本文提出并研究了基于級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的無(wú)串聯(lián)注入干式變壓器的2MVA動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了各部件的工作原理。根據(jù)某企業(yè)6kV系統(tǒng)電壓跌落問(wèn)題的解決方案，設(shè)計(jì)了該裝置的主要電路參數(shù)和控制電路功能。EMTDC/PSCAD仿真研究驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，級(jí)聯(lián)多電平逆變器，電壓驟降

0.正式介紹

如今，精密制造設(shè)備、計(jì)算機(jī)和變頻器等電氣負(fù)載對(duì)電壓驟降非常敏感，16毫秒85至90的電壓驟降可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。電壓暫降和短時(shí)中斷的區(qū)別在于，短時(shí)中斷發(fā)生時(shí)，負(fù)載一般與供電系統(tǒng)完全斷開(kāi)，而電壓暫降發(fā)生時(shí)，負(fù)載仍然與供電系統(tǒng)相連。對(duì)于一些工業(yè)用戶來(lái)說(shuō)，兩者都會(huì)造成設(shè)備停機(jī)，結(jié)果是一樣的，但是電壓驟降的概率要比停電的概率高得多。調(diào)查顯示，電壓凹陷占所有配電系統(tǒng)事故的70%-80%。在輸電系統(tǒng)事故中，電壓凹陷占96%以上。目前，歐美家對(duì)電壓凹陷的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他電能質(zhì)量問(wèn)題。其中一個(gè)重要因素是，在電能質(zhì)量的諸多原因中，80%以上的電能質(zhì)量問(wèn)題是由電壓凹陷引起的，不到20%是由諧波、閃變和開(kāi)關(guān)過(guò)電壓引起的。在我，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電壓凹陷和短時(shí)停電問(wèn)題逐漸引起供電公司、用戶和制造商的關(guān)注。特別是在一些高科技園區(qū)，大型醫(yī)院，軍工單位，重要的政府部門(mén)。因此，有效控制電壓暫降等短期電能質(zhì)量擾動(dòng)不僅是必要的，而且是迫切的。

電壓凹陷問(wèn)題是客觀存在的，也是不可避免的。為了減少電壓驟降帶來(lái)的損失，用戶必須采用特定的定制電源設(shè)備。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)是一種靜態(tài)串聯(lián)補(bǔ)償器。當(dāng)系統(tǒng)側(cè)電壓偏離一定范圍時(shí)，DVR會(huì)快速動(dòng)作補(bǔ)償電源電壓的偏差，快速跟蹤恢復(fù)負(fù)載側(cè)電壓波形，滿足特殊用戶對(duì)電能質(zhì)量的高要求。

自20世紀(jì)80年代末以來(lái)，許多外公司開(kāi)始了對(duì)定制電源技術(shù)的專(zhuān)門(mén)研究，并相繼推出了SSTS、DVR、DSTATCOM等產(chǎn)品化設(shè)備。表1顯示了ABB、西門(mén)子、American超導(dǎo)體在DVR研發(fā)示范中的情況。

表1DVR開(kāi)發(fā)(截至2002年)

公司

功能特點(diǎn)

ABBPowerSystem

美超導(dǎo)體

西門(mén)子

電壓驟降

電壓擺動(dòng)

X

電壓調(diào)節(jié)

電壓等級(jí)

5~15/25kV

5~15kV

5~35Kv

設(shè)備容量

2/100MVA

1.7/10MMA

0.3/20KVA

儲(chǔ)能單元

電容器

超導(dǎo)磁體

電容器

響應(yīng)時(shí)間

1/4周期

1/4周期

操作數(shù)量

2

九

八

世界各專(zhuān)家普遍達(dá)成共識(shí)[1: DVR是提高電壓源電能質(zhì)量較經(jīng)濟(jì)有效的手段。但目前DVR主電路拓?fù)浠静捎脙杉?jí)、三級(jí)和注入方式使用串聯(lián)干式變壓器，在應(yīng)用中存在一些問(wèn)題或不足，級(jí)聯(lián)多級(jí)拓?fù)淇梢杂行Ы鉀Q這些問(wèn)題。級(jí)聯(lián)多電平非注入式干式變壓器拓?fù)涞臄?shù)字電壓表的工程研究和設(shè)計(jì)尚未見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)中壓系統(tǒng)的電壓凹陷控制目標(biāo)，對(duì)級(jí)聯(lián)多電平非注入式干式變壓器結(jié)構(gòu)的DVR進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真研究，包括主電路拓?fù)洹?chǔ)能、濾波、凹陷檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)?。?duì)數(shù)字視頻錄像機(jī)在高壓大容量領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

