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［關鍵詞］：動態電壓調節器（DVR），級聯多電平逆變器，電壓暫降 2MVA無串聯變壓器級聯多電平動態電壓調節器的係統設計與仿真 尹忠東 電力係統保護與動態安全監控教育部重點實驗室，華北電力大學電氣工程學院北京102206 ,機器視覺 ,煙草機械
0.引言
現今的精密製造設備、電腦，變頻器等用電負載對電壓暫降均非常敏感，持續16ms的85%至90%電壓暫降即可能導致設備停機。電壓暫降與短時斷電(interruption)的(de)差(cha)別(bie)在(zai)於(yu)短(duan)時(shi)斷(duan)電(dian)時(shi)負(fu)載(zai)一(yi)般(ban)與(yu)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)完(wan)全(quan)斷(duan)開(kai)，而(er)電(dian)壓(ya)暫(zan)降(jiang)發(fa)生(sheng)時(shi)負(fu)載(zai)仍(reng)與(yu)電(dian)源(yuan)連(lian)接(jie)，對(dui)某(mou)些(xie)工(gong)業(ye)用(yong)戶(hu)而(er)言(yan)，兩(liang)者(zhe)均(jun)會(hui)造(zao)成(cheng)設(she)備(bei)停(ting)機(ji)，所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)結(jie)果(guo)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)，但(dan)是(shi)電(dian)壓(ya)暫(zan)降(jiang)發(fa)生(sheng)的(de)機(ji)率(lv)遠(yuan)高(gao)於(yu)斷(duan)電(dian)會(hui)發(fa)生(sheng)的(de)機(ji)率(lv)。調(tiao)查(zha)顯(xian)示(shi)：在所有配電係統事故中，電壓暫降占了70％－80％；而在輸電係統事故中，電壓暫降所占的比例超過了96％。muqianzaioumeigeguoduidianyazanjiangdeguanzhuchengdubiqitayouguandiannengzhiliangwentideguanzhuchengduyaodadeduo，qizhongyigezhongyaodeyinsushizaidiannengzhiliangdezhuduoyuanyinzhong，youdianyazanjiangyinqideyonghutousuzhanzhenggediannengzhiliangwentide80％以上，而由諧波、閃變、開關操作過電壓等引起的電能質量問題投訴不到20％。在中國，隨著社會經濟的發展，電壓暫降和短時斷電的問題也逐漸引起了供電公司、用戶及製造廠商的關注。特別是在一些高科技園區、大型醫院、軍工單位和重要的政府部門。因此，對電壓暫降等短時電能質量擾動進行有效治理不僅必要而且十分迫切。
電壓暫降問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，必須采用特定的定製電力設備。動態電壓調節器（DVR）是一種靜態串聯補償器。當係統側電壓偏離了一定的範圍，DVR將迅速動作，以補償電源電壓的偏差，快速跟蹤並恢複負荷側的電壓波形，滿足特殊用戶對電能質量的高要求。
國外自80年代末，許多公司便開始了定製電力技術的專題研究，並陸續推出了SSTS、DVR、DSTATCOM等產品化裝置。表1所示為ABB、西門子、美國超導公司（American Superconductor）在DVR研究開發示範方麵的情況。
表1 DVR開發研製情況（截止2002年）
各國專家已經普遍達成共識[1]：DVR是改善電壓型電能質量問題的最經濟、最有效的手段。不過，目前DVR主電路拓撲基本采用兩電平、三電平及利用串聯變壓器的注入模式，在應用上存在一些問題或不足，級聯多電平拓撲能有效解決這些問題。有關級聯多電平、無注入變壓器拓撲的DVR工程研究及設計尚未見到報道，針對中壓係統電壓暫降治理目標，對級聯多電平無注入變壓器結構的DVR進行包括主電路拓撲、儲能、濾波器、暫降檢測及補償等的係統設計及仿真研究對DVR高壓大容量方麵的應用具有重要意義。
1.工程背景
某半導體生產基地由兩回35kV電纜供電，電纜采用單芯1*240平方毫米，長度約一公裏。總變電室兩台主變，均為8000kVA，有載調壓，二次電壓為6kV，單母分段。正常負荷時為單台變壓器運行，夏季高峰負荷時，兩台變壓器運行。冬季負荷6000～6500kW，夏季負荷7000～7500kW。
對於對電能質量敏感的設備來說，供電電壓有效值下降10％，持續時間超過35ms，就等同於一次停電，足夠導致其停機，影響生產，造成嚴重的經濟損失。在2002年全年的31次電壓突降故障中，電壓瞬間降低超過10％的共 19 次，占 55.9 ％，其中有13次對生產造成影響，占19次故障的68.4%，發生的最大電壓降幅為70％。在電壓降幅超過10％的19次中，電壓降幅在10％～60％之間的共17次，占89.5%，在61～70％之間的共2次，占10.5%。目前，每次故障造成的損失平均約200～300萬元人民幣。
