一种新型具有暂升和暂降补偿功能的宽范围动态电压校正器

2016-10-12丁鹏岭曹剑坤杨彬彬刘海春谢少军

电源学报 2016年3期

关键词：线电压电感校正

丁鹏岭，曹剑坤，杨彬彬，刘海春，谢少军

（南京航空航天大学自动化学院，南京211106）

一种新型具有暂升和暂降补偿功能的宽范围动态电压校正器

丁鹏岭，曹剑坤，杨彬彬，刘海春，谢少军

（南京航空航天大学自动化学院，南京211106）

研究了一种新型的宽范围动态电压校正变换器，详细地分析了其工作原理、关键参数设计和控制方案。该动态电压校正器通过对直流母线电压控制拓宽电网电压暂降的校正范围并实现对电网电压暂升的校正。通过采用三电平半桥逆变以及合理设计输出滤波器参数，保证了输出电压波形质量。通过合理的控制参数设计，输出电压具有较好的稳态精度和快速的动态响应。样机实验验证了该动态电压调节器方案的可行性和理论分析的正确性。

动态电压校正；宽范围电压补偿；电压暂降；电压暂升；能量回馈

引言

随着对供电电压敏感的电力设备增多，电网电压暂变已经成为最严重的电能质量问题之一。通常在接入电网的关键或敏感负载供电端配备相应功率等级的电压校正装置［1-2］用以解决电压暂变问题。传统的动态电压恢复器DVR（dynamic voltage restorer）通常使用超级电容［3］、超导储能［4］或不控整流取电［5］，通过变压器将补偿电压串入供电端以稳定供电电压，结构都较为复杂［6-7］。为减小其体积重量，文献［8］采用无串联变压器DVR，采用输出侧电容直接串入供电端的方式进行电压补偿，但此方案仍需解决DVR的取电问题［9-10］。文献［11-12］提出一种动态电压暂降补偿器DySC（dynamic voltage sag compensator），该装置利用电网电压自供电并且无需变压器，拓扑结构简单，可实现电网电压暂降50%的补偿。为进一步提高电压跌落补偿范围，文献［13］提出后端取电的改进型电路结构及其较为复杂的直流母线电压计算和控制方法。但是在电网电压暂升情况下DySC无法进行电压校正。为避免电网电压暂升补偿时能量倒灌导致的DySC直流母线电压一直上升，文献［14］提出采用零有功功率补偿方案，并在此基础上进一步简化拓扑，但补偿后的端口电压相位随电网电压跌落深度实时变化。

本文在DySC拓扑基础上进行改进，提出一种宽范围动态电压校正装置，可实现电压跌落或暂升的校正，且电压校正范围比传统DySC进一步拓宽。首先详细分析新型宽范围动态电压校正装置的工作原理，推导电压校正范围，其次针对关键参数的设计给出理论依据，提出相应控制策略，最后给出电路仿真和实验验证。

1　变换器工作原理

新型宽范围动态电压校正装置的拓扑结构如图1所示。图中ab端子为输入侧，与电网相连，cd端子为输出侧，与敏感或关键性负载相连，输出稳定交流电压。该变换器由两电平半桥变换器和二极管箝位型三电平半桥变换器级联构成。前者控制直流母线电压及其均衡，后者的交流侧与ab端子串联以校正输出电压，两者均为半桥结构并且共用直流母线和电容中点。逆变部分采用的三电平半桥拓扑可以降低功率器件的电压应力，也可提高校正电压的波形质量。cd端子侧的滤波电感Lf和滤波电容Cf构成LC型输出滤波器。

图1　新型宽范围动态电压校正装置拓扑Fig.1　Topology of wide range dynamic voltage corrector

为方便分析其工作机理，图2为该装置的简化拓扑等效电路。

图2　动态电压校正装置的等效电路Fig.2　Equivalent circuit of dynamic voltage corrector

1.1电压暂降补偿

当电网电压跌落时，变换器2的输出补偿电压与电网电压同相。变换器1工作于PWM半桥整流状态，将电网能量储存至直流母线电容，变换器2吸收直流母线侧能量以补偿电网电压跌落的能量损失。控制变换器2的输出补偿电压幅值和相位，可实现对电网电压跌落补偿。图3给出了电网电压Uin正半周期动态电压校正装置电压跌落补偿的4种工作模态。变换器2与电网串联，所以仅需补偿跌落部分的能量，提高了系统工作效率。

图3　电压跌落时工作模态分析Fig.3　Voltage sag modal analysis

1.2电压暂升补偿

当电网电压暂升时，变换器2的输出补偿电压与电网电压反向。变换器2吸收交流侧能量并将其释放至直流母线。变换器1工作于PWM逆变状态，将直流母线能量回馈至电网，以保证直流母线电压稳定。控制变换器2的输出补偿电压幅值和相位，可实现对电网电压暂升补偿。图4给出了电网电压Uin正半周期动态电压校正装置电压暂升补偿的4种工作模态。该装置将电压暂升部分的能量回馈至电网，可供其他普通负载或非敏感性负载使用，实现了多余能量的回收利用，提高了系统运行效率。

