DVR補償變壓器變比對系統參數影響的研究

巫付專 侯婷婷 馮占偉 巫曦

(中原工學院,河南 鄭州 451191)

DVR補償變壓器變比對系統參數影響的研究

巫付專 侯婷婷 馮占偉 巫曦

(中原工學院,河南 鄭州 451191)

針對動態電壓恢復器(DVR)的系統參數選取存在盲目性、不利于推廣應用等特點,從經濟和節能角度出發,研究了動態電壓恢復器補償變壓器變比對系統參數的影響,并確定了DVR的參數確定原則。補償變壓器變比能節約設備成本,降低能耗。搭建了Matlab仿真模型和樣機平臺,在直流側電壓允許的前提下,試驗結果驗證了該原則的可行性和正確性。

補償變壓器 動態電壓恢復器(DVR) 系統參數 節能 Matlab仿真

0 引言

動態電壓恢復器(dynamic voltage restorer,DVR)是目前解決電壓跌落、閃變、過電壓等用戶電能質量問題的有效裝置。電壓跌落對負載造成的影響沒有電壓中斷嚴重,但是它發生的頻率高。據歐美國家的電力部門統計,電壓跌落占所有電能質量問題事故率的80%以上,是最頻繁的電能質量問題[1]。因此,設置動態電壓恢復器保護電路中的敏感負荷成為最經濟有效的方法。

近年來,DVR的研究主要集中在控制策略、補償策略及檢測方法等方面,如文獻[2]～[4]中分析的主要內容。文獻[5]研究了不同變壓器接法對參數和電路性能的影響。變壓器三角型連接的DVR對于單相的電壓跌落不能補償;星型連接的DVR既可以補償三相同時跌落的情況,又可以補償單相跌落和電壓零序分量。但文獻[5]對于主電路參數的選取只涉及到部分內容,并不全面,對于補償變壓器變比對系統參數及設備成本影響的研究較少。本文將針對補償變壓器的變比與系統損耗及設備成本之間的關系進行討論。基于三相電壓型DVR,提出了在同相位補償策略下確定DVR容量及補償變壓器變比的計算方法,分析不同變比的情況下系統各參數的確定方法。

1 DVR的主電路及其工作原理

三相電壓型DVR的主電路如圖1所示,主要包括4個部分:能量存儲裝置、逆變器、濾波器和補償變壓器,如圖1中虛線框中所示。當電網電壓發生跌落時, DVR檢測到電壓跌落信號并根據一定的控制算法產生指令信號,控制逆變器輸出所需的補償電壓。補償變壓器的初級線圈與濾波器相連,次級線圈串聯在電網中。同時,補償變壓器起到隔離作用。

圖1 動態電壓恢復裝置及其電壓補償Fig.1 DVR and its voltage compensation

為了便于分析DVR的工作狀態,可將其等效為一個受控電壓源[5]。DVR單相等效電路如圖2所示。

圖2 DVR單相等效電路Fig.2 DVR single-phase equivalent circuit

根據圖2可知,如果忽略電網的線路阻抗Zline和DVR的自身阻抗ZDVR,可以得到:

式中:UL為負載兩端的額定電壓;Us為電網電壓;UC為DVR輸出的補償電壓。

當電網電壓和負載額定電壓相等時,DVR不補償;當電網電壓發生跌落時,DVR輸出補償電壓,使負載端電壓保持不變。

2 DVR容量的確定

DVR的容量要根據補償對象進行選取。如果負載的額定工作電流為IL,DVR的輸出補償電壓為UC,則容量為:

從上式可知對于同一敏感負荷,DVR容量主要由UC確定。當DVR的補償策略不同時,UC不同。因此,可根據不同補償策略確定DVR容量。

DVR補償時,假設濾波電路為理想狀態,逆變器輸出的電壓即補償變壓器原邊電壓Uin與電網發生跌落時跌落電壓ΔU有如下關系:

式中:k1為補償變壓器變比;k2為補償因子;U′L為補償后負載電壓;Usag為發生跌落時電網電壓值。

DVR輸出補償電壓UC與ΔU有如下關系:

