胡鵬飛　黃國良　沈桔　錢昊　陳吉

摘要：為解決級(jí)聯(lián)多電平動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）用于提高配網(wǎng)電壓質(zhì)量時(shí)需要多個(gè)整流單元的問題，提出了一種基于二極管箝位五電平逆變器的三相DVR方案。相較于普通級(jí)聯(lián)型DVR，該三相DVR在輸出電平數(shù)增加時(shí)只需一個(gè)整流單元，就可以達(dá)到減少整流單元開關(guān)器件的目的。同時(shí)，采用比例諧振控制（PR）算法，保證了逆變器輸出電壓的實(shí)時(shí)跟蹤與諧波補(bǔ)償。最后，在PSIM中搭建了仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，所提策略用于三相三線10 kV配網(wǎng)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量治理是可行的。

關(guān)鍵詞：DVR;二極管箝位五電平逆變器;瞬時(shí)無功功率理論;PR算法

0 引言

隨著科技的發(fā)展和工業(yè)的進(jìn)步，用戶對(duì)電能質(zhì)量提出了比以往更苛刻的要求。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）作為一種串聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，因其良好的動(dòng)態(tài)性能和補(bǔ)償特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于解決電壓暫降、電壓驟升、電壓諧波及三相不平衡等電能質(zhì)量問題，是目前保障電壓質(zhì)量的有效手段之一。

文獻(xiàn)[1]介紹了一種級(jí)聯(lián)多電平動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其整流單元采用二極管不可控整流方式，不能保證直流側(cè)電壓的實(shí)時(shí)跟蹤。文獻(xiàn)[2]介紹了一種十一電平級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，采用單臺(tái)多繞組變壓器加二極管不可控整流方式充電，但其同樣無法保證直流側(cè)電壓的實(shí)時(shí)穩(wěn)定。文獻(xiàn)[3]提出了一種用于10 kV配網(wǎng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器結(jié)構(gòu)，每個(gè)H橋子模塊都必須配一個(gè)可控整流單元，經(jīng)濟(jì)效益較低。

針對(duì)補(bǔ)償現(xiàn)象為電壓暫降、電壓驟升或電壓長時(shí)間跌落，二極管整流級(jí)聯(lián)多電平DVR的直流側(cè)電壓不可控和PWM整流級(jí)聯(lián)多電平DVR需多個(gè)整流模塊、成本高的缺點(diǎn)，本文提出一種基于二極管箝位五電平逆變器的三相DVR方案，即整流側(cè)采用雙閉環(huán)加前饋的控制策略，逆變側(cè)采用基于瞬時(shí)無功理論的電壓檢測算法和同相電壓補(bǔ)償策略，保證補(bǔ)償電壓的準(zhǔn)確。在PSIM仿真軟件中搭建了二極管箝位五電平DVR模型，仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 電路拓?fù)?/p>

基于二極管箝位五電平逆變器的三相DVR主電路如圖1所示。該主電路主要由電網(wǎng)、負(fù)載、三相全橋整流單元、儲(chǔ)能單元和二極管箝位五電平逆變器等組成。其中，ea為電網(wǎng)電壓，udvr為DVR輸出電壓，uL為負(fù)載電壓。DVR工作時(shí)，控制器先發(fā)出整流信號(hào)，控制整流器整流，待儲(chǔ)能單元達(dá)到一定電壓后，實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)電壓發(fā)出補(bǔ)償指令，控制逆變器輸出補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償電壓經(jīng)濾波后耦合串聯(lián)到電網(wǎng)中?？紤]到本文提出的拓?fù)鋵?yīng)用于10 kV配網(wǎng)中，采用變壓器耦合方式隔離高壓，提高系統(tǒng)的可靠性。二極管箝位五電平DVR單相拓?fù)淙鐖D2所示。

由圖2可見，逆變單元采用二極管箝位五電平結(jié)構(gòu)，每相均由8個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和6個(gè)箝位二極管組成。該二極管箝位逆變器輸出相電壓為五電平，與和兩個(gè)H橋級(jí)聯(lián)的逆變器輸出電平數(shù)相同。

2 控制策略

2.1? ? 電壓檢測算法

電壓檢測算法采用基于瞬時(shí)無功理論的dq0檢測法[4]，將三相坐標(biāo)系變換到與發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相對(duì)靜止的dq0坐標(biāo)系下。

Ua、Ub、Uc為裝置通過信號(hào)采集單元捕捉到的電網(wǎng)三相電壓。由于實(shí)際電網(wǎng)電壓不僅含有基波分量，還含有各次諧波，設(shè)基波電壓峰值為UM，A相基波初相角為φ1，n次諧波電壓峰值為Un_M，n次諧波的初相角為φn。經(jīng)計(jì)算后，原基波分量變?yōu)橹绷鞣至?，原諧波分量變?yōu)橹芷诜至浚?jīng)dq0變換后的Ud、Uq值需通過低通濾波器濾除諧波分量，得到只含基波分量的Ud0、Uq0。

將理想補(bǔ)償目標(biāo)電壓峰值Upk_st與當(dāng)前求得的基波電壓峰值相除，再乘以基波電壓dq值，可快速得到理想補(bǔ)償目標(biāo)電壓的dq值，與當(dāng)前求得的基波電壓Ud0、Uq0相減，即可得當(dāng)前基波電壓的電壓暫降或電壓驟升值Udv、Uqv。再經(jīng)dq0反變換后，即可求得當(dāng)前電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓的差值Ua_dv、Ub_dv、Uc_dv。

