一种动态电压恢复电路在PET中的应用研究

张 颖 文 明 曾 翔

（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114）

随着工业自动化程度的日益提高，电力用户对电能质量问题也越来越敏感。其中电压跌落已经成为影响电力负荷安全运行最突出的问题之一[1-4]。动态电压恢复器DVR（Dynamic Voltage Restorer）因可以维持负荷侧的电压稳定而成为解决电压跌落有效的电力设备。当电网电压发生电压跌落和突起时，DVR向线路中注入一个幅值、相位可控的串联补偿电压，以保证负荷电压恒定。而电力电子变压器PET（Power Electronic Trans-former）是近几年电能变换和传输领域的重要研究之一，文献[5-8]已经对其做了比较多的研究。PET的突出特点在于通过变压器原、副方电压源变换器对其交流侧电压幅值和相位的实时控制，可以实现变压器原、副方电压、电流和功率的灵活调节。文献[9]提出了电力电子变压器的控制方案， PET可以满足未来电力系统很多新的要求，包括：整合各种交直流分布式电源、更高的稳定性、更加灵活的输电方式、实现电力市场下对功率潮流的实时控制等。它同时具有传统电力变压器和电能质量控制器的功能。将其应用于配电系统可实现变压、隔离、能量传递及电能质量控制，保证在原方电网出现电压不稳定，三相不对称，谐波含量大等情况下，负荷侧仍能得到高质量的电能，同时也可防止负载冲击对电网的影响。对于电力电子变压器的电能质量控制，就可以选用传统的DVR解决动态电压质量问题。本文主要是提出了一种简单的DVR电路在电力电子变压器中的应用。

1 DVR电路简介

DVR是串联在电网和负载之间的提供电压补偿的装置。其DVR与电力电子变压器的结构简图如图1所示。本文提出的这种DVR电路如图2所示，它为一个单相的电压补偿装置，包括直流储能装置、逆变器单元、高频隔离变压器、LC滤波器等几个部分。储能元件有电容、可充电电池等，为系统发生电压跌落时提供电压补偿。

图1 单相全桥动态电压恢复器（DVR）在电力电子变压器中的应用

图2 DVR电路图

图2中，Vi为供电系统中单相电压，Vcom为差动电压，用来参与单相回路中电压差值的补偿。文献[10]提出了一个多功能零电压和零电流开关相移调制转换器，通过合理的脉冲信号控制本电路变高频隔离变压器原边的全控开关S1-S4及副边整流单元的全控开关Sa-Sb，就可以改变直流侧电压的输入，用以补偿供电系统中电压跌落。LC滤波器包括Cf和Lf两个元件，可以将逆变器输出补偿电压中的高次谐波滤除。本电路应保证LC滤波器的共振频率应该远远高于开关的频率，避免共振的产生。

表1和图3分别是开关S1-S4脉冲真值表和开关S1-S4、Sa-Sb的脉冲序列。G1、G2、G3、G4、Ga、Gb分别为开关 S1、S2、S3、S4、Sa、Sb门开启脉冲信号。Sa和 Sb的关断取决于 Vc的正负。Vd是电源BATT电压值；N为高频隔离变压器原边与副边的变比；Ton为1/2Ts时间内逆变单元开关导通时间。

表1 开关S1-S4脉冲真值表

图3 开关S1-S4、Sa-Sb的脉冲序列

2 电压补偿相关计算

从脉冲序列图可以看到在时间Ts内开关Sa-Sb完成一次关断，在开关Ga与Gb关断周期内，开关G1、G2、G3、G4的开启时间为 Ton。Ton的开启时间由补偿电压的大小而定，所以设变量D(kTs)，令

副边调制电压 Vs在开关开启时段（即 Ton阶段）可以写成

整流单元的解调输出电压

式中， s ign(k Ts)= 1 或-1此处 s ign(k Ts)的正负是由参考补偿电压（参考补偿电压由下文给出）而定的，它与开关的脉冲有如下的关系：

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整流部分输出电压Vc的高频成分被电路中的Cf和Lf滤波电路滤除，Vc在Ts/2内的平均有效输出电压Vc补(t)应该写成

式中，t=kTs。

为了LC低通滤波器的性能达到最佳状况，应该避免其共振频率fc与开关的频率fs相等或相近，所以采用共振频率fc远远小于开关的频率fc，即

3 参考电压的计算及控制策略

此DVR系统的主要工作是使负载电压跟踪标准电压 Vref(t)(即理想情况下的电能质量)。Vref是标准电压的有效值为标准电压的频率。此处值得说明的是，标准电压 Vref(t)的相位角应该跟踪输入电源Utility的相位角。DVR电路中能量的传递关系满足下面的关系式

式中， Wi为电源的输入能量；W负为负载消耗的能量；W耗为DVR系统损耗的能量；WCd，WBATT分别为 DVR系统逆变单元电容和电池吸收的能量。电容和电池与电源之间形成能量循环，当电容和电池吸收的能量为负时，说明此时电压出现暂降；当电容和电池吸收的能量为正时，说明此时电压出现凸起。W负和W耗均可看成一个额定的常量。由于电容和电池构成一个储能和释放能量的系统，为了分析的必要，将电池去掉，则系统的能量变化关系如下式

