采用新型开绕组结构的电压暂降与短时中断治理装置

刘水，朱锐峰，梅成林，卓定明，钟振鑫，尹靖元

(1.广东电网有限责任公司惠州供电局，广东 惠州 516000；2.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；3. 中国科学院电工研究所，北京 100086;4.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 100049)

随着现代科学和工业技术的发展，电力系统内干扰源呈现多样化趋势，导致敏感负荷的电能质量问题日益严重，而电压暂降与短时中断是电能质量问题中较为突出的问题之一[1-6]。在电网高电能质量供电负荷中，不仅有大型工业负荷，且各种现代化高科技企业分布密集，这些高端工业企业越来越依赖高质量的电力供应[7-8]。每年的电压暂降与短时中断对高端工业的负面影响巨大，导致的直接经济损失达几十亿元，间接损失更是无法估量[9-10]。

电压暂降与短时中断不宜分开治理，在电力系统的日常运行中，雷击避雷器动作、大负荷电动机启动或各类故障引起电网交流保护、自动装置动作，这些都可能伴随着少部分用户的供电出现短时中断，而周边多数用户出现电压暂降[11-12]。从分支线路熔断器与主干线路重合闸的配合关系可以知道，电压暂降、短时电压中断和长时电压中断与故障发生点、保护方式配合以及恢复供电时间紧密相关，并且三者可能相互转化。因此，电压暂降与短时中断是一个电压故障的连续集，从研究和治理的角度可以将电压暂降与短时中断作为一件事情的2种表现来看待[13-15]。

现有电能质量治理装置包括动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，DVR)和统一电能质量调节器(unified power quality conditione，UPQC)。DVR主要有2种运行模式：当电网端电压未出现跌落时，DVR处于旁路状态；当电网端电压出现跌落时，DVR在几毫秒内输出1个相应的补偿电压，使得负荷端得到1个完整的电压波形。DVR输出的电压幅值、相位均可以得到调节，所注入的有功功率、无功功率与负荷功率因数以及DVR自身采用的补偿算法有关[16-17]。UPQC实际上是集串、并联补偿器功能于一身的综合性电能质量补偿器，其并联部分具有静止同步补偿器、有源滤波器等功能，其串联部分具有DVR、动态不间断电源(dynamic uninterruptible power supply，DUPS)等功能，通过多目标协调控制实现如下多重功能：电压控制(电压跌落、电压畸变补偿等)，有功功率、无功动态调节，有源滤波，平衡化补偿等[18-22]。

现有拓扑结构主要解决电压暂降问题，如果电网电压出现短时中断情况，需要补偿装置提供100%额定电压，这就要求电压暂降与短时中断的治理装置的补偿电压能力大幅提升，本质上是提高补偿装置的输出电压能力。为进一步提升电压暂降与短时中断的治理装置的补偿电压能力，本文提出一种开绕组结构的电压暂降与短时中断的拓扑结构，通过串联2组逆变器，在相同开关器件电压应力的条件下，提升逆变器的电压输出能力，保证装置具备全范围电压补偿能力。

1 开绕组结构电压暂降与短时中断拓扑结构

开绕组结构最早在电机领域被提出，是将电机的定子绕组中性点打开，电机两端绕组分别接入2组逆变器，构成逆变器串联结构，在相同直流母线电压条件下实现交流电压等级提升。针对传统DVR方案，也需要将变压器原边串联接入到电网和负载之间，而变压器副边可以仿照电机开绕组结构，将变压器的副边中性点打开，两端同时串联接入逆变器，构成如图1所示的开绕组电压暂降与短时中断拓扑结构。图1中：Ua、Ub、Uc分别为电压源三相电压；Udvr为DVR电压；Udc、Udc1、Udc2为直流电压；U1为变压器和电网连接位置电压；U2为变压器和负荷侧连接位置电压；i1为负载电流;if为逆变器侧电流；Cf、Lf为滤波电容、电感；UC、iC为滤波电容器上电压和电流；L1、r1为负荷侧等效感抗、阻抗；a1、a2、b1、b2、c1、c2为结构中的线路接点。

