一种新型动态电压恢复器的仿真与实验

王宝安，孟庆刚 ，商 姣，黄学良 ，刘 伟

（1．东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096；2．南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

随着现代工业的不断发展，以电弧炉、电力机车为代表的各种冲击性负载大量涌现。一方面，这些负载会带来电压跌落、电压谐波、三相不平衡等电压质量问题；另一方面，一些敏感负载（如电信、医疗、军事、金融等行业的微处理器、计算机）对电网电压的波动十分敏感，若处理不当，将会造成重大的经济损失和不良的社会影响［1］。动态电压恢复器 DVR［2］（Dynamic Voltage Restorer）是一种串联型电能质量补偿装置，能够有效减小电网电压跌落、电压谐波、三相不平衡等电压质量问题对负载造成的影响。

从1996年第一台DVR投运以来，DVR在储能单元、逆变单元、耦合单元等主电路拓扑结构上有了很大的发展［3］。文献［4］提出一种可连续运行的DVR，其直流电压通过与电网相连的PWM整流器提供，可以连续对电网电压进行补偿，该装置采用耦合变压器和电网连接，逆变单元产生的高次谐波会增加变压器的设计难度，变压器的瞬间涌流问题也会给系统带来安全威胁［5］。随着DVR在中高压配电网中的应用需求升级，中高压大容量拓扑——级联H桥逆变单元因结构简单、易于模块化、输出电压谐波小等优点而受到青睐，文献［6］提出一种应用于高压场合的DVR，逆变单元由H桥级联而成，各H桥直流侧采用分立储能元件供电，DVR的补偿能力会受分立储能元件的容量限制；文献［7］研究的DVR拓扑，逆变单元同样采用级联H桥，三相电网电压经多绕组变压器后进行整流，给各H桥直流侧供电，这种拓扑结构不需要多余的储能元件，但随着级联单元数的增多，多绕组变压器的设计将变得困难。这2种DVR拓扑的逆变单元均通过电容耦合方式接入电网，有利于节省成本以及提高系统可靠性。

本文结合现有DVR拓扑结构的优点，提出一种新型可连续运行的级联多电平DVR，其三相结构相同且相互独立，逆变单元采用级联H桥结构，电网相电压经过隔离变压器后进行整流，给各H桥直流电容供电，使装置可以连续运行，逆变单元通过电容与电网耦合，省去了耦合变压器。该拓扑从整流到逆变，结构相同，易于模块化，可拓展应用于中高压配电系统中。本文介绍了该DVR的主电路结构、补偿策略和补偿电压计算方法，并完成了软件仿真和样机实验。

1 DVR工作原理

DVR串联在电网和负载之间，能够快速跟踪电网电压波动，在毫秒级时间内完成电压的补偿，减小电网电压波动对负载的影响，保证用户侧的电压质量。DVR主要由储能单元、逆变单元、滤波耦合单元和控制单元四部分组成［8-9］，如图1所示。

图1 DVR典型结构框图Fig.1 Typical structure of DVR

图中，uS为电网电压，udvr为DVR补偿电压，uL为负载电压。DVR工作时，控制单元实时检测电网电压，并快速计算出补偿电压，产生PWM脉冲信号，逆变单元根据PWM脉冲信号，产生补偿电压，经过滤波耦合单元后，串联入电网和负载之间，从而保证敏感负载的电压稳定［10］。

2 新型DVR系统设计

2.1 新型DVR主电路结构

本文提出一种可连续运行级联多电平DVR，采用相电压补偿式，三相系统分别独立，可以有效解决三相不平衡问题。其单相电路图如图2所示。

储能单元选用电容储能，电网相电压经过隔离变压器、二极管整流电路后，维持各直流电容电压的稳定，这种整流供电结构可以有效保证装置的长时间连续运行。若采用PWM整流电路替代二极管整流电路，则该DVR就能补偿电网电压骤升。然而，在配网中出现电压骤升的概率较少，出于成本考虑，DVR通常仅补偿电网电压跌落。当检测到电网电压升高时，将补偿电压设为零，并用旁路开关将DVR旁路，从而防止直流电容电压升高。

图2 新型DVR单相电路图Fig.2 Single-phase circuit of new-type DVR

逆变单元主电路采用级联多电平结构，每相均由2个H桥功率单元级联而成，选用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率开关器件；结合载波移相脉宽调制（PWM）技术，可成倍减少器件的开关频率，有效降低装置的功耗，同时可有效减少逆变单元输出电压的谐波含量，简化滤波器设计［11］。

