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

電壓跌落及突升是指電壓幅值在半個(gè)周期至幾秒時(shí)間內(nèi)偏離額定值，電壓跌落為額定值的10%-90%，電壓突升為額定值110%以上。一方面，大功率電機(jī)啟動(dòng)、電網(wǎng)短路故障等原因會(huì)引起電網(wǎng)電壓跌落。電壓跌落超過(guò)兩個(gè)周期可能影響到生產(chǎn)制造系統(tǒng)中敏感電子設(shè)備的正常工作，特別是在半導(dǎo)體制造、精密加工等領(lǐng)域。另一方面，電網(wǎng)投切大容量補(bǔ)償電容器或斷開大功率負(fù)載等情況下會(huì)產(chǎn)生電壓突升。電壓突升可能造成通信系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)損失、設(shè)備誤操作等問(wèn)題；因此，電壓跌落與突升會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。為了保障敏感負(fù)載的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電能質(zhì)量，對(duì)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器進(jìn)行了大量研究。

針對(duì)電壓源逆變結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，在電壓波動(dòng)信號(hào)檢測(cè)、補(bǔ)償控制策略等領(lǐng)域開展大量研究[1-5]；但這種方案中，其直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)需使用大容量電解電容，體積重量大、成本高。且電解電容壽命較短，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)成為定期維護(hù)的主要對(duì)象，工作量大。級(jí)聯(lián)多電平電壓源逆變器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電壓的方法，使用器件較多，控制復(fù)雜，在中小功率領(lǐng)域應(yīng)用成本較高[6-8]。無(wú)直流儲(chǔ)能直接AC/AC變換器由于具有拓?fù)浜?jiǎn)單、不需使用大容量?jī)?chǔ)能元件、體積小、高功率因數(shù)等特點(diǎn)被應(yīng)用于自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器、軟啟動(dòng)器和電機(jī)速度調(diào)節(jié)器等領(lǐng)域[9-11]。與電壓源型逆變器相比，此類變換器體積小、重量輕、易于集成[12-14]。如果將現(xiàn)有的斬控型直接AC/AC變換器應(yīng)用于動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)領(lǐng)域，存在換流過(guò)程繁瑣[12]、開關(guān)過(guò)程電壓應(yīng)力較高[13]、僅能使用分離器件不利于集成[14]等問(wèn)題。使用虛擬整流逆變的直接AC/AC變換方案[15]，單相電路需使用8支開關(guān)管，成本高，換流控制復(fù)雜。

針對(duì)配電網(wǎng)中敏感負(fù)荷的電壓穩(wěn)定問(wèn)題，提出一種新穎的無(wú)直流儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，該變換器由AC/AC變換器、固態(tài)繼電器、隔離變壓器組成。其中，AC/AC變換器產(chǎn)生可調(diào)幅的補(bǔ)償電壓，由固態(tài)繼電器改變補(bǔ)償電壓極性，通過(guò)疊加不同極性的補(bǔ)償電壓實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)功能。設(shè)計(jì)該變換器的非互補(bǔ)控制換流策略，換流過(guò)程簡(jiǎn)單，可靠性高。為了改善動(dòng)態(tài)性能，使用離散系統(tǒng)全維狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)預(yù)測(cè)控制策略。在前一周期經(jīng)狀態(tài)觀測(cè)后執(zhí)行控制算法，超前一拍得到當(dāng)前周期的控制信號(hào)，不占用當(dāng)前周期控制信號(hào)的更新時(shí)間，增大動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償范圍，具有響應(yīng)速度快、諧波小的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)功能樣機(jī)，針對(duì)不同工況調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性。

1無(wú)直流儲(chǔ)能直接AC/AC動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器

交流電壓動(dòng)態(tài)恢復(fù)有多種實(shí)施方案，采用電壓型逆變器的傳統(tǒng)方案需要使用大容量電解電容作為儲(chǔ)能裝置。電解電容由于壽命較短成為電壓恢復(fù)器運(yùn)行中的主要維護(hù)對(duì)象，需定期檢測(cè)、換新，成本較高，維護(hù)工作量大。無(wú)直流儲(chǔ)能直接AC/AC變換器通過(guò)對(duì)雙向開關(guān)應(yīng)用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)功能，不需要使用大容量電解電容等儲(chǔ)能裝置，成本較低，調(diào)節(jié)速度快。傳統(tǒng)單管反串聯(lián)雙向電力電子開關(guān)直接AC/AC變換器如圖1(a)，針對(duì)其存在換流復(fù)雜、需要設(shè)計(jì)相互隔離的驅(qū)動(dòng)電路等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的無(wú)直流儲(chǔ)能直接AC/AC變換器，如圖1(b)。該變換器開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路不需另外進(jìn)行電氣隔離設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，換流過(guò)程簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本降低。

