金 楠 康冬祎 崔光照

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院 鄭州 450002)

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基于直接AC/AC變換的動態(tài)電壓恢復器研究

金 楠 康冬祎 崔光照

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院 鄭州 450002)

應用電壓源逆變方案的傳統(tǒng)動態(tài)電壓恢復器，需要使用大容量電解電容進行儲能，體積與重量大，成本高。為了避免使用直流儲能環(huán)節(jié)，提出一種基于直接AC/AC變換的動態(tài)電壓恢復器，其變壓器一次側(cè)通過固態(tài)繼電器投切組與AC/AC變換器輸出端相連，其二次側(cè)與負載串聯(lián)。當電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，由AC/AC變換器產(chǎn)生補償電壓，通過切換固態(tài)繼電器組改變隔離變壓器輸出極性，保持負載電壓穩(wěn)定。該方案不需使用大容量電解電容等儲能元件，易于維護，換流過程簡單，動態(tài)響應速度快，能夠有效補償電網(wǎng)電壓波動。在理論分析基礎上，設計了基于瞬時電壓的復合控制策略，實驗結(jié)果驗證了所提方案的有效性。

直接AC/AC變換 動態(tài)電壓恢復 換流策略 復合控制

0 引言

電壓跌落與電壓突升是電能質(zhì)量的常見問題，會影響用電設備的正常工作，尤其是工業(yè)過程控制、精密儀器及計算機系統(tǒng)等敏感負荷的安全穩(wěn)定運行。動態(tài)電壓恢復器可在電網(wǎng)電壓波動的情況下保持負荷電壓穩(wěn)定，對敏感負荷的正常運行至關重要。

電壓跌落及突升是指電壓幅值在半個周期至幾秒時間內(nèi)偏離額定值，電壓跌落為額定值的10%～90%，電壓突升為額定值110%以上。大功率電動機起動、電網(wǎng)短路故障等原因都會引起電網(wǎng)電壓跌落。電壓跌落超過兩個周期就可能影響到生產(chǎn)制造系統(tǒng)中敏感電子設備的正常工作，特別是對于半導體制造、精密加工等領域。另一方面，電網(wǎng)在投切大容量補償電容器或斷開大功率負載等情況下會產(chǎn)生電壓突升，電壓突升可能引起通信系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)損失、設備誤操作等問題。電壓跌落與突升會帶來嚴重的經(jīng)濟損失和資源浪費。為了改善電能質(zhì)量，確保用電設備的正常運行，國內(nèi)外學者對動態(tài)電壓恢復器進行了大量研究。

針對電壓源逆變結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)動態(tài)電壓恢復器，在電壓波動信號檢測、補償控制策略等方面已進行了一定研究[1-5]。但這些方案中的直流儲能環(huán)節(jié)需使用大容量電解電容，體積與重量大、成本高。由于電解電容壽命較短，儲能環(huán)節(jié)成為定期維護的主要對象，工作量大。使用級聯(lián)多電平電壓源逆變器產(chǎn)生動態(tài)補償電壓的方法，器件較多，控制復雜，在中小功率領域應用成本較高[6-8]。

直接AC/AC變換器由于具有拓撲簡單、不需使用大容量儲能元件、體積小、高功率因數(shù)等特點被應用于自動電壓調(diào)節(jié)器、軟啟動器和電動機速度調(diào)節(jié)器等領域[9-11]。由于直接AC/AC變換器不使用直流儲能裝置，與電壓源型逆變器相比，體積小、重量輕、易于集成[12-14]。如果將現(xiàn)有的斬控型直接AC/AC變換器應用于動態(tài)電壓恢復領域，存在換流過程繁瑣[12]、開關過程電壓應力較高[13]、僅能使用分離器件不利于集成[14]等問題。使用虛擬整流逆變的直接AC/AC變換方案[15]，單相電路需使用8根開關管，成本高，換流控制復雜。針對配電網(wǎng)中敏感負荷的電壓穩(wěn)定問題，提出一種新穎的直接AC/AC變換動態(tài)電壓恢復器，由AC/AC變換器、固態(tài)繼電器、隔離變壓器組成。其中，AC/AC變換器產(chǎn)生可調(diào)幅的補償電壓，由固態(tài)繼電器改變補償電壓極性，通過疊加不同極性的補償電壓實現(xiàn)動態(tài)電壓恢復功能。設計該變換器的非互補控制換流策略，換流過程簡單，可靠性高。為了改善動態(tài)性能，設計采用瞬時電壓的前饋反饋控制策略，具有響應速度快、補償精度高的優(yōu)點。針對所提出的拓撲，設計功能樣機，對不同工況調(diào)節(jié)補償電壓。最后，通過實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)性能。