图1给出了几种开绕组电压暂降与短时中断拓扑结构，根据直流源情况可以分为共直流母线和独立直流母线2种。图1(a)为独立直流母线两电平开绕组结构，变压器的原边连接电网和负载，变压器副边连接2组逆变器INV1和INV2，同时2组逆变器各自具备独立直流母线，直流侧分别接入补偿电压所需要的储能电池。相较传统的两电平DVR结构，图1(a)所示拓扑可以通过逆变器串联，在相同直流电压等级条件下，将逆变器输出电压提升1倍，即提高电压补偿能力1倍。图1(b)为共直流母线两电平开绕组结构，相比于图1(a)，有利于应用在电压暂降与短时中断同时治理的场景。图1(d)给出了共直流母线三电平开绕组拓扑结构，相比于图1(c)共直流母线结构将补偿电压所需要的储能电池直接连接在单一直流母线上，结构相对简单，但由于共模电压存在，需要改进调制策略，实现对共模电压的抑制，因此要牺牲掉部分直流电压利用率。

图1 开绕组电压暂降与短时中断主电路Fig.1 The main circuit of voltage sag and short-term interruption of open-end winding

为实现电压暂降补偿，变压器的原副边变比1∶n中，副边电压(即逆变器侧电压)往往要大于原边电压几倍。以补偿20%电压跌落为例，设置变压器变比为1∶5，既可以通过逆变器输出额定线电压来实现对负载电压的额定补偿，也保证了负载电流和逆变器侧电流比值是5∶1，从而减少逆变器侧开关器件的电流应力。但考虑到电压短时中断的情况，变压器的原边电压需要输出100%额定电压，以实现对负载电压的额定补偿，此时变压器的原副边变比不宜过大。以变压器的原副边变比1∶2为例，为了实现中断条件下的额定负载电压补偿，逆变器输出电压要保证2倍额定负载电压，而采用图1(a)的拓扑即可以在相同直流母线电压等级的条件下实现2倍额定电压输出。当负载功率进一步增加，为了减少逆变器的电流应力，变压器原副边变比需进一步减少，此时在相同开关器件的耐压范围内，通过进一步扩展逆变器电平数，以实现额定电压补偿。图1(c)给出了独立直流母线三电平开绕组拓扑结构，相比于图1(a)，相同开关器件电压应用条件下可提升逆变器输出电压1倍，更同样需要进行共模电压抑制，牺牲部分直流母线电压利用率。图1(e)为独立直流母线混合电平开绕组结构，变压器副边两端逆变器可以分别采用三电平和两电平结构，拓扑结构相对灵活。

采用图1所示结构的另一个优点在于其可以实现故障冗余运行。以图1(a)为例，当逆变器INV1出现故障时，可以闭锁INV1开关器件的全部脉冲，逆变器INV2依然可以正常工作，尽管此时补偿电压能力降低了一半，仍可以实现部分电压暂降补偿。冗余结构对于装置实际应用具备重要意义，电能质量治理设备无论安装在用户侧还是电网侧，冗余设计都可以减少设备的运维成本，增强装置可靠性，有利于电压暂降与短时中断治理装置在高精负荷场景的进一步推广。

2 双逆变器串联开绕组结构调制策略

定义电压空间矢量(本文中均用复数形式表达和计算)

(1)

式中Ua1a2、Ub1b2、Uc1c2分别为串联逆变器输出端三相电压。

开绕组结构双逆变器串联产生的电压空间矢量Us是由2组逆变器单独作用时产生的空间时间叠加而成，即Us=Us1-Us2，其中Us1和Us2分别为逆变器INV1和INV2各自产生空间矢量。

