基于双电源交叉供电动态电压恢复装置研究*

0 引 言

随着拥有进口设备或精密仪器的用户与厂家日益增多，对于电力系统电能质量的要求也越来越高[1-2]。但是由于设备系统扰动会造成的各种电能质量问题，在这些电能质量问题中，电压问题是一个重要的内容。电压问题主要包含电压的骤升、跌落、闪变、缺口、谐波和中断等多种现象[3-4]。其中，电压的短时跌落(暂降)或中断一般称之为“晃电”。根据对电压故障的统计分析，在所有的破坏性电压故障中，“晃电”故障出现的次数最多，达80%左右，造成的损失也最大[5]。且负载侧单体的电压控制或恢复装置的效果往往不尽如人意，无法系统的解决这类用户的困境与难题，这就需要研究更为高效和智能便捷的技术来解决[6]。

目前，解决电压暂降与中断问题的方法主要是在用户侧敏感设备电源入口处，有针对性地安装动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restore, DVR)、PQC、UPS等电力电子装置来瞬时补偿电压跌落值，保证用户的正常运行[7-8]。目前最常用的改善电能质量扰动的有效方法是采用动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restore, DVR)[9]。它是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和重要负荷之间，具有良好的动态性能。当发生短时电压扰动时，DVR能在很短的时间(几个毫秒)内将故障处电压恢复到正常值[10]。相对于其他几种电能质量治理装置而言，DVR具有更高的灵活性，是最经济、最有效的手段，应用前景非常广阔[11]。但随着用户中敏感设备的增多,多设备同时补偿将会导致多补偿器相互抵消、相互影响等问题。此时仍然采用分散补偿的电压暂降治理方案，总的投资和损耗将大幅度上升，投资效益降低，电危害改善也有限。并且现在国内外基于电力电子装置解决电压质量问题的研究主要以单母线供电系统为研究对象[12-13]。没有综合考虑实际工业现场多为分段母线供电的情况，装置的补偿容量和补偿时间均受限。当电网完全断电时，传统DVR并不能解决用户连续生产中断的问题。这样不但造成了很大的经济损失，有时还会对员工的人身安全造成伤害。由此可见，解决“晃电”问题不仅可以避免生产企业的经济损失，还可以有效避免由此造成的安全事故。

因此，采用供电侧集中解决“晃电”问题可以最大限度地提高所有用户的电能质量。本文针对重要用户一般为双段母线供电的方式，且双段母线同时发生电压跌落的概率很小的实际情况，依托先进的电力电子技术[14]，针对特殊用户，研究从电源侧集中治理的抗“晃电”技术，提出一种新型的大功率动态电压恢复装置结构，该装置基于双电源交叉供电方式，在电源侧实现“晃电”问题的集中补偿，将“晃电”故障对用户的扰动降低到最小，以避免用电单位的连续生产过程因“晃电”而中断，造成重大经济损失甚至安全事故的问题。实验仿真表明，在双电源供电情况下，在电源侧实现大功率集中补偿的动态电压恢复可以最大限度的提高供电系统的电能质量，进一步减少大电网的投入以及电压补偿装置的数量[15-16]，节约了成本，并且可以实现了电压暂降与中断的长时间补偿，进一步提高了敏感负荷的供电可靠性。

1 母线侧电压恢复装置总体设计

1.1 结构设计

基于母线侧的双电源交叉供电压恢复装置的拓扑结构图如图1所示，主要由储能单元、补偿控制器、逆变主电路三部分组成。

图1 双电源交叉供电动态电压恢复装置拓扑结构
Fig.1 Topological structure of dynamic voltage recovery device with double bus crossing power supply

该电压恢复装置以一个级联3H桥27电平逆变器拓扑结构为主体框架，直流储能单元采用超级电容与蓄电池组两种形式，根据投入补偿装置要求确定两种直流储能单元的投切，并且直流储能单元通过全桥升压变换器接入逆变单元。每段母线配置一套动态电压恢复装置，该装置主要由以下几部分组成：

(1)双逆变单元INV1，INV2及其输出LC滤波装置；

(2)INV1的串联耦合变压器T3；

(3)储能单元及补偿控制器TMS320F28335 DSP；

(4)防倒灌快速开关SCR1；

(5)旁路开关、母联开关等；

(6)动态电压恢复装置控制系统。

装置中储能单元包括超级电容V1、蓄电池组V2；为双逆变单元的输入提供稳定的直流电源信号。上述双逆变单元中包括低容量逆变单元INV1与高容量逆变单元INV2，逆变单元对超级电容V1、蓄电池组V2的电压信号进行按比例的升压输出；其控制系统连接双逆变单元，控制双逆变单元的输出，并对电压信号实时检测，实现电压暂降与中断的快速补偿。

1.2 工作原理分析

该新型动态电压恢复装置包含两个逆变单元，INV1输出电压串联接入电网，用以补偿小幅的电压暂降(小于30%)实现传统DVR功能，INV2实现类似在线UPS的功能，并联接入电网，在电网发生供电中断时，INV2能够起到支撑电压和频率的作用。其工作流程图如图2所示。