功率变化关系如下式：

式中， ( T2- T1)是假定一段时间。 Δ Pi(a vr)即为假定的这个时间内的功率的平均变化量。设Vi为输入电源基波幅值的有效值且为常量，设 Ii为输入电源的电流有效值，则

通过式（9）和式（10）可以得到

标准电压 Vref的有效值在一定的范围内时，可以通过式（12）运用传统的PI控制方法跟踪储能单元的电容C的电压变化。在此PI控制单元中设一个直流电压 Ech来替代充满电的电池BATT。PI控制的输出为标准电压的幅值的有效值。在取适当的电压有效值的且稳定的情况下，电容的电压变化趋近于零，其有功功率只在电网的暂降、凸起与直流单元电池的充、放电之间转移。直流电池的变化量的允许范围为额定电压的±3%。参考补偿电压为

将式（5）和式（13）联合可得

其中t=(k-1)Ts

将此式与式（1）联合，可以得到

设定 fs，可认定 fs/2为电压的采样率，Ts= 1 /fs，因为0＜D＜1，由式（1）可得

图4为本电路的整体控制图。电路中开关的脉冲信号均由门脉冲发生装置提供。PI控制的输出为标准电压的幅值的有效值，锁相环PLL的输出信号的频率和相位自动跟踪输入电源 Vi( t)。

图4 DVR的控制策略

4 Simulink仿真及其结果分析

Simulink是从1993年开始出现的仿真平台，为验证补偿策略的效果，先设定仿真参数设定如表2。

表2 仿真参数设定

在Matlab/Simulink中搭建了配电网系统模型进行电压凹陷补偿的仿真分析，模拟的配电系统如图5所示。图6是电压突降40V时S1-S3和S2-S4的脉冲序列图，脉冲的宽度为开关开启时间长短，由式（5）可知，宽脉冲补充电压的值大于窄脉冲。图7为将含有DVR的电力系统电压突降40V时的电压波形和补偿后的波形图，从波形上看，补补偿效果明显。从式（16）和式（17）可知，补偿的最大值为峰峰值之差即最大参考补偿电压 Vcom-ref≤NVd。当Vcom-ref＞NVd时，其补偿后电压输出波形如图8所示，电压波形分为两部分，分为 Vcom-ref≤NVd时的正常补偿部分和 Vcom-ref≤NVd时与最大补偿值NVd的线性叠加部分，但补偿后电压仍然小于标准电压。

图5 含有DVR的电力系统仿真结构图

图6 当电压突降时S1-S3和 S2-S4的脉冲序列图

图7 含有DVR的电力系统电压突降时的电压波形和补偿后的波形图

图8 当电压突降大于补偿电压的最大值时补偿输出波形图

5 结论

本文主要介绍了一种新型的电压恢复器在电力电子变压器中的应用。此新型的电压恢复器在供电直流电源与输入电网间进行最小的能量交换，通过开关合理的控制，达到对电网电压在暂将和凸起时的补偿和储存能量。此电路在电力电子变压器中的应用有如下特点：

1）灵活性。用简单的直流电源也能创造出需要的补偿电压波形。

2）响应迅速。工作特性像一个有源滤波器，能够实现快速的响应进行补偿。

3）利用固定的直流电压源或电容，来获得所需求的补偿电压。

4）快速保护的功能。由于DVR的输出为固态开关控制，所以能在本系统发生时快速的切断，使系统与电网隔离。

[1]S.H. Hosseni, M Sabahi, “Three-Phase DVR using a Single-Phase Structure with Combined Hysteresis/Dead-band Control,” IEEE Pow.Elec. and Motion Control Conf., Aug. 2006(3):1-5.

[2]Y.H.Cho, S.Sul, “Controller design for dynamic voltage restorer with harmonic compensation function,” Indust. App. Conf., 39th IAS Annual Meeting, Oct. 2004:1452-1457.

[3]J.G.Nielsen, M.Newman, H.Nielsen, F.Blaabjerg,“Control and testing of a dynamic voltage restorer(DVR)at medium voltage level,” IEEE 3-4thannual Conf, PESC, June 2003:1248-1253.

[4]Y.H.Chang, G.H.Kwon, T.B. Park, K.Y.Lim,“Dynamic voltage regulator with solid state switched tap changer,” IEEE Quality and Security of Elec.Pow. Del. Systems, PES International Symp.,Oct. 2003:105-108.

[5]M.D. Manjrekar, R. Kieferndorf, G. Venkataramanan,“Power electronic transformers for utility applications,”IEEE Conference Record, Industry Applications Conf.,Oct. 2000(4):496-2502.

[6]毛承雄,范澍,王丹等.电力电子变压器的理论及其应用(I)[J].高电压术,2003,29(10).

[7]毛承雄,范澍.电力电子变压器的理论及其应用(Ⅱ)[J].高电压技术,2003,29(12).

[8]黄贻煜.电子电力变压器研究[D].华中科技大学,2004.

[9]S.H.Hosseini, M. Sabahi, A.Y. Goharrizi, “Multi- function zero-voltage and zero-current switching phase shift modulation converter using a cycloconverter with bi-directional switches,” IET Power Electronics JNL,2008,1(2):275-286.

[10]H. Krishnaswami, V. Ramanarayanan, “Control of High-Frequency AC Link Electronic Transformer”,IEE Proc. Elect. Power Appl., May 2005,152(3):509-516.