孫佳瑩　孔令魁

摘 要：針對傳統(tǒng)動態(tài)電壓恢復器（dynamic voltage restorer， DVR）拓撲結(jié)構(gòu)直流側(cè)電壓等級高，逆變單元輸出電壓波形畸變率大及其損耗亦較高的問題，依據(jù)開放式繞組原理提出新型DVR拓撲結(jié)構(gòu)。研究了新型DVR拓撲實現(xiàn)低諧波畸變率和低直流側(cè)電壓幅值的方法；建立了新型DVR等效電路模型，并給出新型DVR拓撲的控制策略。同時分析對比了新型DVR與傳統(tǒng)DVR拓撲的功耗，結(jié)果表明新型DVR功耗較低。最后，在MATLAB/SIMULINK平臺搭建仿真模型，仿真結(jié)果證明所提出的DVR拓撲結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，補償精度高。

關鍵詞：動態(tài)電壓恢復器；開放式繞組；功率損耗；加權(quán)諧波總畸變率

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.003

中圖分類號： TM76

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）04-0012-06

Abstract：This paper proposed a new topology of dynamic voltage restorer （DVR） based on the concept of openend winding， considering higher dclink rating， harmonic distortion of voltage generated by inverter and power loss of converter. The methods to decrease the harmonic distortion of voltage and amplitude of dclink were studied. We established equivalent circuit model and then the control strategy was presented. Meanwhile， compared to the traditional DVR， the proposed DVR has better performance on power loss. Finally， we build the simulation model on MATLAB/SIMMULINK and the simulation results show that the new topology structure has superior performance and high compensation accuracy.

Keywords：dynamic voltage restorer；openend winding；power loss；the weighted total harmonic distortion

0 引 言

隨著產(chǎn)生電力擾動以及對電力擾動敏感的設備數(shù)量劇增，電能質(zhì)量的研究也引起廣泛關注[1-4]。其中，電壓跌落為主要的電能質(zhì)量問題[5]。統(tǒng)計表明：大型電力用戶，幅度超過20%的電壓暫降的年發(fā)生率10～20次左右。

DVR具有響應速度快、補償精度高等特點，因此，目前DVR在配電網(wǎng)中的應用備受學者的關注。

國內(nèi)應用DVR解決電能質(zhì)量問題的研究基本還在理論和實驗上，主要包括電壓跌落的檢測算法、系統(tǒng)控制策略與補償策略三方面。如文[6-7]介紹了一種改進的dq變換策略，并應用于DVR。文[8]將最小方差濾波器和對稱分量法結(jié)合，提出新的軟件鎖相環(huán)和電壓跌落檢測方法。文[9]提出了任意負載條件下的DVR復合控制策略。文[10]提出了基于電壓積分的偏磁抑制策略。文[11]提出最優(yōu)化的能量補償策略。

DVR的檢測算法、控制策略和補償策略的研究已非常成熟，因此本文以DVR的拓撲結(jié)構(gòu)為研究對象，以降低DVR的功率損耗、諧波畸變率以及直流側(cè)電壓等級為目的，更好地推廣DVR的工程應用，發(fā)展綠色節(jié)約型電網(wǎng)。

DVR由直流儲能單元、逆變單元、濾波單元和耦合單元四部分組成；其中逆變單元是DVR核心部分。逆變單元承擔著輸出電網(wǎng)所需補償電壓的任務，因此多數(shù)DVR拓撲結(jié)構(gòu)是圍繞逆變器進行改進的。然而，傳統(tǒng)的DVR存在以下不足：首先，當電網(wǎng)需要補償很高的電壓時，DVR的輸出電壓無法做到完全補償；其次，輸出電壓含有高次諧波分量，對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重污染；最后，功率開關損耗大。鑒于上述問題，本文遵循低諧波電壓畸變率、低電磁干擾及高電壓等級下運行三條原則[11]，應用開放式繞組的原理提出了一種新型的動態(tài)電壓恢復器拓撲結(jié)構(gòu)。

1 新型DVR拓撲結(jié)構(gòu)

開放式繞組（openend winding，OEW）是為解決電機中諧波勵磁問題而提出的。它是指電機繞組無中性點聯(lián)接，即將定子繞組打開，六個端子全部引出來[12]。如圖1所示為基于OEW原理的雙電源供電的功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)[13]。

應用OEW原理，在傳統(tǒng)DVR拓撲結(jié)構(gòu)的基礎上本文提出了兩種新型DVR拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

2 系統(tǒng)控制

2.1 PWM調(diào)制策略

針對所提出的新型DVR拓撲結(jié)構(gòu)，以4L4L DVR為例詳細分析說明PWM調(diào)制策略。如圖3所示為4L4L DVR的逆變器等效電路，設定逆變器A與B的極點電壓分別為uak0a（即點ak和0a之間的電勢差，k=1，2，3，4）和ubk0b（即點bk和0b之間的電勢差，k=1，2，3，4），其中：