根據2002年發生電壓暫降故障的統計分析結果，確定采用DVR技術，將電壓降幅在60％以下的電壓暫降故障發生時的母線電壓補償到額定電壓的90％以上。則DVR的補償電壓為：Vi=0.9-0.4=0.5 pu。按夏季最大負荷（7500kW）時，兩台變壓器運行考慮，每台變壓器帶3750kW，功率因數0.92，視在功率4076kVA。額定電流為4.076（以1MVA為基準），則DVR將電壓恢複到90％時所需儲存的能量為：0.125×4.076×0.92＝0.469 MJ。DVR的額定容量為：0.5×4.076＝2.038 MVA，取2MVA。即，針對該企業的係統和負荷狀況，設計安裝的DVR容量為2MVA/台×2台，分別安裝於係統的6kV側。
2.主電路拓撲
目mu前qian動dong態tai電dian壓ya調tiao節jie器qi的de主zhu電dian路lu結jie構gou有you所suo不bu同tong，不bu同tong的de主zhu電dian路lu結jie構gou會hui有you不bu同tong的de補bu償chang效xiao果guo和he性xing價jia比bi。可ke用yong在zai高gao壓ya大da容rong量liang領ling域yu的de實shi用yong拓tuo撲pu結jie構gou為wei：三電平結構和多電平結構。在相同基波輸出下，三電平結構與傳統二電平結構相比，具有開關頻率低、元件應力小、開關損耗低、輸出諧波小的優點。缺點是在實際應用上，單個開關器件仍然要承受較大電壓應力，器件參數選擇餘地較小。在線處理電容電壓不平衡、窄脈衝消除等問題使得控製變得很複雜。同時，係統的冗餘設計、容量擴展困難。而多電平結構，具有電平越多，輸出電壓諧波含量越小、開關損耗小、效(xiao)率(lv)高(gao)的(de)優(you)點(dian)，它(ta)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)的(de)高(gao)壓(ya)大(da)功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)器(qi)，從(cong)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)入(ru)手(shou)，在(zai)得(de)到(dao)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)輸(shu)出(chu)波(bo)形(xing)的(de)同(tong)時(shi)，克(ke)服(fu)了(le)二(er)電(dian)平(ping)電(dian)路(lu)的(de)諸(zhu)多(duo)缺(que)點(dian)：無需動態均壓電路，開關頻率低，因而開關器件應力小，係統效率高等。
二極管箝位型和級聯型多電平拓撲的應用較為廣泛，其中二極管型適用於3～5電平的應用場合，當電平數超過5時，該電路的結構和控製變得非常複雜，而級聯型電路很容易擴展到2N+1電平(其中N為模塊數)，且不會導致電路結構和控製的複雜化。研究表明，基於級聯多電平拓撲的DVR在係統可靠性、器件選型、控製複雜程度、總體效率等方麵比其他拓撲具有更全麵的優勢。因此，本文提出綜合性能最優的DVR主回路拓撲，如圖1所示。
圖中，每個級聯H橋逆變單元都有其相互獨立的、幅值相等的直流電壓源（直流電容）， 在一個工作周期內，由N個H橋級聯構成的逆變器輸出2N＋1電平的電壓波形。由於采用級聯結構，具有獨具特色的提取能量模式，不需要單獨設置充電回路和串聯注入變壓器，有利於節省成本、減(jian)少(shao)占(zhan)地(di)麵(mian)積(ji)以(yi)及(ji)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)，同(tong)時(shi)，模(mo)塊(kuai)的(de)級(ji)聯(lian)使(shi)得(de)在(zai)不(bu)提(ti)高(gao)器(qi)件(jian)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)裝(zhuang)置(zhi)等(deng)效(xiao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，簡(jian)化(hua)了(le)濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)，降(jiang)低(di)了(le)損(sun)耗(hao)。這(zhe)些(xie)是(shi)DVR采用級聯主電路結構的突出優點。
由上述工程背景可得，係統線電壓（RMS）：UL＝6000V，最大運行方式下容量： 。功率因數0.92，有功容量3750kW。
則，線電流：
考慮到DVR注入的最大每相電壓為 。則有，
采用1200V/800A的單體IPM模塊作為DVR的級聯單元的開關器件。取逆變單元的直流母線電壓為500V。由4個IPM模塊構成的逆變單元最大輸出正弦交流電壓約為350V（RMS），5個級聯單元串聯輸出交流電壓可達到 。考慮一個逆變單元作為N+1冗餘，則采用的DVR裝置每相由6個級聯逆變單元構成。
3.控製算法
DVR控製算法由3部分組成，分別為電壓暫降檢測、指令電壓生成、底層PWM控製。電壓暫降檢測采用d-q變換，檢測係統電壓矢量的變化量，與給定值比較，超出誤差範圍，發出Sag信號。
注入電壓指令生成框圖見圖2所示。
