俞紅祥，沈亞強(qiáng)，馬世平

(浙江師范大學(xué)交通學(xué)院，浙江省 金華市321004)

摘要：提出了一種新型單相交流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器方案，采用雙半橋變換電路分別進(jìn)行串聯(lián)電壓補(bǔ)償和直流儲(chǔ)能調(diào)節(jié)。其中超級(jí)電容組在公共直流側(cè)的使用不僅保證了補(bǔ)償電壓凹陷和嚴(yán)重跌落所需能量，而且顯著降低了儲(chǔ)能調(diào)節(jié)變換器的啟動(dòng)次數(shù)和工作時(shí)間。根據(jù)不同的能量平衡方式，分析了該調(diào)節(jié)器的多模式運(yùn)行方式以及串聯(lián)電壓補(bǔ)償和直流儲(chǔ)能控制規(guī)則。最后5kVA樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的方案在動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)和諧波抑制方面具有良好表現(xiàn)。

0引言

大功率電力電子變換裝置的廣泛應(yīng)用已經(jīng)給配電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題[1]。在這些問(wèn)題中，電壓波動(dòng)包括暫降、驟升、凹陷、閃變等造成的危害最為普遍[2-3]，它們會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)控制設(shè)備異常、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)丟失等事故，繼而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了降低該類風(fēng)險(xiǎn)，在敏感負(fù)載端使用各種交流電壓穩(wěn)定和調(diào)節(jié)裝置已成為應(yīng)用趨勢(shì)?，F(xiàn)有的大容量交流穩(wěn)壓電源主要是基于自耦變壓器和晶閘管控制多抽頭變壓器，不但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度低且不具備諧波抑制能力。而以脈寬調(diào)制(PWM)逆變器和斬波器[4]為核心的交流凈化電源雖然提供了理想的電壓波形，但受到主電路效率尤其是成本的約束，目前仍局限于較小的應(yīng)用范圍。近年提出的基于串聯(lián)補(bǔ)償方式的各種有源交流電壓調(diào)節(jié)裝置以其主電路容量小、響應(yīng)速度快和運(yùn)行效率高的特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注和深入研究[5-6]，已成為交流電壓調(diào)節(jié)主要發(fā)展方向之一。為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓雙向快速調(diào)節(jié)，文獻(xiàn)[7]采用了雙極性交流斬波器對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償；文獻(xiàn)[8]還運(yùn)用不可控整流橋供電的電壓源逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電壓跌落和諧波補(bǔ)償。然而，這些方案很少同時(shí)考慮對(duì)輸出電壓的雙向調(diào)節(jié)和波形畸變補(bǔ)償；特別是由于缺少足夠的儲(chǔ)能容量，當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生持續(xù)跌落或凹陷時(shí)仍會(huì)發(fā)生欠補(bǔ)償，從而威脅負(fù)載的不間斷運(yùn)行。

本文提出一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型單相交流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器方案，采用雙半橋變換電路分別進(jìn)行交流電壓補(bǔ)償和直流儲(chǔ)能調(diào)節(jié)。其中串聯(lián)補(bǔ)償電路所采用的電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)使其可以抑制包括幅值波動(dòng)和波形畸變等類型的電壓擾動(dòng)；而公共直流側(cè)超級(jí)電容組的使用既保證了補(bǔ)償系統(tǒng)電壓嚴(yán)重跌落和凹陷所需能量，還可以顯著降低系統(tǒng)對(duì)直流電路瞬時(shí)功率平衡控制的要求，并減少儲(chǔ)能調(diào)節(jié)變換器的啟動(dòng)次數(shù)和工作時(shí)間，從而確保輸出電能質(zhì)量和調(diào)節(jié)器的高效可靠運(yùn)行。

1電路結(jié)構(gòu)與工作模式

基于超級(jí)電容儲(chǔ)能交流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由雙半橋變換電路、直流超級(jí)電容組C1與C2、串聯(lián)耦合變壓器T1、旁路開關(guān)以及開關(guān)頻率LC濾波器組成。

圖1中主開關(guān)S1和S2與超級(jí)電容組C1和C2一起組成串聯(lián)補(bǔ)償電壓源逆變器，輔助開關(guān)S3和S4與超級(jí)電容組C1和C2構(gòu)成儲(chǔ)能調(diào)節(jié)PWM整流器，對(duì)超級(jí)電容組進(jìn)行充放電控制，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的直流電壓。由于超級(jí)電容組的儲(chǔ)能容量和密度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的鋁電解電容[9]，補(bǔ)償短時(shí)電壓凹陷、驟變所產(chǎn)生的不平衡能量對(duì)直流電壓的影響很小，無(wú)需啟動(dòng)S3和S4即可保證直流側(cè)不發(fā)生過(guò)電壓、欠電壓。因此，根據(jù)不同的直流能量平衡方式，超級(jí)電容儲(chǔ)能交流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器分別工作于如下3個(gè)模式：

