動態電壓恢復裝置的拓撲結構

陳國棟， 董祖毅， 蔡 旭， 馬 軍

（1.上海交通大學，上海 200240；2.上海電氣集團股份有限公司 上海電氣輸配電集團，上海 200042）

隨著風力發電和光伏發電的產業發展，新電源的接入或多或少地會對系統的電能質量產生影響，如電壓閃變、諧波以及一些動態電能質量問題（如持續時間為毫秒級的動態電壓升高、脈沖、電壓跌落等）。這些電能質量問題如果控制不當，會對電網產生負面影響。

在電能質量諸多問題中，動態電壓質量問題造成的危害最為普遍。統計表明：大型電力用戶，幅度超過20%的電壓暫降的年發生率在10～20次左右?？梢姡瑴p少或減緩動態電壓質量問題的發生及其造成的危害是提高供電質量的重要內容［1］。

隨著智能功率模塊的進步和發展，基于用戶電力技術思想的動態電壓恢復裝置（Dynamic Voltage Restorer，DVR），在抑制電壓跌落時，由于其動作迅速、可靠性高、損耗小等原因引起了關注。在正常供電狀態下，DVR處于低損耗備用狀態；在供電電壓發生突變時，DVR將迅速做出響應，可在幾個毫秒內產生一個與電網同步的三相交流電壓，以補償該電壓突變，從而把電壓恢復到合理范圍內，保證了負荷母線的電壓穩定。由于處于負荷端的用電用戶多為中低壓負載；因此，針對用戶的特定負載研究合適的DVR拓撲結構十分必要。

1 儲能方式的研究

DVR的結構方式有很多種，在整體的拓撲結構中，直流側的選擇方式不同決定了DVR的補償輸出特性有些差異，按照直流側儲能元件的選擇，大致可以分為4種。

（1）化學電池作為儲能元件。以化學電池如蓄電池、鋰電池等作為DVR的直流側儲能元件，通過DC／DC變換器或直接接入逆變器的直流輸入端，經電壓源變換器以及濾波電路串入電網，實現DVR的能量輸出［2－3］。圖1這種方式的拓撲結構中電池容量的選擇主要根據負載的有功功耗和電壓跌落持續時間來進行匹配，必要的時候需要在控制策略中實施最小能量法來延長DVR的補償輸出時間。

圖1 化學電池儲能型DVR

（2）超導儲能。如圖2所示，超導儲能裝置是伴隨高溫超導技術的突破而產生的新型儲能技術［4－5］。其工作原理是通過勵磁裝置在超導線圈中形成環流，以磁場能的形式將電能儲存起來，需要時再釋放出來。以超導儲能作為DVR的能量輸入并通過DC／DC控制充電電流的大小，實現電壓源逆變器直流側電壓的恒定，以滿足電壓跌落時所需的能量輸出。

圖2 超導儲能型DVR

（3）飛輪儲能。飛輪儲能型DVR是利用電力電子技術，在電網用電低谷期由電力電子變流器驅動電機帶動飛輪高速旋轉［6］，以動能的形式把能量儲存起來，需要飛輪能量饋出時，通過變流器控制電機輸出，通過矩陣式交交變換器實現逆變輸出，實現DVR的補償功能，如圖3所示。

圖3 飛輪儲能型DVR

（4）電網側直接獲取能量。圖4所示的電網側直接獲取能量型DVR，通過整流直接從電網跌落后的殘壓中獲取補償所需的能量，不需要外部的儲能設備，只需要一般的電解電容或薄膜電容作為直流側能量緩沖部件，這種電容不需要儲存能量，體積小，易于控制和管理。

圖4 電網側直接獲取能量型DVR

化學電池儲能需要對其進行充放電控制和電池管理，控制復雜且會增加成本，使用壽命受到了限制；超導儲能需要制冷設備來保證線圈的運行溫度；飛輪儲能成本高、易存儲損耗、占地面積較大，不適合用于能量的長期存儲；電網側直接獲取能量的方式不需要外部的輔助設備，體積小而且控制簡單，對于工程中的實際應用而言，選擇電網側直接獲取能量的拓撲結構既能解決電壓跌落的問題，也不會給用戶帶來高成本的壓力。