圖1　直接AC/AC變換器Fig.1　Direct AC/AC power converter

基于圖1(b)無(wú)直流儲(chǔ)能直接AC/AC變換器，提出一種新穎的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，使用變換器產(chǎn)生幅度可調(diào)的補(bǔ)償電壓，通過(guò)固態(tài)繼電器開關(guān)組、隔離變壓器連接負(fù)載，如圖2。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，變換器通過(guò)改變PWM控制信號(hào)占空比產(chǎn)生補(bǔ)償電壓；固態(tài)繼電器SW1-SW4由雙向晶閘管組成，通過(guò)切換其工作狀態(tài)，改變補(bǔ)償電壓極性；變壓器實(shí)現(xiàn)功率變換器與負(fù)載的隔離。

輸入電壓正常時(shí)，功率變換器輸出補(bǔ)償電壓為零；輸入電壓突升或突降時(shí)，通過(guò)改變變換器和固態(tài)繼電器SW1-SW4的工作狀態(tài)使變壓器副邊輸出相應(yīng)極性的補(bǔ)償電壓，保持負(fù)載電壓的穩(wěn)定。

圖2　無(wú)直流儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器Fig.2　DC energy storageless dynamic voltage restorer

2工作模式與換流策略

變換器的主要工作模式有三種，分別是有源模式、續(xù)流模式和死區(qū)模式。設(shè)計(jì)與圖2中動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器相適應(yīng)的非互補(bǔ)換流控制策略。PWM控制信號(hào)如圖3，其中Sg1-Sg4分別為S1-S4的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于死區(qū)模式時(shí)間極短且換流過(guò)程與其它兩種模式相同，以下僅討論有源模式和續(xù)流模式的工作過(guò)程。

圖3　無(wú)直流儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的PWM控制信號(hào)Fig.3　PWM control signals of DC energy　　　storageless dynamic voltage restorer

開關(guān)管S1、S2周期的開通與關(guān)斷，用于控制電感L存儲(chǔ)能量，S3、S4為電感電流提供續(xù)流回路。圖4描述了輸入電壓正極性時(shí)系統(tǒng)的工作過(guò)程。

當(dāng)輸入電壓ui正(負(fù))極性時(shí)，互補(bǔ)PWM信號(hào)控制S1、S3(S2、S4)，開關(guān)S2、S4(S1、S3)處于始終導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)S1導(dǎo)通、S3關(guān)斷時(shí)，交流斬波變換器工作在有源模式，電感電流通過(guò)交流電源、開關(guān)管S1、開關(guān)管S2體二極管構(gòu)成回路，電感存儲(chǔ)能量，如圖4(a)。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，交流斬波變換器工作在續(xù)流模式，電感電流通過(guò)負(fù)載、開關(guān)管S4、開關(guān)管S3體二極管構(gòu)成回路，電感釋放能量，如圖4(b)。

圖4　無(wú)直流儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器換流過(guò)程Fig.4　Commutation process of the DC energy　　　storageless dynamic voltage restorer

當(dāng)輸入電壓突降時(shí)，SW1、SW3導(dǎo)通，SW2、SW4關(guān)斷，補(bǔ)償電壓與輸入電壓極性相同，負(fù)載電壓等于補(bǔ)償電壓與輸入電壓之和。當(dāng)輸入電壓突升時(shí)，SW1、SW3關(guān)斷，SW2、SW4導(dǎo)通，補(bǔ)償電壓與輸入電壓極性相反，負(fù)載電壓等于補(bǔ)償電壓與輸入電壓之差。不同工作狀態(tài)下的開關(guān)操作如表1所示。

表1　不同工作狀態(tài)下的開關(guān)操作

3動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器預(yù)測(cè)控制策略

為快速抑制輸入電壓波動(dòng)對(duì)負(fù)載的影響，需設(shè)計(jì)有效的控制策略以保持負(fù)載電壓穩(wěn)定。電壓峰值反饋控制方法通過(guò)峰值電壓檢測(cè)電路采樣輸入電壓峰值。與電壓瞬時(shí)值相比，電壓峰值的變化緩慢，電壓有效值控制方法也存在同樣問(wèn)題。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)預(yù)測(cè)控制策略?，F(xiàn)有的瞬時(shí)電壓控制策略如圖5(a)。在新的開關(guān)周期計(jì)算占空比，通過(guò)該占空比改變PWM脈沖寬度，如果控制算法執(zhí)行時(shí)間為MTs(0

