二极管箝位多电平动态电压恢复器的控制与调制

胡鹏飞　黄国良　沈桔　钱昊　陈吉

摘要：为解决级联多电平动态电压恢复器（DVR）用于提高配网电压质量时需要多个整流单元的问题，提出了一种基于二极管箝位五电平逆变器的三相DVR方案。相较于普通级联型DVR，该三相DVR在输出电平数增加时只需一个整流单元，就可以达到减少整流单元开关器件的目的。同时，采用比例谐振控制（PR）算法，保证了逆变器输出电压的实时跟踪与谐波补偿。最后，在PSIM中搭建了仿真平台进行验证，仿真结果表明，所提策略用于三相三线10 kV配网系统的电压质量治理是可行的。

关键词：DVR;二极管箝位五电平逆变器;瞬时无功功率理论;PR算法

0 引言

随着科技的发展和工业的进步，用户对电能质量提出了比以往更苛刻的要求。动态电压恢复器（DVR）作为一种串联型电能质量补偿装置，因其良好的动态性能和补偿特点，被广泛应用于解决电压暂降、电压骤升、电压谐波及三相不平衡等电能质量问题，是目前保障电压质量的有效手段之一。

文献[1]介绍了一种级联多电平动态电压恢复器，其整流单元采用二极管不可控整流方式，不能保证直流侧电压的实时跟踪。文献[2]介绍了一种十一电平级联动态电压恢复器，采用单台多绕组变压器加二极管不可控整流方式充电，但其同样无法保证直流侧电压的实时稳定。文献[3]提出了一种用于10 kV配网的动态电压恢复器结构，每个H桥子模块都必须配一个可控整流单元，经济效益较低。

针对补偿现象为电压暂降、电压骤升或电压长时间跌落，二极管整流级联多电平DVR的直流侧电压不可控和PWM整流级联多电平DVR需多个整流模块、成本高的缺点，本文提出一种基于二极管箝位五电平逆变器的三相DVR方案，即整流侧采用双闭环加前馈的控制策略，逆变侧采用基于瞬时无功理论的电压检测算法和同相电压补偿策略，保证补偿电压的准确。在PSIM仿真软件中搭建了二极管箝位五电平DVR模型，仿真验证了该方案的可行性。

1 电路拓扑

基于二极管箝位五电平逆变器的三相DVR主电路如图1所示。该主电路主要由电网、负载、三相全桥整流单元、储能单元和二极管箝位五电平逆变器等组成。其中，ea为电网电压，udvr为DVR输出电压，uL为负载电压。DVR工作时，控制器先发出整流信号，控制整流器整流，待储能单元达到一定电压后，实时检测电网电压发出补偿指令，控制逆变器输出补偿电压，补偿电压经滤波后耦合串联到电网中。考虑到本文提出的拓扑将应用于10 kV配网中，采用变压器耦合方式隔离高压，提高系统的可靠性。二极管箝位五电平DVR单相拓扑如图2所示。

由图2可见，逆变单元采用二极管箝位五电平结构，每相均由8个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和6个箝位二极管组成。该二极管箝位逆变器输出相电压为五电平，与和两个H桥级联的逆变器输出电平数相同。

2 控制策略

2.1    电压检测算法

电压检测算法采用基于瞬时无功理论的dq0检测法[4]，将三相坐标系变换到与发电机旋转相对静止的dq0坐标系下。

Ua、Ub、Uc为装置通过信号采集单元捕捉到的电网三相电压。由于实际电网电压不仅含有基波分量，还含有各次谐波，设基波电压峰值为UM，A相基波初相角为φ1，n次谐波电压峰值为Un_M，n次谐波的初相角为φn。经计算后，原基波分量变为直流分量，原谐波分量变为周期分量，经dq0变换后的Ud、Uq值需通过低通滤波器滤除谐波分量，得到只含基波分量的Ud0、Uq0。

将理想补偿目标电压峰值Upk_st与当前求得的基波电压峰值相除，再乘以基波电压dq值，可快速得到理想补偿目标电压的dq值，与当前求得的基波电压Ud0、Uq0相减，即可得当前基波电压的电压暂降或电压骤升值Udv、Uqv。再经dq0反变换后，即可求得当前电压与标准电压的差值Ua_dv、Ub_dv、Uc_dv。

