DVR补偿变压器变比对系统参数影响的研究

巫付专 侯婷婷 冯占伟 巫曦

(中原工学院,河南 郑州 451191)

DVR补偿变压器变比对系统参数影响的研究

巫付专 侯婷婷 冯占伟 巫曦

(中原工学院,河南 郑州 451191)

针对动态电压恢复器(DVR)的系统参数选取存在盲目性、不利于推广应用等特点,从经济和节能角度出发,研究了动态电压恢复器补偿变压器变比对系统参数的影响,并确定了DVR的参数确定原则。补偿变压器变比能节约设备成本,降低能耗。搭建了Matlab仿真模型和样机平台,在直流侧电压允许的前提下,试验结果验证了该原则的可行性和正确性。

补偿变压器 动态电压恢复器(DVR) 系统参数 节能 Matlab仿真

0 引言

动态电压恢复器(dynamic voltage restorer,DVR)是目前解决电压跌落、闪变、过电压等用户电能质量问题的有效装置。电压跌落对负载造成的影响没有电压中断严重,但是它发生的频率高。据欧美国家的电力部门统计,电压跌落占所有电能质量问题事故率的80%以上,是最频繁的电能质量问题[1]。因此,设置动态电压恢复器保护电路中的敏感负荷成为最经济有效的方法。

近年来,DVR的研究主要集中在控制策略、补偿策略及检测方法等方面,如文献[2]～[4]中分析的主要内容。文献[5]研究了不同变压器接法对参数和电路性能的影响。变压器三角型连接的DVR对于单相的电压跌落不能补偿;星型连接的DVR既可以补偿三相同时跌落的情况,又可以补偿单相跌落和电压零序分量。但文献[5]对于主电路参数的选取只涉及到部分内容,并不全面,对于补偿变压器变比对系统参数及设备成本影响的研究较少。本文将针对补偿变压器的变比与系统损耗及设备成本之间的关系进行讨论。基于三相电压型DVR,提出了在同相位补偿策略下确定DVR容量及补偿变压器变比的计算方法,分析不同变比的情况下系统各参数的确定方法。

1 DVR的主电路及其工作原理

三相电压型DVR的主电路如图1所示,主要包括4个部分:能量存储装置、逆变器、滤波器和补偿变压器,如图1中虚线框中所示。当电网电压发生跌落时, DVR检测到电压跌落信号并根据一定的控制算法产生指令信号,控制逆变器输出所需的补偿电压。补偿变压器的初级线圈与滤波器相连,次级线圈串联在电网中。同时,补偿变压器起到隔离作用。

图1 动态电压恢复装置及其电压补偿Fig.1 DVR and its voltage compensation

为了便于分析DVR的工作状态,可将其等效为一个受控电压源[5]。DVR单相等效电路如图2所示。

图2 DVR单相等效电路Fig.2 DVR single-phase equivalent circuit

根据图2可知,如果忽略电网的线路阻抗Zline和DVR的自身阻抗ZDVR,可以得到:

式中:UL为负载两端的额定电压;Us为电网电压;UC为DVR输出的补偿电压。

当电网电压和负载额定电压相等时,DVR不补偿;当电网电压发生跌落时,DVR输出补偿电压,使负载端电压保持不变。

2 DVR容量的确定

DVR的容量要根据补偿对象进行选取。如果负载的额定工作电流为IL,DVR的输出补偿电压为UC,则容量为:

从上式可知对于同一敏感负荷,DVR容量主要由UC确定。当DVR的补偿策略不同时,UC不同。因此,可根据不同补偿策略确定DVR容量。

DVR补偿时,假设滤波电路为理想状态,逆变器输出的电压即补偿变压器原边电压Uin与电网发生跌落时跌落电压ΔU有如下关系:

式中:k1为补偿变压器变比;k2为补偿因子;U′L为补偿后负载电压;Usag为发生跌落时电网电压值。

DVR输出补偿电压UC与ΔU有如下关系:

本文针对同相位补偿策略进行分析,其他补偿策略在此不再详述。

同相位电压补偿的补偿电压UC与跌落瞬间电网电压Usag同相位,只能进行幅值的补偿,不能补偿相角变化,其补偿向量图如图3所示[6]。图3中,UL和IL分别为正常情况下负载电压与网侧电流;U′L和I′L分别为发生跌落并补偿以后的负载电压和网侧电流。

在图3中,U′L与Usag相位相同,假设负载为感性,因负载不变,则阻抗角φ不变。可以看出,DVR的功率因数角α等于负载阻抗角φ。

图3 同相位补偿向量图Fig.3 Vector diagram of the compensation in the same phase

由式(5)～(7)可以确定同相位补偿策略的DVR容量和有功功率P。

从式(6)可以看出同相位补偿时,补偿因子k2= 1,则在同相位补偿方式下,式(3)可以等同于:

假设同一电路中电网跌落的电压值不变,则DVR的总容量也不会改变,如提高补偿变压器的变比k1,相当于提高了DVR中的电压,降低了DVR中的电流,则总损耗会有所降低。