2 低壓DVR拓撲結構的研究

在低壓配電網中，電網結構多為三相四線制的接線方式，當電壓質量出現問題時，會存在零序電壓。如果負載為三相四線進線時，需要進行零序電壓的補償，而當負載為類似于變頻器負載時，則保證線電壓穩定即能滿足正常工作要求，此時便可不需要進行零序電壓的補償。根據負載的不同需求DVR的拓撲結構可以分成以下幾種。

圖5 普通型DVR

（1）三相三線負載。① 二極管整流與脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）逆變組合。圖5所示的普通型DVR，在整流側采用二極管整流橋，這種結構具有開關器件數量少、成本低廉、控制簡單等優點。但是，如果電網電壓出現跌落，直流側電壓也會隨之發生變化，此時逆變器的輸出能力會受到直流電壓的限制，DVR的補償輸出能力也就受到限制；同時，由于采用的是二極管整流橋，能量只能單向流動，所以在控制上要嚴格保證不出現能量倒灌而導致直流側電壓泵升。②PWM整流和PWM逆變組合。圖6所示的DVR采用雙PWM背靠背的組合方式，實現了裝置的能量4象限運行，而且由于直流側電壓可控，保證了DVR在電壓跌落時輸出的電壓輸出能力不會受到限制，該結構可以實現電壓的正負序補償，適合于工業負載的應用場合，如變頻器、整流橋等。

（2）三相四線負載。①電容中點引出中線。在圖7拓撲結構中，由于零序分量需要流經電容支路，直流側分壓電容容量必須足夠大，以抑制中點電壓的波動［7－8］。當系統發生不對稱故障時，零序電流流到直流電容的中點，造成中點電壓波動，影響補償效果；另外，由于零序電流的存在，直流電容的充放電會使其壽命大大降低；同時，由于直流側中點的引出，直流側電壓的利用率降低一半。② 三相四橋臂逆變器。圖8所示的三相四橋臂逆變器通過增加兩個功率開關管，通過對第四橋臂兩個開關管的控制［9－10］，減小了直流側所需的電壓，抑制了直流側電壓不平衡及零序電流的問題。這種結構具有控制靈活、無需大的直流電容以及直流電壓利用率高的優點。但由于公共橋臂和其他各橋臂存在耦合，致使控制上的復雜程度有所提高。③三相全橋PWM逆變器。圖9所示的拓撲結構將逆變側分成3個單相逆變全橋［11］，具有三相電壓輸出可獨立控制輸出的特點，滿足各種電壓跌落情況下的正序、負序以及零序補償的要求?？刂葡到y相對簡單、靈活，并且各相的逆變全橋和輸出濾波環節都各自獨立，整個逆變單元結構可以靈活組合，易于實現模塊化。④ 矩陣變換器。圖10所示的3單相矩陣式DVR直接利用交交變換把網側電壓逆變至LC濾波器［12－13］，這種拓撲優點在于無需直流側電容，在成本、重量和體積上優于傳統的電壓型逆變器方案，3個單相的補償方式也使得補償的策略更加靈活。⑤ 高頻隔離逆變器。圖5～圖10的各種拓撲結構中，均采用了工頻隔離變壓器實現輸入和輸出回路的電氣隔離，但工頻變壓器具有體積大、重量重等缺點。圖11拓撲結構采用高頻隔離變壓器實現電氣隔離，體積可大大減小，降低了裝置的體積和重量，更加有利于生產和運輸［14］。同時，由于采用了交交變換器，也省去了直流側電容。這種拓撲方式有一定的新穎性和實際應用價值，具有廣闊的應用前景。

圖6 背靠背式DVR

圖7 電容中點引出三相四線制DVR

圖8 三相四橋臂DVR

圖9 3單相逆變橋DVR

圖10 3單相矩陣式DVR

圖11 高頻隔離式DVR

3 中壓DVR拓撲結構的研究

我國的中壓配電網采用中性點不接地的系統。DVR裝置由于受到開關器件的耐壓能力限制，實際應用中可采用多電平逆變器以提高裝置的電壓輸出能力。多電平逆變器拓撲繁多，根據功率開關器件的電壓箝位方式，大致可分為以下幾種。

