一种无变压器有源电压质量调节器的直流侧电压控制

一种无变压器有源电压质量调节器的直流侧电压控制DCsidevoltagecontrolforaTransformerlessAVQR胡志亮肖国春刘莉王兆安西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049Tel/Fax:(86+29)82665223,e-mail:[e-mail]摘要：无变压器串联电压质量调节器是一种用来解决多种电压质量问题的新型装置。针对目前大多数的类似装置的整流单元都采用不可控整流的情况，本文提出了采用可控整流来控制直流侧电压与系统缺损电压相适应的思想，以提高装置的效率。论文详细介绍了该思想的原理与实现方法，并把两种情况下装置的损耗和效率情况进行了对比。通过仿真和实验可以看出本文提出的直流侧电压可控的无变压器电压质量调节器可以有效解决多种电压质量问题；在相同工况下，效率从直流侧电压不可控时的89%提升到了96%。Abstract:Thetransformerlessvoltagequalityregulatorisanewpowerelectronicequipmentdesignedtomitigatethevoltagedisturbance.Forthetraditionaltopology,therectifierunitisthedioderectifier.ItsDCsidevoltagecannotchangewiththemissingvoltage.Inordertoavoiditsdrawbacks,anewcircuittopologythatthedioderectifierisreplacedbythethyristorrectifierandthecontrolstrategythatvariableDC-busvoltageisproposedinthispaper.Thispaperanalyzesthecircuittopologyandcontrolstrategyindetail.Thenlossesandefficiencyofthebothcircuittopologiesarecomparedinordertoshowthevirtueoftheproposedcircuitanditscontrolmethod.Atlast,thevalidityandeffectivenessoftheproposedcontrolstrategyareverifiedbythelaboratoryexperimentalresults.Atthesamesourcevoltageandloadcondition,theefficiencyincreasesfrom89%to96%.关键词：无变压器，电压质量调节器，直流侧电压可控，效率Keywords:transformerless，voltagequalityregulator,DCsidevoltagecontrol,efficiency1.引言电能质量问题大多可以归结为电压质量问题，特别是公共结点的电压质量问题。电网电压存在的各种干扰，如电压升高、跌落、瞬变、谐波等，将导致一些重要负载或对电能质量敏感的设备性能降低、寿命缩短，还会造成一些生产设备无法正常运行、甚至损坏。对于敏感负荷端，解决这个问题的一种直接有效措施是在电网和敏感负荷之间加装串联电压质量调节器，通过向电网注入补偿电压来保证用户端的电压质量。然而，目前大多数串联电压质量控制器都采用变压器与电网进行耦合或隔离，以便将系统所需补偿的缺损电压耦合到电网或与电网进行必要的电气隔离。但是变压器体积大，价格高并且有磁饱和等问题；还增加了装置的损耗。就目前来看，在电压等级较低或者是开关器件容量足够的情况下引入耦合或隔离变压器所带来的缺陷远远大于所带来的优势。文献[1]提出了一种无变压器的串联电压质量调节器，其基本结构如图1所示，主要包括整流单元、逆变单元、储能电容和控制部分。