本文針對同相位補償策略進行分析,其他補償策略在此不再詳述。

同相位電壓補償的補償電壓UC與跌落瞬間電網電壓Usag同相位,只能進行幅值的補償,不能補償相角變化,其補償向量圖如圖3所示[6]。圖3中,UL和IL分別為正常情況下負載電壓與網側電流;U′L和I′L分別為發生跌落并補償以后的負載電壓和網側電流。

在圖3中,U′L與Usag相位相同,假設負載為感性,因負載不變,則阻抗角φ不變。可以看出,DVR的功率因數角α等于負載阻抗角φ。

圖3 同相位補償向量圖Fig.3 Vector diagram of the compensation in the same phase

由式(5)～(7)可以確定同相位補償策略的DVR容量和有功功率P。

從式(6)可以看出同相位補償時,補償因子k2= 1,則在同相位補償方式下,式(3)可以等同于:

假設同一電路中電網跌落的電壓值不變,則DVR的總容量也不會改變,如提高補償變壓器的變比k1,相當于提高了DVR中的電壓,降低了DVR中的電流,則總損耗會有所降低。

3 補償變壓器變比k1的確定

補償變壓器變比k1的確定與變壓器連接方式、逆變器控制技術和補償策略都有關。由式(8)確定補償變壓器的變比,得到:

由于本文采用同相位補償策略,故k2=1,則補償變壓器的變比為:

式中:Uin與補償變壓器的連接方式有關。

不同的連接方式下Uin的大小為:

式中:Uout為逆變器輸出電壓值,該輸出電壓值與逆變器的控制技術有關。

不同的控制技術下輸出電壓值為:

式中:Udc為直流側電壓值;m為調制比。

Udc由能量存儲裝置提供,不同的儲能裝置所能提供的直流側電壓值不同。由式(11)、(12)可以確定變壓器變比k1的范圍為:

由式(13)可見,補償變壓器變比k1與直流側電壓Udc成正比。

3.1 直流側電壓Udc的確定

不同的儲能裝置所能提供的直流側電壓值不同,選取AC/DC變換器為逆變器提供直流側電壓,可以不受容量的限制持續補償,為提高補償變壓器的變比提供了較大的空間裕度。直流側采用AC/DC變換器時,交直流側電壓的關系如式(14)所示。

式中:Us為電網正常情況下相電壓有效值。

當電網發生電壓跌落時,Us等于Usag。

直流側電容Cdc的容值由補償系統的有功功率P確定,并考慮其充放電電流是否滿足要求。當系統電壓發生突變時,引起DVR主電路傳遞的有功和損耗發生變化,同時,直流側電壓也發生波動。因此,必須選取合適的電容來將直流側電壓波動維持在限定的范圍內[7]。具體計算可按參考文獻[7]計算。

儲能裝置還可以選取PWM整流器,能夠實現能量的雙向流動,并能保證電網側功率因數為1。但此結構會增加控制難度和設備成本,在電網電壓頻繁跌落的情況下其優勢并不明顯。因此本文采用三相不可控整流的方式作為儲能裝置。

3.2 逆變器型號的選取及成本分析

選取逆變器型號的關鍵是確定直流側的額定電壓、額定電流、開關頻率等參數。逆變器額定電壓根據直流側電壓Udc的大小,按式(14)確定;逆變器額定電流根據同相位補償策略確定的容量S進行選取,實際選取時要留有一定的余量;開關頻率的高低不僅影響補償性能優劣,而且影響IGBT的損耗大小。在實際工作電流不變時,開關頻率越高,開關損耗越大,可見在實際應用中,逆變器的開關管頻率不能過高。在開關頻率不變時,提高補償變壓器的變比,同時升高逆變器輸入端的直流電壓Udc,則逆變器的實際工作電流降低,逆變器的總損耗同時降低。在能保證補償性能和準確性的條件范圍內,適當降低開關頻率和提高補償變壓器的變比,可以降低IGBT的損耗。

分析目前在電網末端常用的逆變器型號,并對比其成本。當直流側耐壓相同時,電流減小1/2,逆變器的成本也會相應降低一半。可見適當提高變壓器變比,可以選取小電流的逆變器,節約裝置成本。