3 补偿变压器变比k1的确定

补偿变压器变比k1的确定与变压器连接方式、逆变器控制技术和补偿策略都有关。由式(8)确定补偿变压器的变比,得到:

由于本文采用同相位补偿策略,故k2=1,则补偿变压器的变比为:

式中:Uin与补偿变压器的连接方式有关。

不同的连接方式下Uin的大小为:

式中:Uout为逆变器输出电压值,该输出电压值与逆变器的控制技术有关。

不同的控制技术下输出电压值为:

式中:Udc为直流侧电压值;m为调制比。

Udc由能量存储装置提供,不同的储能装置所能提供的直流侧电压值不同。由式(11)、(12)可以确定变压器变比k1的范围为:

由式(13)可见,补偿变压器变比k1与直流侧电压Udc成正比。

3.1 直流侧电压Udc的确定

不同的储能装置所能提供的直流侧电压值不同,选取AC/DC变换器为逆变器提供直流侧电压,可以不受容量的限制持续补偿,为提高补偿变压器的变比提供了较大的空间裕度。直流侧采用AC/DC变换器时,交直流侧电压的关系如式(14)所示。

式中:Us为电网正常情况下相电压有效值。

当电网发生电压跌落时,Us等于Usag。

直流侧电容Cdc的容值由补偿系统的有功功率P确定,并考虑其充放电电流是否满足要求。当系统电压发生突变时,引起DVR主电路传递的有功和损耗发生变化,同时,直流侧电压也发生波动。因此,必须选取合适的电容来将直流侧电压波动维持在限定的范围内[7]。具体计算可按参考文献[7]计算。

储能装置还可以选取PWM整流器,能够实现能量的双向流动,并能保证电网侧功率因数为1。但此结构会增加控制难度和设备成本,在电网电压频繁跌落的情况下其优势并不明显。因此本文采用三相不可控整流的方式作为储能装置。

3.2 逆变器型号的选取及成本分析

选取逆变器型号的关键是确定直流侧的额定电压、额定电流、开关频率等参数。逆变器额定电压根据直流侧电压Udc的大小,按式(14)确定;逆变器额定电流根据同相位补偿策略确定的容量S进行选取,实际选取时要留有一定的余量;开关频率的高低不仅影响补偿性能优劣,而且影响IGBT的损耗大小。在实际工作电流不变时,开关频率越高,开关损耗越大,可见在实际应用中,逆变器的开关管频率不能过高。在开关频率不变时,提高补偿变压器的变比,同时升高逆变器输入端的直流电压Udc,则逆变器的实际工作电流降低,逆变器的总损耗同时降低。在能保证补偿性能和准确性的条件范围内,适当降低开关频率和提高补偿变压器的变比,可以降低IGBT的损耗。

分析目前在电网末端常用的逆变器型号,并对比其成本。当直流侧耐压相同时,电流减小1/2,逆变器的成本也会相应降低一半。可见适当提高变压器变比,可以选取小电流的逆变器,节约装置成本。

3.3 滤波电路LC的参数设计

3.3.1 感值L和容值C的确定

LC滤波器用于滤除逆变器产生的高频开关噪声。滤波电感L和滤波电容C的值越大,滤波效果越好,但若L、C取值较大,会造成装置体积增大,且使系统响应速度变慢,跟踪性能变差,影响补偿效果。滤波器的参数设计原则是逆变器输出的基波电压衰减最小,同时使其他高次谐波得到最大程度地衰减。因此,我们采用最佳阻抗匹配法确定感值,使基波衰减最小。

滤波电路阻抗匹配分析示意图如图4所示。

图4 滤波电路阻抗匹配分析示意图Fig.4 Analysis of the impedance matching of filtering circuit

从图4分析可知,5、6端的等效阻抗为Z。假设变压器为理想变压器,将补偿变压器T型等效,等效电路图为图4中虚线框中的部分[7],则3、4两端的等效阻抗为,阻抗匹配条件下LC滤波后基波电压不衰减。

当截止频率ω0为1/时,则:

继而可得:

可见滤波电感感值L与补偿变压器变比k1的平方成正比,电容值C与补偿变压器变比k1的平方成反比。因此确定滤波电路时要考虑补偿变压器的变比值。

3.3.2 滤波电感L及补偿变压器的成本分析

电感的设计有多种方法,为使电感线圈在满足性能要求的情况下,降低成本、减小体积,采用最小体积作为优化目标进行设计。具体计算可参考文献[8]。

当变压器变比k1发生变化时,例如增大k1倍,由式(17)可知电感值也增大k1的平方倍。当电感储存的电磁势能W不变,而电感线圈匝数N增大k1倍,导线面积As减小k1倍,若选用的导线根数n不变,则单根导线的截面积减小k1倍。窗口面积充填系数Km可以选择较大值,铁芯截面积与窗口面积乘积Ap也可适当减小。由此可得,提高补偿变压器变比,并通过合理设计,滤波电感的成本还可以略有降低。同理增大补偿变压器变比,也可以降低补偿变压器的成本。