图1所示的拓扑结构昀初是针对暂态电压质量问题提出来的。2004年，文献[2]提出将该拓扑结构用来解决低压配电系统的缓变或稳态电压质量，如：负荷侧电压长期过压或欠压、电压波形严重畸变、供电频率波动等供电电压质量问题。但是图1所示的电路图存在一个问题：直流侧电容电压的值由电网电压的值来决定，不能跟随电网电压与额定输出电压之差变化。这就带来了另一问题：欠压时，直流侧电压随缺损电压（期望的负载电压与电网电压之差）的减小而增大，直流侧电压的利用率就会很低，尤其是当源电压与负载电压接近时，补偿所需要的直流侧电压较小，而此时的直流侧电压却很高，占空比就会很小，加之死区的影响，可能就会影响补偿效果；过压时，直流侧电压会更高，逆变器的占空比较小，逆变器的损耗高、工作效率低，其实此时由于电源提供的能量大于负载所需的能量，这样就可以关断充电回路，通过对逆变单元的控制来给直流侧容充电。对于低压配电系统的缓变或稳态电压质量问题，直流侧电压不能自动跟随电网电压与额定输出电压之差变化是目前串联电压质量调节器效率低的主要原因之一。如果把充电回路中的二极管由晶闸管来代替，使直流侧电压可控，电路图如图2所示，就可以解决上述问题。欠压时，它通过控制晶闸管的通断，使直流侧电压与系统的缺损电压相适应；过压时，把晶闸管关断，通过控制逆变单元来给直流侧充电。这样，无论是欠压还是过压，直流侧电压都会比图1所示的电路，直流侧电压要低很多，从而也降低了逆变器的电压应力，提高了逆变器的占空比和工作效率，进而也能减小逆变器的电磁干扰。该拓扑结构用来解决低压配电系统缓变或稳态电压质量问题（电网过压、欠压、波形畸变），像目前的交流稳压电源装置一样在线接入电源系统。而对于暂态快速变化的电压质量问题，可以用动态电压恢复器（DVR）来解决，因为动态电压恢复器不是在线投入的，这样它的工作效率才能很高。图1文献[1]电路图2改进后电路结构图2.工作原理对图2所示电路的基本控制思路如下：当电网电压高于负载所需额定电压时，关闭充电回路V3、V4，此时，储能电容器C1、C2上的电压由逆变装置V1、V2控制。当电网电压低于负载所需额定电压时，通过对充电回路V3、V4的控制，对储能电容器C1、C2上补充有功功率，维持储能电容器C1、C2上补偿缺损电压逆变所需的直流电压。另外，当电网电压低于负载所需额定电压，而负载的功率因数小于1（感性）时，若电网所能提供的昀大有功功率大于负载所需的有功功率和装置本身的各种损耗时，也可关闭充电回路V3、V4。这时通过对逆变装置的控制，适当增加电网侧的功率因数，可以对储能电容器C1、C2充电，对储能装置补充有功功率维持逆变装置所需直流电压。下面分析一下整流单元的工作原理。如图2所示，电源sV为正负交替的50Hz交流电，在源的正半轴，将会经V4对C2充电；源的负半轴，则会经V3对C1充电。鉴于此原理，我们应该在源的正半轴触发晶闸管V4，在源的负半轴触发晶闸管V3。需要指出得是，在这里,之所以要使直流侧电压与系统缺损电压相适应,是为了提高直流侧电压的利用率,降低逆变器的电压应力,也就是说直流侧电压要低。所以应该在正半轴的下降部分和负半轴的上升部分触发晶闸管，这样才有可能得到我们所需要得直流侧电压；否则直流侧电压近似为源电压峰值。3.具体实现控制目标是为了使直流侧电压与系统的缺损电压相适应，所以需要实时检测源电压的大小，然后计算出所需要的直流侧电压，称为直流侧电压设定值，再把此电压与实际的直流侧电压相比较，把它们的误差并经过一个比例环节来调节触发脉冲的位置，使直流侧电压与其设定值相同。这个过程由DSP来实现，其程序流程图如图3所示，其中UDC为直流侧电压实际值，UDC_SET为直流侧电压设定值。图3程序流程图系统在每个采样周期对直流侧电压进行采样并求出一个工频周期的平均值UDC，然后将UDC与UDC_SET比较。若UDCUDC_SET，则触发脉冲沿着源电压绝对值减小的方向移动，使直流侧电压降低；若UDCUDC_SET，则触发脉冲沿着源电压绝对值增大的方向移动，使直流侧电压升高。