一种可持续补偿三相动态电压恢复器的研究

1、一种可持续补偿三相动态电压恢复器的研究 王凯斐 , 李彦栋 , 卓 放 , 王兆安(西安交通大学 , 陕西 西安 710049摘要 :针对传统 DV R 不能补偿持续电 压跌 落的问 题 , 提出 了一种 新的 动态 电压恢 复器 (Dy namic V oltage Re stor er 简称 DV R 结构 , 采用易于控制的整流电路 , 将 能量从电 源提供 给 DV R, 从而实 现电压 跌落的 持续补 偿。基 于该 DVR 结构 , 分析了整个电路的控 制方法。实验和仿真结果表 明 , 该 DV R 可 有效地 解决电网 电压的 许多质 量 问题 , 保证敏感负载的电压稳定 , 满足

2、电力负荷对电网电压质量的要求。关键词 :动态 ; 补偿 /动态电压恢复器 ; 持续电压跌落 ; 电能质 量中图分类号 :T M 46 文献标识码 :A 文章编号 :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 言随着现代科学技术的发展 , 促使电力用户对电 能质量提出更高的要求。然而 , 大量非线性、 冲击性 负荷的使用 , 在电网上产

5、生了电压跌落、 不对称、 闪 变、 波动、 谐波以及瞬时供电中断等电能质量问题 , 致使产品质量下降甚至导致生产过程中断 , 从而造 成巨大的经济损失。因此 , 对电能质量的改善和控 制成为现代电力系统的重要课题 1。所谓用户电力技术 , 是指应用现代电力电子技 术为用户实现电能质量控制和 特定电能供应 的技 术 , 所论及的 DVR 就是其中一种。这种装置 通过 自身产生的电压来补偿系统电压的跌落 , 可用于克 服系统电压波动对用户的影响。国外自上世纪 90年代就开始对 DVR 装置进行 了研究 , 并已投入应用 , 而国内尚处于研究阶段。文 中将分析 DVR 的结构和工作原理 , 并提出一

6、 种新 型的拓扑结构 , 用以解决 DVR 不能长时间补 偿电 压跌落的问题 , 同时分析了其控制原理 , 最后给出了 仿真和实验结果。2 DVR 的结构及工作原理通过在电 网和负 载之间 串联 DVR, 即可实 现定稿日期 :2003-07-04作者简介 :王凯斐 (1979- , 男 , 河南人 , 硕士研究生 , 研究 方向为电能质量控制技术和用户 电力技术 。 电压的补偿。其电路结构如图 1 所示。图 1 典型 DV R 结构框图DVR 包括储能装置、 变流器、 滤波电路和变压 器 4个部分。它通过检测电源电压生成指令信号 , 对变流器进行控制 , 产生需要的补偿电压 ; 再经过滤 波

7、电路和变压器 , 叠加到负载电路中 , 从而确保负载 电压的质量。由 DVR 的工作原理可得图 2所示向 量图。图 2 DVR 工作原理向量图由图 2可以看出 , DVR 在补偿电压跌落时 , 不 仅输出无功 , 而且还要输出有功。传统 DVR 上的 直流侧电压一般通过储能装置 (如蓄电池 提供 , 它 只能在短时间内对电压跌落进行补偿。如果电源电 压跌落的时间比较长 , 就不能实现完全的补偿。所 研究的 DVR 装置的直流侧能量是通过整流电路提 供的 , 它可以持续对电源侧电压进行补偿 , 并对直流第 38卷第 1期 2004年 2月 电 力电子技术Pow er ElectronicsVo

8、l. 38, No. 1 February, 2004侧电压进行控制 , 从而解 决了以往 DVR 不能 补偿 持续电压跌落的问题。同时 , 它还可以补偿电压的 不对称、 闪变、 波动、 谐波等动态电压质量问题。3 控制方法所研究的 DVR 的结构如图 3所示。主电路包 括两个部分 : 整流电路和电压型逆变电路。图 3 可持续补偿的 DV R 结构图电力系统发生故障时 , 造成电压的跌落一般在 额定电压的 50%以 内 , 最常 见的 电压跌 落一般 为 20%30%。因此 , 由电压跌落值可推导出逆变器 直流侧的电压。对于三相而言 , 一般要求 PWM 逆变器交流侧 相电压 u A 大于要产

9、 生的补偿 电压 u cu 的峰 值 3, 即 :|u A | u cum ax (1变压器的次级电压 u cu 等于初级电压 u sag 的 n 倍 , 即 :u cum a x =nu sagmax (2于是有 :|u A | nu sag max (3 而逆变器交流侧电压 u A 的绝对值有两种 , 分别为 :|u A |min =U d /3(4和 :|u A |m a x =2U d /3(5从 DVR 主要关 注的动态性能考虑 , 一 般选择 式 (4 进行计算 , 即 :U d =3nu sag max(6利用上式计算直流侧电压 , 同时选择相应的整 流电路。如果按照跌落 20%