由于A、B、C三相電壓中含有諧波，諧波分量經(jīng)dq0變換后仍是周期分量。將Ud、Uq值減去基波電壓Ud0、Uq0，即可得諧波分量的dq值Udn、Uqn。再經(jīng)dq0反變換后，即可求得當(dāng)前電壓諧波Ua_dn、Ub_dn、Uc_dn。

檢測算法原理如圖3所示。

2.2? ? 逆變電路的電壓PR無靜差控制

由于逆變電路的輸出為DVR補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)電壓和諧波分量，都是正弦信號(hào)，而傳統(tǒng)PI控制雖然成熟，但它無法滿足對(duì)正弦信號(hào)的無靜差跟蹤及快速響應(yīng)[5]，因此本文采用了PR控制。在諧振頻率處，PR控制的開環(huán)增益無窮大，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定頻率正弦信號(hào)的無靜差控制。比例諧振控制器（PR）是基于內(nèi)膜原理提出的，它可以直接控制交流量，傳遞函數(shù)為：

3 仿真驗(yàn)證

仿真參數(shù)：電網(wǎng)電壓10 kV，頻率50 Hz，系統(tǒng)阻抗Zs=0.5+j0.001 Ω，10 kV電壓經(jīng)一臺(tái)200 kVA、10 kV/380 V變壓器給負(fù)載，負(fù)載阻抗Zs=3+j0.000 5 Ω。裝置整流側(cè)和逆變側(cè)均采用LCL濾波，其中大電感0.2 mH，小電感0.05 mH，濾波電容20 μF，直流側(cè)電容6.6 mF。在PSIM仿真軟件中搭建了主電路，仿真過程中，0—0.1 s、0.2—0.25 s電網(wǎng)電壓為10 kV;0.1—0.2 s電網(wǎng)電壓發(fā)生壓降，壓降幅值為電網(wǎng)電壓單相峰值的8%：653 V;0.25—0.4 s電網(wǎng)電壓驟升653 V;0.1—0.4 s電網(wǎng)電壓一直含有背景諧波，其中5次、7次諧波峰值100 V，11次、13次諧波峰值50 V，電壓畸變率為2%。電網(wǎng)電壓波形如圖5所示。

電壓檢測算法檢測到的波形如圖6所示。由圖6（a）可見，在0.1 s，電壓檢測算法開始檢測到當(dāng)前電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓的差值。0.1 s之后的第一個(gè)周期，電壓檢測算法的誤差較大，檢測到的電壓偏差逐漸增大。第一個(gè)周期后，電壓檢測算法檢測到的電壓偏差基本消除，精度較高。由圖6（b）可見，電壓檢測算法檢測到的諧波，在電壓幅值發(fā)生波動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)受到干擾，檢測到的諧波較電壓未發(fā)生波動(dòng)時(shí)大;在電壓波動(dòng)結(jié)束后，檢測到的諧波趨于穩(wěn)定。

在0.1 s之前，二極管箝位五電平DVR工作在整流狀態(tài)，三相半橋整流器給直流電容進(jìn)行充電。0.1—0.2 s，電網(wǎng)電壓跌落，二極管箝位五電平逆變器開始工作，發(fā)出與電網(wǎng)電壓同相波形補(bǔ)償電壓跌落。0.25—0.4 s，電網(wǎng)電壓驟升，二極管箝位五電平逆變器發(fā)出與電網(wǎng)電壓反相波形抵消電壓驟升。在補(bǔ)償?shù)拿總€(gè)時(shí)刻，逆變器都輸出與背景諧波反相的電壓值，消除負(fù)載電壓上的背景諧波值，補(bǔ)償后電壓畸變率為0.5%。由于采用多重PR控制策略，DVR動(dòng)態(tài)性能較好，補(bǔ)償后負(fù)載電壓ULa穩(wěn)定速度快。補(bǔ)償后電壓波形如圖7所示。

4 結(jié)語

本文搭建的二極管箝位五電平DVR仿真模型，可以有效補(bǔ)償電網(wǎng)中的電壓跌落、電壓驟升和背景諧波電壓，電壓檢測算法和多重電壓PR控制策略是其核心策略。通過仿真可以得出以下結(jié)論：（1）將二極管箝位逆變器應(yīng)用到DVR中，在提高輸出電壓電平數(shù)的同時(shí)，有效減少了整流單元個(gè)數(shù);（2）采用多重PR控制器，可直接對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行控制，提高了DVR補(bǔ)償效果和動(dòng)態(tài)性能。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 周雪松，何杰，馬幼捷，等.級(jí)聯(lián)多電平技術(shù)在動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器中的研究[J].高電壓技術(shù)，2008，34（6）：1189-1194.

[3] 葉傅華，陳國棟，宋晉峰，等.10 kV動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器及其整流控制策略[J].大功率變流技術(shù)，2011（4）：44-48.

[4] 趙艷雷.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器逆變單元的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院電工研究所，2006.

[5] 胡存剛.多電平二極管箝位型逆變器PWM控制方法及相關(guān)問題的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

收稿日期：2021-08-16

作者簡介：胡鵬飛（1992—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：電力電子在配電網(wǎng)中的應(yīng)用、電氣工程與自動(dòng)化。