3.3 濾波電路LC的參數設計

3.3.1 感值L和容值C的確定

LC濾波器用于濾除逆變器產生的高頻開關噪聲。濾波電感L和濾波電容C的值越大,濾波效果越好,但若L、C取值較大,會造成裝置體積增大,且使系統響應速度變慢,跟蹤性能變差,影響補償效果。濾波器的參數設計原則是逆變器輸出的基波電壓衰減最小,同時使其他高次諧波得到最大程度地衰減。因此,我們采用最佳阻抗匹配法確定感值,使基波衰減最小。

濾波電路阻抗匹配分析示意圖如圖4所示。

圖4 濾波電路阻抗匹配分析示意圖Fig.4 Analysis of the impedance matching of filtering circuit

從圖4分析可知,5、6端的等效阻抗為Z。假設變壓器為理想變壓器,將補償變壓器T型等效,等效電路圖為圖4中虛線框中的部分[7],則3、4兩端的等效阻抗為,阻抗匹配條件下LC濾波后基波電壓不衰減。

當截止頻率ω0為1/時,則:

繼而可得:

可見濾波電感感值L與補償變壓器變比k1的平方成正比,電容值C與補償變壓器變比k1的平方成反比。因此確定濾波電路時要考慮補償變壓器的變比值。

3.3.2 濾波電感L及補償變壓器的成本分析

電感的設計有多種方法,為使電感線圈在滿足性能要求的情況下,降低成本、減小體積,采用最小體積作為優化目標進行設計。具體計算可參考文獻[8]。

當變壓器變比k1發生變化時,例如增大k1倍,由式(17)可知電感值也增大k1的平方倍。當電感儲存的電磁勢能W不變,而電感線圈匝數N增大k1倍,導線面積As減小k1倍,若選用的導線根數n不變,則單根導線的截面積減小k1倍。窗口面積充填系數Km可以選擇較大值,鐵芯截面積與窗口面積乘積Ap也可適當減小。由此可得,提高補償變壓器變比,并通過合理設計,濾波電感的成本還可以略有降低。同理增大補償變壓器變比,也可以降低補償變壓器的成本。

銅線的標稱直徑選為0.8 mm。當補償變壓器變比為1時,濾波電感值取0.75 mH,銅線匝數為52匝,并聯6根,銅線質量為83.2 g;當補償變壓器變比為2時,濾波電感值取3 mH,銅線匝數為103匝,并聯3根,銅線質量為82.4 g,濾波電感成本會略有降低。

補償變壓器的空載損耗和負載損耗可參考文獻[9],按照10年變電成本計算確定;阻抗壓降可參考文獻[7]計算。

通過以上分析,可以得到以下結論。

①變比增大,提高直流電壓利用率。從式(13)可以看出,當補償情況不變時,補償變壓器變比k1增大,提高了直流側電壓利用率。

②變比增大,補償變壓器原邊側電流減小,可以降低逆變器的開關損耗和導通損耗。

通過計算7MBI50N-120模塊的IGBT損耗,分析補償變壓器變比對IGBT損耗的影響。假定工作電流為額定工作電流50 A,開關頻率為12.8 kHz,則變壓器變比對逆變器IGBT損耗的影響如表1所示。

表1 變比對IGBT的損耗影響Tab.1 Influcence of ratio to IGBT loss

表1中,P1ds為逆變器IGBT的開關損耗,P1ss為逆變器IGBT的導通損耗,P2ds為逆變器續流二極管的開關損耗,P2ss為逆變器續流二極管的導通損耗。

由表1可知,當變壓器變比增大時,逆變器的工作電流減小,可降低逆變器的總損耗。變比增大一倍, IGBT的總損耗降低50%左右。

③變比增大,節約成本。因變比增大,原邊電流降低,逆變器可選小電流型號IGBT,節約逆變器的成本。

由以上3點可知,提高補償變壓器的變比,不僅不會影響補償效果,還可以降低設備的總成本及能耗。

4 仿真與試驗

根據以上理論分析和各參數確定原則,搭建Matlab仿真模型和試驗平臺,對比不同變比時裝置的補償效果。

假設電網電壓為220 V,在短時間內發生跌落,跌落值為30%,負載視在功率為10 kVA,取變壓器變比k1分別為1和2時,得到的仿真結果圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 變壓器變比為1時補償效果圖Fig.5 The compensation effect when transformer ratio is 1