1)自保持模式

只有電壓尖峰、凹陷等暫時(shí)擾動(dòng)發(fā)生，少量的能量被注入或抽出C1和C2，從而C1和C2自身即可保證直流電壓處于正常范圍內(nèi)。此時(shí)輔助開關(guān)S3和S4一直保持關(guān)閉狀態(tài)，控制器僅處理交流電壓串聯(lián)補(bǔ)償相關(guān)運(yùn)算。在2次擾動(dòng)發(fā)生的間隔，串聯(lián)補(bǔ)償逆變器的控制函數(shù)被設(shè)置為0，S1和S2以50%占空比高頻運(yùn)行，T1輸出的基波電壓等于0，繞組感抗近似等于漏感抗。一旦系統(tǒng)再次發(fā)生電壓擾動(dòng)，串聯(lián)補(bǔ)償逆變器可以無(wú)延時(shí)地對(duì)其實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

2)充電模式

持續(xù)電壓凹陷、跌落或欠電壓發(fā)生時(shí)，過(guò)量的能量從C1和C2中抽出，用于支撐負(fù)載電壓，繼而導(dǎo)致C1和C2電壓持續(xù)降低至欠壓狀態(tài)，此時(shí)輔助開關(guān)S3和S4開啟并工作于PWM整流狀態(tài)，以最大額定電流對(duì)電容組C1和C2充電，直至直流電壓恢復(fù)到正常值。充電過(guò)程中輸出電路從交流系統(tǒng)吸收的總有功電流大于額定負(fù)載電流。

3)放電模式

持續(xù)電壓尖峰、驟升或過(guò)電壓發(fā)生時(shí)，過(guò)量的能量被注入C1和C2以維持負(fù)載端電壓，繼而導(dǎo)致C1和C2的電壓持續(xù)升高并超出安全區(qū)域，此時(shí)輔助開關(guān)S3和S4開啟并工作于PWM有源逆變模式，以最大額定電流對(duì)C1和C2進(jìn)行放電，直至直流電壓恢復(fù)到正常值。放電過(guò)程中儲(chǔ)能調(diào)節(jié)變換器輸出電流Ir作為負(fù)載有功電流的一部分，降低了負(fù)載從交流系統(tǒng)直接吸收的有功電流。

考慮到實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行條件下絕大多數(shù)電壓擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間僅為數(shù)個(gè)工頻周期，適當(dāng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電容組容量，即可保證調(diào)節(jié)器在大部分時(shí)間內(nèi)工作于自保持模式。若選擇C1和C2的工作電壓大于交流電壓峰值，自保持模式下開關(guān)S3和S4的關(guān)閉還會(huì)使整流橋臂處于雙向截止?fàn)顟B(tài)。這不僅提升了主電路運(yùn)行效率，還帶來(lái)了控制策略的簡(jiǎn)化。尤其是在電壓跌落、凹陷頻繁發(fā)生的區(qū)域，與傳統(tǒng)不間斷電源(UPS)相比，超級(jí)電容組在交流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器中的使用可以在較低的成本下顯著提升敏感負(fù)載的供電可靠性。

2電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與儲(chǔ)能控制

2.1電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)

設(shè)調(diào)節(jié)器所有元件均為理想特性，串聯(lián)耦合變壓器T1變比為n1：n2=nt，C1和C2的直流電壓始終相等，圖2給出了超級(jí)電容儲(chǔ)能交流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器的串聯(lián)電壓補(bǔ)償?shù)刃щ娐贰?/p>

此時(shí)，調(diào)節(jié)器與交流系統(tǒng)交換的視在功率最小、補(bǔ)償所需電壓分量最低。反之，當(dāng)儲(chǔ)能電容組額定電壓相同時(shí)，采用該補(bǔ)償方式能補(bǔ)償?shù)碾妷浩罘秶畲螅⑶覍?duì)主電路容量要求最低。此外，式(9)還表明調(diào)制函數(shù)fm(t)的求取只需獲取系統(tǒng)電壓瞬時(shí)值和基波相位，而不要求對(duì)電壓動(dòng)態(tài)過(guò)程的快速識(shí)別。

