一种可持续补偿三相动态电压恢复器的研究

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2004年2月PowerElectronicsFebruary,2004

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DVR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(DynamicVoltageRe󰀁storer简称DVR)结构,采用易于控制的整流电路,将能量从电源提供给DVR,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DVR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:TM46󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1000-100X(2004)01-0001-03

AnUnremittingDynamicVoltageRestorer

WANGKai󰀁fei,LIYan󰀁dong,ZHUOFang,WANGZhao󰀁an

(Xi󰀂anJiaotongUniversity,Xi󰀂an710049,China)

Abstract:Anewtopologyofdynamicvoltagerestorer(DVR)isproposedtosolvethecontinuousvoltagesags,whichcannotberealizedwiththetraditionalDVR.Theworkingmodeandcontrolstrategyareintroducedandanalyzed.Thesimu󰀁lationandexperimentationshownthatthepresentedDVRcanconstrainmanykindsofvoltageissueofpowersystem,confirmthevoltagestabilityofthesensitiveloadandsatisfytherequirementsofpowerloadsfornetvoltagequality.

Keywords:dynamic;compensation/DynamicVoltageRestorer(DVR);continuousvoltagesags;powerquality

1󰀁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。

电压的补偿。其电路结构如图1所示。

图1󰀁典型DVR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

12󰀁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。

第38卷第1期电力电子技术Vol.38,No.1

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2004年2月PowerElectronicsFebruary,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。

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目的。

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

图3󰀁可持续补偿的DVR结构图

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。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。

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uA大于要产生的补偿电压ucu的峰值[3],即:

|uA| ucumax(1)

变压器的次级电压ucu等于初级电压usag的n倍,即:

ucumax=nusagmax(2)

于是有:

|uA| nusagmax(3)而逆变器交流侧电压uA的绝对值有两种,分别为:

|uA|

和:

|uA|max=2Ud/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:

Ud=3nusagmax

(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%~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2min=

Ud/3(4)

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

一种可持续补偿三相动态电压恢复器的研究

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。

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

[1]

LiBH.TransformerlessDynamicVoltageRestorer.Gen󰀁eration,TransmissionandDistribution[J].IEEProceed󰀁ing,2002,149(2):263~273.[2][3]

王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

ZhanCJ.DynamicVoltageRestorerBasedonVoltage󰀁Space󰀁VectorPWMControl[J].IEEETrans.onInd.Ap󰀁pl.,2001:1855~1863.

5󰀁结󰀁论

提出一种能持续工作的三相DVR结构,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

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