图2 电压暂降与中断补偿装置工作原理图
Fig.2 Working principle diagram of voltage sag and interruption compensation device

由图2可知，相比于传统DVR电压暂降的补偿过程，所述双电源交叉供电动态电压恢复装置安装于母线侧，其工作流程包含以下步骤：

步骤1:在线监测母线电压：正常运行时，由控制系统在线监测母线电压信号，电压暂降补偿环节不投入工作，而电压中断恢复环节会根据控制系统的实时检测的电压信号，并跟踪输出一个等幅同相的电压，与I段母线电网并网运行共同为负载供电，作为负载的热备份电源；

步骤2:电压恢复装置工作模式选择：当发生电压跌落时，通过对电压暂降幅值进行判断，如果电压暂降幅值小于30%，则由电压暂降补偿环节投入工作进行电压暂降补偿；当电网有较大电压跌落或完全失电时，电压暂降幅值>30%，电压中断恢复环节投入工作实现电压中断恢复；

步骤3:电压恢复装置投入工作：发生电压暂降时，控制系统迅速控制低容量逆变单元INV1输出补偿电压，使得母线电压依旧为标准的正弦波电压信号；发生电压中断时，立刻断开防倒灌开关SCR1，防止电流倒灌，且低容量逆变单元INV1不工作，控制系统控制高容量逆变单元INV2处于“孤岛”或“并网”运行状态；

步骤4:重复步骤1～步骤4，实现电网侧电压暂降与中断的快速有效恢复。

上述步骤中，在电压中断恢复环节，双电源交叉供电的INV2的运行模式切换框图如图3所示。

图3 母线电压中断时INV2运行模式切换框图
Fig.3 Switching block diagram of INV2 operation mode when bus voltage interrupts

当发生电压中断时，立刻断开防倒灌开关SCR1，防止电流倒灌，且低容量逆变单元INV1不工作，控制系统控制高容量逆变单元INV2处于“孤岛”运行状态，负载由高容量逆变单元INV2独立供电，紧接着，控制系统启动并网预同步控制模块，调整高容量逆变单元INV2的输出电压，使其与右侧II段母线电网电压一致，待高容量逆变单元INV2输出电压的幅值、频率、相位与II段母线电网在误差允许范围内时，合上母联静态转换开关Q3，此时高容量逆变单元INV2和II段母线电网共同为负载供电，高容量逆变单元INV2由“孤岛”运行状态转入“并网”运行状态；当I段母线电网由故障或检修状态恢复正常供电时，控制系统控制Q3断开，负载由高容量逆变单元INV2独立供电，控制系统再次启动并网预同步控制模块，调整高容量逆变单元INV2输出电压与I段母线电网一致，然后合上防倒灌开关SCR1，系统恢复正常供电。

2 主电路结构设计

主电路拓扑结构设计简图如图4所示。

鉴于该装置包含DVR与UPS两种电压补偿装置，同时为了简化传统的级联H桥型多电平逆变单元的复杂结构，利用较少的功率器件实现尽可能多的电平输出，该装置采用一种改进型多电平级联H桥逆变技术来设计DVR主电路中的逆变单元，并在逆变主电路的直流输入端加入全桥升压变换器，提高前端直流输入电压，进一步提高逆变单元的输出容量。其中主电路拓扑结构分为两个模块，全桥升压电路模块与27电平逆变电路模块。在全桥升压电路中，将蓄电池组或者储能超级电容的直流电源信号进行逆变处理，对于输出的交流电源信号通过升压变压器以及EMI滤波处理，对高频的干扰信号进行阻碍，滤波后的信号进行整流，最终输出将作为27电平逆变器的直流电源输入。在改进型27电平3H桥级联逆变单元中，利用脉宽调制技术，控制3H桥的输入电压比为U1:U2:U3=1:3:9。

图4 大功率动态电压恢复装置主电路拓扑结构设计简图
Fig.4 Design sketch of main circuit topology of high power dynamic voltage recovery device

在3H桥级联逆变单元中，每个H桥逆变单元的直流电源是独立的，将各直流电源定义为：

Vdci=ki×Vdc

(1)

式中ki为电压比例系数；Vdc为储能单元经全桥升压单元后的输出直流电压。

各级联H桥逆变单元可以产生三电平的输出电压Vo，包含0,±kiVdc三个电平。各H桥通过级联，其输出电压为各单元的输出电压的叠加值，总输出电压V的电平数N为:

(2)

式中n为级联模块数，因此该主电路的输出电平为2(1+3+9)+1=27，即该逆变器为27电平逆变单元，大大提高了主电路的输出容量。

对直流侧为9E的H桥进行分析，该单元中功率开关承受的直流最大电压为9E，该两组独立通关的开关分别工作在互补状态，这样可以组合出 4 种工作状态，开关状态如下：

(1)当且时，U1=9E；

(2)当 S1= S2=1且时，U1=0；

(3)当且 S1= S2=0时，U1=0；

(4)当且时，U1=-9E；

对直流侧为3E的H桥进行分析，该单元中功率开关S3、S3*、S4、S4*承受的直流最大电压为3E，该两组独立通关的开关分别工作在互补状态，这样可以组合出 4 种工作状态，开关状态如下：

