本文提出并研究了基于級聯(lián)多電平結構的無串聯(lián)注入干式變壓器的2MVA動態(tài)電壓調節(jié)器(DVR)的系統(tǒng)設計方案，闡述了各部件的工作原理。根據(jù)某企業(yè)6kV系統(tǒng)電壓跌落問題的解決方案，設計了該裝置的主要電路參數(shù)和控制電路功能。EMTDC/PSCAD仿真研究驗證了所提設計方案的正確性和有效性。

關鍵詞：動態(tài)電壓調節(jié)器，級聯(lián)多電平逆變器，電壓驟降

0.正式介紹

如今，精密制造設備、計算機和變頻器等電氣負載對電壓驟降非常敏感，16毫秒85至90的電壓驟降可能會導致設備停機。電壓暫降和短時中斷的區(qū)別在于，短時中斷發(fā)生時，負載一般與供電系統(tǒng)完全斷開，而電壓暫降發(fā)生時，負載仍然與供電系統(tǒng)相連。對于一些工業(yè)用戶來說，兩者都會造成設備停機，結果是一樣的，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，歐美家對電壓凹陷的重視程度遠遠高于其他電能質量問題。其中一個重要因素是，在電能質量的諸多原因中，80%以上的電能質量問題是由電壓凹陷引起的，不到20%是由諧波、閃變和開關過電壓引起的。在我，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電壓凹陷和短時停電問題逐漸引起供電公司、用戶和制造商的關注。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。因此，有效控制電壓暫降等短期電能質量擾動不僅是必要的，而且是迫切的。

電壓凹陷問題是客觀存在的，也是不可避免的。為了減少電壓驟降帶來的損失，用戶必須采用特定的定制電源設備。動態(tài)電壓調節(jié)器(DVR)是一種靜態(tài)串聯(lián)補償器。當系統(tǒng)側電壓偏離一定范圍時，DVR會快速動作補償電源電壓的偏差，快速跟蹤恢復負載側電壓波形，滿足特殊用戶對電能質量的高要求。

自20世紀80年代末以來，許多外公司開始了對定制電源技術的專門研究，并相繼推出了SSTS、DVR、DSTATCOM等產(chǎn)品化設備。表1顯示了ABB、西門子、American超導體在DVR研發(fā)示范中的情況。

表1DVR開發(fā)(截至2002年)

公司

功能特點

ABBPowerSystem

美超導體

西門子

電壓驟降

電壓擺動

X

電壓調節(jié)

電壓等級

5~15/25kV

5~15kV

5~35Kv

設備容量

2/100MVA

1.7/10MMA

0.3/20KVA

儲能單元

電容器

超導磁體

電容器

響應時間

1/4周期

1/4周期

操作數(shù)量

2

九

八

世界各專家普遍達成共識[1: DVR是提高電壓源電能質量較經(jīng)濟有效的手段。但目前DVR主電路拓撲基本采用兩級、三級和注入方式使用串聯(lián)干式變壓器，在應用中存在一些問題或不足，級聯(lián)多級拓撲可以有效解決這些問題。級聯(lián)多電平非注入式干式變壓器拓撲的數(shù)字電壓表的工程研究和設計尚未見報道。針對中壓系統(tǒng)的電壓凹陷控制目標，對級聯(lián)多電平非注入式干式變壓器結構的DVR進行了系統(tǒng)設計和仿真研究，包括主電路拓撲、儲能、濾波、凹陷檢測和補償?shù)?。對?shù)字視頻錄像機在高壓大容量領域的應用具有重要意義。 #p#分頁標題#e#

1.工程背景

一個半導體生產(chǎn)基地由兩根35kV電纜供電，單芯1 * 240mm2，長度約1km。主變電站室內有兩臺主變壓器，均為8000kVA，有載調壓，二次電壓6kV，單母線段。一臺干式變壓器在正常負載下運行，兩臺干式變壓器在夏季峰值負載下運行。負荷冬季6000~6500kW，夏季7000~7500kW。