昀终的结果是直流侧电压与其设定值相同。两个工频周期之间，脉冲移动的间隔如式（1）所示。_(DCDCSETkUUλ=−)（1）其中，k为比例系数，应该选择一个合适的值。直流侧电压是一个缓变的过程，若脉冲移动速度太快，即k过大时，就有可能直流电压的变化赶不上脉冲速度的变化，就会出现有触发脉冲但是晶闸管没有导通的情况，如图4所示，正常的波形应该如图5所示。这样检测到的直流侧电压要比晶闸管导通时直流侧电压高，脉冲就会继续移动直到检测到直流侧电压比期望的低，此时脉冲已经移过，所以就会出现一段直流侧电压比较低的时间，直接影响补偿效果。若脉冲移动速度太慢，即k取值较小时，系统的动态响应时间就会太长。t0.01ms/divCH1CH2图4不正常的触发脉冲和晶闸管电压（CH1：晶闸管两端电压；CH2：触发脉冲）CH1CH2t0.01ms/div图5正常的触发脉冲和晶闸管电压（CH1：晶闸管两端电压；CH2：触发脉冲）4.直流侧电压设定值的计算由于电网电压在实时的变化，所以系统的缺损电压也在实时变化，从而需要及时地计算出直流侧电压的设定值。直流侧电压设定值的原则：根据系统缺损电压的大小，保证其在不影响装置的补偿性能的情况下尽可能小。直流侧电压设定值的计算在欠压时和过压时有所不同，现在详细分析一下。4.1欠压时直流侧电压的设定值的计算方法欠压时采用同相补偿策略。直流侧电压的设定值为期望的负载电压与源电压瞬时值差的绝对值的昀大值，并留有一定的裕量，具体的计算公式如式（2）所示。_1.3max()()DCSETNSUUt=×−Ut（2）其中U为期望的负载电压的瞬时值，为源电压的瞬时值，1.3为裕量。()Nt()sUt4.2过压时直流侧电压的设定值的计算方法过压时，补偿电压和负载电流方向相反，系统吸收能量，导致直流侧电压泵升。为了抑制直流侧电压泵升，采用了移相控制。所以在过压时直流侧电压的设定值的计算方法也不尽相同。由文献[3]可知当负载为纯阻性负载时，所需的补偿电压昀大，所以选此时的补偿电压来确定所需的直流侧电压，计算公式如式（3）所示。22JSNUUU=−，_1.5DCSETJ=×UU（3）其中，JU为补偿电压的昀大值。5.损耗分析前面提到采用图2所示的电路，可以很好地降低系统的损耗。现在来详细分析一下。从图1和图2可以看出二者的主电路结构基本相同。所以他们的损耗构成也就基本相同，主要包括逆变器损耗、滤波电感损耗、直流侧电容损耗、充电单元损耗以及线路损耗等。其中逆变器损耗包括IGBT导通损耗、开关损耗、反并联二极管导通损耗等；直流侧电容的损耗包括由漏电流所引起的发热损耗、由tgδ所引起的发热损耗和与其并联的均压电阻带来的损耗；充电单元的损耗包括整流桥的损耗和充电电感的损耗。由于篇幅所限，各个部分损耗的具体的计算公式这里就不再给出。这里，把两种结构在相同工况下的损耗情况进行计算。计算均以源电压为210V，负载电压210V，负载为44Ω的阻性负载时进行，开关频率为20kHz。实验中IGBT选用了EUPEC公司的BSM50GB120DN2模块,其额定电压和额定电流为1200V，50A；直流侧电容的型号为HCGF5A2W472Y，耐压值为450V，容量为4700。二极管整流模式时，直流侧电压为300V左右，晶闸管整流模式时，其值仅为20V左右。µF表1为直流侧电压不可控与可控时损耗情况的详细对比。可以看出直流侧电压可控时，虽然逆变器的导通损耗和整流单元的损耗稍有增加，但是逆变器的开关损耗与直流侧电容的损耗却大大降低。二者在其它部分的损耗基本差不多。通过简单的计算可以获知直流侧电压不可控时装置的效率为93.2％；而可控时效率可以达到96.7％。表1损耗比较损耗不可控时可控时IGBT导通损耗（W）3.705.22开关损耗（W）19.60.80二极管导通损耗（W）2.481.09直流侧电容损耗（W）30.13.61滤波电感损耗（W）12.112.1整流单元损耗（W）3.705