动态电压恢复装置的拓扑结构

陈国栋， 董祖毅， 蔡 旭， 马 军

（1.上海交通大学，上海 200240；2.上海电气集团股份有限公司 上海电气输配电集团，上海 200042）

随着风力发电和光伏发电的产业发展，新电源的接入或多或少地会对系统的电能质量产生影响，如电压闪变、谐波以及一些动态电能质量问题（如持续时间为毫秒级的动态电压升高、脉冲、电压跌落等）。这些电能质量问题如果控制不当，会对电网产生负面影响。

在电能质量诸多问题中，动态电压质量问题造成的危害最为普遍。统计表明：大型电力用户，幅度超过20%的电压暂降的年发生率在10～20次左右。可见，减少或减缓动态电压质量问题的发生及其造成的危害是提高供电质量的重要内容［1］。

随着智能功率模块的进步和发展，基于用户电力技术思想的动态电压恢复装置（Dynamic Voltage Restorer，DVR），在抑制电压跌落时，由于其动作迅速、可靠性高、损耗小等原因引起了关注。在正常供电状态下，DVR处于低损耗备用状态；在供电电压发生突变时，DVR将迅速做出响应，可在几个毫秒内产生一个与电网同步的三相交流电压，以补偿该电压突变，从而把电压恢复到合理范围内，保证了负荷母线的电压稳定。由于处于负荷端的用电用户多为中低压负载；因此，针对用户的特定负载研究合适的DVR拓扑结构十分必要。

1 储能方式的研究

DVR的结构方式有很多种，在整体的拓扑结构中，直流侧的选择方式不同决定了DVR的补偿输出特性有些差异，按照直流侧储能元件的选择，大致可以分为4种。

（1）化学电池作为储能元件。以化学电池如蓄电池、锂电池等作为DVR的直流侧储能元件，通过DC／DC变换器或直接接入逆变器的直流输入端，经电压源变换器以及滤波电路串入电网，实现DVR的能量输出［2－3］。图1这种方式的拓扑结构中电池容量的选择主要根据负载的有功功耗和电压跌落持续时间来进行匹配，必要的时候需要在控制策略中实施最小能量法来延长DVR的补偿输出时间。

图1 化学电池储能型DVR

（2）超导储能。如图2所示，超导储能装置是伴随高温超导技术的突破而产生的新型储能技术［4－5］。其工作原理是通过励磁装置在超导线圈中形成环流，以磁场能的形式将电能储存起来，需要时再释放出来。以超导储能作为DVR的能量输入并通过DC／DC控制充电电流的大小，实现电压源逆变器直流侧电压的恒定，以满足电压跌落时所需的能量输出。

图2 超导储能型DVR

（3）飞轮储能。飞轮储能型DVR是利用电力电子技术，在电网用电低谷期由电力电子变流器驱动电机带动飞轮高速旋转［6］，以动能的形式把能量储存起来，需要飞轮能量馈出时，通过变流器控制电机输出，通过矩阵式交交变换器实现逆变输出，实现DVR的补偿功能，如图3所示。

图3 飞轮储能型DVR

（4）电网侧直接获取能量。图4所示的电网侧直接获取能量型DVR，通过整流直接从电网跌落后的残压中获取补偿所需的能量，不需要外部的储能设备，只需要一般的电解电容或薄膜电容作为直流侧能量缓冲部件，这种电容不需要储存能量，体积小，易于控制和管理。

图4 电网侧直接获取能量型DVR

化学电池储能需要对其进行充放电控制和电池管理，控制复杂且会增加成本，使用寿命受到了限制；超导储能需要制冷设备来保证线圈的运行温度；飞轮储能成本高、易存储损耗、占地面积较大，不适合用于能量的长期存储；电网侧直接获取能量的方式不需要外部的辅助设备，体积小而且控制简单，对于工程中的实际应用而言，选择电网侧直接获取能量的拓扑结构既能解决电压跌落的问题，也不会给用户带来高成本的压力。

2 低压DVR拓扑结构的研究

在低压配电网中，电网结构多为三相四线制的接线方式，当电压质量出现问题时，会存在零序电压。如果负载为三相四线进线时，需要进行零序电压的补偿，而当负载为类似于变频器负载时，则保证线电压稳定即能满足正常工作要求，此时便可不需要进行零序电压的补偿。根据负载的不同需求DVR的拓扑结构可以分成以下几种。

图5 普通型DVR

（1）三相三线负载。① 二极管整流与脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）逆变组合。图5所示的普通型DVR，在整流侧采用二极管整流桥，这种结构具有开关器件数量少、成本低廉、控制简单等优点。但是，如果电网电压出现跌落，直流侧电压也会随之发生变化，此时逆变器的输出能力会受到直流电压的限制，DVR的补偿输出能力也就受到限制；同时，由于采用的是二极管整流桥，能量只能单向流动，所以在控制上要严格保证不出现能量倒灌而导致直流侧电压泵升。②PWM整流和PWM逆变组合。图6所示的DVR采用双PWM背靠背的组合方式，实现了装置的能量4象限运行，而且由于直流侧电压可控，保证了DVR在电压跌落时输出的电压输出能力不会受到限制，该结构可以实现电压的正负序补偿，适合于工业负载的应用场合，如变频器、整流桥等。