1 直接AC/AC功率變換器

交流電壓動態(tài)恢復有多種實施方案，傳統(tǒng)上采用的電壓型逆變器方案需使用大容量電解電容作為儲能裝置。電解電容由于壽命較短，成為電壓恢復器運行中的主要維護對象，需定期檢測、換新，成本較高，維護工作量大。交流斬波功率變換器是一種直接型交交變換器，通過對雙向開關應用PWM技術實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)功能。交流斬波變換技術不需要使用大容量電解電容等儲能裝置，成本較低，調(diào)節(jié)速度快，諧波含量小。傳統(tǒng)單管反串聯(lián)雙向電力電子開關交流斬波功率變換器如圖1a所示，針對其存在換流復雜、需要設計相互隔離的驅(qū)動電路等問題，設計一種改進的直接AC/AC變換器，如圖1b所示。該變換器開關器件的驅(qū)動電路不需另外進行電氣隔離設計，換流過程簡單，系統(tǒng)成本降低。

圖1 單管反串聯(lián)雙向電力電子開關直接AC/AC變換器Fig.1 Direct AC/AC power converter with single IGBT reversed series connection

基于圖1b直接AC/AC變換器，提出一種新穎的動態(tài)電壓恢復器，使用AC/AC變換器產(chǎn)生幅度可調(diào)的補償電壓，通過固態(tài)繼電器開關組、隔離變壓器與負載相連，如圖2所示。當電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，變換器通過改變PWM控制信號占空比產(chǎn)生補償電壓。固態(tài)繼電器SW1～SW4由雙向晶閘管組成，通過切換其工作狀態(tài)，改變補償電壓極性。變壓器將功率變換器與負載隔離。

圖2 基于直接AC/AC變換的動態(tài)電壓恢復器Fig.2 Dynamic voltage restorer based on direct AC/AC power conversion

輸入電壓正常時，功率變換器輸出補償電壓為零；輸入電壓突升或突降時，通過改變AC/AC變換器和固態(tài)繼電器SW1～SW4的工作狀態(tài)使變壓器二次側(cè)輸出相應極性的補償電壓，保持負載電壓的穩(wěn)定。

2 工作模式與換流策略

該變換器主要有3種工作模式，分別是有源模式、續(xù)流模式和死區(qū)模式。設計與圖2中動態(tài)電壓恢復器相適應的非互補換流控制策略，PWM控制信號如圖3所示，其中Sg1～Sg4分別為S1～S4的門極驅(qū)動信號。由于死區(qū)模式時間極短且換流過程與其他兩種模式相同，以下僅討論有源模式和續(xù)流模式工作過程。

圖3 直接AC/AC變換器的PWM控制信號Fig.3 PWM control signals of direct AC/AC converter

開關管S1、S2周期性的開通與關斷，用于控制電感L貯存能量，開關管S3、S4為電感電流提供續(xù)流回路。圖4描述了輸入電壓正極性時系統(tǒng)的工作過程。

圖4 直接AC/AC變換器換流過程Fig.4 Commutation process of the direct AC/AC power conversion

當輸入電壓ui正(負)極性時，互補PWM信號控制S1、S3(S2、S4)，S2、S4(S1、S3)處于始終導通狀態(tài)。當S1導通、S3關斷時，交流斬波變換器工作在有源模式，電感電流通過交流電源、開關管S1、開關管S2體二極管構(gòu)成回路，電感貯存能量，如圖4a所示。當S1關斷時，交流斬波變換器工作在續(xù)流模式，電感電流通過負載、開關管S4、開關管S3體二極管構(gòu)成回路，電感釋放能量，如圖4b。

當輸入電壓突降時，SW1、SW3導通，SW2、SW4關斷，補償電壓與輸入電壓極性相同，負載電壓等于補償電壓與輸入電壓之和。當輸入電壓突升時，SW1、SW3關斷，SW2、SW4導通，補償電壓與輸入電壓極性相反，負載電壓等于補償電壓與輸入電壓之差。不同工作狀態(tài)下的開關操作如表1所示。

表1 不同工作狀態(tài)下的開關操作Tab.1 Switching operation in different working conditions

3 系統(tǒng)分析與計算

當電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，通過調(diào)節(jié)動態(tài)電壓恢復器輸出電壓，控制負載電壓穩(wěn)定。定義電網(wǎng)電壓為

ui=Uimsin(2πft)

(1)

式中，f為電網(wǎng)電壓頻率，Hz；Uim為電網(wǎng)電壓幅值，V。

圖4中變換器輸出斬波電壓ucp為[10]

(2)

式中，fs為開關頻率，Hz。式(2)中第一項為基波分量，第二項為諧波分量，由于開關頻率較高，諧波成分被輸出濾波器吸收。因此，經(jīng)濾波后的補償電壓為

uc=DUimsin(2πft)

(3)