采用載波移相（Carrier Phase-Shifted）SPWM方式[2]作為底層調製方式，使得級聯單元疊加輸出的SPWM波的等效開關頻率提高到原來每個單元的6倍6，因此在不提高開關頻率條件下，大大減小了輸出波形的低次諧波。
4.儲能計算
由式（2）可知，DVR最大注入電壓運行條件下，每個級聯單元注入的電壓為，
此時，要求的直流母線電壓約為408V。因此，不考慮電容電壓控製條件下，當直流母線電壓在408～500V之間變化時，通過控製PWM調製比可以保證每個級聯單元輸出289V（RMS）補償電壓，即，直流母線的儲能電容可以提供的能量為
考慮到DVR最大儲能為0.469MJ，則有
將（4）式代入（5）式整理得
考慮到一個級聯模塊故障時，隻有5個單元運行，因此式（5）中每相的乘數取5。
5.濾波器設計
雖sui然ran級ji聯lian多duo電dian平ping結jie構gou逆ni變bian器qi等deng效xiao開kai關guan頻pin率lv很hen高gao，輸shu出chu電dian壓ya含han有you的de較jiao低di次ci的de高gao次ci諧xie波bo很hen小xiao，然ran而er在zai等deng效xiao開kai關guan頻pin率lv附fu近jin仍reng然ran分fen布bu著zhe大da量liang高gao次ci諧xie波bo，如ru不bu濾lv除chu，將jiang增zeng大daDVR輸出電壓波形的總諧波畸變率（THD）。
圖1中DVR輸(shu)出(chu)側(ce)配(pei)置(zhi)的(de)無(wu)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)可(ke)以(yi)起(qi)到(dao)很(hen)好(hao)的(de)濾(lv)除(chu)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)的(de)效(xiao)果(guo)，其(qi)固(gu)有(you)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)必(bi)須(xu)遠(yuan)大(da)於(yu)工(gong)頻(pin)頻(pin)率(lv)，同(tong)時(shi)遠(yuan)小(xiao)於(yu)需(xu)要(yao)濾(lv)除(chu)的(de)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)頻(pin)率(lv)。不(bu)過(guo)考(kao)慮(lv)到(dao)係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)，電(dian)源(yuan)側(ce)電(dian)壓(ya)不(bu)能(neng)損(sun)失(shi)過(guo)大(da)，濾(lv)波(bo)電(dian)抗(kang)要(yao)盡(jin)量(liang)減(jian)小(xiao)，而(er)過(guo)大(da)的(de)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)會(hui)顯(xian)著(zhu)增(zeng)大(da)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)額(e)定(ding)容(rong)量(liang)。設(she)計(ji)中(zhong)要(yao)對(dui)照(zhao)濾(lv)波(bo)效(xiao)果(guo)仔(zai)細(xi)分(fen)析(xi)，折(zhe)衷(zhong)取(qu)值(zhi)。DVR輸出電路兩側放置濾波電抗的目的是限製級聯單元中間發生短路故障時可能產生的過電流及電流上升率。
每個器件導通壓降以2V估算，則6模塊串聯運行，待機狀態的總壓降為24V。考慮將總電壓損失限製在5％相電壓範圍內，則濾波電感上壓降為，
以最大運行方式下的線電流（392A）考慮濾波電感壓降，計算得到電感值約為281mH，對應的濾波電容值為5mF。
6.逆變器損耗計算
在DVR的(de)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)需(xu)考(kao)慮(lv)逆(ni)變(bian)器(qi)散(san)熱(re)的(de)設(she)計(ji)，因(yin)此(ci)，必(bi)須(xu)準(zhun)確(que)估(gu)算(suan)其(qi)損(sun)耗(hao)，為(wei)散(san)熱(re)裝(zhuang)置(zhi)的(de)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)依(yi)據(ju)。對(dui)於(yu)這(zhe)種(zhong)級(ji)聯(lian)多(duo)電(dian)平(ping)結(jie)構(gou)，先(xian)分(fen)析(xi)一(yi)個(ge)模(mo)塊(kuai)中(zhong)各(ge)器(qi)件(jian)的(de)損(sun)耗(hao)，進(jin)而(er)得(de)到(dao)整(zheng)個(ge)裝(zhuang)置(zhi)的(de)損(sun)耗(hao)。表(biao)2所示為不同結溫下的損耗計算結果。
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