2MVA无串联变压器级联多电平动态电压调节器的系统设计与仿真
2012/2/2 17:00:15
［关键词］：动态电压调节器（DVR），级联多电平逆变器，电压暂降 2MVA无串联变压器级联多电平动态电压调节器的系统设计与仿真 尹忠东 电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室，华北电力大学电气工程学院北京102206 ,机器视觉 ,烟草机械
0.引言
现今的精密制造设备、电脑，变频器等用电负载对电压暂降均非常敏感，持续16ms的85%至90%电压暂降即可能导致设备停机。电压暂降与短时断电(interruption)的差别在于短时断电时负载一般与供电系统完全断开，而电压暂降发生时负载仍与电源连接，对某些工业用户而言，两者均会造成设备停机，所产生的结果是相同的，但是电压暂降发生的机率远高于断电会发生的机率。调查显示：在所有配电系统事故中，电压暂降占了70％－80％；而在输电系统事故中，电压暂降所占的比例超过了96％。目前在欧美各国对电压暂降的关注程度比其它有关电能质量问题的关注程度要大得多，其中一个重要的因素是在电能质量的诸多原因中，由电压暂降引起的用户投诉占整个电能质量问题的80％以上，而由谐波、闪变、开关操作过电压等引起的电能质量问题投诉不到20％。在中国，随着社会经济的发展，电压暂降和短时断电的问题也逐渐引起了供电公司、用户及制造厂商的关注。特别是在一些高科技园区、大型医院、军工单位和重要的政府部门。因此，对电压暂降等短时电能质量扰动进行有效治理不仅必要而且十分迫切。
电压暂降问题是客观存在的不可避免的，用户为了减少因电压暂降引起的损失，必须采用特定的定制电力设备。动态电压调节器（DVR）是一种静态串联补偿器。当系统侧电压偏离了一定的范围，DVR将迅速动作，以补偿电源电压的偏差，快速跟踪并恢复负荷侧的电压波形，满足特殊用户对电能质量的高要求。
国外自80年代末，许多公司便开始了定制电力技术的专题研究，并陆续推出了SSTS、DVR、DSTATCOM等产品化装置。表1所示为ABB、西门子、美国超导公司（American Superconductor）在DVR研究开发示范方面的情况。
表1 DVR开发研制情况（截止2002年）
各国专家已经普遍达成共识[1]：DVR是改善电压型电能质量问题的最经济、最有效的手段。不过，目前DVR主电路拓扑基本采用两电平、三电平及利用串联变压器的注入模式，在应用上存在一些问题或不足，级联多电平拓扑能有效解决这些问题。有关级联多电平、无注入变压器拓扑的DVR工程研究及设计尚未见到报道，针对中压系统电压暂降治理目标，对级联多电平无注入变压器结构的DVR进行包括主电路拓扑、储能、滤波器、暂降检测及补偿等的系统设计及仿真研究对DVR高压大容量方面的应用具有重要意义。
1.工程背景
某半导体生产基地由两回35kV电缆供电，电缆采用单芯1*240平方毫米，长度约一公里。总变电室两台主变，均为8000kVA，有载调压，二次电压为6kV，单母分段。正常负荷时为单台变压器运行，夏季高峰负荷时，两台变压器运行。冬季负荷6000～6500kW，夏季负荷7000～7500kW。
对于对电能质量敏感的设备来说，供电电压有效值下降10％，持续时间超过35ms，就等同于一次停电，足够导致其停机，影响生产，造成严重的经济损失。在2002年全年的31次电压突降故障中，电压瞬间降低超过10％的共 19 次，占 55.9 ％，其中有13次对生产造成影响，占19次故障的68.4%，发生的最大电压降幅为70％。在电压降幅超过10％的19次中，电压降幅在10％～60％之间的共17次，占89.5%，在61～70％之间的共2次，占10.5%。目前，每次故障造成的损失平均约200～300万元人民币。
根据2002年发生电压暂降故障的统计分析结果，确定采用DVR技术，将电压降幅在60％以下的电压暂降故障发生时的母线电压补偿到额定电压的90％以上。则DVR的补偿电压为：Vi=0.9-0.4=0.5 pu。按夏季最大负荷（7500kW）时，两台变压器运行考虑，每台变压器带3750kW，功率因数0.92，视在功率4076kVA。额定电流为4.076（以1MVA为基准），则DVR将电压恢复到90％时所需储存的能量为：0.125×4.076×0.92＝0.469 MJ。DVR的额定容量为：0.5×4.076＝2.038 MVA，取2MVA。即，针对该企业的系统和负荷状况，设计安装的DVR容量为2MVA/台×2台，分别安装于系统的6kV侧。