铜线的标称直径选为0.8 mm。当补偿变压器变比为1时,滤波电感值取0.75 mH,铜线匝数为52匝,并联6根,铜线质量为83.2 g;当补偿变压器变比为2时,滤波电感值取3 mH,铜线匝数为103匝,并联3根,铜线质量为82.4 g,滤波电感成本会略有降低。

补偿变压器的空载损耗和负载损耗可参考文献[9],按照10年变电成本计算确定;阻抗压降可参考文献[7]计算。

通过以上分析,可以得到以下结论。

①变比增大,提高直流电压利用率。从式(13)可以看出,当补偿情况不变时,补偿变压器变比k1增大,提高了直流侧电压利用率。

②变比增大,补偿变压器原边侧电流减小,可以降低逆变器的开关损耗和导通损耗。

通过计算7MBI50N-120模块的IGBT损耗,分析补偿变压器变比对IGBT损耗的影响。假定工作电流为额定工作电流50 A,开关频率为12.8 kHz,则变压器变比对逆变器IGBT损耗的影响如表1所示。

表1 变比对IGBT的损耗影响Tab.1 Influcence of ratio to IGBT loss

表1中,P1ds为逆变器IGBT的开关损耗,P1ss为逆变器IGBT的导通损耗,P2ds为逆变器续流二极管的开关损耗,P2ss为逆变器续流二极管的导通损耗。

由表1可知,当变压器变比增大时,逆变器的工作电流减小,可降低逆变器的总损耗。变比增大一倍, IGBT的总损耗降低50%左右。

③变比增大,节约成本。因变比增大,原边电流降低,逆变器可选小电流型号IGBT,节约逆变器的成本。

由以上3点可知,提高补偿变压器的变比,不仅不会影响补偿效果,还可以降低设备的总成本及能耗。

4 仿真与试验

根据以上理论分析和各参数确定原则,搭建Matlab仿真模型和试验平台,对比不同变比时装置的补偿效果。

假设电网电压为220 V,在短时间内发生跌落,跌落值为30%,负载视在功率为10 kVA,取变压器变比k1分别为1和2时,得到的仿真结果图分别如图5和图6所示。

图5 变压器变比为1时补偿效果图Fig.5 The compensation effect when transformer ratio is 1

图6 变压器变比为2时补偿效果图Fig.6 The compensation effect when transformer ratio is 2

图5为补偿变压器变比k1取1时的补偿效果仿真图,此时滤波电感值取0.75 mH,补偿后负载两端电压的THD值为0.90%。图6为补偿变压器变比k1取2时的补偿效果仿真图,此时滤波电感值取3 mH,补偿后负载两端电压的THD值为0.84%。由以上两个仿真结果图可知,依照各参数设计原则搭建的仿真模型能够快速地输出补偿电压,保持负载电压稳定。同时验证了变压器变比和滤波电感的关系,即当变压器变比增大k1倍时,滤波电感值也增大k1的平方倍,补偿性能基本不变。

试验中,当电网电压跌落10%时,补偿变压器选取不同变比的补偿效果如图7所示。

图7 补偿效果图Fig.7 Compensation effect

图7(a)、7(b)中的曲线均为补偿变压器副边输出电压。图7(a)为变压器变比k1为1时实际补偿效果图,滤波电感值L为0.8 mH,补偿电压值为23.3 V;图7(b)为变压器变比k1为2时实际补偿效果图,滤波电感值L为3.5 mH,补偿电压值为23.4 V。由图7(a)、7(b)可知,补偿变压器的变比增大,滤波电感值增大,对补偿效果影响不大,但逆变器IGBT的实际工作电流减小,降低了逆变器的功率损耗。从图7分析可知,提高变压器变比对补偿效果没有影响,而设备损耗和设备成本却降低了。

5 结束语

本文通过分析DVR补偿变压器与主电路各参数的关系得出,增大变压器的变比能减小系统的损耗,降低逆变器的成本。变压器变比的增大将使滤波电感值增大,采用最小体积设计法可知其成本也会略有下降,从而有效地降低了装置成本。

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Research on the Influence of DVR Compensation Transformer Ratio on the System Parameters

Blindness in selecting system parameters for dynamic voltage restorer(DVR)is not conductive to its popularization and applications, the influence of DVR compensation transformer ratio to the system parameters is researched from points of view for economic and energy saving and the principle for determining the DVR parameters are obtained.The compensation transformer can save the equipment cost and reduce energy consumption.The Matlab simulation model and prototype platform are setup,under the premise of DC side voltage.The experimental result verifies the feasibility and correctness of the principle.

Compensation transformer Dynamic voltage restorer(DVR) System parameter Energy saving Matlab simulation

TM402

A

河南省科学技术攻关基金资助项目(编号:豫科监委字[2011]第911号)。

修改稿收到日期:2014-02-24。

巫付专(1965-),男,1988年毕业于哈尔滨理工大学电机专业,获硕士学位,教授;主要从事电力电子与电能质量的研究。