吳志堅，徐星星，王寶安

(1.揚州供電公司，江蘇揚州225009；2.東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096)

隨著現代工業(yè)的不斷發(fā)展，基于計算機和微處理器的敏感負荷越來越多，對電壓質量的要求都較高，即使幾個周期的供電中斷或電壓暫降都將影響其正常工作。另一方面，非線性、沖擊性負荷的大量增加，以及電網故障造成的電壓暫降、瞬時斷電等電能質量問題日益增多，嚴重影響了生產過程的正常運行，造成巨大的經濟損失[1]。動態(tài)電壓恢復器（DVR）能補償電壓的暫降、暫升等動態(tài)電壓質量問題，被認為是當前治理動態(tài)電壓問題最經濟、最有效的裝置。我國低壓電網都采用三相四線制結構，三相電壓不平衡情況較多，針對這種現狀，文中提出一種用于低壓電網的通過功率單元串聯輸出補償電壓、采用三單相結構的新型DVR。

1 DVR的基本工作原理

DVR的主要功能是為敏感負荷提供穩(wěn)定的交流電壓，使敏感負荷不受電壓暫降、瞬時中斷、諧波等電能質量問題的影響。DVR串聯在電源與敏感負荷之間，當負荷正常運行時DVR被旁路，由電網提供電壓；當電網電壓發(fā)生電壓問題時，DVR可以在毫米級內向線路中注入一個幅值、相位可控的串聯補償電壓，以確保敏感負荷輸入電壓的恒定。

常見的DVR主要由電壓型逆變器、控制單元、儲能單元、輸出濾波單元和串聯變壓器組成，其典型主電路結構如圖1所示。當DVR工作時，必然會與系統之間進行能量交換，儲能裝置就是給DVR提供能量的部分，通常有2種結構：直接采用儲能單元的儲能元件和采用整流方式。直接采用儲能元件有電容儲能、蓄電池儲能、超導儲能等，這種方式只能在一段時間內對電能質量進行補償；而采用整流方式的DVR可以一直不間斷的對電源電壓進行補償，缺點是會給電網帶來一定的諧波污染。

控制單元利用傳感器、檢測系統檢測出電網電壓，經過對采集到的數據分析、判斷，利用控制環(huán)節(jié)產生逆變器中功率開關器件所需的脈寬調制PWM信號，再由驅動電路控制逆變器中功率開關器件的導通。逆變器主要產生系統所需的補償電壓，補償電壓經過輸出濾波單元濾除高次諧波電壓后，再由串聯變壓器或直接通過濾波器電容注入電網，最終產生的補償電壓將抵消電網側電壓波動，確保負載側輸入電壓的穩(wěn)定，提高系統的電能質量。

2 新型DVR的工作原理

2.1 主電路結構

DVR從補償方式上看可分為2類：基于線電壓補償且各相相互關聯的線電壓補償型DVR和基于相電壓補償且各相相互獨立的相電壓補償型DVR。DVR從逆變器拓撲的結構上來看主要有：三相橋結構、三相四線結構和三單相結構。針對我國低壓電網現狀，用于低壓電網的DVR通常采用補償電容器與系統串聯的方式，這種方式也更符合工程的實際應用。文中提出一種新型的用于低壓電網的三單相結構的相電壓補償型DVR，其主電路如圖2所示。

該新型DVR采用三單相結構，分別對每相電壓進行補償，主要包括LC濾波器、功率單元模塊、控制電路和移相變壓器4個組成部分。首先檢測出電網電壓信號，然后通過控制電路得到各個功率單元逆變電路的開關器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的脈寬調制（PWM）驅動信號，控制IGBT的導通，使功率單元模塊輸出所需要的補償電壓，并經LC濾波器濾除高次諧波電壓后與電源電壓串聯，從而保證敏感負荷輸入電壓的穩(wěn)定。

DVR與系統的耦合方式有2種，即串聯變壓器耦合和電容耦合。耦合變壓器可以降低DVR電壓等級，隔離系統與DVR裝置，但是變壓器的存在會增加逆變器的容量，也可能給控制的精度和穩(wěn)定性帶來負面的影響。因此，在電壓等級較低的應用中可以考慮省去串聯變壓器。文中的DVR采用電容耦合方式，用工頻變壓器隔離直流側和電網。

每個功率單元模塊由2個功率單元逆變電路輸出串聯而成，每個功率單元由6個二極管組成的三相整流電路通過電解電容連接到4個IGBT和4個二極管組成的單相逆變電路構成。該模塊中的2個逆變電路開關器件IGBT的驅動信號錯開一定角度，使逆變輸出電壓波形毛刺減少，從而降低LC濾波器中電感的要求。此外，2個功率單元的串聯省去了傳統方式中的串聯變壓器，降低了裝置成本，可靠性相對較高，不存在傳統器件串聯引起的均壓問題。

6個功率單元分別由移相變壓器的6個二次側繞組供電。移相變壓器有1個一次側星形繞組和6個二次側繞組，其二次側繞組中3個為星形聯結，其他3個為三角形聯結，每個二次側繞組分別移相一定的角度給6個功率單元的6脈波二極管整流供電。移相變壓器的采用實現了其一次側、二次側線電壓的相位偏移，使得由于整流而產生的諧波折算到移相變壓器一次側時相互抵消，從而消除整流產生的諧波對電網的影響。此外，移相變壓器不僅實現功率單元與電源間的電氣隔離，還使每組功率單元的主回路相對獨立，彼此間相互絕緣，互不影響。當某個功率單元出現故障時，可自動退出系統，而其余的功率單元可繼續(xù)保持運行，減小停機時造成的損失。

