俞紅祥，沈亞強，馬世平

(浙江師范大學交通學院，浙江省 金華市321004)

摘要：提出了一種新型單相交流電壓動態(tài)調(diào)節(jié)器方案，采用雙半橋變換電路分別進行串聯(lián)電壓補償和直流儲能調(diào)節(jié)。其中超級電容組在公共直流側的使用不僅保證了補償電壓凹陷和嚴重跌落所需能量，而且顯著降低了儲能調(diào)節(jié)變換器的啟動次數(shù)和工作時間。根據(jù)不同的能量平衡方式，分析了該調(diào)節(jié)器的多模式運行方式以及串聯(lián)電壓補償和直流儲能控制規(guī)則。最后5kVA樣機的實驗結果表明所提出的方案在動態(tài)電壓恢復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用已經(jīng)給配電網(wǎng)帶來了嚴重的電能質(zhì)量問題[1]。在這些問題中，電壓波動包括暫降、驟升、凹陷、閃變等造成的危害最為普遍[2-3]，它們會導致自動控制設備異常、計算機數(shù)據(jù)丟失等事故，繼而造成重大的經(jīng)濟損失。

為了降低該類風險，在敏感負載端使用各種交流電壓穩(wěn)定和調(diào)節(jié)裝置已成為應用趨勢。現(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，不但動態(tài)響應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用范圍。近年提出的基于串聯(lián)補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、響應速度快和運行效率高的特點受到了廣泛關注和深入研究[5-6]，已成為交流電壓調(diào)節(jié)主要發(fā)展方向之一。為了實現(xiàn)輸出電壓雙向快速調(diào)節(jié)，文獻[7]采用了雙極性交流斬波器對系統(tǒng)電壓進行串聯(lián)補償；文獻[8]還運用不可控整流橋供電的電壓源逆變器同時實現(xiàn)了電壓跌落和諧波補償。然而，這些方案很少同時考慮對輸出電壓的雙向調(diào)節(jié)和波形畸變補償；特別是由于缺少足夠的儲能容量，當系統(tǒng)電壓發(fā)生持續(xù)跌落或凹陷時仍會發(fā)生欠補償，從而威脅負載的不間斷運行。

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

1電路結構與工作模式

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

圖1中主開關S1和S2與超級電容組C1和C2一起組成串聯(lián)補償電壓源逆變器，輔助開關S3和S4與超級電容組C1和C2構成儲能調(diào)節(jié)PWM整流器，對超級電容組進行充放電控制，以實現(xiàn)長期穩(wěn)定的直流電壓。由于超級電容組的儲能容量和密度遠大于傳統(tǒng)的鋁電解電容[9]，補償短時電壓凹陷、驟變所產(chǎn)生的不平衡能量對直流電壓的影響很小，無需啟動S3和S4即可保證直流側不發(fā)生過電壓、欠電壓。因此，根據(jù)不同的直流能量平衡方式，超級電容儲能交流電壓動態(tài)調(diào)節(jié)器分別工作于如下3個模式：

1)自保持模式

只有電壓尖峰、凹陷等暫時擾動發(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)。此時輔助開關S3和S4一直保持關閉狀態(tài)，控制器僅處理交流電壓串聯(lián)補償相關運算。在2次擾動發(fā)生的間隔，串聯(lián)補償逆變器的控制函數(shù)被設置為0，S1和S2以50%占空比高頻運行，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，串聯(lián)補償逆變器可以無延時地對其實施動態(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，過量的能量從C1和C2中抽出，用于支撐負載電壓，繼而導致C1和C2電壓持續(xù)降低至欠壓狀態(tài)，此時輔助開關S3和S4開啟并工作于PWM整流狀態(tài)，以最大額定電流對電容組C1和C2充電，直至直流電壓恢復到正常值。充電過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載電流。

3)放電模式

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

考慮到實際電網(wǎng)運行條件下絕大多數(shù)電壓擾動持續(xù)時間僅為數(shù)個工頻周期，適當設計儲能電容組容量，即可保證調(diào)節(jié)器在大部分時間內(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S3和S4的關閉還會使整流橋臂處于雙向截止狀態(tài)。這不僅提升了主電路運行效率，還帶來了控制策略的簡化。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，超級電容組在交流電壓動態(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載的供電可靠性。

