基于直接AC/AC变换的动态电压恢复器研究

金 楠 康冬祎 崔光照

(郑州轻工业学院电气信息工程学院 郑州 450002)



基于直接AC/AC变换的动态电压恢复器研究

金 楠 康冬祎 崔光照

(郑州轻工业学院电气信息工程学院 郑州 450002)

应用电压源逆变方案的传统动态电压恢复器，需要使用大容量电解电容进行储能，体积与重量大，成本高。为了避免使用直流储能环节，提出一种基于直接AC/AC变换的动态电压恢复器，其变压器一次侧通过固态继电器投切组与AC/AC变换器输出端相连，其二次侧与负载串联。当电网电压发生波动时，由AC/AC变换器产生补偿电压，通过切换固态继电器组改变隔离变压器输出极性，保持负载电压稳定。该方案不需使用大容量电解电容等储能元件，易于维护，换流过程简单，动态响应速度快，能够有效补偿电网电压波动。在理论分析基础上，设计了基于瞬时电压的复合控制策略，实验结果验证了所提方案的有效性。

直接AC/AC变换 动态电压恢复 换流策略 复合控制

0 引言

电压跌落与电压突升是电能质量的常见问题，会影响用电设备的正常工作，尤其是工业过程控制、精密仪器及计算机系统等敏感负荷的安全稳定运行。动态电压恢复器可在电网电压波动的情况下保持负荷电压稳定，对敏感负荷的正常运行至关重要。

电压跌落及突升是指电压幅值在半个周期至几秒时间内偏离额定值，电压跌落为额定值的10%～90%，电压突升为额定值110%以上。大功率电动机起动、电网短路故障等原因都会引起电网电压跌落。电压跌落超过两个周期就可能影响到生产制造系统中敏感电子设备的正常工作，特别是对于半导体制造、精密加工等领域。另一方面，电网在投切大容量补偿电容器或断开大功率负载等情况下会产生电压突升，电压突升可能引起通信系统重要数据损失、设备误操作等问题。电压跌落与突升会带来严重的经济损失和资源浪费。为了改善电能质量，确保用电设备的正常运行，国内外学者对动态电压恢复器进行了大量研究。

针对电压源逆变结构的传统动态电压恢复器，在电压波动信号检测、补偿控制策略等方面已进行了一定研究[1-5]。但这些方案中的直流储能环节需使用大容量电解电容，体积与重量大、成本高。由于电解电容寿命较短，储能环节成为定期维护的主要对象，工作量大。使用级联多电平电压源逆变器产生动态补偿电压的方法，器件较多，控制复杂，在中小功率领域应用成本较高[6-8]。

直接AC/AC变换器由于具有拓扑简单、不需使用大容量储能元件、体积小、高功率因数等特点被应用于自动电压调节器、软启动器和电动机速度调节器等领域[9-11]。由于直接AC/AC变换器不使用直流储能装置，与电压源型逆变器相比，体积小、重量轻、易于集成[12-14]。如果将现有的斩控型直接AC/AC变换器应用于动态电压恢复领域，存在换流过程繁琐[12]、开关过程电压应力较高[13]、仅能使用分离器件不利于集成[14]等问题。使用虚拟整流逆变的直接AC/AC变换方案[15]，单相电路需使用8根开关管，成本高，换流控制复杂。针对配电网中敏感负荷的电压稳定问题，提出一种新颖的直接AC/AC变换动态电压恢复器，由AC/AC变换器、固态继电器、隔离变压器组成。其中，AC/AC变换器产生可调幅的补偿电压，由固态继电器改变补偿电压极性，通过叠加不同极性的补偿电压实现动态电压恢复功能。设计该变换器的非互补控制换流策略，换流过程简单，可靠性高。为了改善动态性能，设计采用瞬时电压的前馈反馈控制策略，具有响应速度快、补偿精度高的优点。针对所提出的拓扑，设计功能样机，对不同工况调节补偿电压。最后，通过实验结果验证了系统性能。