對電能質量敏感的設備，如果供電電壓有效值下降10%，持續(xù)時間超過35ms，則相當于停電，足以造成其停機，影響生產(chǎn)，造成嚴重的經(jīng)濟損失。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200-300萬元左右。

根據(jù)2002年電壓暫降故障統(tǒng)計分析結果，采用DVR技術，在電壓跌落低于60%的電壓暫降故障發(fā)生時，將母線電壓補償?shù)筋~定電壓的90%以上。那么DVR的補償電壓為VI=0.9-0.4=0.5pu，根據(jù)夏季較大負荷(7500kW)考慮兩臺干式變壓器的運行

，每臺干式變壓器帶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），則DVR將電壓恢復到90％時所需儲存的能量為：0.125×4.076×0.92＝0.469MJ。DVR的額定容量為：0.5×4.076＝2.038MVA，取2MVA。即，針對該企業(yè)的系統(tǒng)和負荷狀況，設計安裝的DVR容量為2MVA/臺×2臺，分別安裝于系統(tǒng)的6kV側。

2.主電路拓撲

目前動態(tài)電壓調節(jié)器的主電路結構有所不同，不同的主電路結構會有不同的補償效果和性價比?？捎迷诟邏捍笕萘款I域的實用拓撲結構為：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(tǒng)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(yōu)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(shù)選擇余地較小。在線處理電容電壓不平衡、窄脈沖消除等問題使得控制變得很復雜。同時，系統(tǒng)的冗余設計、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、效率高的優(yōu)點，它作為一種新型的高壓大功率變換器，從電路拓撲結構入手，在得到高質量的輸出波形的同時，克服了二電平電路的諸多缺點：無需動態(tài)均壓電路，開關頻率低，因而開關器件應力小，系統(tǒng)效率高等。

二極管箝位型和級聯(lián)型多電平拓撲的應用較為廣泛，其中二極管型適用于3～5電平的應用場合，當電平數(shù)超過5時，該電路的結構和控制變得非常復雜，而級聯(lián)型電路很容易擴展到2N 1電平(其中N為模塊數(shù))，且不會導致電路結構和控制的復雜化。研究表明，基于級聯(lián)多電平拓撲的DVR在系統(tǒng)可靠性、器件選型、控制復雜程度、總體效率等方面比其他拓撲具有更全面的優(yōu)勢。因此，本文提出綜合性能較優(yōu)的DVR主回路拓撲，如圖1所示。#p#分頁標題#e#

圖1.級聯(lián)多電平動態(tài)電壓調節(jié)器主回路拓撲（單線圖）

圖中，每個級聯(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），在一個工作周期內，由N個H橋級聯(lián)構成的逆變器輸出2N＋1電平的電壓波形。由于采用級聯(lián)結構，具有先具特色的提取能量模式，不需要單先設置充電回路和串聯(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，模塊的級聯(lián)使得在不提高器件開關頻率的條件下，大大提高了裝置等效開關頻率，簡化了濾波器設計，降低了損耗。這些是DVR采用級聯(lián)主電路結構的突出優(yōu)點。

由上述工程背景可得，系統(tǒng)線電壓（RMS）：UL＝6000V，較大運行方式下容量：。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的級聯(lián)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較大輸出正弦交流電壓約為350V（RMS），5個級聯(lián)單元串聯(lián)輸出交流電壓可達到?？紤]一個逆變單元作為N 1冗余，則采用的DVR裝置每相由6個級聯(lián)逆變單元構成。

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、指令電壓生成、底層PWM控制。電壓暫降檢測采用d-q變換，檢測系統(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。

注入電壓指令生成框圖見圖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>作為底層調制方式，使得級聯(lián)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較大注入電壓運行條件下，每個級聯(lián)單元注入的電壓為，

（3）

此時，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，當直流母線電壓在408～500V之間變化時，通過控制PWM調制比可以保證每個級聯(lián)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