图2所示为两电平开绕组结构逆变器INV1和INV2的空间矢量图，其中θ为合成矢量与α轴的角度。根据各自逆变器开关函数得出对应空间矢量1—6和1′—6′，对应空间位置分别为A、B、C、D、E、F和A′、B′、C′、D′、E′、F′，7、8和7′、8′为零矢量，对应空间位置为O。将2组逆变器的空间矢量进行排列组合，得出双逆变器串联合成的空间矢量图如图3所示，其中A—S为合成矢量对应的空间位置，以位置A为例，共有6种矢量组合，分别为17′、18′、84′、74′、23′、65′(以23′为例，其表示由图2中逆变器1的矢量2和逆变2中的矢量3′叠加而成)。

图2 开绕组两端逆变器空间矢量Fig.2 Voltage space vector of the individual converter

图3 双逆变器串联空间矢量Fig.3 Space vector diagram of double inverters in series

图3所示空间矢量图与三电平空间矢量图相同，即两电平串联结构可以等效实现三电平效果。相较传统二极管嵌位式三电平，图1(a)所示结构可以减少二极管数量，同时直流电压等级为三电平直流电压的一半。图1(a)中，独立直流母线两电平开绕组结构可以根据图3的空间矢量进行空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)，由此确定2组逆变器各自矢量的空间位置和大小。

图1(b)中的共直流母线结构需要解决共模电压抑制问题，共模电压表示为

(2)

式中：UCM为系统共模电压；Ua1o、Ub1o、Uc1o、Ua2o、Ub2o、Uc2o分别为各自逆变器的端电压；Sa1o、Sb1o、Sc1o、Sa2o、Sb2o、Sc2o分别为各自逆变器桥臂开关函数。

表1 无共模电压差下的联合空间矢量Tab.1 Joint Space vectors without CM voltage

(3)

图4 无共模电压下双逆变器串联空间矢量Fig. 4 Space vector diagram of double inverters in series without CM voltage

|U1|=|U2′|=|U2|=|U4′|=

(4)

将合成矢量分配到每台逆变器各自矢量，如图2中的Us1、Us2，Us1由1、2这2组矢量构成，θ1为Us1矢量角度，Us2由3′、4′这2组矢量构成，θ2为Us2反向与α轴角度，此时矢量1和3′作用长度仍然可以由式(3)得出。

比较式(3)、(4)可以得出：

(5)

因此2组逆变器只需根据式(5)生成各自脉冲矢量，就可以实现系统高频共模电压的抑制，不需要改变已有的SVPWM计算方法。

3 电压暂降与短时中断控制策略

以图1(b)拓扑结构为例，理想三相静止坐标系下数学模型可表示为：

(6)

式中：Usa、Usb、Usc为逆变器相电压；Isa、Isb、Isc为每相电流；Rs为线路等效电阻。

将式(6)转变到同步旋转坐标系下，得

(7)

式中：Usd、Usq为逆变器dq轴电压；Ud1、Uq1、Ud2、Uq2为逆变器1和逆变器2的dq轴电压；Isd、Isq为dq轴电流;ω为角频率。

电压暂降与短时中断治理装置前馈控制较为简单，即将预期额定负载电压参考值和实际检测到电网电压值进行比较，差值为实际需要补偿的电压，作为补偿电压的指令控制逆变器输出。由于中间没有PI控制，前馈控制响应速度快，整体控制简单，但其缺点是受限采样精度和逆变器输出精度，负载电压可能存在稳态误差。

图5 电压暂降与短时中断治理装置前馈控制Fig.5 Feed forward control block diagram of voltage sag and short-term interruption device

反馈控制直接检测负载电压，以此为控制目标，通过负载电压外环、逆变器电流内环的双闭环控制，使得负载电压和参考电压保持一致。相较于前馈控制，反馈控制具备更强的自适应性，适用于负载情况多变的应用场景，但缺点在于牺牲了部分响应时间。因此，应针对不同的应用场景和技术指标采用对应的控制策略。

图6 电压暂降与短时中断治理装置反馈控制原理Fig.6 Feedback control block diagram of voltage sag and short-term interruption device

