动态电压调节器（DVR）的结构分析及性能比较

动态电压调节器（DVR）的结构分析及性能比较张秀娟姜齐荣（清华大学电机工程与应用电子技术系FACTS研究所，北京100084）1引言非线性和冲击性负载的增长导致了许多电能质量问题，例如电压跌落、闪变、电流谐波、不平衡等[1]。这些问题严重影响了电力系统的稳定和敏感性用户的安全。为了解决这些问题，人们提出并试验了许多方案，例如针对电流问题的有源滤波器（APF），针对电压问题的动态电压调节器（DVR），针对无功补偿的静态无功发生器（STATCOM），针对敏感性负荷的不间断电源（UPS）等[2]。动态电压调节器DVR（DynamicVoltageRegulator）是一种串联型电能质量调节器，采用基于电力电子器件的PWM逆变器结构，其主电路由以下四个部分组成：基于全控器件的电压源型逆变器、输出滤波器、串联变压器和直流储能单元。其基本结构及与电力系统的连接如图1所示。rLine直流储能单元逆变器单元LfCf滤波器变压器敏感性负荷图1DVR基本结构及与系统联接单线图DVR相当于一个串联在配电系统中动态受控的电压源，采用适当的控制方法可以使该电压源输出抵消电力系统扰动对负荷电压造成的不良影响，如电压跌落、电压不平衡及谐波等。当直流侧能量通过从系统整流获得时，在系统侧即使发生单相故障，其它两相仍可以提供电能来维持DVR的正常运行，补偿长期的电压跌落也成为可能。如果在直流侧电容两端并联蓄电池，或采用大容量电容储能，该装置还可起到UPS的作用，即在系统侧发生短期故障时可以向负荷提供一定时间的功率。采用合适的拓扑结构，DVR可以综合地治理配电系统中的动态电压质量问题如跌落、浪涌和稳态电压质量问题如谐波、波动、三相不平衡，是一个多目标的电压质量综合治理装置。1996年8月，西屋公司（WestinghouseElectricCorporation）在Duke电力公司位于南加州安德森的12.47kV变电站安装了第一台DVR，用于解决一家自动化纺织厂的供电电压问题[5]。随后ABB公司研制的22KV/4MVADVR也成功地应用于半导体生产厂的故障电压恢复。ABB还推出了基于IGCT的DVR。SIEMENS公司也在动态电压恢复器的研制上处于先进水平，不仅开发了用于中等电压等级的DVR，还开发了用于大功率负荷的多模块动态电压恢复器以及架空DVRPM（Platform-MountedDVR）系统[3]。除了上述的动态电压恢复器实例，世界上还有很多厂家和研究机构正在研制各自的DVR，如Cutler-Hammer，美国威斯康星大学等。清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所也已经独立研制了一台10kVA/380V的三相DVR样机，实验结果表明该样机性能优越，不仅能有效地解决系统的动态电压质量问题，例如电压跌落、闪变等，还能解决一些稳态的电压质量问题，如三相电压不平衡、谐波等。目前我们正在此基础上研制250kVA/380V的DVR。世界范围的动态电压调节器研制热潮，说明了串联型电能质量补偿装置在电能质量控制中的重要性。本文将就DVR的四个主要部分对其主电路的各种结构进行分析和比较。并以我们研制的10kVA样机为例进行一个详细的介绍。2DVR的结构分析2.1逆变器结构DVR核心单元是一个基于全控器件的电压源型PWM逆变器，通过逆变器对直流电压的逆变产生用于补偿系统故障电压的串联交流电压。三相DVR的逆变器拓扑结构主要有两种：三相桥结构和三单相桥结构。采用前者时，三相输出电压互相关联，控制比较复杂，且无法向系统提供零序电压，因此主要应用于三相三线制系统；采用后者时，三相输出电压互相独立，可以分相控制，且控制简单，对于三相三线制系统和三相四线制系统都可以应用。当系统出现不对称故障时，这种结构的DVR可以就其中的零序进行补偿[4]。我国的大部分中低压电网基本上都采用三相四线制结构，三相电压不平衡的情况比较常见，所以采用三单相桥结构更为合适。