（4）

考慮到DVR較大儲能為0.469MJ，則有

（5）

將（4）式代入（5）式整理得

（6）

考慮到一個級聯(lián)模塊故障時，只有5個單元運行，因此式（5）中每相的乘數(shù)取5。

5.濾波器設計

雖然級聯(lián)多電平結構逆變器等效開關頻率很高，輸出電壓含有的較低次的高次諧波很小，然而在等效開關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輸出側配置的無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大于工頻頻率，同時遠小于需要濾除的高次諧波頻率。不過考慮到系統(tǒng)正常工作時，電源側電壓不能損失過大，濾波電抗要盡量減小，而過大的濾波電容會顯著增大逆變器的額定容量。設計中要對照濾波效果仔細分析，折衷取值。DVR輸出電路兩側放置濾波電抗的目的是限制級聯(lián)單元中間發(fā)生短路故障時可能產(chǎn)生的過電流及電流上升率。#p#分頁標題#e#

每個器件導通壓降以2V估算，則6模塊串聯(lián)運行，待機狀態(tài)的總壓降為24V?？紤]將總電壓損失限制在5％相電壓范圍內，則濾波電感上壓降為，

(7)

以較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的系統(tǒng)設計中需考慮逆變器散熱的設計，因此，必須準確估算其損耗，為散熱裝置的設計提供依據(jù)。對于這種級聯(lián)多電平結構，先分析一個模塊中各器件的損耗，進而得到整個裝置的損耗。表2所示為不同結溫下的損耗計算結果。

表2.不同結溫下的損耗計算（S＝2MVA）

結溫

(0C)

開關損耗

(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)為無窮大系統(tǒng)，線路側發(fā)生單相接地故障，由于干式變壓器為Y/D接線，低壓側發(fā)生無零序分量的電壓跌落，電壓波形中只含有正序和負序分量。仿真故障時序：0.077秒時刻，降壓干式變壓器一次側A相發(fā)生接地；0.164秒時刻，A相接地故障解除。故障期間，干式變壓器二次側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的底層調制

圖4.基于載波移相SPWM的底層調制波形

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單元級聯(lián)多電平DVR在載波移相SPWM調制下的仿真波形?？梢?，DVR輸出相電壓為13電平階梯波，在沒有增加單元器件開關頻率條件下，大大提高了輸出波形的等效開關頻率，極大地消除了較低次高次諧波的影響。

7.3電壓暫降補償

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

圖5.DVR補償電壓暫降的仿真波形（無濾波器）

上：系統(tǒng)三相電壓；中：負荷三相電壓；下：DVR注入三相電壓

7.4諧波抑制

雖然級聯(lián)多電平結構逆變器等效開關頻率很高，輸出電壓含有的較低次的高次諧波很小，然而在等效開關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荷電壓質量。設置濾波器后的仿真結果及諧波分析見圖6（只取A相數(shù)據(jù)）。#p#分頁標題#e#

圖6.濾波前后波形及頻譜比較

由圖6可見，設計的濾波器濾除高次諧波效果顯著。

8.結語

（1）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DVR等定制電力設備。

（2）級聯(lián)多電平拓撲是高壓大容量DVR的合理選擇。

（3）介紹了2MVA級聯(lián)多電平無串聯(lián)干式變壓器DVR的系統(tǒng)設計及參數(shù)計算。

（4）通過基于EMTDC/PSCAD的仿真，驗證了設計方案的正確性及有效性。

參考文獻：

[1>L.E.Conrad,M.H.J.Bollen．Voltagesagcoordinationforreliableplantoperation[J>．IEEETrans.OnIndustrialApplication,1997，Vol.33：pp.1459-1464.

[2>Laijisheng,PengFangzheng．Multilevelconverteranewbreedofpowerconverters[J>．IEEETransonland.Appli,1996,32(3)：509-517

作者簡介：

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