圖5　不同任務(wù)時(shí)序圖Fig.5　Timing of different tasks

根據(jù)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)預(yù)測(cè)控制策略原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，如圖6。

圖6　動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Structure diagram of the dynamic voltage　　　 predictive control system

圖2所示電路的模型是一個(gè)二階系統(tǒng)，狀態(tài)量可表示為

(1)

式中：uc為變換器輸出電壓；iL為流過(guò)輸出濾波電感L的電流。

控制系統(tǒng)的輸入為

(2)

式中：ucp為斬波器電壓；io為變換器的輸出電流。

狀態(tài)方程為：

(3)

式中，L為輸出濾波電感；Co為輸出濾波電容。

(4)

通過(guò)改變占空比D(k+1)，調(diào)節(jié)負(fù)載電壓uL(k+1)至額定電壓un(k+1)。為預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)離散系統(tǒng)全維狀態(tài)觀測(cè)器為

(5)

(6)

令電源電壓額定值為

un=unpsin(2πft)。

(7)

式中unp為額定電壓峰值。

當(dāng)ui=un時(shí)，補(bǔ)償電壓為零；當(dāng)電源電壓突升時(shí)，

uL=ui-ucsec。

(8)

當(dāng)電源電壓突降時(shí)，

uL=ui+ucsec。

(9)

(10)

式中：kp為比例增益；ki為積分增益；占空比Df范圍是0到1?？刂破鞣e分環(huán)節(jié)使負(fù)載電壓穩(wěn)態(tài)誤差為零。

當(dāng)電源電壓正常時(shí)，固態(tài)繼電器SW1、SW4關(guān)斷，SW2、SW3導(dǎo)通，變換器輸出電壓uc為零，負(fù)載電壓uL等于電源電壓ui，電源直接為負(fù)載供電。當(dāng)電源電壓異常時(shí)，使用微控制器執(zhí)行動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)預(yù)測(cè)控制策略和SSR投切方案，實(shí)現(xiàn)電壓突升、突降補(bǔ)償。

4仿真分析與驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提方案的有效性，對(duì)輸入電壓突升、突降兩種條件下的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)能力分別進(jìn)行仿真。

電網(wǎng)電壓過(guò)壓和突升故障下，負(fù)載電壓波形如圖7(a)。0s至0.084s，輸入電壓為1.15un，電網(wǎng)發(fā)生過(guò)電壓故障，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器調(diào)節(jié)負(fù)載電壓至額定電壓。0.084s時(shí)，電網(wǎng)電壓從1.15un突升至1.3un，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器在0.003s內(nèi)調(diào)節(jié)負(fù)載電壓至額定電壓。

電網(wǎng)電壓欠壓和突降情況下，負(fù)載電壓波形如圖7(b)。0s至0.084s，輸入電壓為0.85un，電網(wǎng)發(fā)生欠電壓故障，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能夠調(diào)節(jié)負(fù)載電壓至額定電壓。0.084s時(shí)刻，輸入電壓從0.85un突降至0.7un，當(dāng)輸出電壓突降30%情況下，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器僅用0.004s將負(fù)載電壓uL恢復(fù)至額定電壓un。

仿真結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓突升、突降、過(guò)壓、欠壓情況下，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器響應(yīng)速度快，可在極短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)負(fù)載電壓為額定值。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提無(wú)直流儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器及其預(yù)測(cè)控制的有效性。

圖7　電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)負(fù)載電壓波形Fig.7　Load waveformswhen source voltage　　　fluctuations occur

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8，系統(tǒng)參數(shù)見表2。

圖8　無(wú)直流儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.8　Structure of DC energy storageless dynamic　　　voltage restorer experimental platform

實(shí)驗(yàn)中電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為0.7uin至1.3uin，樣機(jī)輸出功率為500W。根據(jù)圖4中設(shè)計(jì)的非互補(bǔ)換流控制策略，開關(guān)管的門極控制信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形如圖9(a)，其中Sg1、Sg2、Sg3、Sg4分別為S1、S2、S3、S4的門極控制信號(hào)。當(dāng)占空比D=0.5時(shí)，阻性負(fù)載40歐，變換器輸出電壓uc如圖9(b)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明輸出電壓為正弦波形。電源電壓經(jīng)過(guò)AC/AC變換后，輸出正弦包絡(luò)的斬波電壓ucp如圖9(c)和圖9(d)。輸入電壓被斬波為微秒級(jí)電壓片段，濾波后輸出正弦電壓uc。實(shí)驗(yàn)表明，所提出的非互補(bǔ)換流控制策略使開關(guān)器件電壓尖峰較小，換流安全可靠。