三单相逆变器每个单相的结构相同，结构形式有半桥逆变器、全桥逆变器和推挽逆变器等。不同结构的逆变器有不同的性能。单相半桥逆变器使用两只开关器件，器件成本较全桥逆变器节省，但其直流侧需要电容分压，存在直流侧两个电容均压的问题。如果直流侧电容不能很好地均压，逆变器输出电压的品质将受到很大的影响。同时，由于直流侧经过了分压，直流侧电压的利用率降低一半，逆变器的输出就必须通过升压变压器接入系统，因而装置在不同电压和功率等级上设计的灵活性降低。全桥逆变器使用的开关器件是半桥逆变器的两倍，装置的成本比半桥高，但不存在电容分压和均压等问题。桥式逆变器都存在桥臂直通的问题，所以两种桥式逆变器都需要可靠的桥臂保护手段来防止桥臂直通。推挽逆变器最大的优点在于任何时候只有最多一个开关器件工作，不存在桥臂直通的问题，在输出功率相同时开关损耗也较小，但是其功率器件的开关集电极电压应力为两倍的电容电压，因而适用于低压大功率变换器。我们研制的10kVA装置采用三单相全桥结构，各相输出之间完全独立，可以分别向系统注入正、负、零序电压，控制简单。2.2串联变压器串联变压器对装置补偿性能有很大影响，从电路拓扑上看，DVR可以不用串联变压器而直接将逆变器输出的补偿电压滤波后串联注入系统。下面我们对串联变压器进行详细分析。1．采用串联变压器结构采用串联变压器有以下两个方面的优点[7]：（1）采用升压变压器（即逆变器侧电压低于注入电压）结构，可以降低逆变器直流侧电压等级，在高电压等级的场合可以提高装置的可靠性及更加灵活地选择开关器件。（2）将逆变器和电网隔离，使得逆变器直流母线可以直接由电网整流得到。由于串联变压器的非线性，它在带来以上优点的同时，也带来了不少缺点[6][7]：（1）逆变器产生的高次谐波给变压器的设计带来了困难，使得变压器的容量上升。（2）串联变压器的短路电抗降低了开环控制的电压精度，影响装置的性能，并产生功率损耗。（3）串联变压器的接入影响了串联单元的部分补偿功能（例如系统电压谐波补偿）。（4）串联变压器将带来附加的相移和电压降落，从而影响控制器的性能。另外变压器还存在饱和（saturation）及电压跌落时的瞬间起峰电流（inrushcurrent）等问题。因此是否采用串联变压器需要综合考虑以上因素。在高压配电网络中，考虑到逆变器结构、开关器件电压容量、直流母线电压、装置成本等因素，采用串联变压器是一个较好的选择。在这样的情况下，装置的主要功能将以补偿基波电压波动为主。串联变压器参数的设计与DVR的主电路的结构，特别是滤波器的位置、系统参数等有很大关系。文[6]详细地讨论了变压器的参数设计。决定变压器原边电压等级的因素有：系统跌落的最大幅度、DVR的控制方法和滤波器的位置，实际上就是由变压器需要输出的电压决定的；原边电流容量和短路电抗则都取决于负荷的额定电流和滤波器的位置；而变比则和副边电压、电流容量互相关联，确定了一个，另外一个就确定了。副边电压等级是由逆变器的输出决定的。当逆变器的结构可变时，其输出电压可变，变压器变比也是可以变化的。可以根据对逆变器的结构、装置成本、装置的性能等方面考虑挑选一个最优的变比。从逆变器侧看变压器可以设计成升压变压器，也可以设计成降压变压器。如果采用降压变压器，逆变器电流容量可以减小。但是，如果直流侧电压是通过不控整流电路提供的，采用降压变压器对减小电流容量是非常有限的。如果设计成升压变压器，可以用较低的直流侧电压获得较高的线路侧输出电压，不过逆变器的电流容量将相应增加，2．不采用串联变压器结构由于串联电能质量控制器需要补偿电压谐波，而且负载电流要流过这个串联变压器，在系统电流谐波232比较大的情况下，就更加增加了损耗，降低系统效率和提高成本。所以，在电压等级较低的应用中，完全可以省去这个串联变压器而采用相对容易设计的电源变压器将直流母线和系统隔离。在不采用串联变压器时，直流侧与系统的隔离可以采用以下两种方式：利用工频变压器或者高频变压器隔离，如图2所示。