2.主电路拓扑
目前动态电压调节器的主电路结构有所不同，不同的主电路结构会有不同的补偿效果和性价比。可用在高压大容量领域的实用拓扑结构为：三电平结构和多电平结构。在相同基波输出下，三电平结构与传统二电平结构相比，具有开关频率低、元件应力小、开关损耗低、输出谐波小的优点。缺点是在实际应用上，单个开关器件仍然要承受较大电压应力，器件参数选择余地较小。在线处理电容电压不平衡、窄脉冲消除等问题使得控制变得很复杂。同时，系统的冗余设计、容量扩展困难。而多电平结构，具有电平越多，输出电压谐波含量越小、开关损耗小、效率高的优点，它作为一种新型的高压大功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了二电平电路的诸多缺点：无需动态均压电路，开关频率低，因而开关器件应力小，系统效率高等。
二极管箝位型和级联型多电平拓扑的应用较为广泛，其中二极管型适用于3～5电平的应用场合，当电平数超过5时，该电路的结构和控制变得非常复杂，而级联型电路很容易扩展到2N+1电平(其中N为模块数)，且不会导致电路结构和控制的复杂化。研究表明，基于级联多电平拓扑的DVR在系统可靠性、器件选型、控制复杂程度、总体效率等方面比其他拓扑具有更全面的优势。因此，本文提出综合性能最优的DVR主回路拓扑，如图1所示。
图中，每个级联H桥逆变单元都有其相互独立的、幅值相等的直流电压源（直流电容）， 在一个工作周期内，由N个H桥级联构成的逆变器输出2N＋1电平的电压波形。由于采用级联结构，具有独具特色的提取能量模式，不需要单独设置充电回路和串联注入变压器，有利于节省成本、减少占地面积以及提高系统可靠性，同时，模块的级联使得在不提高器件开关频率的条件下，大大提高了装置等效开关频率，简化了滤波器设计，降低了损耗。这些是DVR采用级联主电路结构的突出优点。
由上述工程背景可得，系统线电压（RMS）：UL＝6000V，最大运行方式下容量： 。功率因数0.92，有功容量3750kW。
则，线电流：
考虑到DVR注入的最大每相电压为 。则有，
采用1200V/800A的单体IPM模块作为DVR的级联单元的开关器件。取逆变单元的直流母线电压为500V。由4个IPM模块构成的逆变单元最大输出正弦交流电压约为350V（RMS），5个级联单元串联输出交流电压可达到 。考虑一个逆变单元作为N+1冗余，则采用的DVR装置每相由6个级联逆变单元构成。
3.控制算法
DVR控制算法由3部分组成，分别为电压暂降检测、指令电压生成、底层PWM控制。电压暂降检测采用d-q变换，检测系统电压矢量的变化量，与给定值比较，超出误差范围，发出Sag信号。
注入电压指令生成框图见图2所示。
采用载波移相（Carrier Phase-Shifted）SPWM方式[2]作为底层调制方式，使得级联单元叠加输出的SPWM波的等效开关频率提高到原来每个单元的6倍6，因此在不提高开关频率条件下，大大减小了输出波形的低次谐波。
4.储能计算
由式（2）可知，DVR最大注入电压运行条件下，每个级联单元注入的电压为，
此时，要求的直流母线电压约为408V。因此，不考虑电容电压控制条件下，当直流母线电压在408～500V之间变化时，通过控制PWM调制比可以保证每个级联单元输出289V（RMS）补偿电压，即，直流母线的储能电容可以提供的能量为
考虑到DVR最大储能为0.469MJ，则有
将（4）式代入（5）式整理得
考虑到一个级联模块故障时，只有5个单元运行，因此式（5）中每相的乘数取5。
5.滤波器设计
虽然级联多电平结构逆变器等效开关频率很高，输出电压含有的较低次的高次谐波很小，然而在等效开关频率附近仍然分布着大量高次谐波，如不滤除，将增大DVR输出电压波形的总谐波畸变率（THD）。
图1中DVR输出侧配置的无源滤波器可以起到很好的滤除高次谐波的效果，其固有谐振频率必须远大于工频频率，同时远小于需要滤除的高次谐波频率。不过考虑到系统正常工作时，电源侧电压不能损失过大，滤波电抗要尽量减小，而过大的滤波电容会显著增大逆变器的额定容量。设计中要对照滤波效果仔细分析，折衷取值。DVR输出电路两侧放置滤波电抗的目的是限制级联单元中间发生短路故障时可能产生的过电流及电流上升率。
每个器件导通压降以2V估算，则6模块串联运行，待机状态的总压降为24V。考虑将总电压损失限制在5％相电压范围内，则滤波电感上压降为，
以最大运行方式下的线电流（392A）考虑滤波电感压降，计算得到电感值约为281mH，对应的滤波电容值为5mF。
6.逆变器损耗计算