由上述分析可知，该动态电压校正装置具有电压跌落及暂升的补偿功能及体积小、工作效率高等特点。

图4　电压暂升时工作模态分析Fig.4　Voltage swell modal analysis

2　电压校正范围分析

由于新型宽范围动态电压校正装置中的变换器1采用PWM整流方式，直流母线电压可控，所以电压校正范围被拓宽。

2.1电压暂降校正范围

输入电压的最小值受到交流输入侧电感电流的限制。交流输入侧电感电流过大将增加变换器1中电感L的体积重量，提高功率开关器件S5和S6的电流应力。该装置所补偿的功率ΔP为变换器1的输入功率，不考虑变换器的传输损耗，可得

式中：IL_max为变换器1电感电流最大有效值；Po为敏感负载功率；Uo为总输出电压有效值；Uin_min为最低输入电压有效值。则Uin_min为

根据式（2），当Po=3 000 W、Uo=115 V、IL_max=50 A时，输入最低电压可达40 V，补偿深度高达为65%。需注意，以上分析都是在变换器1的最大增益范围内。

2.2电压暂升校正范围

输入电压的最大值受到直流母线电压Udc的限制。在极限条件下变换器1过调制工作，变换器交流侧电压波形为方波。根据方波傅里叶多项式中的基波分量可得输入电压最大有效值为

式中：Uin_max为输入电压最大有效值；Udc为直流母线电压。Udc需考虑以下3点因素：①Udc应尽量小来降低变换器1功率开关器件的电压应力；②Udc应尽量小来提高变换器2的调制比；③Udc应高于输入电压的峰峰值。

该方案的电压暂降补偿深度相比传统DySC（电压暂降补偿深度50%）有较大范围的提升，并且可以实现电压暂升校正。

3　关键参数设计

3.1输入侧电感

交流输入侧电感L的设计至关重要，因为其取值不仅制约变换器1传递功率而且影响其电网侧的电流波形质量。

稳态条件下，根据变换器1交流侧的电压矢量关系，根据余弦定理可得L为

式中：Uin_p为输入侧电压幅值；U1_p为变换器1交流侧电压幅值；ω1为基波角频率；IL_p为电感电流幅值；φ为输入功率因数角。结合U1_p≤2 Udc/π，则

电感L的下限值由电网侧电感电流质量决定，即电网侧电感电流纹波大小。假设电网侧电流所允许的最大电流纹波峰峰值为ΔI，则根据电感两端电压的计算公式可得电感L应满足的条件为

式中：Dmax为变换器1中功率开关的最大占空比。

3.2直流母线电容

直流母线电容C1和C2的设计需考虑变换器1与变换器2之间的能量交换以及直流母线电压纹波。首先需要确定流过直流母线电容的电流峰值。如图2所示，由变换器1与变换器2的直流侧电流可得流过电容C1的电流为

式中：iL和iLf分别为输入侧电感电流与输出滤波电感电流的瞬时值；uin和uo分别为输入电压与输出电压的瞬时值。

考虑变换器间的能量交换，电容电压的最大电压纹波峰峰值为ΔUdc，则电容C1取值的约束条件为

3.3低通LC滤波器设计

文献［15］给出LC低通滤波器设计时的考虑因素和约束条件。PWM控制逆变器输出电压的开关频率附近（N±1）次谐波幅值最大，表达式为

式中：M为调制比；JN±1（x）为第一类贝塞尔函数。令α为Uin跌落深度，则

由此，可求得逆变器（N±1）次谐波电压与跌落深度的数学关系，如图5所示。

由LC滤波器空载传递函数可知

根据有关标准对输出电压各次谐波含量的要求，逆变器（N±1）次谐波电压与跌落深度的关系如图5所示。结合图5可确定LC滤波器对（N±1）次谐波电压的衰减倍数，从而确定截止频率fc；再结合滤波器的无功功率考虑即可以确定Lf和Cf。

图5　逆变器（N±1）次谐波电压与跌落深度的关系Fig.5　Relationship between inverter harmonic voltage in（N±1）and drop depth

表1是结合400 Hz电源输出电压校正设计的3 kVA实验样机的电路参数。

表1　实验样机参数Tab.1　Experimental prototype parameters

4　控制方案分析

由图2可看出，新型宽范围动态电压校正装置由2个变换器级联构成，两者共用直流母线，直流母线电容为直流母线提供电压支撑。因此前后级可实现解耦控制。

变换器1以稳定直流母线电压和保证电网侧电流波形质量为控制目标，同时实现电容中点电压均衡。变换器1采用电压电流双闭环控制，电流内环控制输入侧电感电流，电压外环控制直流母线电压，同时引入均压环反馈控制保证电容中点电压均衡。变换器1的电压外环基准为直流量，对直流母线电压的稳态精度要求较高。所以，变换器1电压外环调节器选用比例积分调节器，电流内环则选用比例调节器。其控制框图如图6所示。