1.工程背景

一個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)基地由兩根35kV電纜供電，單芯1 * 240mm2，長(zhǎng)度約1km。主變電站室內(nèi)有兩臺(tái)主變壓器，均為8000kVA，有載調(diào)壓，二次電壓6kV，單母線段。一臺(tái)干式變壓器在正常負(fù)載下運(yùn)行，兩臺(tái)干式變壓器在夏季峰值負(fù)載下運(yùn)行。負(fù)荷冬季6000~6500kW，夏季7000~7500kW。

對(duì)電能質(zhì)量敏感的設(shè)備，如果供電電壓有效值下降10%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)35ms，則相當(dāng)于停電，足以造成其停機(jī)，影響生產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。2002年全年31起電壓驟降故障中，電壓驟降10%以上的有19起，占55.9%，其中影響生產(chǎn)的有13起，占19起故障的68.4%，發(fā)生的較大電壓驟降為70%。在電壓下降超過(guò)10%的19次中，17次(89.5%)在10%和60%之間，2次(10.5%)在61%和70%之間。目前每次故障造成的平均損失在200-300萬(wàn)元左右。

根據(jù)2002年電壓暫降故障統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，采用DVR技術(shù)，在電壓跌落低于60%的電壓暫降故障發(fā)生時(shí)，將母線電壓補(bǔ)償?shù)筋~定電壓的90%以上。那么DVR的補(bǔ)償電壓為VI=0.9-0.4=0.5pu，根據(jù)夏季較大負(fù)荷(7500kW)考慮兩臺(tái)干式變壓器的運(yùn)行

，每臺(tái)干式變壓器帶3750kW，功率因數(shù)0.92，視在功率4076kVA。額定電流為4.076（以1MVA為基準(zhǔn)），則DVR將電壓恢復(fù)到90％時(shí)所需儲(chǔ)存的能量為：0.125×4.076×0.92＝0.469MJ。DVR的額定容量為：0.5×4.076＝2.038MVA，取2MVA。即，針對(duì)該企業(yè)的系統(tǒng)和負(fù)荷狀況，設(shè)計(jì)安裝的DVR容量為2MVA/臺(tái)×2臺(tái)，分別安裝于系統(tǒng)的6kV側(cè)。

2.主電路拓?fù)?/p>

目前動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器的主電路結(jié)構(gòu)有所不同，不同的主電路結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的補(bǔ)償效果和性價(jià)比?？捎迷诟邏捍笕萘款I(lǐng)域的實(shí)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：三電平結(jié)構(gòu)和多電平結(jié)構(gòu)。在相同基波輸出下，三電平結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)二電平結(jié)構(gòu)相比，具有開(kāi)關(guān)頻率低、元件應(yīng)力小、開(kāi)關(guān)損耗低、輸出諧波小的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是在實(shí)際應(yīng)用上，單個(gè)開(kāi)關(guān)器件仍然要承受較大電壓應(yīng)力，器件參數(shù)選擇余地較小。在線處理電容電壓不平衡、窄脈沖消除等問(wèn)題使得控制變得很復(fù)雜。同時(shí)，系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)、容量擴(kuò)展困難。而多電平結(jié)構(gòu)，具有電平越多，輸出電壓諧波含量越小、開(kāi)關(guān)損耗小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，它作為一種新型的高壓大功率變換器，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，在得到高質(zhì)量的輸出波形的同時(shí)，克服了二電平電路的諸多缺點(diǎn)：無(wú)需動(dòng)態(tài)均壓電路，開(kāi)關(guān)頻率低，因而開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力小，系統(tǒng)效率高等。

二極管箝位型和級(jí)聯(lián)型多電平拓?fù)涞膽?yīng)用較為廣泛，其中二極管型適用于3～5電平的應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)電平數(shù)超過(guò)5時(shí)，該電路的結(jié)構(gòu)和控制變得非常復(fù)雜，而級(jí)聯(lián)型電路很容易擴(kuò)展到2N 1電平(其中N為模塊數(shù))，且不會(huì)導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜化。研究表明，基于級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)涞腄VR在系統(tǒng)可靠性、器件選型、控制復(fù)雜程度、總體效率等方面比其他拓?fù)渚哂懈娴膬?yōu)勢(shì)。因此，本文提出綜合性能較優(yōu)的DVR主回路拓?fù)?，如圖1所示。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

圖1.級(jí)聯(lián)多電平動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器主回路拓?fù)洌▎尉€圖）