在DVR的系统设计中需考虑逆变器散热的设计，因此，必须准确估算其损耗，为散热装置的设计提供依据。对于这种级联多电平结构，先分析一个模块中各器件的损耗，进而得到整个装置的损耗。表2所示为不同结温下的损耗计算结果。
现今的精密制造设备、电脑，变频器等用电负载对电压暂降均非常敏感，持续16ms的85%至90%电压暂降即可能导致设备停机。电压暂降与短时断电(interruption)的差别在于短时断电时负载一般与供电系统完全断开，而电压暂降发生时负载仍与电源连接，对某些工业用户而言，两者均会造成设备停机，所产生的结果是相同的，但是电压暂降发生的机率远高于断电会发生的机率。调查显示：在所有配电系统事故中，电压暂降占了70％－80％；而在输电系统事故中，电压暂降所占的比例超过了96％。目前在欧美各国对电压暂降的关注程度比其它有关电能质量问题的关注程度要大得多，其中一个重要的因素是在电能质量的诸多原因中，由电压暂降引起的用户投诉占整个电能质量问题的80％以上，而由谐波、闪变、开关操作过电压等引起的电能质量问题投诉不到20％。在中国，随着社会经济的发展，电压暂降和短时断电的问题也逐渐引起了供电公司、用户及制造厂商的关注。特别是在一些高科技园区、大型医院、军工单位和重要的政府部门。因此，对电压暂降等短时电能质量扰动进行有效治理不仅必要而且十分迫切。
电压暂降问题是客观存在的不可避免的，用户为了减少因电压暂降引起的损失，必须采用特定的定制电力设备。动态电压调节器（DVR）是一种静态串联补偿器。当系统侧电压偏离了一定的范围，DVR将迅速动作，以补偿电源电压的偏差，快速跟踪并恢复负荷侧的电压波形，满足特殊用户对电能质量的高要求。
国外自80年代末，许多公司便开始了定制电力技术的专题研究，并陆续推出了SSTS、DVR、DSTATCOM等产品化装置。表1所示为ABB、西门子、美国超导公司（American Superconductor）在DVR研究开发示范方面的情况。
表1 DVR开发研制情况（截止2002年）
各国专家已经普遍达成共识[1]：DVR是改善电压型电能质量问题的最经济、最有效的手段。不过，目前DVR主电路拓扑基本采用两电平、三电平及利用串联变压器的注入模式，在应用上存在一些问题或不足，级联多电平拓扑能有效解决这些问题。有关级联多电平、无注入变压器拓扑的DVR工程研究及设计尚未见到报道，针对中压系统电压暂降治理目标，对级联多电平无注入变压器结构的DVR进行包括主电路拓扑、储能、滤波器、暂降检测及补偿等的系统设计及仿真研究对DVR高压大容量方面的应用具有重要意义。
1.工程背景
某半导体生产基地由两回35kV电缆供电，电缆采用单芯1*240平方毫米，长度约一公里。总变电室两台主变，均为8000kVA，有载调压，二次电压为6kV，单母分段。正常负荷时为单台变压器运行，夏季高峰负荷时，两台变压器运行。冬季负荷6000～6500kW，夏季负荷7000～7500kW。
对于对电能质量敏感的设备来说，供电电压有效值下降10％，持续时间超过35ms，就等同于一次停电，足够导致其停机，影响生产，造成严重的经济损失。在2002年全年的31次电压突降故障中，电压瞬间降低超过10％的共 19 次，占 55.9 ％，其中有13次对生产造成影响，占19次故障的68.4%，发生的最大电压降幅为70％。在电压降幅超过10％的19次中，电压降幅在10％～60％之间的共17次，占89.5%，在61～70％之间的共2次，占10.5%。目前，每次故障造成的损失平均约200～300万元人民币。
根据2002年发生电压暂降故障的统计分析结果，确定采用DVR技术，将电压降幅在60％以下的电压暂降故障发生时的母线电压补偿到额定电压的90％以上。则DVR的补偿电压为：Vi=0.9-0.4=0.5 pu。按夏季最大负荷（7500kW）时，两台变压器运行考虑，每台变压器带3750kW，功率因数0.92，视在功率4076kVA。额定电流为4.076（以1MVA为基准），则DVR将电压恢复到90％时所需储存的能量为：0.125×4.076×0.92＝0.469 MJ。DVR的额定容量为：0.5×4.076＝2.038 MVA，取2MVA。即，针对该企业的系统和负荷状况，设计安装的DVR容量为2MVA/台×2台，分别安装于系统的6kV侧。
2.主电路拓扑