1 直接AC/AC功率变换器

交流电压动态恢复有多种实施方案，传统上采用的电压型逆变器方案需使用大容量电解电容作为储能装置。电解电容由于寿命较短，成为电压恢复器运行中的主要维护对象，需定期检测、换新，成本较高，维护工作量大。交流斩波功率变换器是一种直接型交交变换器，通过对双向开关应用PWM技术实现输出电压调节功能。交流斩波变换技术不需要使用大容量电解电容等储能装置，成本较低，调节速度快，谐波含量小。传统单管反串联双向电力电子开关交流斩波功率变换器如图1a所示，针对其存在换流复杂、需要设计相互隔离的驱动电路等问题，设计一种改进的直接AC/AC变换器，如图1b所示。该变换器开关器件的驱动电路不需另外进行电气隔离设计，换流过程简单，系统成本降低。

图1 单管反串联双向电力电子开关直接AC/AC变换器Fig.1 Direct AC/AC power converter with single IGBT reversed series connection

基于图1b直接AC/AC变换器，提出一种新颖的动态电压恢复器，使用AC/AC变换器产生幅度可调的补偿电压，通过固态继电器开关组、隔离变压器与负载相连，如图2所示。当电网电压发生波动时，变换器通过改变PWM控制信号占空比产生补偿电压。固态继电器SW1～SW4由双向晶闸管组成，通过切换其工作状态，改变补偿电压极性。变压器将功率变换器与负载隔离。

图2 基于直接AC/AC变换的动态电压恢复器Fig.2 Dynamic voltage restorer based on direct AC/AC power conversion

输入电压正常时，功率变换器输出补偿电压为零；输入电压突升或突降时，通过改变AC/AC变换器和固态继电器SW1～SW4的工作状态使变压器二次侧输出相应极性的补偿电压，保持负载电压的稳定。

2 工作模式与换流策略

该变换器主要有3种工作模式，分别是有源模式、续流模式和死区模式。设计与图2中动态电压恢复器相适应的非互补换流控制策略，PWM控制信号如图3所示，其中Sg1～Sg4分别为S1～S4的门极驱动信号。由于死区模式时间极短且换流过程与其他两种模式相同，以下仅讨论有源模式和续流模式工作过程。

图3 直接AC/AC变换器的PWM控制信号Fig.3 PWM control signals of direct AC/AC converter

开关管S1、S2周期性的开通与关断，用于控制电感L贮存能量，开关管S3、S4为电感电流提供续流回路。图4描述了输入电压正极性时系统的工作过程。

图4 直接AC/AC变换器换流过程Fig.4 Commutation process of the direct AC/AC power conversion

当输入电压ui正(负)极性时，互补PWM信号控制S1、S3(S2、S4)，S2、S4(S1、S3)处于始终导通状态。当S1导通、S3关断时，交流斩波变换器工作在有源模式，电感电流通过交流电源、开关管S1、开关管S2体二极管构成回路，电感贮存能量，如图4a所示。当S1关断时，交流斩波变换器工作在续流模式，电感电流通过负载、开关管S4、开关管S3体二极管构成回路，电感释放能量，如图4b。

当输入电压突降时，SW1、SW3导通，SW2、SW4关断，补偿电压与输入电压极性相同，负载电压等于补偿电压与输入电压之和。当输入电压突升时，SW1、SW3关断，SW2、SW4导通，补偿电压与输入电压极性相反，负载电压等于补偿电压与输入电压之差。不同工作状态下的开关操作如表1所示。

表1 不同工作状态下的开关操作Tab.1 Switching operation in different working conditions

3 系统分析与计算

当电网电压发生波动时，通过调节动态电压恢复器输出电压，控制负载电压稳定。定义电网电压为

ui=Uimsin(2πft)

(1)

式中，f为电网电压频率，Hz；Uim为电网电压幅值，V。

图4中变换器输出斩波电压ucp为[10]

(2)

式中，fs为开关频率，Hz。式(2)中第一项为基波分量，第二项为谐波分量，由于开关频率较高，谐波成分被输出滤波器吸收。因此，经滤波后的补偿电压为

uc=DUimsin(2πft)

(3)