表2　樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)

圖9　D=0.5時(shí)，控制信號(hào)與斬波電壓波形Fig.9　When D=0.5,waveforms of control　　　signalsand chopper voltage

電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)進(jìn)行各種電能變換，同時(shí)也帶來(lái)了諧波污染等電能質(zhì)量問(wèn)題。所提出方案在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)功能時(shí)，也不可避免會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波。相對(duì)于其它電能轉(zhuǎn)換方式，高頻直接AC/AC變換技術(shù)的突出特點(diǎn)是產(chǎn)生諧波分布在較高頻段，低次諧波含量較少。圖2中輸入電壓ui經(jīng)過(guò)高頻斬波電能轉(zhuǎn)換后，成為微秒級(jí)電壓片段拼接而成的ucp。其包含的諧波成分主要集中在開關(guān)頻率的整數(shù)倍附近，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)開關(guān)頻率fs又遠(yuǎn)高于電源頻率f。如圖9(c)所示，ucp中包含的大量高次諧波是易于被濾除的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，經(jīng)過(guò)輸出濾波環(huán)節(jié)后，高頻諧波成分被濾除，輸出補(bǔ)償電壓uc總諧波畸變較低，輸出電壓總諧波畸變值為1.26%，如圖10。

圖10　輸出電壓諧波頻譜分析Fig.10　Harmonic spectrum analysis of the output voltage

盡管所提出方案產(chǎn)生的諧波污染十分有限，然而目前該方案僅能實(shí)現(xiàn)電壓幅值波動(dòng)的快速補(bǔ)償，還未能實(shí)現(xiàn)輸入電壓發(fā)生畸變情況下的變頻補(bǔ)償功能。

圖11　電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓波形圖Fig.11　Waveforms of load voltage when voltage　　　swells or sags occur

當(dāng)電網(wǎng)電壓從1.15un突升至1.3un時(shí)，電網(wǎng)電壓ui與負(fù)載電壓uL實(shí)驗(yàn)波形如圖11(a)。當(dāng)電網(wǎng)電壓從0.85un突降至0.7un時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11(b)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器及其預(yù)測(cè)控制的有效性。該控制方案能夠有效抑制輸入電壓波動(dòng)，5 ms內(nèi)可控制負(fù)載電壓穩(wěn)定至額定電壓，使負(fù)載電壓不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響，且電壓恢復(fù)過(guò)程沒有電壓尖峰。

6結(jié)論

電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響敏感負(fù)載的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，為保證電能質(zhì)量，提出一種無(wú)直流儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器及其預(yù)測(cè)控制策略。首先，該設(shè)計(jì)通過(guò)無(wú)直流儲(chǔ)能直接AC/AC功率變換器、固態(tài)繼電器和隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)電壓雙向補(bǔ)償。不需使用大容量電容、電感等直流儲(chǔ)能元件，體積小，成本低，易于維護(hù)。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)離散系統(tǒng)全維狀態(tài)觀測(cè)器，當(dāng)前周期的占空比可經(jīng)前一周期預(yù)測(cè)并執(zhí)行控制算法后得到，不占用當(dāng)前周期的時(shí)間，增大電壓變換范圍。

設(shè)計(jì)功能樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在電網(wǎng)電壓突升、突降、過(guò)壓、欠壓情況下，所提無(wú)直流儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能有效控制負(fù)載電壓穩(wěn)定，使其不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，提高電能質(zhì)量，且響應(yīng)速度快、諧波小，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn):

[1]JIMICHI T,FUJITA H,AKAGI H. A dynamic voltage restorer equipped with a high-frequency isolated DC-DC converter[C].Proceedings of the Energy Conversion Congress and Exposition,2009.ECCE 2009.IEEE,San Jose,CA,2009.

[2]孫哲,郭春林,肖湘寧. 基于負(fù)荷電壓DVR補(bǔ)償策略分析方法及最小能量控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(31): 43-49.

SUN Zhe,GUO Chunlin,XIAO Xiangning. Analysis method of DVR compensation strategy based on load voltage and minimum energy control[J]. Proceedings of the CSEE,2010,30(31): 43-49.

[3]王建偉,胡曉光,陳松松. 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的諧波補(bǔ)償數(shù)字控制技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(10): 239-245.

WANG Jianwei,HU Xiaoguang,CHEN Songsong. Harmonic compensation digital control technology of dynamic voltage restorer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(10): 239-245.

[4]張強(qiáng),周暉,齊智平. 適用于動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器電壓檢測(cè)的濾波算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,24(8): 135-140.