圖中，每個(gè)級(jí)聯(lián)H橋逆變單元都有其相互先立的、幅值相等的直流電壓源（直流電容），在一個(gè)工作周期內(nèi)，由N個(gè)H橋級(jí)聯(lián)構(gòu)成的逆變器輸出2N＋1電平的電壓波形。由于采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有先具特色的提取能量模式，不需要單先設(shè)置充電回路和串聯(lián)注入干式變壓器，有利于節(jié)省成本、減少占地面積以及提高系統(tǒng)可靠性，同時(shí)，模塊的級(jí)聯(lián)使得在不提高器件開(kāi)關(guān)頻率的條件下，大大提高了裝置等效開(kāi)關(guān)頻率，簡(jiǎn)化了濾波器設(shè)計(jì)，降低了損耗。這些是DVR采用級(jí)聯(lián)主電路結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)。

由上述工程背景可得，系統(tǒng)線電壓（RMS）：UL＝6000V，較大運(yùn)行方式下容量：。功率因數(shù)0.92，有功容量3750kW。

則，線電流：

（1）

考慮到DVR注入的較大每相電壓為。則有，

（2）

采用1200V/800A的單體IPM模塊作為DVR的級(jí)聯(lián)單元的開(kāi)關(guān)器件。取逆變單元的直流母線電壓為500V。由4個(gè)IPM模塊構(gòu)成的逆變單元較大輸出正弦交流電壓約為350V（RMS），5個(gè)級(jí)聯(lián)單元串聯(lián)輸出交流電壓可達(dá)到。考慮一個(gè)逆變單元作為N 1冗余，則采用的DVR裝置每相由6個(gè)級(jí)聯(lián)逆變單元構(gòu)成。

3.控制算法

DVR控制算法由3部分組成，分別為電壓暫降檢測(cè)、指令電壓生成、底層PWM控制。電壓暫降檢測(cè)采用d-q變換，檢測(cè)系統(tǒng)電壓矢量的變化量，與給定值比較，超出誤差范圍，發(fā)出Sag信號(hào)。

注入電壓指令生成框圖見(jiàn)圖2所示。

圖2.注入電壓指令生成框圖

采用載波移相（CarrierPhase-Shifted）SPWM方式[2>作為底層調(diào)制方式，使得級(jí)聯(lián)單元疊加輸出的SPWM波的等效開(kāi)關(guān)頻率提高到原來(lái)每個(gè)單元的6倍6，因此在不提高開(kāi)關(guān)頻率條件下，大大減小了輸出波形的低次諧波。

4.儲(chǔ)能計(jì)算

由式（2）可知，DVR較大注入電壓運(yùn)行條件下，每個(gè)級(jí)聯(lián)單元注入的電壓為，

（3）

此時(shí)，要求的直流母線電壓約為408V。因此，不考慮電容電壓控制條件下，當(dāng)直流母線電壓在408～500V之間變化時(shí)，通過(guò)控制PWM調(diào)制比可以保證每個(gè)級(jí)聯(lián)單元輸出289V（RMS）補(bǔ)償電壓，即，直流母線的儲(chǔ)能電容可以提供的能量為

（4）

考慮到DVR較大儲(chǔ)能為0.469MJ，則有

（5）

將（4）式代入（5）式整理得

（6）

考慮到一個(gè)級(jí)聯(lián)模塊故障時(shí)，只有5個(gè)單元運(yùn)行，因此式（5）中每相的乘數(shù)取5。

5.濾波器設(shè)計(jì)

雖然級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)逆變器等效開(kāi)關(guān)頻率很高，輸出電壓含有的較低次的高次諧波很小，然而在等效開(kāi)關(guān)頻率附近仍然分布著大量高次諧波，如不濾除，將增大DVR輸出電壓波形的總諧波畸變率（THD）。

圖1中DVR輸出側(cè)配置的無(wú)源濾波器可以起到很好的濾除高次諧波的效果，其固有諧振頻率必須遠(yuǎn)大于工頻頻率，同時(shí)遠(yuǎn)小于需要濾除的高次諧波頻率。不過(guò)考慮到系統(tǒng)正常工作時(shí)，電源側(cè)電壓不能損失過(guò)大，濾波電抗要盡量減小，而過(guò)大的濾波電容會(huì)顯著增大逆變器的額定容量。設(shè)計(jì)中要對(duì)照濾波效果仔細(xì)分析，折衷取值。DVR輸出電路兩側(cè)放置濾波電抗的目的是限制級(jí)聯(lián)單元中間發(fā)生短路故障時(shí)可能產(chǎn)生的過(guò)電流及電流上升率。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

每個(gè)器件導(dǎo)通壓降以2V估算，則6模塊串聯(lián)運(yùn)行，待機(jī)狀態(tài)的總壓降為24V。考慮將總電壓損失限制在5％相電壓范圍內(nèi)，則濾波電感上壓降為，

(7)