（1）二極管箝位型。二極管箝位型7電平逆變器的單臂電路結構如圖12所示［15］。二極管箝位型很好地解決了功率器件直接串聯的動、靜態均壓的問題，但是電平數需求越多，越需要大量的箝位二極管，同時直流母線上的電容存在因充放電不一致而造成電容電壓不平衡的問題，增加了控制系統的復雜性，大大提高了成本，降低了系統的可靠性。

圖12 二極管嵌位7電平拓撲

（2）飛跨電容箝位型。電容箝位型7電平逆變器的單橋臂電路如圖13所示，電容箝位型的電平數容易擴展，控制比較靈活，但是需要大量的箝位電容，而且運行過程中必須嚴格控制箝位電容的電壓平衡，控制難度也比較大。電容在長期使用后會出現容量的衰減，衰減后的參數一致性難以得到保證。

圖13 飛跨電容箝位7電平拓撲

（3）普通型級聯結構。圖14所示的級聯型逆變器的各直流電源完全隔離，具有獨立的供電回路，不存在電容電壓不平衡問題［16－17］。單元結構易于模塊化和擴展且具有電壓冗余特性。級聯型逆變器是多電平逆變器拓撲中輸出同樣數目電平所需器件最少的。應用混聯技術還可使功率開關效能比進一步增大。正是基于級聯型逆變器的以上優點，普通級聯型逆變器的改進型拓撲研究也已經成為熱點。

圖14 級聯型拓撲

（4）混合式級聯結構。原有的級聯式拓撲結構在輸出電壓較低的情況下無法實現多電平輸出，這主要是由于調制比過低導致，圖15中的拓撲將電容嵌位和級聯式結構組合，由電容嵌位拓撲進行直流電壓的控制，再由單相全橋級聯實現逆變輸出［18］。當電網電壓跌落深度變化時，可以調節每組單元的直流側電壓，保證一定的調制深度，仍然可以實現多電平的輸出。

圖15 基于電容箝位混合式拓撲

圖16所示拓撲在直流電壓上進行了分級的輸出控制，在直流電壓側串入了不同的電壓源E、2E和4E，通過選擇不同的開關方式，可將直流側電壓組合成E、2E、3E、4E、5E、6E、7E，通過單相全橋逆變可呈現15級的電平輸出波形［19］。

圖16 混合電平組合式拓撲

圖17所示的拓撲以級聯式結構為基礎，每個級聯單元采用不同的直流側電壓，從而組合成更多的輸出電平數，圖中采用了E、2E、4E、8E，通過單相全橋逆變可組成呈現31級電平輸出波形［20］。

圖17 兩電平單元級聯混合電平拓撲

圖18中級聯單元采用了7電平的基本結構［21］，若每個單元的電壓參數一致，則N個級聯單元可組成7N電平輸出。

圖18 7電平單元級聯拓撲

圖19中以Z源變換器為基本的級聯單元，通過控制S1、S2、S3、S4、S5、S6的組合，同樣實現了直流電壓的可控輸出［22－23］。

可以看出，混合式級聯拓撲結構組合靈活、種類繁多，其基本的思路主要是從如何增加電平數入手，通過不同的開關方式以實現不同的電平組合，達到在不同的電壓跌落深度時均能實現多電平的輸出組合，提高電壓波形的輸出正弦度，降低諧波含量的目的。鑒于DVR裝置在工程實現中的可靠性和低成本考慮，建議在中壓DVR裝置上使用級聯式拓撲結構。

圖19 Z源變換器單元級聯拓撲

4 結 語

通過分析比較國內外關于DVR的所有拓撲結構，按照儲能方式、低壓拓撲和中壓拓撲進行分類，闡述了各種拓撲結構的優勢和不足，為研制DVR裝置的技術人員提供一定的參考。

［1］Moreno－Munoz，Oterino A，Gonzalez D，et al.Study of sag compensation with DVR［EB／OL］.（2006－05－19）［2012－11－12］.http：／／www.lw20.com／2011062013192828.html.

［2］Papic I.300kW battery energy storage system using an IGBT converter［J］.IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，1999，2（2）：1214－1218.

