逆變器在動態(tài)電壓恢復器中的應用

1 概述

電能質(zhì)量的問題主要體現(xiàn)為電壓質(zhì)量問題。

根據(jù)美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)和其他一些國際委員會的推薦，描述電能質(zhì)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(zhì)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(zhì)量問題的串聯(lián)型補償裝置[2]。

圖1所示為典型的DVR(虛線框內(nèi))結(jié)構(gòu)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(lián)變壓器、整流側(cè)濾波器;逆變器單元，包括逆變器、濾波器及串聯(lián)變壓器。DVR相當于串聯(lián)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(jié)構(gòu)

在DVR 中，每一單元雖然在功能上相對獨立，但互有關聯(lián)，不可分割，所以在設計和控制上需要協(xié)調(diào)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(wǎng)側(cè)交流電壓轉(zhuǎn)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(jù)控制單元給出的控制指令，把直流電壓轉(zhuǎn)換成一定幅值、相位的交流電壓，然后和故障的電網(wǎng)電壓疊加，使得負載側(cè)電壓保持穩(wěn)定不變。根據(jù)應用場合的電壓等級不同，DVR可以通過串聯(lián)變壓器和電網(wǎng)耦合(電壓等級高)，也可以通過濾波電容支路直接和電網(wǎng)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(jié)構(gòu)的逆變主電路(如圖2所示)。

圖2 中，Udc 代表經(jīng)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(jīng)過升壓變壓器送入電網(wǎng)。

3 DVR 逆變器的控制策略

對于逆變器的控制，現(xiàn)在應用最多的是脈寬調(diào)制技術。脈寬調(diào)制技術主要有：載波式脈寬調(diào)制、磁通脈寬調(diào)制(空間矢量脈寬調(diào)制)、隨機脈寬調(diào)制以及特定諧波消除脈寬調(diào)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(diào)制方法主要是載波式脈寬調(diào)制(SPWM)方法和特定諧波消除脈寬調(diào)制(Selective Harmonic Elimination PWM-SHEPWM)方法。

載波式脈寬調(diào)制是最為成熟的脈寬調(diào)制方法，一般以正弦波為調(diào)制波，以N 倍于調(diào)制波頻率的三角波或鋸齒波為載波，通過調(diào)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(diào)制方法原理簡單、通用性強、控制方便、易于實現(xiàn)、性能良好。但用此調(diào)制方法的逆變器輸出脈沖中的諧波分布與調(diào)制比、載波比都有關系，當調(diào)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?shù)目刂?，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(jīng)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(xiàn)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(diào)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(wǎng)的污染，在任何給定的調(diào)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(jù)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(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、滑模變結(jié)構(gòu)以及非線性控制等都已經(jīng)出現(xiàn)在逆變器的控制研究中，其中大多數(shù)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(jù)文中所提出的逆變器結(jié)構(gòu)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(diào)試過程中，對不同調(diào)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(zhì)量分析儀作了測量，圖4 為基于SPWM 控制的逆變器在調(diào)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(diào)制比范圍內(nèi)通過濾波后的輸出電壓波形質(zhì)量，對各調(diào)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(diào)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(xiàn)，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(jié)語

文章介紹了動態(tài)電壓恢復器的基本構(gòu)成，并重點對其采用的逆變器單元的電路結(jié)構(gòu)、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(jié)果可以表明文中所述逆變器的可行性。