一種可持續(xù)補償三相動態(tài)電壓恢復(fù)器的研究

1、一種可持續(xù)補償三相動態(tài)電壓恢復(fù)器的研究 王凱斐 , 李彥棟 , 卓 放 , 王兆安(西安交通大學(xué) , 陜西 西安 710049摘要 :針對傳統(tǒng) DV R 不能補償持續(xù)電 壓跌 落的問 題 , 提出 了一種 新的 動態(tài) 電壓恢 復(fù)器 (Dy namic V oltage Re stor er 簡稱 DV R 結(jié)構(gòu) , 采用易于控制的整流電路 , 將 能量從電 源提供 給 DV R, 從而實 現(xiàn)電壓 跌落的 持續(xù)補 償?；?于該 DVR 結(jié)構(gòu) , 分析了整個電路的控 制方法。實驗和仿真結(jié)果表 明 , 該 DV R 可 有效地 解決電網(wǎng) 電壓的 許多質(zhì) 量 問題 , 保證敏感負載的電壓穩(wěn)定 , 滿足

2、電力負荷對電網(wǎng)電壓質(zhì)量的要求。關(guān)鍵詞 :動態(tài) ; 補償 /動態(tài)電壓恢復(fù)器 ; 持續(xù)電壓跌落 ; 電能質(zhì) 量中圖分類號 :T M 46 文獻標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1000-100X(2004 01-0001-03An Unremitting Dynamic Voltage RestorerWANG Kai fei, LI Yan dong, ZH UO Fang, WANG Zhao an(Xi an Jiaotong University , X i an 710049, ChinaAbstract:A new topology of dynamic voltage restorer(DV

3、R is proposed to solve the continuous voltag e sags, which can not be realized with the tradit ional DV R. T he w orking mode and control strategy are introduced and analyzed. T he simu lation and experimentation shown that the presented DVR can constrain many kinds of voltag e issue of power system

4、, confirm the voltag e stability o f the sensitive load and satisfy the requir ements of power loads for net voltage quality. Key words:dynamic; compensation/Dynamic V oltage Restorer (DV R ; co ntinuous voltage sags; pow er quality1 引 言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 , 促使電力用戶對電 能質(zhì)量提出更高的要求。然而 , 大量非線性、 沖擊性 負荷的使用 , 在電網(wǎng)上產(chǎn)

5、生了電壓跌落、 不對稱、 閃 變、 波動、 諧波以及瞬時供電中斷等電能質(zhì)量問題 , 致使產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至導(dǎo)致生產(chǎn)過程中斷 , 從而造 成巨大的經(jīng)濟損失。因此 , 對電能質(zhì)量的改善和控 制成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要課題 1。所謂用戶電力技術(shù) , 是指應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技 術(shù)為用戶實現(xiàn)電能質(zhì)量控制和 特定電能供應(yīng) 的技 術(shù) , 所論及的 DVR 就是其中一種。這種裝置 通過 自身產(chǎn)生的電壓來補償系統(tǒng)電壓的跌落 , 可用于克 服系統(tǒng)電壓波動對用戶的影響。國外自上世紀 90年代就開始對 DVR 裝置進行 了研究 , 并已投入應(yīng)用 , 而國內(nèi)尚處于研究階段。文 中將分析 DVR 的結(jié)構(gòu)和工作原理 , 并提出一

6、 種新 型的拓撲結(jié)構(gòu) , 用以解決 DVR 不能長時間補 償電 壓跌落的問題 , 同時分析了其控制原理 , 最后給出了 仿真和實驗結(jié)果。2 DVR 的結(jié)構(gòu)及工作原理通過在電 網(wǎng)和負 載之間 串聯(lián) DVR, 即可實 現(xiàn)定稿日期 :2003-07-04作者簡介 :王凱斐 (1979- , 男 , 河南人 , 碩士研究生 , 研究 方向為電能質(zhì)量控制技術(shù)和用戶 電力技術(shù) 。 電壓的補償。其電路結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖 1 典型 DV R 結(jié)構(gòu)框圖DVR 包括儲能裝置、 變流器、 濾波電路和變壓 器 4個部分。它通過檢測電源電壓生成指令信號 , 對變流器進行控制 , 產(chǎn)生需要的補償電壓 ; 再經(jīng)過濾 波

