尹忠東
電力系統(tǒng)保護(hù)與動(dòng)態(tài)安全監(jiān)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院北京102206

System Design and Simulation of 2MVA Cascade Multilevel Transformerless Dynamic Voltage Restorer
Yin Zhongdong
Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control, Ministry of Education, School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Beijing P.R.China 102206

摘要：論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，闡述了各個(gè)組成部分的工作原理，并針對(duì)某企業(yè)6kV系統(tǒng)電壓暫降問(wèn)題的解決方案完成了裝置主電路參數(shù)和控制電路的功能設(shè)計(jì)，通過(guò)EMTDC/PSCAD進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了論文提出設(shè)計(jì)方案的正確性及有效性。

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

0.引言
現(xiàn)今的精密制造設(shè)備、電腦，變頻器等用電負(fù)載對(duì)電壓暫降均非常敏感，持續(xù)16ms的85%至90%電壓暫降即可能導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。電壓暫降與短時(shí)斷電(interruption)的差別在于短時(shí)斷電時(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)載仍與電源連接，對(duì)某些工業(yè)用戶而言，兩者均會(huì)造成設(shè)備停機(jī)，所產(chǎn)生的結(jié)果是相同的，但是電壓暫降發(fā)生的機(jī)率遠(yuǎn)高于斷電會(huì)發(fā)生的機(jī)率。調(diào)查顯示：在所有配電系統(tǒng)事故中，電壓暫降占了70％－80％；而在輸電系統(tǒng)事故中，電壓暫降所占的比例超過(guò)了96％。目前在歐美各國(guó)對(duì)電壓暫降的關(guān)注程度比其它有關(guān)電能質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)注程度要大得多，其中一個(gè)重要的因素是在電能質(zhì)量的諸多原因中，由電壓暫降引起的用戶投訴占整個(gè)電能質(zhì)量問(wèn)題的80％以上，而由諧波、閃變、開(kāi)關(guān)操作過(guò)電壓等引起的電能質(zhì)量問(wèn)題投訴不到20％。在中國(guó)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電壓暫降和短時(shí)斷電的問(wèn)題也逐漸引起了供電公司、用戶及制造廠商的關(guān)注。特別是在一些高科技園區(qū)、大型醫(yī)院、軍工單位和重要的政府部門。因此，對(duì)電壓暫降等短時(shí)電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行有效治理不僅必要而且十分迫切。
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，必須采用特定的定制電力設(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)電壓偏離了一定的范圍，DVR將迅速動(dòng)作，以補(bǔ)償電源電壓的偏差，快速跟蹤并恢復(fù)負(fù)荷側(cè)的電壓波形，滿足特殊用戶對(duì)電能質(zhì)量的高要求。
國(guó)外自80年代末，許多公司便開(kāi)始了定制電力技術(shù)的專題研究，并陸續(xù)推出了SSTS、DVR、DSTATCOM等產(chǎn)品化裝置。表1所示為ABB、西門子、美國(guó)超導(dǎo)公司（American Superconductor）在DVR研究開(kāi)發(fā)示范方面的情況。
表1 DVR開(kāi)發(fā)研制情況（截止2002年）


各國(guó)專家已經(jīng)普遍達(dá)成共識(shí)[1]：DVR是改善電壓型電能質(zhì)量問(wèn)題的最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段。不過(guò)，目前DVR主電路拓?fù)浠静捎脙呻娖?、三電平及利用串?lián)變壓器的注入模式，在應(yīng)用上存在一些問(wèn)題或不足，級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)淠苡行Ы鉀Q這些問(wèn)題。有關(guān)級(jí)聯(lián)多電平、無(wú)注入變壓器拓?fù)涞腄VR工程研究及設(shè)計(jì)尚未見(jiàn)到報(bào)道，針對(duì)中壓系統(tǒng)電壓暫降治理目標(biāo)，對(duì)級(jí)聯(lián)多電平無(wú)注入變壓器結(jié)構(gòu)的DVR進(jìn)行包括主電路拓?fù)?、?chǔ)能、濾波器、暫降檢測(cè)及補(bǔ)償?shù)鹊南到y(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究對(duì)DVR高壓大容量方面的應(yīng)用具有重要意義。

1.工程背景
某半導(dǎo)體生產(chǎn)基地由兩回35kV電纜供電，電纜采用單芯1*240平方毫米，長(zhǎng)度約一公里?？傋冸娛覂膳_(tái)主變，均為8000kVA，有載調(diào)壓，二次電壓為6kV，單母分段。正常負(fù)荷時(shí)為單臺(tái)變壓器運(yùn)行，夏季高峰負(fù)荷時(shí)，兩臺(tái)變壓器運(yùn)行。冬季負(fù)荷6000～6500kW，夏季負(fù)荷7000～7500kW。
對(duì)于對(duì)電能質(zhì)量敏感的設(shè)備來(lái)說(shuō)，供電電壓有效值下降10％，持續(xù)時(shí)間超過(guò)35ms，就等同于一次停電，足夠?qū)е缕渫C(jī)，影響生產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)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(guò)10％的共 19 次，占 55.9 ％，其中有13次對(duì)生產(chǎn)造成影響，占19次故障的68.4%，發(fā)生的最大電壓降幅為70％。在電壓降幅超過(guò)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(wàn)元人民幣。
根據(jù)2002年發(fā)生電壓暫降故障的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，確定采用DVR技術(shù)，將電壓降幅在60％以下的電壓暫降故障發(fā)生時(shí)的母線電壓補(bǔ)償?shù)筋~定電壓的90％以上。則DVR的補(bǔ)償電壓為：Vi=0.9-0.4=0.5 pu。按夏季最大負(fù)荷（7500kW）時(shí)，兩臺(tái)變壓器運(yùn)行考慮，每臺(tái)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＝0.469 MJ。DVR的額定容量為：0.5×4.076＝2.038 MVA，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)?BR> 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，本文提出綜合性能最優(yōu)的DVR主回路拓?fù)?，如圖1所示。


圖中，每個(gè)級(jí)聯(lián)H橋逆變單元都有其相互獨(dú)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)，具有獨(dú)具特色的提取能量模式，不需要單獨(dú)設(shè)置充電回路和串聯(lián)注入變壓器，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，最大運(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注入的最大每相電壓為 。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)成的逆變單元最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 ?？紤]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。


采用載波移相（Carrier Phase-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最大注入電壓運(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最大儲(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。
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?？紤]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)
以最大運(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281H，對(duì)應(yīng)的濾波電容值為5F。

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）


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，由于變壓器為Y/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，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。


7.2 基于載波移相SPWM的底層調(diào)制


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。可見(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。


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)）。




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)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。

參考文獻(xiàn)：
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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