2.2 DVR的控制策略

開環(huán)控制和閉環(huán)控制是DVR常采用的控制策略[14-17]。本文采用雙閉環(huán)復合控制策略，即在前饋控制的基礎上加入負載電壓外環(huán)、濾波電容內(nèi)環(huán)的負反饋；如圖4所示為4L4L DVR 單相等效電路圖。

3 拓撲比較

本文對每種拓撲結(jié)構(gòu)的最小直流側(cè)電壓（新型拓撲結(jié)構(gòu)DVR為u*ab，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的DVR為u*c）、半導體器件和電容的數(shù)量進行了比較。其中ud是2C2C DVR直流側(cè)電壓。

由表2知：與2C和4L DVR結(jié)構(gòu)相比，4L4L 和2C2C DVR的u*ab降低了50%左右；新型DVR拓撲結(jié)構(gòu)雖然含較多IGBT，但在直流側(cè)電壓等級相同的前提下2C2C DVR逆變器輸出電壓的諧波畸變比3HB DVR低。

4 諧波畸變率

新型DVR與傳統(tǒng)DVR的注入相電壓的加權(quán)總諧波畸變率（the weighted total harmonic distortion， WTHD）計算公式如下[18]：

在DVR向三相系統(tǒng)中注入相同的最大電壓的前提下，逆變器輸出電壓的畸變率如表3所示；其中，開關動作的平均頻率和基波頻率分別為10kHz和50Hz。須知，2C2C DVR運行在兩側(cè)直流電壓比為1∶1的模式下時與傳統(tǒng)的DVR等效，且諧波電壓畸變率亦相同。

從表3可看到：4L4L DVR逆變器輸出電壓的諧波畸變率最低，且所提出的新型DVR逆變器輸出電壓的諧波畸變率比傳統(tǒng)的DVR逆變器輸出電壓的諧波畸變率都低。

5 逆變器的功率損耗

應用回歸曲線進行損耗評估的理論方法，在MATLAB平臺上進行仿真；文[19]用實驗數(shù)據(jù)建立回歸曲線模型從而進行損耗評估的方法證明了該理論的有效性。開關損耗分4種：①IGBT和二極管的傳導損耗；②IGBT的開通損耗；③IGBT的關斷損耗；④二極管關斷能量。

表4所示為新型DVR與傳統(tǒng)DVR的損耗對比結(jié)果。其中，仿真結(jié)果是 DVR在逆變器輸出的最大三相對稱電壓中不含零序電壓的情況下運行得出的。

4種結(jié)果諧波畸變率相同（WHTD=0.22%）；為滿足DVR逆變器輸出電壓的諧波畸變率相同，2C2C、4L4LDVR的開關頻率分別設定為6.25kHz和4.8kHz，每種DVR兩側(cè)直流電壓比為1∶2。從上表可看出，新型DVR的開關損耗比傳統(tǒng)4L DVR低。

6 直流側(cè)高頻功率損耗

本文研究了不同頻率下的直流側(cè)功率損耗，設定傳統(tǒng)的DVR和新型DVR逆變器輸出電壓的諧波畸變率相同，則高頻功率損耗計算公式如下：

計算每種DVR的高頻功率損耗與傳統(tǒng)的DVR高頻功率損耗比值（即PHOloss/PHOloss3HB）時，取傳統(tǒng)DVR拓撲的直流側(cè)高頻功率標幺值為1，則2C2C、4L4L DVR直流側(cè)高頻功率損耗分別為0.77、0.36。

7 仿真結(jié)果

在MATLAB平臺上搭建傳統(tǒng)DVR與新型DVR仿真模型，仿真實驗選取的參數(shù)為：電網(wǎng)電壓的有效值為220V，負載類型選擇100Ω的純電阻，變壓器的容量22kVA，變壓器的變比為n=2，變壓器的漏電抗2.5mH，低通濾波電容值為40μF，濾波電感值為2mH。本文規(guī)定兩側(cè)直流電壓相等， 以4L4L DVR為代表研究動態(tài)電壓恢復器在以下三種故障下的性能：①單相電壓跌落（如圖7所示）；②兩相電壓跌落（如圖8所示）；③三相電壓跌落（如圖9所示）。上述3種故障下電壓跌落幅值（即30%）和持續(xù)時間（約100ms）均相同。

DVR在兩側(cè)直流電壓值相等與不等（即ua≠ub）兩種情況下，逆變輸出的相電壓（濾波前）的波形如圖10所示。與傳統(tǒng)的DVR相比，在運行條件皆相同的情況下新型的DVR拓撲結(jié)構(gòu)的逆變器輸出的電壓的波形更逼近正弦波；因此，補償相電壓加權(quán)諧波總畸變率更低。

8 結(jié) 論

本文以傳統(tǒng)的DVR拓撲為支撐，提出新型的DVR拓撲；通過仿真實驗得出如下結(jié)論：

1）新型DVR可同時補償單相或多相電壓跌落且補償精度高；

2）直流側(cè)的高頻功率損耗和電壓等級低；

3）逆變器輸出電壓具有較低的諧波畸變率。

因此，新型DVR能夠更好地應用到配電系統(tǒng)解決電能質(zhì)量問題，以發(fā)展綠色環(huán)保經(jīng)濟。

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（編輯：王 萍）