7、電路和變壓器 , 疊加到負載電路中 , 從而確保負載 電壓的質(zhì)量。由 DVR 的工作原理可得圖 2所示向 量圖。圖 2 DVR 工作原理向量圖由圖 2可以看出 , DVR 在補償電壓跌落時 , 不 僅輸出無功 , 而且還要輸出有功。傳統(tǒng) DVR 上的 直流側(cè)電壓一般通過儲能裝置 (如蓄電池 提供 , 它 只能在短時間內(nèi)對電壓跌落進行補償。如果電源電 壓跌落的時間比較長 , 就不能實現(xiàn)完全的補償。所 研究的 DVR 裝置的直流側(cè)能量是通過整流電路提 供的 , 它可以持續(xù)對電源側(cè)電壓進行補償 , 并對直流第 38卷第 1期 2004年 2月 電 力電子技術(shù)Pow er ElectronicsVo

8、l. 38, No. 1 February, 2004側(cè)電壓進行控制 , 從而解 決了以往 DVR 不能 補償 持續(xù)電壓跌落的問題。同時 , 它還可以補償電壓的 不對稱、 閃變、 波動、 諧波等動態(tài)電壓質(zhì)量問題。3 控制方法所研究的 DVR 的結(jié)構(gòu)如圖 3所示。主電路包 括兩個部分 : 整流電路和電壓型逆變電路。圖 3 可持續(xù)補償?shù)?DV R 結(jié)構(gòu)圖電力系統(tǒng)發(fā)生故障時 , 造成電壓的跌落一般在 額定電壓的 50%以 內(nèi) , 最常 見的 電壓跌 落一般 為 20%30%。因此 , 由電壓跌落值可推導(dǎo)出逆變器 直流側(cè)的電壓。對于三相而言 , 一般要求 PWM 逆變器交流側(cè) 相電壓 u A 大于要產(chǎn)

9、 生的補償 電壓 u cu 的峰 值 3, 即 :|u A | u cum ax (1變壓器的次級電壓 u cu 等于初級電壓 u sag 的 n 倍 , 即 :u cum a x =nu sagmax (2于是有 :|u A | nu sag max (3 而逆變器交流側(cè)電壓 u A 的絕對值有兩種 , 分別為 :|u A |min =U d /3(4和 :|u A |m a x =2U d /3(5從 DVR 主要關(guān) 注的動態(tài)性能考慮 , 一 般選擇 式 (4 進行計算 , 即 :U d =3nu sag max(6利用上式計算直流側(cè)電壓 , 同時選擇相應(yīng)的整 流電路。如果按照跌落 20%

10、30%的額定 電壓且 n 小于 1, 通過調(diào)節(jié) n 可使直流側(cè)電壓不必要選用 過高的值 , 則可選擇圖 3所示的相控整流電路來控 制直流側(cè)電壓。在一些功率不很大的負載系統(tǒng)中 , 采用該電路可容易地對直流側(cè)電壓進行控制 , 同時 也降低了 DVR 的造價。整流部分將能量從電網(wǎng)轉(zhuǎn)換到逆變器 的直流 側(cè) , 保證直流側(cè)電壓恒定 , 從而使 DVR 能夠持續(xù)補 償電網(wǎng)的電壓跌落。整流電路采用 PID 調(diào)節(jié)器來 控制直流側(cè)電壓 , 控制框圖如圖 4所示。直流側(cè)電 壓參考和直流側(cè)電壓的反饋量比較后 , 再通過數(shù)字 PID 的調(diào)節(jié)對晶閘管整流橋進行控制 , 從而達到穩(wěn) 定直流側(cè)電壓 , 為逆變部分提供能量的

11、目的。圖 4 整流電路控制框圖以往研究的三相 DVR 大多采用 3個單相橋 , 對 三相進行補償。而文中研究的逆變電路采用圖 3所示的三相橋式電路對三相進行補償 , 同時將變壓器 次級接為星形 , 并將中點與直流側(cè)中點連接 , 這樣不僅可以補償系統(tǒng)三相同時跌落 , 也可以補償系統(tǒng)的 單相跌落。與以往應(yīng)用于三相的 DVR 相比 , IGBT 的用量減少了 50%, 使電路變得簡單 , 易于控制 , 并 降低了 DVR 的成本。逆變電 路工作時 , 將能量從 直流側(cè)注入電網(wǎng) , 補償電網(wǎng)的電壓跌落。為了滿足 DVR 的動態(tài)性能 , 一般采用前饋控制 , 通過檢測電 網(wǎng)電壓來產(chǎn)生補償電壓的控制信號。