DVR的耦合方式主要有变压器耦合和电容耦合2种方式。当采用升压变压器作为耦合单元时，可以降低装置的电压等级，用于电压等级较高的场合，提高系统的可靠性；但变压器的非线性特性给这种耦合方式带来了许多不足，主要表现为高次谐波压降、变压器相移、易饱和、占地面积大等［12］。为克服这些缺陷，本文采用电容耦合方式，图2中L、R、C构成滤波耦合单元。

2.2 补偿策略

DVR常见的补偿策略主要有完全补偿法、最小能量补偿法、同相补偿法3种［13-14］。完全补偿法的补偿效果最好，能够同时补偿电压幅值和相位，但当电压跌落幅值较大或相位偏移较多时DVR消耗的直流侧能量较多，经济性较差；最小能量补偿法消耗的直流侧能量最少，但只能补偿电压幅值，且补偿后会带来电压相位跳变；同相补偿法的补偿电压与跌落后的电网电压相位相同，因此只能补偿幅值，无法补偿相位，但通常负荷具有一定的抗相位扰动能力，因此本文采用同相补偿法对电网电压的幅值进行补偿。其相量图如图3所示。

图3 同相补偿法相量图Fig.3 Phasor diagram of in-phase compensation

图中，U为跌落前电网电压，也为跌落前负载电压，当电网电压发生波动，跳变为US时，DVR快速检测到电压变化，发出与US同相位的补偿电压Udvr，将负载电压补偿为UL，UL与跌落后电网电压US同相位。DVR能够对电网电压幅值进行补偿，保证负载侧电压质量稳定。

2.3 补偿电压计算方法

本文所述为连续运行DVR，因此需在实时检测电网电压的基础上，快速计算出补偿电压。常见的电压检测算法有：峰值检测法、有效值法、缺损电压法、基波分量法、dq检测法、小波分析法等［15］。前4种方法实时性较差，小波分析法计算量较大，不利于实际工程的应用。基于瞬时无功功率理论的dq检测法能够实时跟踪电网电压，快速检测出电网电压变化，应用于实时性要求较高的DVR中，具有无可比拟的优势。

基于瞬时无功功率理论的dq检测法［16］是将三相静止abc坐标系下的电网电压变换到两相同步旋转dq坐标系下，变换后，电网电压中的第N次正序分量变换成第（N-1）次正序分量，第N次负序分量变换成第（N+1）次负序分量。将变换后的电压通过低通滤波器，所得直流分量即为电网电压基波正序的d轴、q轴分量，由此可计算出电网电压基波正序的幅值。低通滤波器通常采用二阶巴特沃斯低通滤波器［16］，其滤波效果和实时性难以同时兼顾，因此在三相不平衡时，二次负序分量会使滤波效果受到影响。本文采用改进的dq变换计算DVR的补偿电压，实现方法如图4所示。

图4 改进的dq变换原理框图Fig.4 Block diagram of improved dq transformation

这种改进的dq变换原理是［16］：首先根据式（1）将三相静止abc坐标系下的电网电压［uSauSbuSc］T变换到两相静止αβ坐标系下。

当忽略电网电压的谐波分量时，利用式（2）可以准确分离出uα、uβ中的正序分量，从而有效避免负序分量对滤波效果造成的影响。

其中，u˙α、u˙β为 uα、uβ对 θ的导数，θ=ωt，ω 为电网电压基波角频率。

根据同相补偿法原理，有：

其中，UL为负载额定电压。

将电网电压基波正序分量乘以系数k后，得到补偿后负载电压的 d 轴、q 轴分量Ld、Lq，再反变换回三相abc坐标系，与电网电压相减后即可得到DVR所需补偿的电压［udvraudvrbudvrc］T。 综上，采用这种电压补偿算法的DVR可补偿电网电压跌落、电网电压谐波以及三相电网电压不平衡。

3 仿真分析

采用PSIM软件对本文所述DVR进行仿真。仿真步长为1 μs，系统正常运行时三相电网电压有效值为220 V，频率为50 Hz，由于仿真波形三相对称，以下仅给出单相波形。

