動態(tài)跌落補償的三相靜態(tài)串聯(lián)電壓穩(wěn)壓器控制算法

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摘要大量工廠的典型的電能問題是由短暫的中斷和電壓過低引起的。解決這

個問題的一個常見方法是安裝不休止電源UPS。然而這些不休止電源成本高，而且需要維修。一個節(jié)省成本的替代方法是使用靜態(tài)串聯(lián)穩(wěn)壓器額定功率負載的一小部分，穩(wěn)壓器與負載串聯(lián)提供電壓。該論文中提出的結構帶有二極管橋式整流轉換器的變壓器耦合的電壓源逆變器連接到AC電源。本文探討了實施和控制的問題，并給出了穩(wěn)定狀態(tài)下的補償能力曲線。提出了一種控制算法可以保證快速恢復動態(tài)電壓，并對電網的故障類型,干擾和諧波十分敏感。說明了典型的單相和三相故障的特點。功率補償器原型的動態(tài)性能在DSP上得到了驗證。

1.引言

電能質量正在成為配電系統(tǒng)和工廠的一個越來越重要的考慮因素。預計這些問題在沒有管制的電力系統(tǒng)環(huán)境中將更加普遍，那里頻率和電能質量都有可能不同?，F(xiàn)代發(fā)電廠的一個重要特征是提供高質量的電能，并且具有高可靠性，其中，計算機和其他靈敏電子設備的使用都很廣泛。在供電的好多時候，中斷供電的損失很大。

在這個新的環(huán)境中,用戶可能會找到能夠經濟地解決方案,以確保持續(xù)的高質量的電力供應。隨著靜態(tài)功率轉換器的快速進步，在中壓系統(tǒng)發(fā)展的帶動下，大量基于電力電子新技術，現(xiàn)在可以應用于一個成本有效的方法。猛烈依靠于電力電子技術的小型發(fā)電機、儲能單元和功率質量補償器有望經濟地分派等級。

研究說明，大多數的電能質量問題是瞬時電壓跌落、偏低、中斷和過高。另外，大多數的干擾是由錯誤的饋線系統(tǒng)或相鄰的反饋器引起的。而且，多數故障，90%是單相故障，這些故障導致三相電壓跌落，有時發(fā)生在在一個或多個線路上。另一方面功率因數電容器和變壓器開關會引起電壓偏高。

解決電能質量問題的常用方法是采用不休止電源UPS。盡管UPS的市場在擴大，但這些設備還是很貴，特別是那些大功率等級的和不常用等級的。而且，

它們需要維修。

而另一個方法需要投資，電力系統(tǒng)中較為傳統(tǒng)的方法是采用并聯(lián)無功補償裝置，最新技術是采用靜態(tài)無功補償器STATCOM。然而,STACOM的適當操作很大程度上依靠于線路電抗。此外,它不能輕易處理大電壓凹陷和電壓不平衡。

一個更直接有效的方法來保持電壓的范圍和平衡負載電壓,是使用靜態(tài)串聯(lián)穩(wěn)壓器,如圖1所示。它的性能取決于要解決故障的變化和嚴重程度，這個特點可能限制了負載的范圍。相比于使用UPS,它們成本的明顯減少。。另外，在正常的線路條件下，與補償操作相關的損失是十分小的（不超過1%，）由于注入的電壓為零，負荷由饋線直接供電。

串聯(lián)穩(wěn)壓器由串聯(lián)在負載和電源之間的內部電壓供電，常見的拓撲結構是用變壓器和電壓型逆變器耦合，直流母線電容器可以自我控制的或用整流器控制，如二極管橋，然后再連接到交流電源。文獻[3-5]給出了一些電源結構和控制算法。然而，大量是主要用于改正無諧波網絡中電源的小的不平衡，它們也沒考慮配電系統(tǒng)的故障條件，這將比電壓跌落或不平衡對用戶重要設備造成的危害更嚴重。而且，動態(tài)性能也是考慮的關鍵因素，由于好多負載如電力驅動和制造過程，它們對ms級的中斷也是很敏感的。

圖1串聯(lián)補償器的單線結構圖

本文探討了在靜態(tài)串聯(lián)穩(wěn)壓器的實施與控制問題，并給出了穩(wěn)態(tài)補償性能曲線。提出了一種控制算法，能夠快速恢復動態(tài)電壓并且對電網的故障類型，干擾和諧波不敏感。而且分析了典型的單相和三相故障的性能，驗證了基于DSP的原型系統(tǒng)的動態(tài)性能。還考慮了一些實際問題，如電源和控制電路的設計和逆變器的額定值等。

2電源變換器的結構

為了給三相系統(tǒng)供電，靜態(tài)串聯(lián)穩(wěn)壓器的電源電路的結構可依照以下方面設計：

三相變壓器二次側為角接或星接與三相逆變器相連，一次側繞組獨立接到系統(tǒng)。

全橋逆變器的三相分別通過變壓器與交流系統(tǒng)耦合，并連接到同樣的直流母線上。

半橋逆變器的三相分別與一致的分裂電容器的直流母線相連，星接繞組接在逆變側；一次側獨立連接到系統(tǒng)。

圖2中給出了其次種方案，它以最少的元件獲得最高的靈活性：注入電壓由每相基礎電壓合成，并且逆變器的每個橋臂是封閉的。電容器的中點作為一個公共點，從而解耦的逆變器的三個橋臂。另外，這種結構作為四線電壓源，可以給系統(tǒng)注入零序分量。它可以處理包括接地的三線系統(tǒng)在內的四線交流系統(tǒng)的要求。發(fā)生接地故障時，該系統(tǒng)成為四線制，大地作為第四線來流過故障電流。

逆變器的輸出連接到二階濾波器，從而降低由于轉換器的開關動作而引起的

高頻諧波。

圖2電源電路結構圖

電壓通過電壓匹配變壓器加到線A，B，和C上，匹配變壓器要設計為低阻抗，以減小補償時，變壓器電壓下降時的影響?？梢詢H改變無功功率來調理負載電壓，不需要從補償器或直流母線獲得有功功率。也可以看出，這大大增加了補償器的等級和能夠補償的電壓驟降范圍的嚴格限制，可獲得的有功功率解除了注入電壓和線電流之間的相位限制。

電源直流母線可有以下選擇：

在正常條件下，自我控制的直流電容器從交流電源充電。在負載充電期間，允許故障持續(xù)一會兒，持續(xù)時間取決于所需的有功功率，因此能量儲存在直流母線。通過調理直流母線斬波方式可以提高電壓補償器給負載供電的能力。另外，為了增加儲能容量，建議使認真得超級電容器技術。

交流電源接二極管整流器，能量是由直流母線連續(xù)提供的，但直流母線電壓是由反饋機制限制一個穩(wěn)定值，特別是在故障條件下。該結構還可以電容吸收能量來處理瞬時電壓驟升。然而，對于持續(xù)的電壓升高，二極管整流器必需由一個有源或再生整流器取代，使得多余的能量可以返回到交流母線。

這種結合串聯(lián)和并聯(lián)連接的電壓源逆變器，從普通直流母線獲得反饋，被稱為統(tǒng)一電能質量補償器。

3.配電系統(tǒng)故障

故障條件下和的變壓器的電壓矢量圖如圖2所示。正常工作

。同和

條件下和短路條件，負載側的電壓向量分別為A，B，C和樣，正常工作條件下和短路條件，電源側的電壓向量分別為

。電壓下降或變?yōu)榱悖Q于相-地之間的負載類型，例如，

側的單相接地故障引起

側線電壓下降為正常運行時的58%。