12、敏感負載一般 只要求電壓幅值恒定 , 對相位無要求。因此 , 由圖 2可知 , 如果將負載電壓向量移動到和跌落后的電源 電壓 同相 位 , 即 可計 算 出需 要 補償 的 電壓 , 亦即 DVR 要輸出的電壓。旋 轉(zhuǎn)后的電壓向量圖如 圖 5 所示。圖 5 鎖相后的電壓向量圖綜上分析 , 可以得到圖 6所示逆變器控制框圖。 檢測到電源電壓同與其同步的參考電壓比較 , 產(chǎn)生 需要補償?shù)碾妷盒盘?。再與逆變器輸出的反饋比較 產(chǎn)生控 制指 令信 號 , 對逆變 電路 進行 控制。這樣 DVR 輸出的電壓既能夠補償電源電壓的跌落 , 又能 抑制電源電壓中的諧波分量。圖 6 逆變電路控制框圖采用這種控制方

13、法 , 須使參考的標(biāo)準(zhǔn)負載電壓 和電源電壓同步 , 因此鎖相是個關(guān)鍵。通常有兩種 鎖相方法 , 過零鎖相和軟鎖相。過零鎖相在電源相第 38卷第 1期 2004年 2月 電 力電子技術(shù) Pow er ElectronicsVo l. 38, No. 1February, 2004位突變時 , 不能很快地鎖相 , 但是一般在半個工頻周 期內(nèi) , 能夠很好地使參考電壓與電源電壓同步 , 穩(wěn)定 性好。軟鎖相可以在電源電壓相位變化時 , 跟蹤其 相位變化 , 進行鎖相 , 但是需要大量的計算 4, 并且 其穩(wěn)定性不好。一般 來說 , 過零 鎖相可將 DVR 的 動態(tài)補償時間控制在 10ms 以內(nèi) , 可

14、滿足大部分用 戶的要求 , 并且該方法易于應(yīng)用 , 因此文中采用過零 鎖相。該控制方法比較簡單 , 能夠快速檢測并計算出 需要補償?shù)碾妷盒盘?, 并對逆變電路的 IGBT 進行 控制 , 從而滿足了 DVR 快速動態(tài)響應(yīng)的要求。4 仿真和試驗為了驗證上述控 制策略和可持續(xù)補償電壓的 DVR 的性能 , 進行了仿真和實驗驗證。利用 Matlab 對 該系統(tǒng) 進行建模 和系統(tǒng) 仿真。 仿真結(jié)果表明 , 采用所提出的 DVR 結(jié) 構(gòu)可迅速補 償電壓跌落 , 并能持續(xù)補償?shù)?。同時 , 基于該結(jié)構(gòu) 的 DVR 可以補償系統(tǒng)三相及單相跌落。另外 , 基于所提出的 DVR 電路結(jié)構(gòu)和控制策 略 , 研制了

15、一臺 6kV 的三相 DVR 實驗裝置。實驗 采用 DVR 始終在線的方式 , 并采用 TI 公司的 DSP 對整個電路進行控制。圖 7 為實驗波形。圖 7 實驗波 形圖圖 7a 為電源電壓穩(wěn)態(tài)時負載電壓的情況 , 可看 到負載電壓中的諧波分量已被消除 ; 圖 7b 為電源電 壓跌落時的負載電壓 , 此時負載電壓基本維持不變 , 并且抑制了電源電壓中的諧波分量 ; 圖 7c 為電源電 壓突降時 , DVR 輸出的電壓 ; 圖 8d 為電網(wǎng)電壓跌落 時負載的電壓。由圖可看出 , DVR 可在 5ms 內(nèi)補 償電壓的降落 , 滿足了實時性的要求。5 結(jié) 論提出一種能持續(xù)工作 的三相 DVR 結(jié)構(gòu)

16、, 采用相控整流電路對逆變器的直流側(cè)電壓進行控制 , 并 采用前饋控制方法 , 保證 DVR 的 動態(tài)性能?？刂?中采用過零鎖相的方法 , 該方法易于實現(xiàn) , 并實現(xiàn)了 實時補償。與傳統(tǒng)的 DVR 相比 , 該結(jié)構(gòu)可持 續(xù)補償電壓跌落 , 諧波等電壓質(zhì)量問題 ; 三相逆變橋的應(yīng) 用 , 減少了 IGBT 的用量 , 降低了設(shè)備造價 , 并從控 制算法上簡化了 繁瑣的計算 , 達到了 DVR 快速補 償?shù)哪康?, 預(yù)計會有較好的應(yīng)用前景。 參考文獻1L i B H. T ransformerless Dynamic V oltage Restorer. Gen eration, T r ansmission a