4 试验

为验证新型开绕组结构电压暂降与短时中断治理装置补偿电压的有效性，搭建两电平开绕组试验平台，拓扑结构采用如图1所示系统，装置参数见表2。

表2 系统参数Tab.2 System parameters

图7所示为电压暂降工况下负载电压补偿波形。拓扑采用图1(b)中共直流母线开绕组结构两电平拓扑，其中：在电网电压跌落情况下，电网线电压和负载线电压依然可以维持额定电压幅值，由于采用共模电压抑制调制策略，消除逆变器输出电压中共模含量，负载电压中也不含有共模分量；单相逆变器输出电压﹝即图1(b)中2组逆变器输出端a1和a2之间电压﹞的输出为三电平电压，等效为三电平变流器结构输出电压；负载电流保持额定工作。

图7 电压暂降补偿试验波形Fig.7 Voltage sag compensation experimental waveforms

图8所示为电压短时中断工况下负载电压补偿波形。当电网电压跌落为0后，图1(b)中变压器原边电网侧通过晶闸管连接，构成线电压通路，同时开绕组结构等效输出额定电网电压，保证负载电压额定工作。

图8 电压短时中断补偿试验波形Fig.8 Short-term interruption compensation experimental waveforms

图9和图10给出电网电压跌落跌落20%情况下，分别采用前馈控制和反馈控制时的负载电压补偿试验波形。图9中负载电压恢复额定的速度更快，证明前馈控制的快速性；但图10中补偿稳定后负载电压更接近额定值，验证了反馈控制的控制精度更高。

图9 前馈控制补偿电压波形Fig.9 Experimental waveforms of voltage sag compensation of feed forward control

图10 反馈控制补偿电压波形Fig.10 Experimental waveforms of Voltage sag compensation of feedback control

补偿后负载电压的幅值是电能质量治理的一个重要的指标，补偿动态响应时间同样重要。动态响应时间主要由检测时间和补偿时间决定，由于前馈控制补偿速度更快，体现动态响应时间的试验主要采用前馈控制完成。图11所示为三相电压同时跌落条件下的补偿电压波形。以B相电压60°时刻开始跌落为例，从跌落时刻到恢复时刻时间约为4 ms，其中检测时间占据主要部分。检测算法同时判断电网电压在dq轴的分量，d轴分量小于一定阈值，q轴分量大于一定阈值认定电网电压跌落，所以三相对称跌落故障检测所需时间最短，也是最容易完成判断的一种跌落类型。而单相跌落在d轴分量幅值减少比例相对较低，q轴分量幅值增加比例相对较少，因此单相跌落故障检测所需时间最长。图12所示为不同相位发生单相跌落故障下的补偿试验波形，其中图12(a)为A相90°时刻发生跌落，图12(b)为A相180°时刻发生跌落。单相跌落情况补偿动态响应时间约为5 ms，略大于三相对称跌落时间，但同样可以保证装置能够实现对电网电压跌落的快速补偿。

图11 三相对称跌落补偿电压波形Fig.11 Experimental waveforms of three-phase voltage symmetrical sag compensation

图12 单相跌落补偿电压波形Fig.12 Experimental waveforms of single-phase voltage sag compensation

5 结束语

针对电网电压出现暂降和短时中断等电能质量问题，本文提出一种新型开绕组结构电压暂降与短时中断治理装置拓扑结构，通过将变压器中性点打开，连接2组逆变器结构，实现在相同电压器件应力下，补偿电压等级提升，有利于应用在综合处理电压暂降与短时中断的场景。

文中首先给出几种开绕组结构拓扑结构，针对共直流母线和独立直流母线结构，分析各自优缺点。针对共直流母线结构，提出共模电压抑制调制策略，可实现逆变器输出电压共模电压抑制。针对电压暂降与短时中断应用场景，开展前馈控制和反馈控制策略研究。最后搭建开绕组电压暂降与短时中断治理装置试验平台，验证装置拓扑结构对负载电压补偿的有效性，证明共模电压抑制调制策略和补偿控制策略的正确性。