目前动态电压调节器的主电路结构有所不同，不同的主电路结构会有不同的补偿效果和性价比。可用在高压大容量领域的实用拓扑结构为：三电平结构和多电平结构。在相同基波输出下，三电平结构与传统二电平结构相比，具有开关频率低、元件应力小、开关损耗低、输出谐波小的优点。缺点是在实际应用上，单个开关器件仍然要承受较大电压应力，器件参数选择余地较小。在线处理电容电压不平衡、窄脉冲消除等问题使得控制变得很复杂。同时，系统的冗余设计、容量扩展困难。而多电平结构，具有电平越多，输出电压谐波含量越小、开关损耗小、效率高的优点，它作为一种新型的高压大功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了二电平电路的诸多缺点：无需动态均压电路，开关频率低，因而开关器件应力小，系统效率高等。
二极管箝位型和级联型多电平拓扑的应用较为广泛，其中二极管型适用于3～5电平的应用场合，当电平数超过5时，该电路的结构和控制变得非常复杂，而级联型电路很容易扩展到2N+1电平(其中N为模块数)，且不会导致电路结构和控制的复杂化。研究表明，基于级联多电平拓扑的DVR在系统可靠性、器件选型、控制复杂程度、总体效率等方面比其他拓扑具有更全面的优势。因此，本文提出综合性能最优的DVR主回路拓扑，如图1所示。
图中，每个级联H桥逆变单元都有其相互独立的、幅值相等的直流电压源（直流电容）， 在一个工作周期内，由N个H桥级联构成的逆变器输出2N＋1电平的电压波形。由于采用级联结构，具有独具特色的提取能量模式，不需要单独设置充电回路和串联注入变压器，有利于节省成本、减少占地面积以及提高系统可靠性，同时，模块的级联使得在不提高器件开关频率的条件下，大大提高了装置等效开关频率，简化了滤波器设计，降低了损耗。这些是DVR采用级联主电路结构的突出优点。
由上述工程背景可得，系统线电压（RMS）：UL＝6000V，最大运行方式下容量： 。功率因数0.92，有功容量3750kW。
则，线电流：
考虑到DVR注入的最大每相电压为 。则有，
采用1200V/800A的单体IPM模块作为DVR的级联单元的开关器件。取逆变单元的直流母线电压为500V。由4个IPM模块构成的逆变单元最大输出正弦交流电压约为350V（RMS），5个级联单元串联输出交流电压可达到 。考虑一个逆变单元作为N+1冗余，则采用的DVR装置每相由6个级联逆变单元构成。
3.控制算法
DVR控制算法由3部分组成，分别为电压暂降检测、指令电压生成、底层PWM控制。电压暂降检测采用d-q变换，检测系统电压矢量的变化量，与给定值比较，超出误差范围，发出Sag信号。
注入电压指令生成框图见图2所示。
采用载波移相（Carrier Phase-Shifted）SPWM方式[2]作为底层调制方式，使得级联单元叠加输出的SPWM波的等效开关频率提高到原来每个单元的6倍6，因此在不提高开关频率条件下，大大减小了输出波形的低次谐波。
4.储能计算
由式（2）可知，DVR最大注入电压运行条件下，每个级联单元注入的电压为，
此时，要求的直流母线电压约为408V。因此，不考虑电容电压控制条件下，当直流母线电压在408～500V之间变化时，通过控制PWM调制比可以保证每个级联单元输出289V（RMS）补偿电压，即，直流母线的储能电容可以提供的能量为
考虑到DVR最大储能为0.469MJ，则有
将（4）式代入（5）式整理得
考虑到一个级联模块故障时，只有5个单元运行，因此式（5）中每相的乘数取5。
5.滤波器设计
虽然级联多电平结构逆变器等效开关频率很高，输出电压含有的较低次的高次谐波很小，然而在等效开关频率附近仍然分布着大量高次谐波，如不滤除，将增大DVR输出电压波形的总谐波畸变率（THD）。
图1中DVR输出侧配置的无源滤波器可以起到很好的滤除高次谐波的效果，其固有谐振频率必须远大于工频频率，同时远小于需要滤除的高次谐波频率。不过考虑到系统正常工作时，电源侧电压不能损失过大，滤波电抗要尽量减小，而过大的滤波电容会显著增大逆变器的额定容量。设计中要对照滤波效果仔细分析，折衷取值。DVR输出电路两侧放置滤波电抗的目的是限制级联单元中间发生短路故障时可能产生的过电流及电流上升率。
每个器件导通压降以2V估算，则6模块串联运行，待机状态的总压降为24V。考虑将总电压损失限制在5％相电压范围内，则滤波电感上压降为，
以最大运行方式下的线电流（392A）考虑滤波电感压降，计算得到电感值约为281mH，对应的滤波电容值为5mF。
6.逆变器损耗计算
在DVR的系统设计中需考虑逆变器散热的设计，因此，必须准确估算其损耗，为散热装置的设计提供依据。对于这种级联多电平结构，先分析一个模块中各器件的损耗，进而得到整个装置的损耗。表2所示为不同结温下的损耗计算结果。