10、30%的额定 电压且 n 小于 1, 通过调节 n 可使直流侧电压不必要选用 过高的值 , 则可选择图 3所示的相控整流电路来控 制直流侧电压。在一些功率不很大的负载系统中 , 采用该电路可容易地对直流侧电压进行控制 , 同时 也降低了 DVR 的造价。整流部分将能量从电网转换到逆变器 的直流 侧 , 保证直流侧电压恒定 , 从而使 DVR 能够持续补 偿电网的电压跌落。整流电路采用 PID 调节器来 控制直流侧电压 , 控制框图如图 4所示。直流侧电 压参考和直流侧电压的反馈量比较后 , 再通过数字 PID 的调节对晶闸管整流桥进行控制 , 从而达到稳 定直流侧电压 , 为逆变部分提供能量的

11、目的。图 4 整流电路控制框图以往研究的三相 DVR 大多采用 3个单相桥 , 对 三相进行补偿。而文中研究的逆变电路采用图 3所示的三相桥式电路对三相进行补偿 , 同时将变压器 次级接为星形 , 并将中点与直流侧中点连接 , 这样不仅可以补偿系统三相同时跌落 , 也可以补偿系统的 单相跌落。与以往应用于三相的 DVR 相比 , IGBT 的用量减少了 50%, 使电路变得简单 , 易于控制 , 并 降低了 DVR 的成本。逆变电 路工作时 , 将能量从 直流侧注入电网 , 补偿电网的电压跌落。为了满足 DVR 的动态性能 , 一般采用前馈控制 , 通过检测电 网电压来产生补偿电压的控制信号。

12、敏感负载一般 只要求电压幅值恒定 , 对相位无要求。因此 , 由图 2可知 , 如果将负载电压向量移动到和跌落后的电源 电压 同相 位 , 即 可计 算 出需 要 补偿 的 电压 , 亦即 DVR 要输出的电压。旋 转后的电压向量图如 图 5 所示。图 5 锁相后的电压向量图综上分析 , 可以得到图 6所示逆变器控制框图。 检测到电源电压同与其同步的参考电压比较 , 产生 需要补偿的电压信号。再与逆变器输出的反馈比较 产生控 制指 令信 号 , 对逆变 电路 进行 控制。这样 DVR 输出的电压既能够补偿电源电压的跌落 , 又能 抑制电源电压中的谐波分量。图 6 逆变电路控制框图采用这种控制方

13、法 , 须使参考的标准负载电压 和电源电压同步 , 因此锁相是个关键。通常有两种 锁相方法 , 过零锁相和软锁相。过零锁相在电源相第 38卷第 1期 2004年 2月 电 力电子技术 Pow er ElectronicsVo l. 38, No. 1February, 2004位突变时 , 不能很快地锁相 , 但是一般在半个工频周 期内 , 能够很好地使参考电压与电源电压同步 , 稳定 性好。软锁相可以在电源电压相位变化时 , 跟踪其 相位变化 , 进行锁相 , 但是需要大量的计算 4, 并且 其稳定性不好。一般 来说 , 过零 锁相可将 DVR 的 动态补偿时间控制在 10ms 以内 , 可

14、满足大部分用 户的要求 , 并且该方法易于应用 , 因此文中采用过零 锁相。该控制方法比较简单 , 能够快速检测并计算出 需要补偿的电压信号 , 并对逆变电路的 IGBT 进行 控制 , 从而满足了 DVR 快速动态响应的要求。4 仿真和试验为了验证上述控 制策略和可持续补偿电压的 DVR 的性能 , 进行了仿真和实验验证。利用 Matlab 对 该系统 进行建模 和系统 仿真。 仿真结果表明 , 采用所提出的 DVR 结 构可迅速补 偿电压跌落 , 并能持续补偿跌落。同时 , 基于该结构 的 DVR 可以补偿系统三相及单相跌落。另外 , 基于所提出的 DVR 电路结构和控制策 略 , 研制了

15、一台 6kV 的三相 DVR 实验装置。实验 采用 DVR 始终在线的方式 , 并采用 TI 公司的 DSP 对整个电路进行控制。图 7 为实验波形。图 7 实验波 形图图 7a 为电源电压稳态时负载电压的情况 , 可看 到负载电压中的谐波分量已被消除 ; 图 7b 为电源电 压跌落时的负载电压 , 此时负载电压基本维持不变 , 并且抑制了电源电压中的谐波分量 ; 图 7c 为电源电 压突降时 , DVR 输出的电压 ; 图 8d 为电网电压跌落 时负载的电压。由图可看出 , DVR 可在 5ms 内补 偿电压的降落 , 满足了实时性的要求。5 结 论提出一种能持续工作 的三相 DVR 结构

16、, 采用相控整流电路对逆变器的直流侧电压进行控制 , 并 采用前馈控制方法 , 保证 DVR 的 动态性能。控制 中采用过零锁相的方法 , 该方法易于实现 , 并实现了 实时补偿。与传统的 DVR 相比 , 该结构可持 续补偿电压跌落 , 谐波等电压质量问题 ; 三相逆变桥的应 用 , 减少了 IGBT 的用量 , 降低了设备造价 , 并从控 制算法上简化了 繁琐的计算 , 达到了 DVR 快速补 偿的目的 , 预计会有较好的应用前景。 参考文献1L i B H. T ransformerless Dynamic V oltage Restorer. Gen eration, T r ansmission a