动态跌落补偿的三相静态串联电压稳压器控制算法要点.docx

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动态跌落补偿的三相静态串联电压稳压器控制算法要点

动态跌落补偿的三相静态串联电压稳压器控制算法

摘要　许多工厂的典型的电能问题是由短暂的中断和电压过低引起的。

解决这个问题的一个常见方法是安装不间断电源UPS。

然而这些不间断电源成本高，而且需要维修。

一个节省成本的替代方法是使用静态串联稳压器额定功率负载的一小部分，稳压器与负载串联提供电压。

该论文中提出的结构带有二极管桥式整流转换器的变压器耦合的电压源逆变器连接到AC电源。

本文讨论了实施和控制的问题，并给出了稳定状态下的补偿能力曲线。

提出了一种控制算法可以保证快速恢复动态电压，并对电网的故障类型,干扰和谐波非常敏感。

阐明了典型的单相和三相故障的特点。

功率补偿器原型的动态性能在DSP上得到了验证。

1.引言

电能质量正在成为配电系统和工厂的一个越来越重要的考虑因素。

预计这些问题在没有管制的电力系统环境中将更加普遍，那里频率和电能质量都有可能不同。

现代发电厂的一个重要特征是提供高质量的电能，并且具有高可靠性，其中，计算机和其他灵敏电子设备的使用都很广泛。

在供电的很多时候，中断供电的损失很大。

在这个新的环境中,用户可能会找到能够经济地解决方案,以确保持续的高质量的电力供应。

随着静态功率转换器的快速进步，在中压系统发展的带动下，许多基于电力电子新技术，现在可以应用于一个成本有效的方法。

强烈依赖于电力电子技术的小型发电机、储能单元和功率质量补偿器有望经济地分配等级。

研究表明，大多数的电能质量问题是瞬时电压跌落、偏低、中断和过高。

另外，大多数的干扰是由错误的馈线系统或相邻的反馈器引起的。

而且，多数故障，90%是单相故障，这些故障导致三相电压跌落，有时发生在在一个或多个线路上。

另一方面功率因数电容器和变压器开关会引起电压偏高。

解决电能质量问题的常用方法是采用不间断电源UPS。

尽管UPS的市场在扩大，但这些设备还是很贵，尤其是那些大功率等级的和不常用等级的。

而且，它们需要维修。

而另一个方法需要投资，电力系统中较为传统的方法是采用并联无功补偿装置，最新技术是采用静态无功补偿器STATCOM。

然而,STACOM的适当操作很大程度上依赖于线路电抗。

此外,它不能轻易处理大电压凹陷和电压不平衡。

一个更直接有效的方法来保持电压的范围和平衡负载电压,是使用静态串联稳压器,如图1所示。

它的性能取决于要解决故障的变化和严重程度，这个特点可能限制了负载的范围。

相比于使用UPS,它们成本的明显减少。

。

另外，在正常的线路条件下，与补偿操作相关的损失是非常小的（不超过1%，）由于注入的电压为零，负荷由馈线直接供电。

串联稳压器由串联在负载和电源之间的内部电压供电，常见的拓扑结构是用变压器和电压型逆变器耦合，直流母线电容器可以自我控制的或用整流器控制，如二极管桥，然后再连接到交流电源。