图6　变换器1的闭环控制框图Fig.6　Closed-loop control block diagram of converter 1

图6中，G′v（s）=k′v_p+k′v_i/s，G′i（s）=k′i_p，m为电流传输增益，-1≤m≤1。该时变环节给电压环设计带来困难，考虑最大调制比下得到的最大增益值对电压环稳定性影响最大，因此将该比例增益取值为1。

按照先内环后外环的设计方法，通过绘制闭环传递函数的伯德图，根据适当的截止频率和相位裕度，设计得到各调节器的参数。限于篇幅，本文对设计的过程不再详述。样机中设计电流环比例调节器系数为15，电压外环的比例积分调节器系数分别取

变换器2以输出符合敏感负载要求的稳定交流电压为控制目标，采用电感电流瞬时值内环和输出电压瞬时值外环的双闭环控制。电压外环采用比例谐振调节器以提高基波处的增益，减小输出电压的稳态误差。电流内环仍采用比例调节器，其控制框图如图7所示。其中，Gv（s）=kv_p+krs/（s2+2ωcs+ω12），Gi（s）=ki_p。

图7　变换器2的闭环控制框图Fig.7　Closed-loop control block diagram of converter 2

同样可以设计得到变换器2的控制参数：电流环ki_p=1，电压环谐振控制器的谐振角频率ω1为800π rad/s，ωc取5 rad/s，kv_p=0.01，kr=600。

5　仿真分析与实验验证

采用Saber仿真软件对该装置进行仿真验证，仿真电路参数如表1所示，控制电路参数由上述控制方案分析确定。仿真波形如图8所示。仿真和实验波形中，Uin为输入电压；Uo为输出电压；iL为变换器1电感电流；Udc为直流母线电压；Uinv为变换器2输出电压。图8（a）中输入电压在0.2 s处跌落65%并于0.22 s时刻恢复，图8（b）和（c）输入电压分别在0.2 s处暂升23%和55%并于0.22 s时刻恢复。电压突变时间点均选择在电压波峰处以表明在最恶劣条件下仿真。从仿真波形可知，动态电压校正装置响应速度快，校正精度高。输入电压跌落65%时，变换器1电感电流与输入电压同相，将电网能量储存至直流母线电容。输入电压暂升23%时，输入电压峰峰值与直流母线电压相等，变换器1电感电流与输入电压反相，直流母线电容通过变换器1将能量回馈至电网。输入电压暂升55%时达到最高校正电压，变换器1工作于最大过调制状态，变换器1电感电流受到较大影响。

图8　动态电压校正装置满载仿真波形Fig.8　Dynamic voltage corrector dynamic simulation waveforms

图9　动态电压校正装置空载稳态实验波形Fig.9　Dynamic voltage corrector steady-state experiment waveforms without loads

搭建了1台实验样机，参数同表1，功率开关管选取英飞凌1 kW 75N60T。图9、图10分别为动态电压校正装置空载和满载时的稳态实验波形。从实验波形可以看出，输出电压稳态误差小，直流母线电压稳定在400 V。电压跌落时，输入侧电感电流与电网电压同相；电压暂升时，输入侧电感电流与电网电压反相，与理论分析一致。

图10　动态电压校正装置满载稳态实验波形Fig.10　Dynamic voltage corrector steady-state experiment waveforms with full loads

图11为动态电压校正装置的动态实验波形。可以看出，当电网电压发生较大幅度的瞬时跌落或暂升以及恢复时，输出电压都能很快地恢复至额定电压。

样机实验表明，所提出的动态电压校正装置可以很好地实现宽范围的电压校正，且对电网电压的补偿精度高，响应速度快。

图11　动态电压校正装置动态实验波形Fig.11　Waveforms of dynamic voltage corrector dynamic experiment

6　结语

本文提出了一种新型的动态电压校正装置。该装置是基于传统DySC的衍生，提供了宽范围的电压暂降和电压暂升补偿能力。实验结果表明，该装置可以很好地校正电压跌落和暂升，也证明了本文给出的校正器参数设计方法和控制策略合理可行。该电压校正器在瞬时电压质量控制方面有较好的应用前景。

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A Wide Range Dynamic Voltage Corrector for Voltage Swell and Sag

DING Pengling，CAO Jiankun，YANG Binbin，LIU Haichun，XIE Shaojun
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

A new type of wide range dynamic voltage converter is studied，and the working principle，key parameters design and control scheme are analyzed in detail.The dynamic voltage corrector broadens grid voltage sag correction range and compensates grid voltage swell by controlling the DC bus voltage.With using the three level half bridge inverter and reasonable design of output filter parameters，the corrector can ensure the quality of output voltage.The output voltage has good steady-state accuracy and fast dynamic response by reasonable control parameters design.Prototype experiments verify the feasibility and theoretical analysis of the dynamic voltage regulator scheme.

dynamic voltage correction；wide range voltage compensation；voltage sag；voltage swell；energy feedback