2電壓動態(tài)補償與儲能控制

2.1電壓動態(tài)補償技術

設調(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給出了超級電容儲能交流電壓動態(tài)調(diào)節(jié)器的串聯(lián)電壓補償?shù)刃щ娐贰?/p>

此時，調(diào)節(jié)器與交流系統(tǒng)交換的視在功率最小、補償所需電壓分量最低。反之，當儲能電容組額定電壓相同時，采用該補償方式能補償?shù)碾妷浩罘秶畲螅⑶覍χ麟娐啡萘恳笞畹?。此外，?9)還表明調(diào)制函數(shù)fm(t)的求取只需獲取系統(tǒng)電壓瞬時值和基波相位，而不要求對電壓動態(tài)過程的快速識別。

2.2直流儲能控制

由于補償系統(tǒng)電壓短時波動所產(chǎn)生的不平衡能量被直流側超級電容組直接吸收，在設計直流儲能電路時必須考慮以下2個問題：①C1和C2的容量越小，調(diào)節(jié)器成本就越低，但儲能調(diào)節(jié)變換器啟停也越頻繁，直流側在雙向電壓補償過程中很容易發(fā)生過電壓和欠電壓；C1和C2的容量越大，直流電壓就越穩(wěn)定，補償?shù)浜桶枷莸臅r間也越長，并且系統(tǒng)對儲能調(diào)節(jié)變換器的響應速度和控制策略要求也越低。②直流電壓太低易導致儲能不足和輸出欠補償，直流電壓過高則會威脅主電路安全運行。因此，設計和選擇合適的超級電容組容量及儲能控制策略是保證補償性能和可靠運行的關鍵。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用戶側發(fā)生電壓暫降事件的次數(shù)遠大于1min停電事故次數(shù)，因此動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器中超級電容組儲能容量的設計以獨立承擔連續(xù)1min、幅值為50%電壓擾動產(chǎn)生的不平衡能量且保證直流電壓處于安全區(qū)域為目標。以5kW純阻性負載為例，交流系統(tǒng)額定電壓為220V/50Hz、電容組電壓波動允許范圍為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)擾動過程中，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是針對超級電容自放電和容量—溫度系數(shù)的增益值，綜合考慮成本和可靠性因素，ksc通常設置為1.2～1.4)。

除了連續(xù)擾動影響外，重復發(fā)生的短時電壓凹陷、尖峰等產(chǎn)生的不平衡能量經(jīng)累積后也會使電容組電壓發(fā)生緩慢漂移直至越限。為了確保超級電容組電壓的長期穩(wěn)定，直流儲能環(huán)節(jié)還采用了電壓滯環(huán)控制器對儲能調(diào)節(jié)半橋變換器進行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成。其中電容組電壓測量值Vdc與參考值V3dc經(jīng)過滯環(huán)比較后產(chǎn)生充放電電流指令I3r，電流控制器根據(jù)輸入指令I3r和電流實測值Ir產(chǎn)生控制開關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。一旦發(fā)生直流欠壓或過壓，圖3所示電壓滯環(huán)控制器即會控制輔助開關S3和S4，在連接電感Lr上產(chǎn)生一個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，直至恢復到允許區(qū)間的中間值。

3實驗結果

為驗證理論分析的正確性以及所提出方案的實踐可行性，在5kVA樣機上對超級電容儲能交流電壓動態(tài)調(diào)節(jié)器的主電路方案、儲能控制以及串聯(lián)電壓補償技術進行實驗分析?？刂葡到y(tǒng)采用單片高性能數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812來實現(xiàn)，它高達150MIPS(每秒百萬條指令)的32位整數(shù)運算能力確保了雙半橋PWM控制的實時性，并使儲能控制和電壓補償算法的集成成為可能；此外，利用其豐富的I/O資源，還可以方便地實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的各種保護功能。變換器主開關元件由2個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結語

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

5kVA樣機的實驗結果表明所提出的交流電壓動態(tài)調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)電壓恢復和諧波抑制方面具有優(yōu)越性能，驗證了該方案的可行性及其在高質(zhì)量交流電源應用領域的良好前景。

參 考 文 獻

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