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0.引言

    現(xiàn)今的精密制造設(shè)備、電腦，變頻器等用電負載對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。電壓暫降與短時斷電(interruption)的差別在于短時斷電時負載一般與供電系統(tǒng)完全斷開，而電壓暫降發(fā)生時負載仍與電源連接，對某些工業(yè)用戶而言，兩者均會造成設(shè)備停機，所產(chǎn)生的結(jié)果是相同的，但是電壓暫降發(fā)生的機率遠高于斷電會發(fā)生的機率。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了96％。目前在歐美各國對電壓暫降的關(guān)注程度比其它有關(guān)電能質(zhì)量問題的關(guān)注程度要大得多，其中一個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電能質(zhì)量問題的80％以上，而由諧波、閃變、開關(guān)操作過電壓等引起的電能質(zhì)量問題投訴不到20％。在中國，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)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，對電壓暫降等短時電能質(zhì)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，必須采用特定的定制電力設(shè)備。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）是一種靜態(tài)串聯(lián)補償器。當(dāng)系統(tǒng)側(cè)電壓偏離了一定的范圍，DVR將迅速動作，以補償電源電壓的偏差，快速跟蹤并恢復(fù)負荷側(cè)的電壓波形，滿足特殊用戶對電能質(zhì)量的高要求。

    國外自80年代末，許多公司便開始了定制電力技術(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、美國超導(dǎo)公司（American Superconductor）在DVR研究開發(fā)示范方面的情況。
表1 DVR開發(fā)研制情況（截止2002年）

    各國專家已經(jīng)普遍達成共識[1]：DVR是改善電壓型電能質(zhì)量問題的最經(jīng)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(lián)變壓器的注入模式，在應(yīng)用上存在一些問題或不足，級聯(lián)多電平拓撲能有效解決這些問題。有關(guān)級聯(lián)多電平、無注入變壓器拓撲的DVR工程研究及設(shè)計尚未見到報道，針對中壓系統(tǒng)電壓暫降治理目標，對級聯(lián)多電平無注入變壓器結(jié)構(gòu)的DVR進行包括主電路拓撲、儲能、濾波器、暫降檢測及補償?shù)鹊南到y(tǒng)設(shè)計及仿真研究對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，長度約一公里。總變電室兩臺主變，均為8000kVA，有載調(diào)壓，二次電壓為6kV，單母分段。正常負荷時為單臺變壓器運行，夏季高峰負荷時，兩臺變壓器運行。冬季負荷6000～6500kW，夏季負荷7000～7500kW。

    對于對電能質(zhì)量敏感的設(shè)備來說，供電電壓有效值下降10％，持續(xù)時間超過35ms，就等同于一次停電，足夠?qū)е缕渫C，影響生產(chǎn)，造成嚴重的經(jīng)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(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(jù)2002年發(fā)生電壓暫降故障的統(tǒng)計分析結(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)生時的母線電壓補償?shù)筋~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，兩臺變壓器運行考慮，每臺變壓器帶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(fù)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(yè)的系統(tǒng)和負荷狀況，設(shè)計安裝的DVR容量為2MVA/臺×2臺，分別安裝于系統(tǒng)的6kV側(cè)。

2.主電路拓撲

    目前動態(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)會有不同的補償效果和性價比。可用在高壓大容量領(lǐng)域的實用拓撲結(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，具有開關(guān)頻率低、元件應(yīng)力小、開關(guān)損耗低、輸出諧波小的優(yōu)點。缺點是在實際應(yīng)用上，單個開關(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、窄脈沖消除等問題使得控制變得很復(fù)雜。同時，系統(tǒng)的冗余設(shè)計、容量擴展困難。而多電平結(jié)構(gòu)，具有電平越多，輸出電壓諧波含量越小、開關(guān)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(jié)構(gòu)入手，在得到高質(zhì)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(guān)頻率低，因而開關(guān)器件應(yīng)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(yīng)用較為廣泛，其中二極管型適用于3～5電平的應(yīng)用場合，當(dāng)電平數(shù)超過5時，該電路的結(jié)構(gòu)和控制變得非常復(fù)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(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)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(fù)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，本文提出綜合性能最優(yōu)的DVR主回路拓撲，如圖1所示。

圖1.級聯(lián)多電平動態(tài)電壓調(diào)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(nèi)，由N個H橋級聯(lián)構(gòu)成的逆變器輸出2N＋1電平的電壓波形。由于采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有獨具特色的提取能量模式，不需要單獨設(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，模塊的級聯(lián)使得在不提高器件開關(guān)頻率的條件下，大大提高了裝置等效開關(guān)頻率，簡化了濾波器設(shè)計，降低了損耗。這些是DVR采用級聯(lián)主電路結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點。

    由上述工程背景可得，系統(tǒng)線電壓（RMS）：UL＝6000V，最大運行方式下容量： 。功率因數(shù)0.92，有功容量3750kW。

    則，線電流：       

    采用1200V/800A的單體IPM模塊作為DVR的級聯(lián)單元的開關(guān)器件。取逆變單元的直流母線電壓為500V。由4個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個級聯(lián)單元串聯(lián)輸出交流電壓可達到 。考慮一個逆變單元作為N+1冗余，則采用的DVR裝置每相由6個級聯(lián)逆變單元構(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、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。

    采用載波移相（Carrier Phase-Shifted）SPWM方式[2]作為底層調(diào)制方式，使得級聯(lián)單元疊加輸出的SPWM波的等效開關(guān)頻率提高到原來每個單元的6倍6，因此在不提高開關(guān)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(lián)單元注入的電壓為，

    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(shè)計

    雖然級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)逆變器等效開關(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(cè)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(shè)計中要對照濾波效果仔細分析，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。

    每個器件導(dǎo)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。考慮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，

    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281H，對應(yīng)的濾波電容值為5F。

6.逆變器損耗計算

    在DVR的系統(tǒng)設(shè)計中需考慮逆變器散熱的設(shè)計，因此，必須準確估算其損耗，為散熱裝置的設(shè)計提供依據(jù)。對于這種級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，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(jié)溫下的損耗計算結(jié)果。

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(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，降壓變壓器一次側(cè)A相發(fā)生接地；0.164秒時刻，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。

圖3.仿真等值系統(tǒng)

    7.2 基于載波移相SPWM的底層調(diào)制

圖4. 基于載波移相SPWM的底層調(diào)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(diào)制下的仿真波形。可見，DVR輸出相電壓為13電平階梯波，在沒有增加單元器件開關(guān)頻率條件下，大大提高了輸出波形的等效開關(guān)頻率，極大地消除了較低次高次諧波的影響。


    7.3 電壓暫降補償

    圖5為DVR補償電壓暫降的仿真結(jié)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(nèi)將負荷端電壓補償至額定值。不過，由于未加濾波器，負荷側(cè)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(jié)構(gòu)逆變器等效開關(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)果及諧波分析見圖6（只取A相數(shù)據(jù)）。

    由圖6可見，設(shè)計的濾波器濾除高次諧波效果顯著。

8.結(jié)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(shè)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)變壓器DVR的系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)計算。

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

參考文獻：

[1] L.E. Conrad, M.H.J. Bollen．Voltage sag coordination for reliable plant operation[J]．IEEE Trans. On Industrial
Application, 1997，Vol. 33：pp.1459-1464.

[2]Lai jis heng, Peng Fang zheng．Multilevel converter a new breed of power converters[J]． IEEE Trans on land. 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(shù)、電能質(zhì)量方向的研究工作。