根據(jù)式(3)，補償電壓與PWM信號占空比呈正比例關系。因此，通過改變占空比能夠調(diào)節(jié)補償電壓uc。

令電網(wǎng)電壓額定值un為

un=Unmsin(2πft)

(4)

式中，Unm為額定電壓峰值，V。正常情況下，電網(wǎng)電壓ui與負載電壓uL均為un。當發(fā)生電壓跌落時，電網(wǎng)電壓為

ui=pun

(5)

式中，p為實際電網(wǎng)電壓的標幺值。根據(jù)表1，通過切換SSR，二次側(cè)電壓ucsec與電網(wǎng)電壓極性相同

(6)

(7)

為保持負載電壓穩(wěn)定，應滿足

(8)

補償電壓為

(9)

假設電網(wǎng)電壓最大跌落至0.7un，根據(jù)式(9)，為了提供相應的補償電壓，隔離變壓器變比應為1∶1。

當電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓突升故障時，系統(tǒng)工作在電壓突升補償模式。根據(jù)式(9)，如果隔離變壓器變比為1∶1，在電網(wǎng)電壓最大突升至1.3un時，系統(tǒng)能夠提供相應補償電壓保持負載電壓穩(wěn)定。

4 動態(tài)電壓恢復控制策略

為快速抑制輸入電壓波動對負載的影響，需設計有效的控制策略以保持負載電壓穩(wěn)定。電壓峰值反饋控制方法通過峰值電壓檢測電路采樣輸入電壓峰值，與電壓瞬時值相比，電壓峰值的變化緩慢，電壓有效值控制也存在同樣問題。為此，根據(jù)動態(tài)電壓恢復器的原理，設計前饋反饋瞬時電壓復合控制策略，控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 復合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Composite control system structure

當ui=un時，電網(wǎng)電壓正常，輸出補償電壓為零。當電網(wǎng)電壓發(fā)生突升或突降時，動態(tài)電壓恢復器按照設計的工作模式進行電壓補償。由于補償電壓與控制信號占空比呈正比，設計前饋控制部分為

(10)

前饋控制部分快速有效地抑制輸入電壓波動。使用電源電壓額定值與實際值的差值信號(un-ui)作為控制器輸入信號，調(diào)節(jié)占空比。在工作點處，前饋控制得到輸出信號Df補償電源電壓波動，該方法簡單有效。

當電源電壓正常時，固態(tài)繼電器SW1、SW4關斷，SW2、SW3導通，直接AC/AC變換器輸出電壓uc為零，電源為負載供電。當電源電壓異常時，使用微控制器執(zhí)行動態(tài)電壓恢復控制策略和SSR投切方案，實現(xiàn)電壓突升、突降補償。

5 實驗樣機設計

為驗證所設計的動態(tài)電壓恢復器性能，設計實驗樣機，結(jié)構(gòu)及平臺樣機如圖6、圖7所示。

圖6 實驗平臺結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of experimental platform

圖7 直接AC/AC變換動態(tài)電壓恢復器實驗平臺Fig.7 Experimental platform of dynamic voltage restorer based on direct AC/AC power conversion

功能樣機由7部分組成：功率變換器模塊實現(xiàn)交流電壓的AC/AC變換和串聯(lián)補償；電壓、電流采樣和信號調(diào)理模塊采用傳感器和信號調(diào)理電路，實現(xiàn)對采樣信號的變換和濾波；DSP處理器是控制系統(tǒng)的核心，采用Microchip公司的dsPIC30F4011處理器，內(nèi)部A-D將調(diào)理后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過執(zhí)行控制算法得到占空比控制信號D(t)；驅(qū)動電路模塊將DSP產(chǎn)生的PWM信號轉(zhuǎn)換為功率電路中開關器件的驅(qū)動信號；在過電壓、過電流和過熱情況下，保護模塊封鎖PWM信號并提示錯誤類型；人機接口模塊包括LED指示和按鍵，實現(xiàn)工況指示和數(shù)據(jù)交互；輔助電源模塊為DSP、驅(qū)動電路、信號采集與調(diào)理電路及保護電路提供直流電源。

6 實驗結(jié)果

對所設計動態(tài)電壓恢復器進行樣機實驗，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 樣機實驗系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of the prototype in experiment

實驗中電網(wǎng)電壓波動范圍0.7uin～1.3uin，樣機輸出功率為500 W。根據(jù)圖4中設計的非互補換流控制策略，開關管的門極控制信號實驗波形如圖8a所示，其中Sg1、Sg2、Sg3、Sg4分別為S1、S2、S3、S4的門極控制信號。當占空比D=0.5時，阻性負載為40 Ω，功率變換器輸出電壓uc如圖8b所示，實驗結(jié)果表明輸出電壓為正弦波形。電源電壓經(jīng)過AC/AC變換后，輸出正弦包絡的斬波電壓ucp如圖8c、圖8d所示。輸入電壓被斬波為微秒級電壓片段，濾波后輸出正弦電壓uc，總諧波畸變?yōu)?.26%。實驗表明，所提出非互補換流控制策略使開關器件電壓尖峰較小，換流安全可靠。