2.2直流儲(chǔ)能控制

由于補(bǔ)償系統(tǒng)電壓短時(shí)波動(dòng)所產(chǎn)生的不平衡能量被直流側(cè)超級(jí)電容組直接吸收，在設(shè)計(jì)直流儲(chǔ)能電路時(shí)必須考慮以下2個(gè)問(wèn)題：①C1和C2的容量越小，調(diào)節(jié)器成本就越低，但儲(chǔ)能調(diào)節(jié)變換器啟停也越頻繁，直流側(cè)在雙向電壓補(bǔ)償過(guò)程中很容易發(fā)生過(guò)電壓和欠電壓；C1和C2的容量越大，直流電壓就越穩(wěn)定，補(bǔ)償?shù)浜桶枷莸臅r(shí)間也越長(zhǎng)，并且系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)變換器的響應(yīng)速度和控制策略要求也越低。②直流電壓太低易導(dǎo)致儲(chǔ)能不足和輸出欠補(bǔ)償，直流電壓過(guò)高則會(huì)威脅主電路安全運(yùn)行。因此，設(shè)計(jì)和選擇合適的超級(jí)電容組容量及儲(chǔ)能控制策略是保證補(bǔ)償性能和可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用戶側(cè)發(fā)生電壓暫降事件的次數(shù)遠(yuǎn)大于1min停電事故次數(shù)，因此動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器中超級(jí)電容組儲(chǔ)能容量的設(shè)計(jì)以獨(dú)立承擔(dān)連續(xù)1min、幅值為50%電壓擾動(dòng)產(chǎn)生的不平衡能量且保證直流電壓處于安全區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)。以5kW純阻性負(fù)載為例，交流系統(tǒng)額定電壓為220V/50Hz、電容組電壓波動(dòng)允許范圍為80V、耦合變壓器T1變比nt為015，則半橋電路中電容組等效電流Ibat≈5.68A，1min持續(xù)擾動(dòng)過(guò)程中，電容組輸出電流所需總電荷Esc=34018C，因此C1和C2的容量為4.26kscF(其中ksc是針對(duì)超級(jí)電容自放電和容量—溫度系數(shù)的增益值，綜合考慮成本和可靠性因素，ksc通常設(shè)置為1.2～1.4)。

除了連續(xù)擾動(dòng)影響外，重復(fù)發(fā)生的短時(shí)電壓凹陷、尖峰等產(chǎn)生的不平衡能量經(jīng)累積后也會(huì)使電容組電壓發(fā)生緩慢漂移直至越限。為了確保超級(jí)電容組電壓的長(zhǎng)期穩(wěn)定，直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)還采用了電壓滯環(huán)控制器對(duì)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)半橋變換器進(jìn)行PWM控制。

圖3給出了該控制器的原理框圖，它由外環(huán)電壓滯環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)PWM整流橋直接電流控制器構(gòu)成。其中電容組電壓測(cè)量值Vdc與參考值V3dc經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較后產(chǎn)生充放電電流指令I(lǐng)3r，電流控制器根據(jù)輸入指令I(lǐng)3r和電流實(shí)測(cè)值Ir產(chǎn)生控制開關(guān)S3和S4的調(diào)制函數(shù)，并與載波三角波比較后獲得輸出PWM信號(hào)。一旦發(fā)生直流欠壓或過(guò)壓，圖3所示電壓滯環(huán)控制器即會(huì)控制輔助開關(guān)S3和S4，在連接電感Lr上產(chǎn)生一個(gè)幅值固定的注入或抽出有功電流，從而調(diào)節(jié)電容組電壓，直至恢復(fù)到允許區(qū)間的中間值。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證理論分析的正確性以及所提出方案的實(shí)踐可行性，在5kVA樣機(jī)上對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能交流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器的主電路方案、儲(chǔ)能控制以及串聯(lián)電壓補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析?？刂葡到y(tǒng)采用單片高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2812來(lái)實(shí)現(xiàn)，它高達(dá)150MIPS(每秒百萬(wàn)條指令)的32位整數(shù)運(yùn)算能力確保了雙半橋PWM控制的實(shí)時(shí)性，并使儲(chǔ)能控制和電壓補(bǔ)償算法的集成成為可能；此外，利用其豐富的I/O資源，還可以方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的各種保護(hù)功能。變換器主開關(guān)元件由2個(gè)1200V/50ASEMIKONIGBT單橋臂模塊組成，串聯(lián)耦合變壓器額定容量1500VA，變比nt為015。主電路其他參數(shù)見附錄A。

圖4給出了交流系統(tǒng)電壓的瞬時(shí)波形，電壓波形表現(xiàn)出了明顯的低次諧波畸變特征。附錄A給出的交流系統(tǒng)電壓頻譜分析表明其含有11dB的3次諧波以及-4dB的5次諧波等。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出的單相交流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器采用雙半橋變換器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電壓補(bǔ)償和直流儲(chǔ)能調(diào)節(jié)。其公共直流側(cè)應(yīng)用的大容量超級(jí)電容組不僅提高了直流電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性，還確保了補(bǔ)償系統(tǒng)電壓嚴(yán)重跌落所需能量。此外，根據(jù)不同能量平衡方式導(dǎo)出的多模式工作方式有效降低了儲(chǔ)能調(diào)節(jié)變換器的啟動(dòng)次數(shù)和工作時(shí)間，且實(shí)現(xiàn)了控制策略的簡(jiǎn)化和主電路的高效運(yùn)行。本文推導(dǎo)了電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)的控制函數(shù)，并分析了超級(jí)電容儲(chǔ)能控制規(guī)則。

5kVA樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的交流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)電壓恢復(fù)和諧波抑制方面具有優(yōu)越性能，驗(yàn)證了該方案的可行性及其在高質(zhì)量交流電源應(yīng)用領(lǐng)域的良好前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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