巫付專 侯婷婷 馮占偉 巫曦

(中原工學(xué)院,河南 鄭州 451191)

DVR補(bǔ)償變壓器變比對(duì)系統(tǒng)參數(shù)影響的研究

巫付專 侯婷婷 馮占偉 巫曦

(中原工學(xué)院,河南 鄭州 451191)

針對(duì)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)的系統(tǒng)參數(shù)選取存在盲目性、不利于推廣應(yīng)用等特點(diǎn),從經(jīng)濟(jì)和節(jié)能角度出發(fā),研究了動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器補(bǔ)償變壓器變比對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的影響,并確定了DVR的參數(shù)確定原則。補(bǔ)償變壓器變比能節(jié)約設(shè)備成本,降低能耗。搭建了Matlab仿真模型和樣機(jī)平臺(tái),在直流側(cè)電壓允許的前提下,試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該原則的可行性和正確性。

補(bǔ)償變壓器 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR) 系統(tǒng)參數(shù) 節(jié)能 Matlab仿真

0 引言

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamic voltage restorer,DVR)是目前解決電壓跌落、閃變、過電壓等用戶電能質(zhì)量問題的有效裝置。電壓跌落對(duì)負(fù)載造成的影響沒有電壓中斷嚴(yán)重,但是它發(fā)生的頻率高。據(jù)歐美國家的電力部門統(tǒng)計(jì),電壓跌落占所有電能質(zhì)量問題事故率的80%以上,是最頻繁的電能質(zhì)量問題[1]。因此,設(shè)置動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器保護(hù)電路中的敏感負(fù)荷成為最經(jīng)濟(jì)有效的方法。

近年來,DVR的研究主要集中在控制策略、補(bǔ)償策略及檢測(cè)方法等方面,如文獻(xiàn)[2]～[4]中分析的主要內(nèi)容。文獻(xiàn)[5]研究了不同變壓器接法對(duì)參數(shù)和電路性能的影響。變壓器三角型連接的DVR對(duì)于單相的電壓跌落不能補(bǔ)償;星型連接的DVR既可以補(bǔ)償三相同時(shí)跌落的情況,又可以補(bǔ)償單相跌落和電壓零序分量。但文獻(xiàn)[5]對(duì)于主電路參數(shù)的選取只涉及到部分內(nèi)容,并不全面,對(duì)于補(bǔ)償變壓器變比對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)備成本影響的研究較少。本文將針對(duì)補(bǔ)償變壓器的變比與系統(tǒng)損耗及設(shè)備成本之間的關(guān)系進(jìn)行討論。基于三相電壓型DVR,提出了在同相位補(bǔ)償策略下確定DVR容量及補(bǔ)償變壓器變比的計(jì)算方法,分析不同變比的情況下系統(tǒng)各參數(shù)的確定方法。

1 DVR的主電路及其工作原理

三相電壓型DVR的主電路如圖1所示,主要包括4個(gè)部分:能量存儲(chǔ)裝置、逆變器、濾波器和補(bǔ)償變壓器,如圖1中虛線框中所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí), DVR檢測(cè)到電壓跌落信號(hào)并根據(jù)一定的控制算法產(chǎn)生指令信號(hào),控制逆變器輸出所需的補(bǔ)償電壓。補(bǔ)償變壓器的初級(jí)線圈與濾波器相連,次級(jí)線圈串聯(lián)在電網(wǎng)中。同時(shí),補(bǔ)償變壓器起到隔離作用。

圖1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)裝置及其電壓補(bǔ)償Fig.1 DVR and its voltage compensation

為了便于分析DVR的工作狀態(tài),可將其等效為一個(gè)受控電壓源[5]。DVR單相等效電路如圖2所示。

圖2 DVR單相等效電路Fig.2 DVR single-phase equivalent circuit

根據(jù)圖2可知,如果忽略電網(wǎng)的線路阻抗Zline和DVR的自身阻抗ZDVR,可以得到:

式中:UL為負(fù)載兩端的額定電壓;Us為電網(wǎng)電壓;UC為DVR輸出的補(bǔ)償電壓。

當(dāng)電網(wǎng)電壓和負(fù)載額定電壓相等時(shí),DVR不補(bǔ)償;當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí),DVR輸出補(bǔ)償電壓,使負(fù)載端電壓保持不變。

2 DVR容量的確定

DVR的容量要根據(jù)補(bǔ)償對(duì)象進(jìn)行選取。如果負(fù)載的額定工作電流為IL,DVR的輸出補(bǔ)償電壓為UC,則容量為:

從上式可知對(duì)于同一敏感負(fù)荷,DVR容量主要由UC確定。當(dāng)DVR的補(bǔ)償策略不同時(shí),UC不同。因此,可根據(jù)不同補(bǔ)償策略確定DVR容量。

DVR補(bǔ)償時(shí),假設(shè)濾波電路為理想狀態(tài),逆變器輸出的電壓即補(bǔ)償變壓器原邊電壓Uin與電網(wǎng)發(fā)生跌落時(shí)跌落電壓ΔU有如下關(guān)系:

式中:k1為補(bǔ)償變壓器變比;k2為補(bǔ)償因子;U′L為補(bǔ)償后負(fù)載電壓;Usag為發(fā)生跌落時(shí)電網(wǎng)電壓值。

DVR輸出補(bǔ)償電壓UC與ΔU有如下關(guān)系:

本文針對(duì)同相位補(bǔ)償策略進(jìn)行分析,其他補(bǔ)償策略在此不再詳述。

同相位電壓補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電壓UC與跌落瞬間電網(wǎng)電壓Usag同相位,只能進(jìn)行幅值的補(bǔ)償,不能補(bǔ)償相角變化,其補(bǔ)償向量圖如圖3所示[6]。圖3中,UL和IL分別為正常情況下負(fù)載電壓與網(wǎng)側(cè)電流;U′L和I′L分別為發(fā)生跌落并補(bǔ)償以后的負(fù)載電壓和網(wǎng)側(cè)電流。

在圖3中,U′L與Usag相位相同,假設(shè)負(fù)載為感性,因負(fù)載不變,則阻抗角φ不變?？梢钥闯?DVR的功率因數(shù)角α等于負(fù)載阻抗角φ。

圖3 同相位補(bǔ)償向量圖Fig.3 Vector diagram of the compensation in the same phase

由式(5)～(7)可以確定同相位補(bǔ)償策略的DVR容量和有功功率P。

從式(6)可以看出同相位補(bǔ)償時(shí),補(bǔ)償因子k2= 1,則在同相位補(bǔ)償方式下,式(3)可以等同于:

假設(shè)同一電路中電網(wǎng)跌落的電壓值不變,則DVR的總?cè)萘恳膊粫?huì)改變,如提高補(bǔ)償變壓器的變比k1,相當(dāng)于提高了DVR中的電壓,降低了DVR中的電流,則總損耗會(huì)有所降低。

3 補(bǔ)償變壓器變比k1的確定

補(bǔ)償變壓器變比k1的確定與變壓器連接方式、逆變器控制技術(shù)和補(bǔ)償策略都有關(guān)。由式(8)確定補(bǔ)償變壓器的變比,得到:

由于本文采用同相位補(bǔ)償策略,故k2=1,則補(bǔ)償變壓器的變比為:

式中:Uin與補(bǔ)償變壓器的連接方式有關(guān)。

不同的連接方式下Uin的大小為:

式中:Uout為逆變器輸出電壓值,該輸出電壓值與逆變器的控制技術(shù)有關(guān)。

不同的控制技術(shù)下輸出電壓值為:

式中:Udc為直流側(cè)電壓值;m為調(diào)制比。

Udc由能量存儲(chǔ)裝置提供,不同的儲(chǔ)能裝置所能提供的直流側(cè)電壓值不同。由式(11)、(12)可以確定變壓器變比k1的范圍為:

由式(13)可見,補(bǔ)償變壓器變比k1與直流側(cè)電壓Udc成正比。

3.1 直流側(cè)電壓Udc的確定

不同的儲(chǔ)能裝置所能提供的直流側(cè)電壓值不同,選取AC/DC變換器為逆變器提供直流側(cè)電壓,可以不受容量的限制持續(xù)補(bǔ)償,為提高補(bǔ)償變壓器的變比提供了較大的空間裕度。直流側(cè)采用AC/DC變換器時(shí),交直流側(cè)電壓的關(guān)系如式(14)所示。

式中:Us為電網(wǎng)正常情況下相電壓有效值。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí),Us等于Usag。

直流側(cè)電容Cdc的容值由補(bǔ)償系統(tǒng)的有功功率P確定,并考慮其充放電電流是否滿足要求。當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生突變時(shí),引起DVR主電路傳遞的有功和損耗發(fā)生變化,同時(shí),直流側(cè)電壓也發(fā)生波動(dòng)。因此,必須選取合適的電容來將直流側(cè)電壓波動(dòng)維持在限定的范圍內(nèi)[7]。具體計(jì)算可按參考文獻(xiàn)[7]計(jì)算。

儲(chǔ)能裝置還可以選取PWM整流器,能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng),并能保證電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1。但此結(jié)構(gòu)會(huì)增加控制難度和設(shè)備成本,在電網(wǎng)電壓頻繁跌落的情況下其優(yōu)勢(shì)并不明顯。因此本文采用三相不可控整流的方式作為儲(chǔ)能裝置。

3.2 逆變器型號(hào)的選取及成本分析

選取逆變器型號(hào)的關(guān)鍵是確定直流側(cè)的額定電壓、額定電流、開關(guān)頻率等參數(shù)。逆變器額定電壓根據(jù)直流側(cè)電壓Udc的大小,按式(14)確定;逆變器額定電流根據(jù)同相位補(bǔ)償策略確定的容量S進(jìn)行選取,實(shí)際選取時(shí)要留有一定的余量;開關(guān)頻率的高低不僅影響補(bǔ)償性能優(yōu)劣,而且影響IGBT的損耗大小。在實(shí)際工作電流不變時(shí),開關(guān)頻率越高,開關(guān)損耗越大,可見在實(shí)際應(yīng)用中,逆變器的開關(guān)管頻率不能過高。在開關(guān)頻率不變時(shí),提高補(bǔ)償變壓器的變比,同時(shí)升高逆變器輸入端的直流電壓Udc,則逆變器的實(shí)際工作電流降低,逆變器的總損耗同時(shí)降低。在能保證補(bǔ)償性能和準(zhǔn)確性的條件范圍內(nèi),適當(dāng)降低開關(guān)頻率和提高補(bǔ)償變壓器的變比,可以降低IGBT的損耗。

分析目前在電網(wǎng)末端常用的逆變器型號(hào),并對(duì)比其成本。當(dāng)直流側(cè)耐壓相同時(shí),電流減小1/2,逆變器的成本也會(huì)相應(yīng)降低一半?？梢娺m當(dāng)提高變壓器變比,可以選取小電流的逆變器,節(jié)約裝置成本。

3.3 濾波電路LC的參數(shù)設(shè)計(jì)

3.3.1 感值L和容值C的確定

LC濾波器用于濾除逆變器產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲。濾波電感L和濾波電容C的值越大,濾波效果越好,但若L、C取值較大,會(huì)造成裝置體積增大,且使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢,跟蹤性能變差,影響補(bǔ)償效果。濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)原則是逆變器輸出的基波電壓衰減最小,同時(shí)使其他高次諧波得到最大程度地衰減。因此,我們采用最佳阻抗匹配法確定感值,使基波衰減最小。