（2）三相四线负载。①电容中点引出中线。在图7拓扑结构中，由于零序分量需要流经电容支路，直流侧分压电容容量必须足够大，以抑制中点电压的波动［7－8］。当系统发生不对称故障时，零序电流流到直流电容的中点，造成中点电压波动，影响补偿效果；另外，由于零序电流的存在，直流电容的充放电会使其寿命大大降低；同时，由于直流侧中点的引出，直流侧电压的利用率降低一半。② 三相四桥臂逆变器。图8所示的三相四桥臂逆变器通过增加两个功率开关管，通过对第四桥臂两个开关管的控制［9－10］，减小了直流侧所需的电压，抑制了直流侧电压不平衡及零序电流的问题。这种结构具有控制灵活、无需大的直流电容以及直流电压利用率高的优点。但由于公共桥臂和其他各桥臂存在耦合，致使控制上的复杂程度有所提高。③三相全桥PWM逆变器。图9所示的拓扑结构将逆变侧分成3个单相逆变全桥［11］，具有三相电压输出可独立控制输出的特点，满足各种电压跌落情况下的正序、负序以及零序补偿的要求。控制系统相对简单、灵活，并且各相的逆变全桥和输出滤波环节都各自独立，整个逆变单元结构可以灵活组合，易于实现模块化。④ 矩阵变换器。图10所示的3单相矩阵式DVR直接利用交交变换把网侧电压逆变至LC滤波器［12－13］，这种拓扑优点在于无需直流侧电容，在成本、重量和体积上优于传统的电压型逆变器方案，3个单相的补偿方式也使得补偿的策略更加灵活。⑤ 高频隔离逆变器。图5～图10的各种拓扑结构中，均采用了工频隔离变压器实现输入和输出回路的电气隔离，但工频变压器具有体积大、重量重等缺点。图11拓扑结构采用高频隔离变压器实现电气隔离，体积可大大减小，降低了装置的体积和重量，更加有利于生产和运输［14］。同时，由于采用了交交变换器，也省去了直流侧电容。这种拓扑方式有一定的新颖性和实际应用价值，具有广阔的应用前景。

图6 背靠背式DVR

图7 电容中点引出三相四线制DVR

图8 三相四桥臂DVR

图9 3单相逆变桥DVR

图10 3单相矩阵式DVR

图11 高频隔离式DVR

3 中压DVR拓扑结构的研究

我国的中压配电网采用中性点不接地的系统。DVR装置由于受到开关器件的耐压能力限制，实际应用中可采用多电平逆变器以提高装置的电压输出能力。多电平逆变器拓扑繁多，根据功率开关器件的电压箝位方式，大致可分为以下几种。

（1）二极管箝位型。二极管箝位型7电平逆变器的单臂电路结构如图12所示［15］。二极管箝位型很好地解决了功率器件直接串联的动、静态均压的问题，但是电平数需求越多，越需要大量的箝位二极管，同时直流母线上的电容存在因充放电不一致而造成电容电压不平衡的问题，增加了控制系统的复杂性，大大提高了成本，降低了系统的可靠性。

图12 二极管嵌位7电平拓扑

（2）飞跨电容箝位型。电容箝位型7电平逆变器的单桥臂电路如图13所示，电容箝位型的电平数容易扩展，控制比较灵活，但是需要大量的箝位电容，而且运行过程中必须严格控制箝位电容的电压平衡，控制难度也比较大。电容在长期使用后会出现容量的衰减，衰减后的参数一致性难以得到保证。

图13 飞跨电容箝位7电平拓扑

（3）普通型级联结构。图14所示的级联型逆变器的各直流电源完全隔离，具有独立的供电回路，不存在电容电压不平衡问题［16－17］。单元结构易于模块化和扩展且具有电压冗余特性。级联型逆变器是多电平逆变器拓扑中输出同样数目电平所需器件最少的。应用混联技术还可使功率开关效能比进一步增大。正是基于级联型逆变器的以上优点，普通级联型逆变器的改进型拓扑研究也已经成为热点。

图14 级联型拓扑

（4）混合式级联结构。原有的级联式拓扑结构在输出电压较低的情况下无法实现多电平输出，这主要是由于调制比过低导致，图15中的拓扑将电容嵌位和级联式结构组合，由电容嵌位拓扑进行直流电压的控制，再由单相全桥级联实现逆变输出［18］。当电网电压跌落深度变化时，可以调节每组单元的直流侧电压，保证一定的调制深度，仍然可以实现多电平的输出。

图15 基于电容箝位混合式拓扑

图16所示拓扑在直流电压上进行了分级的输出控制，在直流电压侧串入了不同的电压源E、2E和4E，通过选择不同的开关方式，可将直流侧电压组合成E、2E、3E、4E、5E、6E、7E，通过单相全桥逆变可呈现15级的电平输出波形［19］。

图16 混合电平组合式拓扑

图17所示的拓扑以级联式结构为基础，每个级联单元采用不同的直流侧电压，从而组合成更多的输出电平数，图中采用了E、2E、4E、8E，通过单相全桥逆变可组成呈现31级电平输出波形［20］。

图17 两电平单元级联混合电平拓扑

图18中级联单元采用了7电平的基本结构［21］，若每个单元的电压参数一致，则N个级联单元可组成7N电平输出。

图18 7电平单元级联拓扑

图19中以Z源变换器为基本的级联单元，通过控制S1、S2、S3、S4、S5、S6的组合，同样实现了直流电压的可控输出［22－23］。

可以看出，混合式级联拓扑结构组合灵活、种类繁多，其基本的思路主要是从如何增加电平数入手，通过不同的开关方式以实现不同的电平组合，达到在不同的电压跌落深度时均能实现多电平的输出组合，提高电压波形的输出正弦度，降低谐波含量的目的。鉴于DVR装置在工程实现中的可靠性和低成本考虑，建议在中压DVR装置上使用级联式拓扑结构。

图19 Z源变换器单元级联拓扑

4 结 语

通过分析比较国内外关于DVR的所有拓扑结构，按照储能方式、低压拓扑和中压拓扑进行分类，阐述了各种拓扑结构的优势和不足，为研制DVR装置的技术人员提供一定的参考。

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