圖8 直接AC/AC功率變換器工作波形Fig.8 Waveforms of direct AC/AC power converter

電力電子技術應用于電力系統(tǒng)進行各種電能轉(zhuǎn)換的同時，帶來了諧波污染等電能質(zhì)量問題。所提出方案在實現(xiàn)動態(tài)電壓恢復功能時，也不可避免會產(chǎn)生一定的諧波。相對于其他電能轉(zhuǎn)換方式，高頻直接交交變換技術的突出特點是產(chǎn)生諧波分布在較高頻段，低次諧波含量較少。圖4中輸入電壓ui經(jīng)過高頻斬波電能轉(zhuǎn)換后，成為微秒級電壓片段拼接而成的ucp。根據(jù)式(2)，其包含的諧波成分主要集中在開關頻率的整數(shù)倍附近，實驗中設計開關頻率fs又遠高于電源頻率f，如圖8c所示，ucp中包含的大量高次諧波易于被濾除。實驗結(jié)果與理論分析一致，經(jīng)輸出濾波環(huán)節(jié)后，高頻諧波成分被濾除，輸出補償電壓uc的總諧波畸變較低。盡管所提方案產(chǎn)生的諧波污染十分有限，但目前該方案僅能實現(xiàn)電壓幅值波動的快速補償，還未能實現(xiàn)輸入電壓發(fā)生畸變情況下的變頻補償功能。

當電網(wǎng)電壓從1.15un突升至1.3un時，電網(wǎng)電壓ui與負載電壓uL實驗波形如圖9a所示。當電網(wǎng)電壓從0.85un突降至0.7un時，實驗結(jié)果如圖9b所示。實驗結(jié)果驗證了所提動態(tài)電壓恢復器拓撲前饋反饋控制策略的有效性。該控制方案能夠有效抑制輸入電壓波動，5 ms內(nèi)能將負載電壓穩(wěn)定至額定電壓，使負載電壓不受電網(wǎng)電壓波動的影響，且電壓恢復過程沒有電壓尖峰。

圖9 電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時動態(tài)電壓恢復器工作波形Fig.9 Waveforms of dynamic voltage restorer，when grid voltage fluctuations occur

7 結(jié)論

為抑制電網(wǎng)電壓波動、保持敏感負荷電壓穩(wěn)定，提出一種基于直接AC/AC變換器的橋式交流斬波動態(tài)電壓恢復器以及相應的前饋反饋瞬時電壓控制策略。該設計通過改進的直接AC/AC功率變換器、固態(tài)繼電器和隔離變壓器，實現(xiàn)電壓雙向補償。同時，不需使用電池、大容量電容和電感等儲能元件，體積小，成本低，易于維護。在理論分析基礎上設計了功能樣機，實驗結(jié)果表明在電網(wǎng)電壓突升、突降情況下，動態(tài)電壓恢復器能夠控制負載電壓穩(wěn)定。所提方案響應速度快，能夠提高電能質(zhì)量，保護設備安全，具有廣闊的應用前景。

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Research on Dynamic Voltage Restorer Based on Direct AC/AC Power Conversion

JinNanKangDongyiCuiGuangzhao

(College of Electric and Information Engineering Zhengzhou University of Light Industry Zhengzhou 450002 China)

Traditional dynamic voltage restorer (DVR) based on voltage source inverter (VSI) needs energy storage devices，such as electrolytic capacitors，which are heavy and high cost.A new type of storageless DVR based on improved direct AC/AC power conversion is proposed.It consists of direct AC/AC power converter，solid-state-relay (SSR) and isolation transformer whose primary port is connected with AC/AC converter through SSR and secondary port is connected with the load.When line voltage fluctuations occur，AC/AC converter generates compensation voltage，whose polarity is controlled by switching the SSR group in order to stabilize the load voltage.The proposed restorer does not use energy storage devices and has simple commutation process，fast dynamic response and low cost.An experimental prototype is designed.Experiment results show that the load voltage can be kept stable under line voltage swells or sags circumstances，which verifies the validity of the proposed plan.

Direct AC/AC converter，dynamic voltage restorer，commutation strategy，compound control

河南省科技攻關項目(142102210517)和鄭州輕工業(yè)學院博士科研基金(2013BSJJ025)資助項目。

2015-01-08 改稿日期2015-02-17

TM761

金 楠 男，1982年生，博士，副教授，研究方向為交交電能變換與控制、分布式發(fā)電系統(tǒng)。(通信作者)

康冬祎 女，1990年生，碩士研究生，研究方向為直接AC/AC功率變換器、分布式發(fā)電系統(tǒng)。