(1)当且时，U2=3E；

(2)当 S3= S4=1且时，U2=0；

(3)当且 S3= S4=0时，U2=0；

(4)当且时，U2=-3E；

对直流侧为E的H桥进行分析，该单元中功率开关承受的直流最大电压为E，该两组独立通关的开关分别工作在互补状态，这样以组合出 4 种工作状态，开关状态如下：

(1)当且时，U3=E；

(2)当 S5= S6=1且时，U3=0；

(3)当且 S5= S6=0时，U3=0；

(4)当且时，U3=-E。

由此可见，通过将3H桥逆变电路级联，并采用最近电平逼近调制策略，控制MOS管的开关状态，具体开关状态如表1所示。最终可以输出0、±E、±2E、±3E…、±13E的27电平交流电压信号，如图5所示。

表1 27电平级联H桥电路功率管开关表
Tab.1 27 switch table of power tubes for cascaded H-bridge circuits

图5 级联3H桥27电平逆变器输出交流电压波形
Fig.5 Output AC voltage waveform of cascaded 3H bridge 27-level inverter

3 系统仿真分析与验证

为了验证上述新型大功率动态电压恢复装置的可行性以及补偿的可靠性，文中基于PSCAD /EMTDC电磁暂态仿真软件，分别对该双电源交叉供电大功率动态电压恢复装置进行电压暂降与电压中断的补偿仿真试验，构造电压暂降信号，设置电网系统发生暂降的起始时间和暂降幅值，采用最小能量补偿法进行仿真验证。设置仿真参数：超级电容与储能电池电压平均值E=100 V，EMI滤波器电阻R1=0.5 Ω，电感L1=2 mH，电容C1=100 μF；负载电阻R2=100 Ω。

3.1 电压暂降补偿分析

图6分别为电压突变过程中发生电压暂降时、补偿过程中以及经优化补偿后母线上输出电压波形图。从图6(a)可以看出，电网系统在t = 0.4 s发生暂降，跌落幅度逐渐降到30 %，跌落时间为0.1 s。此时控制系统判断母线电压发生电压暂降，INV1装置开始补偿，图6(b)显示INV1能够在0.1 s左右的时间内在母线侧对电网电压进行快速的动态补偿，输出正常电压的30%的电压幅值。图6(c)是母线上安装该装置后的电压输出波形，由图6(c)可以看出发生电压暂降时该装置可以迅速准确的完成电压暂降的补偿，保证母线电压的供电稳定性与可靠性。

图6 母线侧电压暂降补偿波形图
Fig.6 Bus-sidevoltage sag compensation waveform

3.2 电压中断补偿分析

图7为电压突变过程中发生电压中断时、补偿过程中以及经优化补偿后母线上输出电压波形图。

图7 母线侧电压中断补偿波形图
Fig.7 Bus-sidevoltage interruption compensation waveform

从图7(a)可以看出，电网系统在t = 0.1 s发生电压中断，跌落幅度降到100 %，中断时间为0.1 s，此时补偿控制器判定为电压中断，INV2开始补偿工作，同时补偿控制器控制两段母线切换实现双母线电源间交叉供电，完成对电压中断的电压补偿。图7(b)显示电压恢复装置能够在0.1 s左右的时间内输出与母线I正常电压等幅值同相位的交流电压，对电网电压进行快速的动态补偿，完成电压中断恢复。图7(c)是母线上安装该装置后的电压输出波形，由图7(c)可以看出发生电压中断时该装置利用双电源交叉供电方式，迅速准确的完成电压中断的恢复，保证母线电压的供电稳定性与可靠性。

4 结束语

文中提出一种基于双电源交叉供电的新型动态电压恢复装置模型，该模型针对实现母线侧对重要敏感负荷实现电压暂降与中断补偿的问题，将动态电压恢复器(DVR)与不间断电源(UPS)相结合，采用全桥直流升压电路与级联27电平逆变主电路拓扑结构为主体框架，直流单元采用超级电容储能与蓄电池组按需求进行供电，无需通过外部电网供电，进一步减少大电网的投入。

在母线侧实现负载侧多敏感负荷的电压暂降与中断集中治理的动态电压恢复装置结构设计，不仅能有效地实现电压暂降补偿，改善电网电能质量，而且能够在电网供电中断的情况下，通过运行模式的切换，快速地将负载无扰切换至另外一段母线，利用两段母线之间的无缝切换实现电压中断的恢复。采用供电侧集中补偿电压暂降与中断可以最大限度地提高负载侧所有敏感负荷的电能质量，进一步减少大电网的投入以及电压补偿装置的数量，节约了成本，并且可以实现电压暂降与中断的长时间补偿，进一步提高了敏感负荷的供电可靠性。