以較大運(yùn)行方式下的線電流（392A）考慮濾波電感壓降，計(jì)算得到電感值約為281mH，對(duì)應(yīng)的濾波電容值為5mF。

6.逆變器損耗計(jì)算

在DVR的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮逆變器散熱的設(shè)計(jì)，因此，必須準(zhǔn)確估算其損耗，為散熱裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。對(duì)于這種級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，先分析一個(gè)模塊中各器件的損耗，進(jìn)而得到整個(gè)裝置的損耗。表2所示為不同結(jié)溫下的損耗計(jì)算結(jié)果。

表2.不同結(jié)溫下的損耗計(jì)算（S＝2MVA）

結(jié)溫

(0C)

開(kāi)關(guān)損耗

(W)

IGBT

通態(tài)損耗(W)

二極管

通態(tài)損耗(W)

單管

總損耗

(W)

單模塊

總損耗

(W)

逆變器

總損耗

(W)

損耗比

P損耗/S

()

250C

典型值

72.29

221.18

101.74

395.22

1581

28460

1.40％

250C

較大值

72.29

279.73

129.49

481.51

1926

34670

1.70％

1250C

典型值

72.29

260.22

92.49

425.00

1700

30600

1.50％

7.仿真研究

7.1系統(tǒng)等值

等值系統(tǒng)如圖3所示。電源系統(tǒng)為無(wú)窮大系統(tǒng)，線路側(cè)發(fā)生單相接地故障，由于干式變壓器為Y/D接線，低壓側(cè)發(fā)生無(wú)零序分量的電壓跌落，電壓波形中只含有正序和負(fù)序分量。仿真故障時(shí)序：0.077秒時(shí)刻，降壓干式變壓器一次側(cè)A相發(fā)生接地；0.164秒時(shí)刻，A相接地故障解除。故障期間，干式變壓器二次側(cè)A、B兩相相電壓跌落約50，C相電壓略有升高。

圖3.仿真等值系統(tǒng)

7.2基于載波移相SPWM的底層調(diào)制

圖4.基于載波移相SPWM的底層調(diào)制波形

上：指令電壓和三角載波波形；中：各單元模塊輸出波形；下：級(jí)聯(lián)的合成電壓波形

圖4所示為基于EMTDC/PSCAD仿真軟件的6單元級(jí)聯(lián)多電平DVR在載波移相SPWM調(diào)制下的仿真波形?？梢?jiàn)，DVR輸出相電壓為13電平階梯波，在沒(méi)有增加單元器件開(kāi)關(guān)頻率條件下，大大提高了輸出波形的等效開(kāi)關(guān)頻率，極大地消除了較低次高次諧波的影響。

7.3電壓暫降補(bǔ)償

圖5為DVR補(bǔ)償電壓暫降的仿真結(jié)果。系統(tǒng)電壓正常時(shí)，DVR裝置處于旁路狀態(tài)，不輸出補(bǔ)償電壓。在系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降后，DVR裝置檢測(cè)出暫降，并在較短時(shí)間內(nèi)將負(fù)荷端電壓補(bǔ)償至額定值。不過(guò)，由于未加濾波器，負(fù)荷側(cè)電壓的高次諧波含量較高。

圖5.DVR補(bǔ)償電壓暫降的仿真波形（無(wú)濾波器）

上：系統(tǒng)三相電壓；中：負(fù)荷三相電壓；下：DVR注入三相電壓

7.4諧波抑制

雖然級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)逆變器等效開(kāi)關(guān)頻率很高，輸出電壓含有的較低次的高次諧波很小，然而在等效開(kāi)關(guān)頻率附近仍然分布著大量高次諧波，如不濾除，將增大DVR輸出電壓波形的總諧波畸變率（THD），如圖5所示，DVR注入的高次諧波也影響到負(fù)荷電壓質(zhì)量。設(shè)置濾波器后的仿真結(jié)果及諧波分析見(jiàn)圖6（只取A相數(shù)據(jù)）。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

圖6.濾波前后波形及頻譜比較

由圖6可見(jiàn)，設(shè)計(jì)的濾波器濾除高次諧波效果顯著。

8.結(jié)語(yǔ)

（1）電壓暫降問(wèn)題是客觀存在的不可避免的，用戶為了減少因電壓暫降引起的損失，必須采用DVR等定制電力設(shè)備。

（2）級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)涫歉邏捍笕萘緿VR的合理選擇。

（3）介紹了2MVA級(jí)聯(lián)多電平無(wú)串聯(lián)干式變壓器DVR的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算。

（4）通過(guò)基于EMTDC/PSCAD的仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性及有效性。

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作者簡(jiǎn)介：

尹忠東，男，1968年12月生，博士，副教授，從事電力電子、FACTS技術(shù)、電能質(zhì)量方向的研究工作。yzd@ncepubj.edu.cn