二極管箝位多電平動態電壓恢復器的控制與調制

胡鵬飛　黃國良　沈桔　錢昊　陳吉

摘要：為解決級聯多電平動態電壓恢復器（DVR）用于提高配網電壓質量時需要多個整流單元的問題，提出了一種基于二極管箝位五電平逆變器的三相DVR方案。相較于普通級聯型DVR，該三相DVR在輸出電平數增加時只需一個整流單元，就可以達到減少整流單元開關器件的目的。同時，采用比例諧振控制（PR）算法，保證了逆變器輸出電壓的實時跟蹤與諧波補償。最后，在PSIM中搭建了仿真平臺進行驗證，仿真結果表明，所提策略用于三相三線10 kV配網系統的電壓質量治理是可行的。

關鍵詞：DVR;二極管箝位五電平逆變器;瞬時無功功率理論;PR算法

0 引言

隨著科技的發展和工業的進步，用戶對電能質量提出了比以往更苛刻的要求。動態電壓恢復器（DVR）作為一種串聯型電能質量補償裝置，因其良好的動態性能和補償特點，被廣泛應用于解決電壓暫降、電壓驟升、電壓諧波及三相不平衡等電能質量問題，是目前保障電壓質量的有效手段之一。

文獻[1]介紹了一種級聯多電平動態電壓恢復器，其整流單元采用二極管不可控整流方式，不能保證直流側電壓的實時跟蹤。文獻[2]介紹了一種十一電平級聯動態電壓恢復器，采用單臺多繞組變壓器加二極管不可控整流方式充電，但其同樣無法保證直流側電壓的實時穩定。文獻[3]提出了一種用于10 kV配網的動態電壓恢復器結構，每個H橋子模塊都必須配一個可控整流單元，經濟效益較低。

針對補償現象為電壓暫降、電壓驟升或電壓長時間跌落，二極管整流級聯多電平DVR的直流側電壓不可控和PWM整流級聯多電平DVR需多個整流模塊、成本高的缺點，本文提出一種基于二極管箝位五電平逆變器的三相DVR方案，即整流側采用雙閉環加前饋的控制策略，逆變側采用基于瞬時無功理論的電壓檢測算法和同相電壓補償策略，保證補償電壓的準確。在PSIM仿真軟件中搭建了二極管箝位五電平DVR模型，仿真驗證了該方案的可行性。

1 電路拓撲

基于二極管箝位五電平逆變器的三相DVR主電路如圖1所示。該主電路主要由電網、負載、三相全橋整流單元、儲能單元和二極管箝位五電平逆變器等組成。其中，ea為電網電壓，udvr為DVR輸出電壓，uL為負載電壓。DVR工作時，控制器先發出整流信號，控制整流器整流，待儲能單元達到一定電壓后，實時檢測電網電壓發出補償指令，控制逆變器輸出補償電壓，補償電壓經濾波后耦合串聯到電網中。考慮到本文提出的拓撲將應用于10 kV配網中，采用變壓器耦合方式隔離高壓，提高系統的可靠性。二極管箝位五電平DVR單相拓撲如圖2所示。

由圖2可見，逆變單元采用二極管箝位五電平結構，每相均由8個絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和6個箝位二極管組成。該二極管箝位逆變器輸出相電壓為五電平，與和兩個H橋級聯的逆變器輸出電平數相同。

2 控制策略

2.1? ? 電壓檢測算法

電壓檢測算法采用基于瞬時無功理論的dq0檢測法[4]，將三相坐標系變換到與發電機旋轉相對靜止的dq0坐標系下。

Ua、Ub、Uc為裝置通過信號采集單元捕捉到的電網三相電壓。由于實際電網電壓不僅含有基波分量，還含有各次諧波，設基波電壓峰值為UM，A相基波初相角為φ1，n次諧波電壓峰值為Un_M，n次諧波的初相角為φn。經計算后，原基波分量變為直流分量，原諧波分量變為周期分量，經dq0變換后的Ud、Uq值需通過低通濾波器濾除諧波分量，得到只含基波分量的Ud0、Uq0。

將理想補償目標電壓峰值Upk_st與當前求得的基波電壓峰值相除，再乘以基波電壓dq值，可快速得到理想補償目標電壓的dq值，與當前求得的基波電壓Ud0、Uq0相減，即可得當前基波電壓的電壓暫降或電壓驟升值Udv、Uqv。再經dq0反變換后，即可求得當前電壓與標準電壓的差值Ua_dv、Ub_dv、Uc_dv。