3.1 改进dq仿真

在电网电压中注入峰值为100 V的基波负序电压和峰值为100 V的基波零序电压，此时电网电压不对称，经dq变换后的FFT分析如图5所示。

图5 d轴、q轴分量FFT分析Fig.5 FFT analysis of d-axis and q-axis components

由图5可见，传统dq变换下d轴、q轴分量含有2次谐波分量，改进dq变换下d轴、q轴分量仅含有直流量，说明通过式（2）可以完全提取出正序分量。

在电网电压中注入峰值为100 V的基波负序电压、峰值为30 V的正负序3次谐波电压和峰值为30 V的正负序5次谐波电压，此时电网电压不对称并含有少量谐波，经dq变换后的FFT分析如图6所示。

图6 d轴、q轴分量FFT分析Fig.6 FFT analysis of d-axis and q-axis components

从图6中可以看出，传统dq变换输出中含有幅值较高的2次谐波分量，而改进dq变换输出中2次谐波分量有所衰减，对数字滤波器截止频率的要求可适当放宽；除2次谐波分量外，其他谐波分量有所增大，但这些频率段已经远离截止频率，数字滤波器能够很好地滤除这些频段的谐波分量。由此说明，在电网电压含有少量谐波的情况下，通过式（2）进行正、负序分离造成的误差不大，利用改进dq变换能够改善滤波器设计。

3.2 电压跌落补偿仿真

当仿真运行到0.04 s时电网基波电压瞬时跌落50%，在0.1 s时恢复正常，其波形如图7（a）所示。DVR检测到电压变化，快速发出补偿电压，负载电压几乎没有发生跌落，如图7（b）所示。

图7 电压跌落补偿仿真波形Fig.7 Simulative waveforms of voltage drop compensation

3.3 电压谐波补偿仿真

当仿真运行到0.04 s时，对电网注入30%的3次和30%的5次谐波电压，在0.1 s时恢复正常。图8（a）为补偿前电网电压的波形及其频谱，图 8（b）为DVR输出的补偿电压波形，图8（c）为补偿后负载的电压波形及其频谱。

图8 电压谐波补偿仿真波形Fig.8 Simulative waveforms of voltage harmonics compensation

DVR实时检测电网电压变化，在电网电压发生畸变前，没有补偿量产生；当电网电压发生畸变时，DVR快速响应，发出补偿电压，使负载侧电压仍为正弦波。

4 实验结果

本文在完成理论分析和软件仿真的基础上搭建了一台三相380 V的DVR样机，并进行了电网电压长期偏低、电压跌落、电压谐波等问题的补偿实验。实验系统图如图9所示，通过在电网端串联电阻，可以模拟电网电压跌落。由于实验波形三相对称，以下仅给出单相波形。

图9 实验系统图Fig.9 Experiment system

4.1 电压偏低实验

通过在电网进线端串联电阻，模拟电网电压长期偏低的情况，实验波形如图10所示。补偿前电网电压有效值为122 V，较正常值跌落了44.5%，经过DVR补偿后的负载电压有效值稳定在220 V附近，且负载电压与电网电压相位相同，说明补偿没有带来相位差。

图10 电压偏低实验波形Fig.10 Experimental waveforms of low-voltage compensation

4.2 电压瞬时跌落实验

电网正常运行在220 V附近，投入串联电阻，使模拟电网电压瞬时跌落至122 V，实验波形如图11所示。DVR快速响应，在毫秒级时间内完成了电网电压跌落的补偿，补偿后的负载电压几乎没有受到电网电压瞬时跌落的影响。

图11 电压瞬时跌落实验波形Fig.11 Experimental waveforms of voltage drop compensation

4.3 电压谐波实验

电网电压谐波补偿实验结果如图12所示。补偿前，电网电压中含有3.1%的3次谐波，补偿后，负载电压中的3次谐波含量降至0.42%，充分证明该DVR具有补偿电压谐波的能力。

图12 电压谐波实验结果Fig.12 Experimental results of voltage harmonics compensation

5 结论

本文提出的新型可连续运行级联多电平DVR，采用相电压补偿方式，三相相互独立。主电路应用级联多电平技术，易于实现模块化，降低了开关频率和装置损耗，减少了输出电压谐波含量。采用同相补偿法，引入改进的dq变换计算补偿电压，使得该装置具有补偿电网电压跌落、电网电压谐波以及三相电网电压不平衡的能力。仿真及实验结果表明，本文提出的新型DVR能够实时跟踪电网电压，快速计算出补偿电压，在毫秒级时间内完成电网电压补偿，有效保证了负载侧的电压质量。