2.2 DVR的檢測算法

電壓幅值和相位實時、準確的檢測是DVR的關鍵。常見的檢測算法主要有：有效值法、峰值電壓法、dq變換和小波變換等[2]。這些檢測算法大多基于頻域分析，只有dq變換法實時性較高，其余算法需要的采樣數據量很大，實時性較差。因此在對實時性要求較高的DVR檢測中通常都采用dq變換。

傳統的dq變換以三相對稱系統為基礎，能實時、快速、準確地檢測出三相對稱系統的電壓跌落。而低壓電網中電壓跌落多為單相事件，三相不對稱居多，此時負序分量較大，傳統的dq變換不能準確提取出電壓基波正序分量，檢測精度受到影響。因此，文中采用改進的dq檢測算法（如圖3所示），用于提取三相不對稱系統的電壓基波正序分量，濾除負序分量轉化帶來的二次諧波[3]，同時消除低通濾波器帶來的延時，提高DVR檢測的實時性。

這種改進的dq檢測算法實質是：（1）先將三相電網電壓由三相靜止坐標系變換到兩相靜止αβ坐標系，如式（1）所示；（2）通過最小二乘法建立方程分離出uα，uβ的正序分量，接著將分離出的正序分量進行dq變換，如式（2）所示；（3）使用低通濾波器濾除其他頻次的分量，得到由基波正序分量轉換后的直流分量；（4）將得到的直流分量進行dq變換和αβ變換的逆變換即可得系統基波正序分量。

式中：θ為d軸與α軸之間的夾角。計算出的基波正序分量的有效值和相位分別為：

改進的三相DVR檢測方法，在確保檢測精度的情況下，減少了計算量，有效地提高了dq變換在三相不對稱情況下的實時性。

2.3 無差拍控制策略

隨著高性能數字信號處理器（DSP）的出現，一些先進的控制策略隨之產生：如空間矢量控制、滯環(huán)比較控制、無差拍控制、模糊控制、重復控制、神經網絡控制等等[4]。文中采用無差拍控制策略，該控制策略是在滯環(huán)比較控制技術的基礎上發(fā)展起來的一種全數字化控制技術，至今已發(fā)展成一種較為理想的輸出電壓瞬時值控制技術。

該新型DVR逆變器的無差拍算法流程如圖4所示，其中：ucaf為輸出電容電壓；iLa為負載電流；uref為輸出電壓參考值。

無差拍控制策略的本質是由DVR逆變系統（包含濾波器）的狀態(tài)方程和輸出反饋信號推算出下1個開關周期的脈沖寬度[4]。這樣就能確保各個采樣時刻輸出的電壓值與給定的參考值精確相等，任何由負載引起的輸出與給定的偏差，都能在1個開關周期內得到校正。無差拍控制具有消除穩(wěn)態(tài)誤差、快的暫態(tài)響應以及控制精度高等優(yōu)點。

3 仿真分析

為了驗證新型DVR的性能，特對其進行了仿真分析，其主電路如圖2所示。先將系統參數作如下設計：輸入相電壓額定有效值U=220V，電網基波頻率f=50 Hz，逆變器IGBT開關頻率為10 kHz。在時間t=0.5～0.6s之間注入30%的5次諧波和30%的電壓驟降，DVR的運行結果如圖（5—8）所示。

可見，該新型DVR具有良好的補償特性；在DVR工作期間，即0.5～0.6s之間，電網側電流波形接近正弦，表明DVR的功率單元模塊中的整流并未對系統電網造成諧波污染。

4 結束語

文中提出一種新型的用于低壓電網電壓穩(wěn)定的實時DVR，其采用三單相結構、一種改進的dq檢測算法和無差拍控制策略，通過移相變壓器從電網獲得DVR的能量，再通過功率單元的串聯輸出所需要的補償電壓。在三相平衡和不平衡時都能對系統電壓進行很好的補償，且消除了DVR中的儲能元件整流方式引入的諧波影響，同時降低了對LC濾波器中電感的要求，具有較高的實時性和可靠性、良好的動態(tài)性能和補償效果等優(yōu)點。這種新型DVR控制簡單，易于實現，其缺點是采用了較多的功率開關器件和較貴的移相變壓器，成本較高。

[1] 周靜，韋統振，趙艷雷，等.低壓配電網中單相動態(tài)電壓恢復器與電力系統之間的能量流動[J].電力自動化設備，2010，30（4）：26-30.

[2] 張國榮，丁明，梁海濤，等.一種應用于單相DVR的檢測算法與仿真[J].系統仿真學報，2007，19（4）：732-734.

[3] 楊新華，郭志成.動態(tài)電壓恢復器電壓跌落檢測[J].低壓電器，2011（5）：51-54.

[4] 馬振國，李鵬，趙保利，等.DVR電壓波形跟蹤無差拍控制方法[J].電力自動化設備，2005，25（3）：13-17.