由于A、B、C三相電壓中含有諧波，諧波分量經dq0變換后仍是周期分量。將Ud、Uq值減去基波電壓Ud0、Uq0，即可得諧波分量的dq值Udn、Uqn。再經dq0反變換后，即可求得當前電壓諧波Ua_dn、Ub_dn、Uc_dn。

檢測算法原理如圖3所示。

2.2? ? 逆變電路的電壓PR無靜差控制

由于逆變電路的輸出為DVR補償的電網電壓和諧波分量，都是正弦信號，而傳統PI控制雖然成熟，但它無法滿足對正弦信號的無靜差跟蹤及快速響應[5]，因此本文采用了PR控制。在諧振頻率處，PR控制的開環增益無窮大，理論上可以實現對指定頻率正弦信號的無靜差控制。比例諧振控制器（PR）是基于內膜原理提出的，它可以直接控制交流量，傳遞函數為：

3 仿真驗證

仿真參數：電網電壓10 kV，頻率50 Hz，系統阻抗Zs=0.5+j0.001 Ω，10 kV電壓經一臺200 kVA、10 kV/380 V變壓器給負載，負載阻抗Zs=3+j0.000 5 Ω。裝置整流側和逆變側均采用LCL濾波，其中大電感0.2 mH，小電感0.05 mH，濾波電容20 μF，直流側電容6.6 mF。在PSIM仿真軟件中搭建了主電路，仿真過程中，0—0.1 s、0.2—0.25 s電網電壓為10 kV;0.1—0.2 s電網電壓發生壓降，壓降幅值為電網電壓單相峰值的8%：653 V;0.25—0.4 s電網電壓驟升653 V;0.1—0.4 s電網電壓一直含有背景諧波，其中5次、7次諧波峰值100 V，11次、13次諧波峰值50 V，電壓畸變率為2%。電網電壓波形如圖5所示。

電壓檢測算法檢測到的波形如圖6所示。由圖6（a）可見，在0.1 s，電壓檢測算法開始檢測到當前電壓與標準電壓的差值。0.1 s之后的第一個周期，電壓檢測算法的誤差較大，檢測到的電壓偏差逐漸增大。第一個周期后，電壓檢測算法檢測到的電壓偏差基本消除，精度較高。由圖6（b）可見，電壓檢測算法檢測到的諧波，在電壓幅值發生波動的一個周期內受到干擾，檢測到的諧波較電壓未發生波動時大;在電壓波動結束后，檢測到的諧波趨于穩定。

在0.1 s之前，二極管箝位五電平DVR工作在整流狀態，三相半橋整流器給直流電容進行充電。0.1—0.2 s，電網電壓跌落，二極管箝位五電平逆變器開始工作，發出與電網電壓同相波形補償電壓跌落。0.25—0.4 s，電網電壓驟升，二極管箝位五電平逆變器發出與電網電壓反相波形抵消電壓驟升。在補償的每個時刻，逆變器都輸出與背景諧波反相的電壓值，消除負載電壓上的背景諧波值，補償后電壓畸變率為0.5%。由于采用多重PR控制策略，DVR動態性能較好，補償后負載電壓ULa穩定速度快。補償后電壓波形如圖7所示。

4 結語

本文搭建的二極管箝位五電平DVR仿真模型，可以有效補償電網中的電壓跌落、電壓驟升和背景諧波電壓，電壓檢測算法和多重電壓PR控制策略是其核心策略。通過仿真可以得出以下結論：（1）將二極管箝位逆變器應用到DVR中，在提高輸出電壓電平數的同時，有效減少了整流單元個數;（2）采用多重PR控制器，可直接對交流信號進行控制，提高了DVR補償效果和動態性能。

[參考文獻]

[1] 王寶安，孟慶剛，商姣，等.一種新型動態電壓恢復器的仿真與實驗[J].電力自動化設備，2013，33（9）：25-30.

[2] 周雪松，何杰，馬幼捷，等.級聯多電平技術在動態電壓恢復器中的研究[J].高電壓技術，2008，34（6）：1189-1194.

[3] 葉傅華，陳國棟，宋晉峰，等.10 kV動態電壓恢復器及其整流控制策略[J].大功率變流技術，2011（4）：44-48.

[4] 趙艷雷.動態電壓恢復器逆變單元的研究與實現[D].北京：中國科學院電工研究所，2006.

[5] 胡存剛.多電平二極管箝位型逆變器PWM控制方法及相關問題的研究[D].合肥：合肥工業大學，2008.

收稿日期：2021-08-16

作者簡介：胡鵬飛（1992—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：電力電子在配電網中的應用、電氣工程與自動化。