基于級聯逆變器的電壓擾動發生器的多目標控制

摘 要：文章提出了一種串聯的多目標電壓擾動發生器（VQDG）。它能夠產生典型的電壓擾動，比如閃變、電壓凹陷或暫升、諧波、不平衡電壓或它們的疊加，并利用這些擾動來檢測負荷的運行狀況。在應用中，級聯H橋逆變器串聯在電源和負載之間，并且只輸出小的電壓擾動，負載吸收的功率主要由電網提供。這樣將有利于提高利用率。與那些需要提供所有功率的旋轉設備相比，VQDG的電容容量可以大大減小。這種方法可以解決大功率安裝容量和高開關頻率電子器件之間的矛盾。

關鍵詞：逆變器；電壓擾動；電壓質量；載波相移

1 引言

隨著負荷功率的不斷提高，對電能質量的關注也越來越多。電能質量問題包括電壓凹陷和暫升、閃邊、諧波、電壓偏移、頻率偏移等[1]。在這些電能質量問題下測試設備運行狀況來了解其安全運行的界限是很有必要的。在實際操作中，捕獲以上暫態的電能質量問題是一項很繁雜的工作，所以電壓擾動發生器的提出就可以解決這一問題。

目前已經有電壓凹陷的發生裝置（VSG）來檢測設備在電壓凹陷的情況下的運行狀態。此外，還有能夠模擬電壓暫升和閃變的電壓擾動發生器[2]。總體來說，VQDG可以分為五類：（1）線性放大器型；（2）晶閘管控制電抗器（TCR）型；（3）變壓器開關組合型；（4）PWM逆變器型；（5）發電機型。

線性放大器型是通過信號發生器和功率放大器的連接來獲得需要的電壓波形、幅值、頻率和相位的。這種干擾發生裝置需要很大的功率、成本昂貴并且效率很低；晶閘管控制電抗器（TCR）型利用TCR來制造電壓凹陷。通過控制晶閘管的觸發角，還能產生諧波。此外由于晶閘管具有大功率處理能力，其還能用于高電壓的系統中。但是由于晶閘管關斷所帶來的低次諧波會導致它所產生的波形精度不高，與所期望的波形有一定差異；變壓器開關組合型雖然比較容易在實驗室獲得，成本低，但是它無法產生任意頻率和諧波的波形；PWM逆變器型其輸出波形可為電壓凹陷、暫升、閃變和諧波，動態反饋速度快。由于開關頻率的限制，所產生的諧波的帶寬有限。比如1kHz的開關頻率，其產生的諧波頻率最高只能達到100Hz。而在電力系統中，往往存在更高次的諧波；發電機型工作原理類似于同步發電機。這一系統的基本部件是帶有穩速控制器的柴油機，它有與三相同步發電機一樣的滑環和電刷。其利用激磁電流產生電壓凹陷，缺點是反饋速度慢，波形邊緣不夠陡峭。

2 一種新型VQDG

2.1 設計思路

利用動態電壓調節器（DVR）的思路，可以設計一種與DVR拓撲結構相似的VQDG。DVR的優點在于它的背靠背式IGBT換流器使得功率的雙向流動成為可能[3]。這種拓撲可以降低損耗，并且電路中不存在串聯變壓器，所有變壓器帶來的不良影響也不復存在。除了補償功率源，VQDG與DVR有相同的主電路，它們都帶有級聯H橋逆變電路。然而考慮到開關損耗、安裝容量和成本，實際應用中的DVR僅僅用于補償電壓凹陷和暫升，而不處理諧波、閃邊、偏移和不平衡問題。因為這些擾動在電力系統中只消耗很少的功率，用大功率的DVR去抵消這些小功率擾動效率很低[4]。本文提出的VQDG可以配合功率源來制造干擾源。功率源給接受檢測的負荷提供所需功率，VQDG只需提供干擾功率就行。因此和那些既要給負荷提供所需功率，又要同時提供干擾功率的干擾發生裝置相比，此VQDG的所需容量將顯著降低。從而解決了大功率和高開關頻率之間的矛盾。

VQDG采用了并聯和串聯的混合結構。串聯部分是級聯H橋逆變器，它串聯在電網和被測負載之間，負責給負載加入干擾。它利用載波相移脈沖寬度調制方法（CPS-SPWM），依靠FPGA和DSP來實現數字控制[5]。CPS-SPWM可有效提高等效開關頻率并降低濾波器的載波頻率，提高輸出諧波的帶寬。并聯部分由多繞組變壓器和PWM整流模塊組成。這些整流模塊與串聯部分以背靠背的方式相連。整流器負責維持VQDG的直流母線電壓在預先設定的值上并把多余的能量反回給電網。

2.2 電氣量表達式

VQDG電壓閃變表達式為：

（1）

式中：A1為電網電壓幅值；ω1為基波頻率；A2為擾動電壓幅值；ω2為調制的閃變頻率。

VQDG的輸出閃變參考電壓u*f為：

（2）

VQDG的電壓暫升和暫將可表示為：

式中：A1sin？棕1t為電網電壓；A2f（x）sin（？棕1t+？漬）為擾動電壓暫升或暫降。

VQDG的諧波可表示為：

2.3 控制策略

VQDG中的PWM整流器主要起著兩個作用：一是給逆變器提供有功功率來支持負荷的需求，二是吸收逆變器反饋給電網的有功功率。整流器和逆變器通過直流母線緊密的耦合在一起。顯然，PWM整流器的控制策略是要通過對電網和逆變器之間的直流母線電壓控制，實現自動的功率交換。控制框圖如圖1所示：

其中Uref是給定的直流母線參考電壓；Uof是實際的直流母線電壓；iL是流過整流器的實際電流；eta是電網波形信號；kz是電網連接參數。控制策略為：將直流母線參考電壓Uref和實際電壓Uof做差得到差值△U，經過PI控制后，得到直流母線電壓，并將其與電網信號eta相乘。乘積結果即為整流器的輸入參考電流iref，將iref與整流器的實際電流iL做差，并通過PI控制確保iL能夠追蹤電壓信號。在加入信號eta后，PWM整流器的輸出參考電壓就產生了。最后，將其與三角載波相比較就可得到IGBT的出發脈沖。

3 結束語

文章在分析當前各種電壓擾動發生器的優缺點情況下，提出了一種既能夠發出各種干擾電氣量，又能解決大功率和高開關頻率這一矛盾的新型電壓擾動發生裝置。其成本低，效果好，具有較高的應用價值。