濾波電路阻抗匹配分析示意圖如圖4所示。

圖4 濾波電路阻抗匹配分析示意圖Fig.4 Analysis of the impedance matching of filtering circuit

從圖4分析可知,5、6端的等效阻抗為Z。假設(shè)變壓器為理想變壓器,將補(bǔ)償變壓器T型等效,等效電路圖為圖4中虛線框中的部分[7],則3、4兩端的等效阻抗為,阻抗匹配條件下LC濾波后基波電壓不衰減。

當(dāng)截止頻率ω0為1/時(shí),則:

繼而可得:

可見濾波電感感值L與補(bǔ)償變壓器變比k1的平方成正比,電容值C與補(bǔ)償變壓器變比k1的平方成反比。因此確定濾波電路時(shí)要考慮補(bǔ)償變壓器的變比值。

3.3.2 濾波電感L及補(bǔ)償變壓器的成本分析

電感的設(shè)計(jì)有多種方法,為使電感線圈在滿足性能要求的情況下,降低成本、減小體積,采用最小體積作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體計(jì)算可參考文獻(xiàn)[8]。

當(dāng)變壓器變比k1發(fā)生變化時(shí),例如增大k1倍,由式(17)可知電感值也增大k1的平方倍。當(dāng)電感儲(chǔ)存的電磁勢(shì)能W不變,而電感線圈匝數(shù)N增大k1倍,導(dǎo)線面積As減小k1倍,若選用的導(dǎo)線根數(shù)n不變,則單根導(dǎo)線的截面積減小k1倍。窗口面積充填系數(shù)Km可以選擇較大值,鐵芯截面積與窗口面積乘積Ap也可適當(dāng)減小。由此可得,提高補(bǔ)償變壓器變比,并通過合理設(shè)計(jì),濾波電感的成本還可以略有降低。同理增大補(bǔ)償變壓器變比,也可以降低補(bǔ)償變壓器的成本。

銅線的標(biāo)稱直徑選為0.8 mm。當(dāng)補(bǔ)償變壓器變比為1時(shí),濾波電感值取0.75 mH,銅線匝數(shù)為52匝,并聯(lián)6根,銅線質(zhì)量為83.2 g;當(dāng)補(bǔ)償變壓器變比為2時(shí),濾波電感值取3 mH,銅線匝數(shù)為103匝,并聯(lián)3根,銅線質(zhì)量為82.4 g,濾波電感成本會(huì)略有降低。

補(bǔ)償變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗可參考文獻(xiàn)[9],按照10年變電成本計(jì)算確定;阻抗壓降可參考文獻(xiàn)[7]計(jì)算。

通過以上分析,可以得到以下結(jié)論。

①變比增大,提高直流電壓利用率。從式(13)可以看出,當(dāng)補(bǔ)償情況不變時(shí),補(bǔ)償變壓器變比k1增大,提高了直流側(cè)電壓利用率。

②變比增大,補(bǔ)償變壓器原邊側(cè)電流減小,可以降低逆變器的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。

通過計(jì)算7MBI50N-120模塊的IGBT損耗,分析補(bǔ)償變壓器變比對(duì)IGBT損耗的影響。假定工作電流為額定工作電流50 A,開關(guān)頻率為12.8 kHz,則變壓器變比對(duì)逆變器IGBT損耗的影響如表1所示。

表1 變比對(duì)IGBT的損耗影響Tab.1 Influcence of ratio to IGBT loss

表1中,P1ds為逆變器IGBT的開關(guān)損耗,P1ss為逆變器IGBT的導(dǎo)通損耗,P2ds為逆變器續(xù)流二極管的開關(guān)損耗,P2ss為逆變器續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗。