图2A的优点在于线路简单，并且可通过改变变压器I的变比来改变直流侧电压的幅度以满足调制比和补偿电压幅度的要求，图2B的优点在于直流侧电压非常稳定，有利于逆变器的设计，相对于工频变压器，高频变压器的体积将大大缩小，而且如果增加直流储能单元如蓄电池还可以借助DC-DC变换器对蓄电池充电。A采用工频变压器隔离B采用高频变压器隔离图2直流侧隔离结构示意图文[7]提出了应用于高压配电网的无串联变压器的DVR结构。考虑到开关器件的电压和容量，文中提出了两种结构，如图3所示：A开关器件串并联式B链式逆变器图3用于高压系统的无变压器DVR结构两种结构都是三单相全桥结构。图3A采用的是桥臂开关器件串联分压+并联分流的方法。这种结构需要注意串联开关管之间的均压和并联桥臂之路之间的均流。图3B采用的是多个逆变器串联即链式逆变器结构，这种结构不必要考虑管子之间的均压，但需要仔细控制各个直流侧的电压，使各个逆变器输出保持一致。另外这种结构下，管子的开关频率可能会比较高，因此主电路的损耗及散热问题都需要注意。我们研制的装置应用于380V配电系统中，电压等级比较低，而电压质量问题比较大，需要比较好的补偿性能，所以没有采用串联变压器。使用工频变压器进行系统和装置的隔离，并维持足够高的直流侧电压。2.3串联滤波器的设置如2.2节所讨论的，在DVR中引入串联变压器后，滤波器的安置地点将对DVR的设计和性能带来影响。下图给出了采用串联变压器后滤波器可能的安装位置，以A、B、C表示。图4滤波器放置示意图如果将滤波器放置在逆变器侧（图中A处），它将滤掉逆变器输出电压中的大部分高次谐波，这样可以降低串联变压器的容量。但同时滤波器也会引起补偿电压的相移和幅度衰减，这给滤波器和控制器的设计带来了难度。如果将滤波器放置在线路侧（图中C处），则可以利用变压器漏感作为滤波电感从而减少一个滤波电感，滤波器对于控制系统的影响也较小。但缺点在于串联变压器要通过高次谐波，其容量和损耗必然增大，滤波效果也没有放置在逆变器侧好。如果将逆变器输出滤波电感电容放置在线路侧（图中B处），同样可以滤除开关频率的谐波。该结构的优点是可以用L3的设计来消除串联变压器漏感的分布参数的影响。在控制上由于L3，C3电流直接反映了负载电流的情况，使得控制器可以方便地取样电感或电容电流进行电流模式控制。这个方式也没有解决变压器设计上的困难。文献[9][10]详细的讨论了图4中不同位置的滤波器参数的设计。2.4直流储能单元直流储能单元是DVR设计中的重要课题之一。和UPS电源一样，在系统发生故障时，DVR必须向系统提供有功功率，这些能量都由DVR的储能单元提供。DVR的储能单元通常有两种结构：一种是直接采用储能元件，当装置需要向系统注入有功时，这些储能元件可以提供能量；第二种是采用不控整流滤波的方法提供能量。储能元件有蓄电池、电容、飞轮等。利用大电容储能方式，当系统电压没有跌落的时候，系统通过逆变器给电容充电，电容被充电到一定的数值时，DVR从系统中切除；当系统发生电压跌落时，逆变器向系统输出功率。在电容电压跌落到一定数值前，可以基本维持用户电压不变。储能电容的容量决定了DVR在故障期间可以提供的能量。其设计参数与系统容量以及补偿要求有关，这种储能方式成本较低，但由于受到很多因素的制约，不是非常实用。采用蓄电池作为直流储能单元时，能量的流动完全可控。如果在储能单元之前增加一级直接并联接入系统的AC-DC变换器，则可起到三个方面的作用：首先，它是一个充电器；其次，可以采用电流控制的方式，补偿系统电流谐波和无功电流，起到有源滤波器的作用；第三，在采用蓄电池作为储能单元的时候。，希望在系统电压没有跌落很多的情况下，通过它直接把系统能量向DVR提供。减少电池放电时间，延长电池使用寿命。飞轮储能的主要组成部分是飞轮、轴承等。飞轮储能单元的关键部分是轴承，摩擦小的轴承才能使飞轮储能效率高。现有的电磁轴承摩擦小，寿命长，但是用来稳定和定位飞轮的控制系统较复杂。与其他的储能形式相比，飞轮储能的效率很高，寿命长，没有污染，而且飞轮储能可以安装在地下，可大大节省空间。除了