根据式(3)，补偿电压与PWM信号占空比呈正比例关系。因此，通过改变占空比能够调节补偿电压uc。

令电网电压额定值un为

un=Unmsin(2πft)

(4)

式中，Unm为额定电压峰值，V。正常情况下，电网电压ui与负载电压uL均为un。当发生电压跌落时，电网电压为

ui=pun

(5)

式中，p为实际电网电压的标幺值。根据表1，通过切换SSR，二次侧电压ucsec与电网电压极性相同

(6)

(7)

为保持负载电压稳定，应满足

(8)

补偿电压为

(9)

假设电网电压最大跌落至0.7un，根据式(9)，为了提供相应的补偿电压，隔离变压器变比应为1∶1。

当电网电压发生电压突升故障时，系统工作在电压突升补偿模式。根据式(9)，如果隔离变压器变比为1∶1，在电网电压最大突升至1.3un时，系统能够提供相应补偿电压保持负载电压稳定。

4 动态电压恢复控制策略

为快速抑制输入电压波动对负载的影响，需设计有效的控制策略以保持负载电压稳定。电压峰值反馈控制方法通过峰值电压检测电路采样输入电压峰值，与电压瞬时值相比，电压峰值的变化缓慢，电压有效值控制也存在同样问题。为此，根据动态电压恢复器的原理，设计前馈反馈瞬时电压复合控制策略，控制结构如图5所示。

图5 复合控制系统结构Fig.5 Composite control system structure

当ui=un时，电网电压正常，输出补偿电压为零。当电网电压发生突升或突降时，动态电压恢复器按照设计的工作模式进行电压补偿。由于补偿电压与控制信号占空比呈正比，设计前馈控制部分为

(10)

前馈控制部分快速有效地抑制输入电压波动。使用电源电压额定值与实际值的差值信号(un-ui)作为控制器输入信号，调节占空比。在工作点处，前馈控制得到输出信号Df补偿电源电压波动，该方法简单有效。

当电源电压正常时，固态继电器SW1、SW4关断，SW2、SW3导通，直接AC/AC变换器输出电压uc为零，电源为负载供电。当电源电压异常时，使用微控制器执行动态电压恢复控制策略和SSR投切方案，实现电压突升、突降补偿。

5 实验样机设计

为验证所设计的动态电压恢复器性能，设计实验样机，结构及平台样机如图6、图7所示。

图6 实验平台结构Fig.6 Structure of experimental platform

图7 直接AC/AC变换动态电压恢复器实验平台Fig.7 Experimental platform of dynamic voltage restorer based on direct AC/AC power conversion

功能样机由7部分组成：功率变换器模块实现交流电压的AC/AC变换和串联补偿；电压、电流采样和信号调理模块采用传感器和信号调理电路，实现对采样信号的变换和滤波；DSP处理器是控制系统的核心，采用Microchip公司的dsPIC30F4011处理器，内部A-D将调理后的信号转换为数字量，通过执行控制算法得到占空比控制信号D(t)；驱动电路模块将DSP产生的PWM信号转换为功率电路中开关器件的驱动信号；在过电压、过电流和过热情况下，保护模块封锁PWM信号并提示错误类型；人机接口模块包括LED指示和按键，实现工况指示和数据交互；辅助电源模块为DSP、驱动电路、信号采集与调理电路及保护电路提供直流电源。

6 实验结果

对所设计动态电压恢复器进行样机实验，系统参数如表2所示。

表2 样机实验系统参数Tab.2 Parameters of the prototype in experiment

实验中电网电压波动范围0.7uin～1.3uin，样机输出功率为500 W。根据图4中设计的非互补换流控制策略，开关管的门极控制信号实验波形如图8a所示，其中Sg1、Sg2、Sg3、Sg4分别为S1、S2、S3、S4的门极控制信号。当占空比D=0.5时，阻性负载为40 Ω，功率变换器输出电压uc如图8b所示，实验结果表明输出电压为正弦波形。电源电压经过AC/AC变换后，输出正弦包络的斩波电压ucp如图8c、图8d所示。输入电压被斩波为微秒级电压片段，滤波后输出正弦电压uc，总谐波畸变为1.26%。实验表明，所提出非互补换流控制策略使开关器件电压尖峰较小，换流安全可靠。