由表1可知,當(dāng)變壓器變比增大時(shí),逆變器的工作電流減小,可降低逆變器的總損耗。變比增大一倍, IGBT的總損耗降低50%左右。

③變比增大,節(jié)約成本。因變比增大,原邊電流降低,逆變器可選小電流型號(hào)IGBT,節(jié)約逆變器的成本。

由以上3點(diǎn)可知,提高補(bǔ)償變壓器的變比,不僅不會(huì)影響補(bǔ)償效果,還可以降低設(shè)備的總成本及能耗。

4 仿真與試驗(yàn)

根據(jù)以上理論分析和各參數(shù)確定原則,搭建Matlab仿真模型和試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)比不同變比時(shí)裝置的補(bǔ)償效果。

假設(shè)電網(wǎng)電壓為220 V,在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生跌落,跌落值為30%,負(fù)載視在功率為10 kVA,取變壓器變比k1分別為1和2時(shí),得到的仿真結(jié)果圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 變壓器變比為1時(shí)補(bǔ)償效果圖Fig.5 The compensation effect when transformer ratio is 1

圖6 變壓器變比為2時(shí)補(bǔ)償效果圖Fig.6 The compensation effect when transformer ratio is 2

圖5為補(bǔ)償變壓器變比k1取1時(shí)的補(bǔ)償效果仿真圖,此時(shí)濾波電感值取0.75 mH,補(bǔ)償后負(fù)載兩端電壓的THD值為0.90%。圖6為補(bǔ)償變壓器變比k1取2時(shí)的補(bǔ)償效果仿真圖,此時(shí)濾波電感值取3 mH,補(bǔ)償后負(fù)載兩端電壓的THD值為0.84%。由以上兩個(gè)仿真結(jié)果圖可知,依照各參數(shù)設(shè)計(jì)原則搭建的仿真模型能夠快速地輸出補(bǔ)償電壓,保持負(fù)載電壓穩(wěn)定。同時(shí)驗(yàn)證了變壓器變比和濾波電感的關(guān)系,即當(dāng)變壓器變比增大k1倍時(shí),濾波電感值也增大k1的平方倍,補(bǔ)償性能基本不變。

試驗(yàn)中,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落10%時(shí),補(bǔ)償變壓器選取不同變比的補(bǔ)償效果如圖7所示。

圖7 補(bǔ)償效果圖Fig.7 Compensation effect

圖7(a)、7(b)中的曲線均為補(bǔ)償變壓器副邊輸出電壓。圖7(a)為變壓器變比k1為1時(shí)實(shí)際補(bǔ)償效果圖,濾波電感值L為0.8 mH,補(bǔ)償電壓值為23.3 V;圖7(b)為變壓器變比k1為2時(shí)實(shí)際補(bǔ)償效果圖,濾波電感值L為3.5 mH,補(bǔ)償電壓值為23.4 V。由圖7(a)、7(b)可知,補(bǔ)償變壓器的變比增大,濾波電感值增大,對(duì)補(bǔ)償效果影響不大,但逆變器IGBT的實(shí)際工作電流減小,降低了逆變器的功率損耗。從圖7分析可知,提高變壓器變比對(duì)補(bǔ)償效果沒有影響,而設(shè)備損耗和設(shè)備成本卻降低了。

5 結(jié)束語

本文通過分析DVR補(bǔ)償變壓器與主電路各參數(shù)的關(guān)系得出,增大變壓器的變比能減小系統(tǒng)的損耗,降低逆變器的成本。變壓器變比的增大將使濾波電感值增大,采用最小體積設(shè)計(jì)法可知其成本也會(huì)略有下降,從而有效地降低了裝置成本。

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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

河南省科學(xué)技術(shù)攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):豫科監(jiān)委字[2011]第911號(hào))。

修改稿收到日期:2014-02-24。

巫付專(1965-),男,1988年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)專業(yè),獲碩士學(xué)位,教授;主要從事電力電子與電能質(zhì)量的研究。