逆變器在動態(tài)電壓恢復器中的應用

1 概述

電能質量的問題主要體現為電壓質量問題。

根據美國電氣和電子工程師協會(IEEE)和其他一些國際委員會的推薦，描述電能質量問題的術語主要包括：電壓不平衡(Voltage unbalance)、過電壓(Overvoltage)、欠電壓(Undervoltage)、電壓驟降(Sag)、電壓驟升(Swell)、供電中斷(Interruption)、電壓瞬變(Transient)、電壓切痕(Notches)、電壓波動(Voltage fluctuation)或閃變(Flicker)等[1]。這些問題或多或少地會影響許多設備的正常運行，給用戶帶來大量的不便。

一般，通過裝設補償裝置來抑制或消除電能質量問題是一種非常有效的方法。而動態(tài)電壓恢復器(dynamic voltage restorer———DVR)是解決電壓驟升、驟降等動態(tài)電能質量問題的串聯型補償裝置[2]。

圖1所示為典型的DVR(虛線框內)結構框圖，其一般可以分為以下幾部分：檢測及控制單元;儲能單元，包括直流電壓變換裝置和儲能元件;整流器單元，包括整流電路、并聯變壓器、整流側濾波器;逆變器單元，包括逆變器、濾波器及串聯變壓器。DVR相當于串聯在系統(tǒng)中動態(tài)受控的電壓源，其核心單元是基于全控型器件的電壓型逆變器。DVR逆變單元作為電壓補償指令的執(zhí)行環(huán)節(jié)，在很大程度上影響甚至決定了整個DVR系統(tǒng)的性能和硬件成本。

2 DVR逆變器的電路結構

在DVR 中，每一單元雖然在功能上相對獨立，但互有關聯，不可分割，所以在設計和控制上需要協調一致。DVR中的檢測控制單元對系統(tǒng)的運行工作狀況進行實時檢測、采集信息并進行處理計算后，向DVR其他部分發(fā)出控制指令。在儲能單元中，常規(guī)的DVR 一般使用像蓄電池、電容器等傳統(tǒng)器件來儲存補償所需的能量，如今超級電容器在DVR中的應用越來越廣。整流器單元的主要作用是把電網側交流電壓轉換成直流以便向儲能單元提供能量，常用整流電路一般有二極管整流、SCR可控整流以及PWM整流器等[3]。

DVR逆變器單元的主要作用是根據控制單元給出的控制指令，把直流電壓轉換成一定幅值、相位的交流電壓，然后和故障的電網電壓疊加，使得負載側電壓保持穩(wěn)定不變。根據應用場合的電壓等級不同，DVR可以通過串聯變壓器和電網耦合(電壓等級高)，也可以通過濾波電容支路直接和電網耦合。另外，逆變器本身的拓撲和控制策略也是多種多樣的。

本文采用單相H橋結構的逆變主電路(如圖2所示)。

圖2 中，Udc 代表經整流器輸出的直流電源;

TA1~TA4為大功率全控型開關管，通常選擇IGBT或者IPM模塊;Usi 為逆變器的交流輸出，通過濾波電路輸出經過升壓變壓器送入電網。

3 DVR 逆變器的控制策略

對于逆變器的控制，現在應用最多的是脈寬調制技術。脈寬調制技術主要有：載波式脈寬調制、磁通脈寬調制(空間矢量脈寬調制)、隨機脈寬調制以及特定諧波消除脈寬調制。而對于單相逆變器來說，為抑制開關陣列輸出脈沖中的低次諧波，可選用的脈寬調制方法主要是載波式脈寬調制(SPWM)方法和特定諧波消除脈寬調制(Selective Harmonic Elimination PWM-SHEPWM)方法。

載波式脈寬調制是最為成熟的脈寬調制方法，一般以正弦波為調制波，以N 倍于調制波頻率的三角波或鋸齒波為載波，通過調制波和載波的電壓比較，決定逆變器中開關管的通斷狀態(tài)，使得逆變器的輸出脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化。載波式脈寬調制方法原理簡單、通用性強、控制方便、易于實現、性能良好。但用此調制方法的逆變器輸出脈沖中的諧波分布與調制比、載波比都有關系，當調制比很低或載波比很小的時候，逆變器輸出中的低次諧波含量就會過高。

狀態(tài)為-Udc 和0 兩種電平。通過對4 只開關管TA1~TA4進行適當的控制，例如采用SPWM 控制方法，就會得到基波為正弦輸出的Usi。

通常逆變器多采用SPWM控制方法，逆變器輸出的PWM 波經低通濾波器后可以得到總諧波含量(THD)很低的正弦波。但DVR中的逆變器輸出要求與普通控制有所不同，主要體現在：

1)為滿足各種電壓波動和各種補償策略的需要，DVR逆變單元輸出的電壓變化范圍很寬，其調制比可能要在0 到最大值之間改變;

2)為盡量減少或避免對電網的污染，在任何給定的調制比下，其輸出電壓的THD 要保持在較低的水平上;

3)為提高DVR的電壓補償能力，在直流母線電壓一定的情況下，逆變單元能輸出的電壓值要盡量高，即直流電壓利用率要高[4]。這些無疑對控制策略提出了更高的要求。

目前，對逆變器整體控制采用的控制方法有很多，其中在工程中相對成熟和實用的主要有：

PID控制、狀態(tài)反饋控制、滯環(huán)控制、無差拍控制、重復控制等，這些控制方法互有差異，各有所長，可以根據實際需要進行選擇。另外，控制理論中的其他控制方法，例如模糊邏輯、神經網絡、專家系統(tǒng)、滑模變結構以及非線性控制等都已經出現在逆變器的控制研究中，其中大多數控制方法還限于理論分析過程中，在逆變器控制中要達到實際應用水平仍需進一步的研究[5]。

4 DVR逆變器的實驗分析

根據文中所提出的逆變器結構以及控制方法，搭建硬件電路，并通過采用以TMS320LF2407為核心的微機控制系統(tǒng)進行軟硬件設計，對最終形成的逆變器平臺進行了測試[6]。在逆變器運行的調試過程中，對不同調制比下逆變器輸出的PWM脈沖及其頻譜分別采用泰克公司TDS2012型示波器和FLUKE 43B 型電能質量分析儀作了測量，圖4 為基于SPWM 控制的逆變器在調制比為50%的情況下對應輸出的PWM 脈沖分布及其頻譜情況;

為了觀測逆變器單元在整個調制比范圍內通過濾波后的輸出電壓波形質量，對各調制比下逆變單元濾波后的輸出電壓及頻譜作了詳細測量，圖5給出了調制比為50%的情況下對應的逆變器輸出電壓及濾波后電壓的各次諧波分布情況，其中濾波之前的諧波總畸變率THD=36.9%，而濾波之后的諧波總畸變率THD=4.0%。通過比較可以發(fā)現，濾波之后的諧波總畸變率大大減小，高次諧波基本濾除。

5 結語

文章介紹了動態(tài)電壓恢復器的基本構成，并重點對其采用的逆變器單元的電路結構、工作原理、控制方法以及實驗波形進行了詳細分析，通過實驗結果可以表明文中所述逆變器的可行性。