文献[3-5]给出了一些电源结构和控制算法。

然而，许多是主要用于纠正无谐波网络中电源的小的不平衡，它们也没考虑配电系统的故障条件，这将比电压跌落或不平衡对用户重要设备造成的危害更严重。

而且，动态性能也是考虑的关键因素，因为很多负载如电力驱动和制造过程，它们对ms级的中断也是很敏感的。

图1串联补偿器的单线结构图

本文讨论了在静态串联稳压器的实施与控制问题，并给出了稳态补偿性能曲线。

提出了一种控制算法，能够快速恢复动态电压并且对电网的故障类型，干扰和谐波不敏感。

而且分析了典型的单相和三相故障的性能，验证了基于DSP的原型系统的动态性能。

还考虑了一些实际问题，如电源和控制电路的设计和逆变器的额定值等。

2电源变换器的结构

为了给三相系统供电，静态串联稳压器的电源电路的结构可按照下列方面设计：

三相变压器二次侧为角接或星接与三相逆变器相连，一次侧绕组独立接到系统。

全桥逆变器的三相分别通过变压器与交流系统耦合，并连接到同样的直流母线上。

半桥逆变器的三相分别与相同的分裂电容器的直流母线相连，星接绕组接在逆变侧；一次侧独立连接到系统。

图2中给出了第二种方案，它以最少的元件获得最高的灵活性：

注入电压由每相基础电压合成，并且逆变器的每个桥臂是封闭的。

电容器的中点作为一个公共点，从而解耦的逆变器的三个桥臂。

另外，这种结构作为四线电压源，可以给系统注入零序分量。

它可以处理包括接地的三线系统在内的四线交流系统的要求。

发生接地故障时，该系统成为四线制，大地作为第四线来流过故障电流。

逆变器的输出连接到二阶滤波器，从而降低由于转换器的开关动作而引起的高频谐波。

图2电源电路结构图

电压通过电压匹配变压器加到线A，B，和C上，匹配变压器要设计为低阻抗，以减小补偿时，变压器电压降落时的影响。

可以仅改变无功功率来调节负载电压，不需要从补偿器或直流母线获得有功功率。

也可以看出，这大大增加了补偿器的等级和能够补偿的电压骤降范围的严格限制，可获得的有功功率解除了注入电压和线电流之间的相位限制。

电源直流母线可有下列选择：

在正常条件下，自我控制的直流电容器从交流电源充电。

在负载充电期间，允许故障持续一会儿，持续时间取决于所需的有功功率，因此能量储存在直流母线。

通过调节直流母线斩波方式可以提高电压补偿器给负载供电的能力。

另外，为了增加储能容量，建议使用心得超级电容器技术。

交流电源接二极管整流器，能量是由直流母线连续提供的，但直流母线电压是由反馈机制限制一个稳定值，特别是在故障条件下。

该结构还可以电容吸收能量来处理瞬时电压骤升。

然而，对于持续的电压升高，二极管整流器必须由一个有源或再生整流器取代，使得多余的能量可以返回到交流母线。

这种结合串联和并联连接的电压源逆变器，从普通直流母线获得反馈，被称为统一电能质量补偿器。

3.配电系统故障

故障条件下

和

的变压器的电压矢量图如图2所示。

正常工作条件下和短路条件，负载侧的电压向量分别为A，B，C和

。

同样，正常工作条件下和短路条件，电源侧的电压向量分别为

和

。

电压下降或变为零，取决于相-地之间的负载类型，例如，

侧的单相接地故障引起

侧线电压下降为正常运行时的58%。

的变压器的电压向量很容易得到，这里就不赘述了。

为了测量故障条件下的不平衡度，用对称分量法把电压分解为两个平衡的三相电压：

这里，

分别为电压零序、正序和负序分量。

变换矩阵T为

其中，

图3配电系统故障时的电压类型（a.单相接地故障

b.两相接地故障c.三相接地故障）

不平衡因数通常定义为负序分量和正序分量的比值：

对于平衡系统（只有正序分量），幅值因数定义为正序分量和理想电压

的比值，用它来衡量负载电压和参考电压的差值。

不同故障类型的不平衡因数和幅值因数可以计算，它对于

的变压器有效。

值得注意的是，任何情况下，三相接地故障的不平衡因数都为零。

4.稳态下的补偿能力

补偿器给负载供电的能力取决于注入交流系统的电压。

为了设计补偿器，引入“提升率”的概念。

它的定义是补偿器能够注入线的最大电压，相对于系统电压的比值，表示如下：

单相接地故障条件下，三相负载电压为的正序（补偿后）如图4所示。

曲线对于星形连接的变压器有效，并且补偿器具有25%，50%和75%的提升能力。

结果表明，如果串联稳压器的电压提升率为50%，补偿器能够维持的局部跌落处的电压为60%的相电压。

如果是永久性单相接地故障，它能够基本保持额定电压的85%。

而且，提出的方案中，串联稳压器可以在四线制的配电系统中运行。

两相接地和三相接地的对称性故障的类似曲线也可获得随着故障线路的增多和电路阻抗的下降，补偿器的等级也会增加。

图4.单相接地时的负载电压正序分量与电源母线的函数关系，以及各种提升等级

5.平衡稳压算法

静态稳压器的一般要求为：

（i）快速的动态响应（ii）对电源谐波不敏感（iii）即使是故障相永久性接地，造成大面积电压跌落，也能合适地运行。

另外还应考虑过滤电源谐波，但这一要求本文并不讨论。

在调节控制方案设计的关键问题是找出参考电压定义所需的理想负载电压。

理想的负载电压应该是平衡的，并且补偿器的注入电压和额定功率的幅值应尽可能的小，它的额定电流是线电流。

电力系统中，补偿负载电压的常见的分析方法的概念应包括：

提取电源电压的各种分量。

通过注入串联分量抵消负序分量。

通过注入串联分量，调节正序分量到理想值。