由于A、B、C三相电压中含有谐波，谐波分量经dq0变换后仍是周期分量。将Ud、Uq值减去基波电压Ud0、Uq0，即可得谐波分量的dq值Udn、Uqn。再经dq0反变换后，即可求得当前电压谐波Ua_dn、Ub_dn、Uc_dn。

检测算法原理如图3所示。

2.2    逆变电路的电压PR无静差控制

由于逆变电路的输出为DVR补偿的电网电压和谐波分量，都是正弦信号，而传统PI控制虽然成熟，但它无法满足对正弦信号的无静差跟踪及快速响应[5]，因此本文采用了PR控制。在谐振频率处，PR控制的开环增益无穷大，理论上可以实现对指定频率正弦信号的无静差控制。比例谐振控制器（PR）是基于内膜原理提出的，它可以直接控制交流量，传递函数为：

3 仿真验证

仿真参数：电网电压10 kV，频率50 Hz，系统阻抗Zs=0.5+j0.001 Ω，10 kV电压经一台200 kVA、10 kV/380 V变压器给负载，负载阻抗Zs=3+j0.000 5 Ω。装置整流侧和逆变侧均采用LCL滤波，其中大电感0.2 mH，小电感0.05 mH，滤波电容20 μF，直流侧电容6.6 mF。在PSIM仿真软件中搭建了主电路，仿真过程中，0—0.1 s、0.2—0.25 s电网电压为10 kV;0.1—0.2 s电网电压发生压降，压降幅值为电网电压单相峰值的8%：653 V;0.25—0.4 s电网电压骤升653 V;0.1—0.4 s电网电压一直含有背景谐波，其中5次、7次谐波峰值100 V，11次、13次谐波峰值50 V，电压畸变率为2%。电网电压波形如图5所示。

电压检测算法检测到的波形如图6所示。由图6（a）可见，在0.1 s，电压检测算法开始检测到当前电压与标准电压的差值。0.1 s之后的第一个周期，电压检测算法的误差较大，检测到的电压偏差逐渐增大。第一个周期后，电压检测算法检测到的电压偏差基本消除，精度较高。由图6（b）可见，电压检测算法检测到的谐波，在电压幅值发生波动的一个周期内受到干扰，检测到的谐波较电压未发生波动时大;在电压波动结束后，检测到的谐波趋于稳定。

在0.1 s之前，二极管箝位五电平DVR工作在整流状态，三相半桥整流器给直流电容进行充电。0.1—0.2 s，电网电压跌落，二极管箝位五电平逆变器开始工作，发出与电网电压同相波形补偿电压跌落。0.25—0.4 s，电网电压骤升，二极管箝位五电平逆变器发出与电网电压反相波形抵消电压骤升。在补偿的每个时刻，逆变器都输出与背景谐波反相的电压值，消除负载电压上的背景谐波值，补偿后电压畸变率为0.5%。由于采用多重PR控制策略，DVR动态性能较好，补偿后负载电压ULa稳定速度快。补偿后电压波形如图7所示。

4 结语

本文搭建的二极管箝位五电平DVR仿真模型，可以有效补偿电网中的电压跌落、电压骤升和背景谐波电压，电压检测算法和多重电压PR控制策略是其核心策略。通过仿真可以得出以下结论：（1）将二极管箝位逆变器应用到DVR中，在提高输出电压电平数的同时，有效减少了整流单元个数;（2）采用多重PR控制器，可直接对交流信号进行控制，提高了DVR补偿效果和动态性能。

[参考文献]

[1] 王宝安，孟庆刚，商姣，等.一种新型动态电压恢复器的仿真与实验[J].电力自动化设备，2013，33（9）：25-30.

[2] 周雪松，何杰，马幼捷，等.级联多电平技术在动态电压恢复器中的研究[J].高电压技术，2008，34（6）：1189-1194.

[3] 叶傅华，陈国栋，宋晋峰，等.10 kV动态电压恢复器及其整流控制策略[J].大功率变流技术，2011（4）：44-48.

[4] 赵艳雷.动态电压恢复器逆变单元的研究与实现[D].北京：中国科学院电工研究所，2006.

[5] 胡存刚.多电平二极管箝位型逆变器PWM控制方法及相关问题的研究[D].合肥：合肥工業大学，2008.

收稿日期：2021-08-16

作者简介：胡鹏飞（1992—），男，江苏南通人，工程师，研究方向：电力电子在配电网中的应用、电气工程与自动化。