基于PWM AC—AC變換的電壓補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

研究表明配電系統(tǒng)中90％以上的擾動(dòng)都是由電壓降低引起的，常用的低壓補(bǔ)償技術(shù)無(wú)論是變電站的集中補(bǔ)償、用戶的分散補(bǔ)償，還是桿上補(bǔ)償，基本上都是采用成組電容器／電感等能量存儲(chǔ)設(shè)備，造價(jià)都比較高。
    本文介紹配電系統(tǒng)中針對(duì)重要用戶的一種新型電壓補(bǔ)償器，即在用戶自耦變壓器中加裝PWM AC—AC變換器，通過(guò)換流技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)AC—AC變換器。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生使得電壓降低時(shí)，本裝置能提升電壓，保持負(fù)荷端電壓為額定值。在設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用諸如成組電容器／電感等這些儲(chǔ)能元件，造價(jià)低且響應(yīng)速度快。

l 設(shè)計(jì)方案
    圖1所示為本設(shè)計(jì)方案的單相結(jié)構(gòu)圖。對(duì)電壓的補(bǔ)償是通過(guò)迭加電壓Vc來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而Vc由PWM AC—AC變換器模塊提供。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，PWM AC—AC變換器的電子開(kāi)關(guān)作為旁路開(kāi)關(guān)，給電壓提供一個(gè)通路，將電壓Vs直接加到負(fù)荷上。此時(shí)，電壓Vc為O。當(dāng)電源電壓Vs出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，PWM斬波電路以高頻閉合，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾妷篤c迭加到電源電壓上以維持負(fù)荷電壓恒定。而當(dāng)電源側(cè)電壓恢復(fù)正常時(shí)，斬波電路又回到旁路方式。

2 理論分析
    根據(jù)圖1可得如下負(fù)荷電壓表達(dá)式：

其中：Vs為電源電壓；Vc為提供的補(bǔ)償電壓。
    注意在正常工作狀況下Uc等于O，因而Vload=Vs。
    出于控制的目的，將要求的負(fù)荷電壓用恒值Vref表示。正常工作狀況下，Vs和Vload均為Vref。
    而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，Vs改變?yōu)橄轮担?/p>

其中：n為電壓幅值降低的標(biāo)幺值。圖2所示為Vload，Vs，Vc三個(gè)電壓之間的相量關(guān)系。同時(shí)，電壓Vc是電壓VL和斬波電路負(fù)載率的函數(shù)，即：

其中：Vs為電源電壓歸算到變壓器原邊的值；VL=VsN2／N1；D為變換器的負(fù)載率；N2／N1為變壓器繞組的匝數(shù)比。則式(1)可改寫(xiě)為：

由式(4)知，當(dāng)保持Vload=Vref時(shí)，D值可由下式求得：

顯然，D值最大取1。因而，本設(shè)計(jì)所能提供的最大補(bǔ)償度由如下電壓擾動(dòng)的幅值相對(duì)值決定：

由式(6)可知，當(dāng)匝數(shù)比N2／N1為1時(shí)，電壓補(bǔ)償度可達(dá)50％，這種方式可在實(shí)際中采用，因?yàn)楫?dāng)匝數(shù)比增加到2時(shí)，補(bǔ)償度又增加了16．66％。

3 電路實(shí)現(xiàn)
    電壓補(bǔ)償控制模塊如圖3所示，根據(jù)系統(tǒng)控制對(duì)象的特點(diǎn)，從模塊化及數(shù)字化的角度出發(fā)，選取數(shù)字化控制芯片TMS320LF2407，設(shè)計(jì)基于DSP的PWM實(shí)現(xiàn)方式。

PWM AC—AC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。變換器輸出電壓Vc由式(3)給出。圖4所示的變換器由4個(gè)IGBT(S1a，S1b，S2a，S2b)組成，通過(guò)操作開(kāi)關(guān)S1a，S1b，S2a，S2b的開(kāi)／關(guān)方式，可使變換器在正確操作時(shí)輸出電壓Vc與Vs同相。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，開(kāi)關(guān)S1a，S1b保持閉合，S2a，S2b保持開(kāi)斷，因而變換器輸出電壓Vc為0，負(fù)荷電壓VL等于Vs。這種操作方式稱為旁路方式，此時(shí)電源功率直接傳輸給用戶，自耦變壓器處于開(kāi)路狀態(tài)(即只吸收勵(lì)磁電流)。而當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，變換器的開(kāi)關(guān)S1(S1a，S1b)和S2(S2a，S2b)按(5)式所示的負(fù)載周期D動(dòng)作，此時(shí)的負(fù)荷電壓VL就等于Vc+Vs。

IGBT元件是通過(guò)合適的門(mén)信號(hào)方式驅(qū)動(dòng)，這種控制技術(shù)可有效地降低開(kāi)關(guān)時(shí)的損耗，省去緩沖電路。圖4所示的電路可使傳統(tǒng)的IGBT模塊在變換器中得到廣泛應(yīng)用。圖1所示的設(shè)計(jì)方案(單相)可推廣到三相系統(tǒng)(無(wú)論有無(wú)中性點(diǎn))，如圖5所示。通過(guò)各個(gè)PWM變換器模塊，各相可獨(dú)立控制。

4 結(jié) 語(yǔ)
    在正常工作狀況下，PWM變換器工作在旁路方式，電源功率直接傳輸給負(fù)荷，自耦變壓器只吸收勵(lì)磁電流。而當(dāng)電壓降低時(shí)，變換器將電壓Vc迭加(補(bǔ)償)上去，同時(shí)通過(guò)自耦變壓器增加一定的輸出功率。所以在本設(shè)計(jì)中變壓器的選擇主要取決于暫態(tài)過(guò)程中功率變化的能力。本裝置能很方便地集成到對(duì)重要負(fù)荷供電的配電變壓器中。選用圖4所示的變換器，在各種不同的電壓降落下來(lái)驗(yàn)證三相系統(tǒng)的情況。當(dāng)一個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)電源單相電壓或者三相電壓均發(fā)生了30％的降低，在加了補(bǔ)償后可維持負(fù)荷電壓保持恒定。