ZHANG Qiang,ZHOU Hui,QI Zhiping. Filtering method for dynamic voltage regulator[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(10): 239-245.

[5]李哲,吳正國(guó),夏立,等.任意負(fù)載條件下動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的復(fù)合諧振控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(25): 130-138.

LI Zhe,WU Zhengguo,XIA Li,et al. Compound resonant control for dynamic voltage restorers under arbitrary load conditions[J]. Proceedings of the CSEE,2013,33(25): 130-138.

[6]BABAEI E,KANGARLU M F,SABAHI M. Dynamic voltage restorer based on multilevel inverter with adjustable DC-link voltage[J]. IET Transactions on Power Electronics,2014,7(3): 576-590.

[7]王寶安,孟慶剛,商姣. 一種新型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的仿真與實(shí)驗(yàn)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,33(9):25-30.

WANG Baoan,MENG Qinggang,SHANG Jiao. Simulation and experiment of new-type dynamic voltage restorer[J]. Electric Power Automation Equipment,2013,33(9): 25-30.

[8]BARROS J D,SILVA J F. Multilevel optimal predictive dynamic voltage restorer[J]. IEEE Transactions On Industrial Electronics,2010,57(8): 2747-2760.

[9]KANGARLU M F,BABAEI E. Operation of AC chopper as downstream fault current limiter and overvoltage compensator[C]. Power Electronics,Drive Systems and Technologies Conference,Tehran,Iran,2011.

[10]金楠,唐厚君,葉芃生,等.交流Buck型動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器的建模與控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(8): 102-106.

JIN Nan,TANG Houjun,YE Pengsheng,et al. Modeling and control of AC buck dynamic voltage regulator[J]. Electric Machines and Control,2010,14(8): 102-106.

[11]CHEN Yukai,LU Yucheng. Design and implementation of simple AC chopper with one PWM driving signal[C].Electric Information and Control Engineering,Wuhan,China,2011.

[12]LIU Hao,WANG Jihong.Analysis and control of a single phase AC chopper in series connection with an auto transformer[C]. International Conference on Automation and Computing,Loughborough,England,2012.

[13]JOTHIBASU S,MISHRA M K.A control scheme for storageless DVR based on characterization of voltage sags[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(5):2261-2269.

[14]金楠,唐厚君,楊存祥. 新型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器拓?fù)渑c控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,31(7):62-66.

JIN Nan,TANG Houjun,YANG Cunxiang. Topology and control strategy of a new dynamic voltage restorer[J]. Electric Power Automation Equipment,2011,31(7):62-66.

[15]王潔,湯雨,武偉,等.快速相應(yīng)的交交型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(8)：242-247.

WANG Jie,TANG Yu,WU Wei,et al. Research on AC-AC dynamic voltage restorer with rapid dynamic response[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(8): 242-247.

(編輯：張楠)

Research on DC energy-storageless direct AC/AC dynamic voltage restorer and its predictive control

JIN Nan,KANG Dong-yi,CUI Guang-zhao

(College of Electric and Information Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China)

Abstract:Traditional dynamic voltage restorer based on voltage source inverter needs energy storage devices,such as electrolytic capacitor,which are heavy and high cost. A new type of dynamic voltage restorer based on improved DC energy storageless direct AC/AC power conversion was proposed. This new type of restorer does not use energy storage devices and has simple commutation process,fast dynamic response and low cost,which can compensate the grid voltage fluctuations effectively. Non-complementary control commutation strategy,work modes and predictive control method were designed. By using a discrete state observer,the control signals were obtained by predicting the system state and performing its algorithm in previous cycle,which was updated in current cycle directly. Compared with the existing instantaneous voltage control,the proposed predictive control strategy saves the algorithm execution time and improves the voltage recovery ability. An experimental prototype was designed. Experiment results show that the load voltage can be kept stable under line voltage swells or sags circumstances,which verifies the validity of the proposed plan.

Keywords:DC energy storageless; direct AC/AC converter; dynamic voltage restorer; predictive control; commutation strategy

收稿日期:2015-07-01

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(142102210517)；鄭州輕工業(yè)學(xué)院博士科研基金(2013BSJJ025)

作者簡(jiǎn)介：金楠(1982—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榻涣鲾夭üβ首儞Q器、分布式發(fā)電系統(tǒng)； 康冬祎(1990—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹苯覣C/AC功率變換器、分布式發(fā)電系統(tǒng)； 崔光照(1957—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄芪㈦娋W(wǎng)、分布式發(fā)電系統(tǒng)。

通信作者:金楠

DOI:10.15938/j.emc.2016.07.012

中圖分類號(hào):TM 761

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-449X(2016)07-0088-07