图8 直接AC/AC功率变换器工作波形Fig.8 Waveforms of direct AC/AC power converter

电力电子技术应用于电力系统进行各种电能转换的同时，带来了谐波污染等电能质量问题。所提出方案在实现动态电压恢复功能时，也不可避免会产生一定的谐波。相对于其他电能转换方式，高频直接交交变换技术的突出特点是产生谐波分布在较高频段，低次谐波含量较少。图4中输入电压ui经过高频斩波电能转换后，成为微秒级电压片段拼接而成的ucp。根据式(2)，其包含的谐波成分主要集中在开关频率的整数倍附近，实验中设计开关频率fs又远高于电源频率f，如图8c所示，ucp中包含的大量高次谐波易于被滤除。实验结果与理论分析一致，经输出滤波环节后，高频谐波成分被滤除，输出补偿电压uc的总谐波畸变较低。尽管所提方案产生的谐波污染十分有限，但目前该方案仅能实现电压幅值波动的快速补偿，还未能实现输入电压发生畸变情况下的变频补偿功能。

当电网电压从1.15un突升至1.3un时，电网电压ui与负载电压uL实验波形如图9a所示。当电网电压从0.85un突降至0.7un时，实验结果如图9b所示。实验结果验证了所提动态电压恢复器拓扑前馈反馈控制策略的有效性。该控制方案能够有效抑制输入电压波动，5 ms内能将负载电压稳定至额定电压，使负载电压不受电网电压波动的影响，且电压恢复过程没有电压尖峰。

图9 电网电压发生波动时动态电压恢复器工作波形Fig.9 Waveforms of dynamic voltage restorer，when grid voltage fluctuations occur

7 结论

为抑制电网电压波动、保持敏感负荷电压稳定，提出一种基于直接AC/AC变换器的桥式交流斩波动态电压恢复器以及相应的前馈反馈瞬时电压控制策略。该设计通过改进的直接AC/AC功率变换器、固态继电器和隔离变压器，实现电压双向补偿。同时，不需使用电池、大容量电容和电感等储能元件，体积小，成本低，易于维护。在理论分析基础上设计了功能样机，实验结果表明在电网电压突升、突降情况下，动态电压恢复器能够控制负载电压稳定。所提方案响应速度快，能够提高电能质量，保护设备安全，具有广阔的应用前景。

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Research on Dynamic Voltage Restorer Based on Direct AC/AC Power Conversion

JinNanKangDongyiCuiGuangzhao

(College of Electric and Information Engineering Zhengzhou University of Light Industry Zhengzhou 450002 China)

Traditional dynamic voltage restorer (DVR) based on voltage source inverter (VSI) needs energy storage devices，such as electrolytic capacitors，which are heavy and high cost.A new type of storageless DVR based on improved direct AC/AC power conversion is proposed.It consists of direct AC/AC power converter，solid-state-relay (SSR) and isolation transformer whose primary port is connected with AC/AC converter through SSR and secondary port is connected with the load.When line voltage fluctuations occur，AC/AC converter generates compensation voltage，whose polarity is controlled by switching the SSR group in order to stabilize the load voltage.The proposed restorer does not use energy storage devices and has simple commutation process，fast dynamic response and low cost.An experimental prototype is designed.Experiment results show that the load voltage can be kept stable under line voltage swells or sags circumstances，which verifies the validity of the proposed plan.

Direct AC/AC converter，dynamic voltage restorer，commutation strategy，compound control

河南省科技攻关项目(142102210517)和郑州轻工业学院博士科研基金(2013BSJJ025)资助项目。

2015-01-08 改稿日期2015-02-17

TM761

金 楠 男，1982年生，博士，副教授，研究方向为交交电能变换与控制、分布式发电系统。(通信作者)

康冬祎 女，1990年生，硕士研究生，研究方向为直接AC/AC功率变换器、分布式发电系统。