一種動態(tài)電壓恢復(fù)電路在PET中的應(yīng)用研究

張 穎 文 明 曾 翔

（長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)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(fù)荷安全運(yùn)行最突出的問題之一[1-4]。動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR（Dynamic Voltage Restorer）因可以維持負(fù)荷側(cè)的電壓穩(wěn)定而成為解決電壓跌落有效的電力設(shè)備。當(dāng)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(bǔ)償電壓，以保證負(fù)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(lǐng)域的重要研究之一，文獻(xiàn)[5-8]已經(jīng)對其做了比較多的研究。PET的突出特點(diǎn)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(shí)時控制，可以實(shí)現(xiàn)變壓器原、副方電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[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(shí)現(xiàn)電力市場下對功率潮流的實(shí)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(yīng)用于配電系統(tǒng)可實(shí)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(fù)荷側(cè)仍能得到高質(zhì)量的電能，同時也可防止負(fù)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(yīng)用。

1 DVR電路簡介

DVR是串聯(lián)在電網(wǎng)和負(fù)載之間的提供電壓補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償。

圖1 單相全橋動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）在電力電子變壓器中的應(yīng)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(bǔ)償。文獻(xiàn)[10]提出了一個多功能零電壓和零電流開關(guān)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(guān)S1-S4及副邊整流單元的全控開關(guān)Sa-Sb，就可以改變直流側(cè)電壓的輸入，用以補(bǔ)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(bǔ)償電壓中的高次諧波濾除。本電路應(yīng)保證LC濾波器的共振頻率應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于開關(guān)的頻率，避免共振的產(chǎn)生。

表1和圖3分別是開關(guān)S1-S4脈沖真值表和開關(guān)S1-S4、Sa-Sb的脈沖序列。G1、G2、G3、G4、Ga、Gb分別為開關(guān) S1、S2、S3、S4、Sa、Sb門開啟脈沖信號。Sa和 Sb的關(guān)斷取決于 Vc的正負(fù)。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(guān)導(dǎo)通時間。

表1 開關(guān)S1-S4脈沖真值表

圖3 開關(guān)S1-S4、Sa-Sb的脈沖序列

2 電壓補(bǔ)償相關(guān)計(jì)算

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

副邊調(diào)制電壓 Vs在開關(guān)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(fù)是由參考補(bǔ)償電壓（參考補(bǔ)償電壓由下文給出）而定的，它與開關(guān)的脈沖有如下的關(guān)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(bǔ)(t)應(yīng)該寫成

式中，t=kTs。

為了LC低通濾波器的性能達(dá)到最佳狀況，應(yīng)該避免其共振頻率fc與開關(guān)的頻率fs相等或相近，所以采用共振頻率fc遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開關(guān)的頻率fc，即

3 參考電壓的計(jì)算及控制策略

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

式中， Wi為電源的輸入能量；W負(fù)為負(fù)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(dāng)電容和電池吸收的能量為負(fù)時，說明此時電壓出現(xiàn)暫降；當(dāng)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(fù)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(guān)系如下式

功率變化關(guān)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(shè)Vi為輸入電源基波幅值的有效值且為常量，設(shè) 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(biāo)準(zhǔn)電壓 Vref的有效值在一定的范圍內(nèi)時，可以通過式（12）運(yùn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)電壓的幅值的有效值。在取適當(dāng)?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(bǔ)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(shè)定 fs，可認(rèn)定 fs/2為電壓的采樣率，Ts= 1 /fs，因?yàn)?＜D＜1，由式（1）可得

圖4為本電路的整體控制圖。電路中開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證補(bǔ)償策略的效果，先設(shè)定仿真參數(shù)設(shè)定如表2。

表2 仿真參數(shù)設(shè)定

在Matlab/Simulink中搭建了配電網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行電壓凹陷補(bǔ)償?shù)姆抡娣治?，模擬的配電系統(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(guān)開啟時間長短，由式（5）可知，寬脈沖補(bǔ)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(bǔ)償后的波形圖，從波形上看，補(bǔ)補(bǔ)償效果明顯。從式（16）和式（17）可知，補(bǔ)償?shù)淖畲笾禐榉宸逯抵罴醋畲髤⒖佳a(bǔ)償電壓 Vcom-ref≤NVd。當(dāng)Vcom-ref＞NVd時，其補(bǔ)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(bǔ)償部分和 Vcom-ref≤NVd時與最大補(bǔ)償值NVd的線性疊加部分，但補(bǔ)償后電壓仍然小于標(biāo)準(zhǔn)電壓。

圖5 含有DVR的電力系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖6 當(dāng)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(bǔ)償后的波形圖

圖8 當(dāng)電壓突降大于補(bǔ)償電壓的最大值時補(bǔ)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(fù)器在電力電子變壓器中的應(yīng)用。此新型的電壓恢復(fù)器在供電直流電源與輸入電網(wǎng)間進(jìn)行最小的能量交換，通過開關(guān)合理的控制，達(dá)到對電網(wǎng)電壓在暫將和凸起時的補(bǔ)償和儲存能量。此電路在電力電子變壓器中的應(yīng)用有如下特點(diǎn)：

1）靈活性。用簡單的直流電源也能創(chuàng)造出需要的補(bǔ)償電壓波形。

2）響應(yīng)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(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。

3）利用固定的直流電壓源或電容，來獲得所需求的補(bǔ)償電壓。

4）快速保護(hù)的功能。由于DVR的輸出為固態(tài)開關(guān)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。

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