圖6 變壓器變比為2時補償效果圖Fig.6 The compensation effect when transformer ratio is 2

圖5為補償變壓器變比k1取1時的補償效果仿真圖,此時濾波電感值取0.75 mH,補償后負載兩端電壓的THD值為0.90%。圖6為補償變壓器變比k1取2時的補償效果仿真圖,此時濾波電感值取3 mH,補償后負載兩端電壓的THD值為0.84%。由以上兩個仿真結果圖可知,依照各參數設計原則搭建的仿真模型能夠快速地輸出補償電壓,保持負載電壓穩定。同時驗證了變壓器變比和濾波電感的關系,即當變壓器變比增大k1倍時,濾波電感值也增大k1的平方倍,補償性能基本不變。

試驗中,當電網電壓跌落10%時,補償變壓器選取不同變比的補償效果如圖7所示。

圖7 補償效果圖Fig.7 Compensation effect

圖7(a)、7(b)中的曲線均為補償變壓器副邊輸出電壓。圖7(a)為變壓器變比k1為1時實際補償效果圖,濾波電感值L為0.8 mH,補償電壓值為23.3 V;圖7(b)為變壓器變比k1為2時實際補償效果圖,濾波電感值L為3.5 mH,補償電壓值為23.4 V。由圖7(a)、7(b)可知,補償變壓器的變比增大,濾波電感值增大,對補償效果影響不大,但逆變器IGBT的實際工作電流減小,降低了逆變器的功率損耗。從圖7分析可知,提高變壓器變比對補償效果沒有影響,而設備損耗和設備成本卻降低了。

5 結束語

本文通過分析DVR補償變壓器與主電路各參數的關系得出,增大變壓器的變比能減小系統的損耗,降低逆變器的成本。變壓器變比的增大將使濾波電感值增大,采用最小體積設計法可知其成本也會略有下降,從而有效地降低了裝置成本。

[1] 周暉,齊智平.動態電壓恢復器檢測方法和補償策略綜述[J].電網技術,2006,30(6):23-29.

[2] 袁性忠,姜新建,黃宇淇.動態電壓恢復器的復合控制策略[J].電力系統自動化,2006,30(19):61-67.

[3] 馮小明,楊仁剛.動態電壓恢復器電壓補償策略的研究[J].電力系統自動化,2004,28(6):68-72.

[4] 楊淑英,杜彬.基于dq變換的動態電壓恢復器綜合求導檢測算法[J].電力系統自動化,2008,32(2):40-44.

[5] 王凱斐,卓放,王兆安.三相動態電壓恢復器的主電路研究[J].電氣傳動自動化,2004,26(1):24-27.

[6] 楊曉萍,許輝,吳成林.動態電壓恢復器電壓補償策略及其仿真研究[J].電工技術雜志,2004(9):58-61.

[7] 巫付專,侯婷婷,韓梁.基于LCL濾波DVR補償變壓器漏抗的確定[J].電力系統保護與控制,2013,41(19):126-131.

[8] 馮冬青,申曉波,汪兆財.推挽正激DC/DC變換器的研究與實現[J].自動化儀表,2013,34(4):76-79.

[9] 沈虹.UPQC電流諧波與電壓跌落補償技術研究[D].天津:天津大學,2009.

Research on the Influence of DVR Compensation Transformer Ratio on the System Parameters

Blindness in selecting system parameters for dynamic voltage restorer(DVR)is not conductive to its popularization and applications, the influence of DVR compensation transformer ratio to the system parameters is researched from points of view for economic and energy saving and the principle for determining the DVR parameters are obtained.The compensation transformer can save the equipment cost and reduce energy consumption.The Matlab simulation model and prototype platform are setup,under the premise of DC side voltage.The experimental result verifies the feasibility and correctness of the principle.

Compensation transformer Dynamic voltage restorer(DVR) System parameter Energy saving Matlab simulation

TM402

A

河南省科學技術攻關基金資助項目(編號:豫科監委字[2011]第911號)。

修改稿收到日期:2014-02-24。

巫付專(1965-),男,1988年畢業于哈爾濱理工大學電機專業,獲碩士學位,教授;主要從事電力電子與電能質量的研究。