注入电压是负序分量和正序分量之和，可以看出，该方法所需的注入电压最小，然而，DSP的采用，使得在线分量提取电路，或分量滤波器，无法提供即时的结果。

另一个方法是根据电源的某相合成参考发电机电路。

由于在短路时，电机的线电压变为零，必须适当地选取合成电压。

这些选择是可行的：

使用PLL监测和跟踪电源电压，再产生的同步电压：

在出现故障的情况下，利用故障前的PLL输出电压，并根据故障前的电压调整负载电压。

根据给出的所有故障下的电源电压，生成一个合成的电压。

它的大小设置为所需的值，然而，相位角的设置应使从补偿器获得的注入电压最小。

本文所提出的控制算法在线量的基础上使用下面的参考信号：

这里分母是线电压均方根值

，

是供电系统的线电压的正常值或理想值。

可以看出，在星-星结构中，线电压

不会降为零。

这保证了所有故障情况下的参考电压的可用性。

另外，参考电压可以在每相的基础上产生。

参考信号可以由每相的信息或参考线电压或同步电压的幅值产生。

设

表示参考信号，X为幅值，

为相角。

幅值X和相角

，可以通过两个采样信号

获得。

假设

和

分别代表

和

时刻的采样值。

实验表明，相角信息能更快地获得。

忽略信号电压的畸变，瞬时相角由下列等式给出：

这里，

是采样周期，并且

对于有干扰的信号，估计数据可用与一个正弦信号来匹配。

假设没有零序分量，平衡调节算法可由下式给出

这里，

线bc和ca的参考电压可分别由线ab旋转120度和240度得到。

为了达到平衡和条件的功能，逆变器产生的注入电压为

注意到（7）中的注入电压之和为零，所以不必对三相解耦。

所以，逆变器的电源结构可以减为传统的六开关转换器，并去掉图2中的中心抽头。

补偿器的平衡作用的和星形/星形连接的变压器故障前和故障后相应的向量图如图5所示。

图5.故障前和故障后的注入补偿电压向量图（单相c接地）

串联电压注入可采用前馈和反馈技术。

在前馈控制中，所需电压需提前计算。

这允许辅助电压分量的注射，例如用于谐波屏蔽。

变压器的电压降落补偿可以通过引入一个与负载电流成正比的校正电压来实现。

实现反馈不需要这些，其中参考电压是相对于实际的负载电压，所不同的是，它是由串联稳压器提供。

为了在故障下也能供电，稳压器需要实现下列功能：

（i）连续不平衡电流（ii）功率因数控制（iii）屏蔽负载和电源谐波。

本文提出的算法限制来补偿馈线故障产生的不平衡。

结果可扩展到三相四线制系统中，这些系统需要注入零序电压分量。

控制算法通过下列方法实现：

静止abc坐标。

在这种情况下，稳压器必须能处理基频电压分量，以及瞬变。

同步旋转dq坐标。

电压是平衡条件下额直流电压。

无论故障时或不平衡条件时，变压器电压中都含二次谐波分量。

然而，该技术还有一个优点是abc坐标下的三个电压减少到dq坐标下的2个电压，假设不需要零序分量。

另外，dq变换简化了PWM空间矢量技术和稳压器的实现。

使用abc/dq变换，三相系统能减少为同步旋转坐标下的两相系统。

这消除了线路交流分量。

稳态平衡条件下，包括对称的3相故障时，电压是直流的。

两步abc/dq变换定义为：

这里

参考电压为

这里

是参考线电压ab的初始相角。

是同步旋转坐标dq和静止坐标

的初始相角差值。

这两种方法已成功地实现了。

它们的动态响应是相似的。

图6为dq方法仿真结果说明图，响应时间在2ms之内。

5.实现问题和仿真结果

基于前馈技术的补偿器控制，测量电源电压并计算适当的补偿电压。

用DSP

实现平衡稳压算法。

图6.dq方法的仿真结果a相和b相电压跌落50%

（a）补偿后的线电压（b）dq坐标下的变换电压

（c）a,b,c相的逆变电压

在abc坐标和dq坐标下都能实现这个算法。

它包括：

（i）测量故障系统的线电压幅值（ii）生成参考电压（iii）计算需要的注入电压。

二极管整流器从系统电源的母线电压获得反馈，在电压跌落期间，直流母线电压下降，逆变器的电压增益减小。

这又反过来导致稳压器在前馈机制的补偿能力下降，因为调制机制不会重新调整以把电压下降计入考虑范围。

为了克服直流母线波动的影响，直流母线引入前馈回路来修正调制机制，因此提高补偿能力和响应。

实验结果中是由提升率为50%的5kVA的逆变器提供。

连接的变压器给星接的三相平衡的感性负载供电。

不平衡因数定义为负序分量和正序分量的比值，本例中不平衡因数为15%。

复制因数定义为正序分量和正常系统电压的比值，这里取87%。

图7所示的实验结果表明，补偿后的负载电压是平衡的，设计的滤波器有效减少了高次谐波

。

瞬时相应很快，在2ms之内。

dq坐标下进行相同的实验得到可比较性结果。

例如，图8中给出的补偿器能够维持三相对称系统局部故障的额定电压。

图7A相和B相一次侧各自突然出现-25%和17%的电压不平衡

跌落时的补偿器响应

（a）电源相电压（b）负载相电压

图8dq方法下的实验结果，局部三相接地故障，三相均下降50%，

补偿后的负载线电压

6.结论

本文提出了故障条件下，用串联补偿器给负载供电相关的性能问题的设计。

提出的方案是能够补偿电源电压不平衡和在持续故障下的负载电压调节，并在持续性故障下，短时间内恢复所需的电压。

它的动态响应很快。

结果表明，补偿器可以给单相接地故障（90%的常见故障）的负载供电，它能补偿到负载电压的50%。

结果也表明它的瞬时响应很快（低于2ms）。