［3］Zhan C，Barnes M，Ramachandarmurthy V K，JenkinsJ N.Dynamic Voltage Restorer with Battery Energy Storage for Voltage［EB／OL］.（2000－09－19）［2012－11－13］.http：／／130.203.133.150／showciting；jsessionid ＝ EF5BF－A6FD207019F494705A763C6BCE1？cid＝3911605.

［4］Shi J.SMES based dynamic voltage restorer for voltage fluctuations compensation［J］.IEEE Transactions on Applied Super Conductivity，2010，20（3）：1360－1364.

［5］Zhao H Y .20KVA Superconductive Magnetic Energy Storage Data Acquisition System and the controller of VSI［EB／OL］.（2006－10－26）［2012－11－13］.http：／／ieeexplore.ieee.org.

［6］Wang B S，Venkataramanan G.Dynamic voltage restorer utilizing a matrix converter and flywheel energy storage［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2009，45（1）：222－231.

［7］Zhang R.High performance power converter systems for nonlinear and unbalanced load／source［EB／OL］.（1998－11－17）［2012－11－13］.http：／／scholar.lib.vt.edu／theses／available／etd－101998－092318／unres－tricted／ETD.pdf.

［8］金楠，唐厚君，楊存祥.新型動態電壓恢復器的拓撲與控制策略［J］.電力自動化設備，2011，31（7）：62－66.

［9］Franquelo L G，Prats M M，Portillo R，et al.Simple and advanced three dimensional space vector modulation algorithm for four－leg multilevel converters topology［EB／OL］. （2004－01－02）［2012－11－13］. http：／／ieeexplor.ieee.org.

［10］Fernandes，Darlan A.A four leg voltage source converter based dynamic voltage restorer［EB／OL］.（2008－06－19）［2012－11－14］.http：／／ieeexplore.ieee.org.

［11］Nielsen H，Blaabjerg F.Control and test of dynamic voltage restorer on the medium voltage grid［EB／OL］.（2003－10－16）［2012－11－15］.http：／／ieeexplore.ieee.org.

［12］Babaei E.Mitigation of voltage disturbances using dynamic voltage restorer based on direct converters［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25（4）：2676－2683.

［13］Garcia－Vite ，Pedro M.A dynamic voltage restorer based on vector－switching matrix converters［EB／OL］.（2010－03－17）［2012－11－15］.http：／／ieeexplore.ieee.org／xpl.

［14］Jimichi T.A dynamic voltage restorer equipped with a high－frequency isolated DC－DC converter［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47（1）：169－175.

［15］Meyer C，Romaus C，DeDoncker R W.Five level neutral－point clamped inverter for a dynamic voltage restorer［EB／OL］.（2011－05－04 ）［2012－11－15］.http：／／www.lw20.com／2011050436054921.html.

［16］劉早晨.級聯多電平動態電壓恢復器補償電壓跌落技術研究［D］.重慶：重慶大學，2010.

［17］何杰，周雪松，陳山中.鏈式動態電壓恢復器的新型控制策略分析與設計［J］.高電壓技術，2011，37（1）：176－183.

［18］Ajami A，Armaghan M.A new concept of multilevel DVR based on Mixed Multi－cell cascaded topology［EB／OL］.（2010－09－12）［2012－11－15］.http：／／ieeexplore.ieee.org.

［19］Barakati S M，Sadigh A K，Mokhtarpour E.Voltage sag and swell compensation with DVR based on asymmetrical cascade multicell converter［EB／OL］.（2011－08－06）［2012－11－15］.http：／／ieeexplore.ieee.org.

［20］Yamada M，Iwata A，Okada J，et al.A new voltage sag compensator with a gradationally controlled voltage inverter［EB／OL］.（2005－10－02）［2012－11－15］.http：／／ieeexplore.ieee.org／xpl.

［21］Babaei E，Haque M T，Hosseini，et al.A novel structure for multilevel converters ［EB／OL］.（2005－09－29）［2012－11－15］.http：／／ieeexplore.ieee.org.

［22］Banaei M R，Dehghanzadeh A R.A novel z－source based multilevel inverter for renewable sources fed DVR［EB／OL］.（2010－09－15）［2012－11－15］.http：／／ieeexplore.ieee.org.

［23］Banaei M R，Dehghanzadeh A R.DVR based cascaded multilevel Z－source inverter［EB／OL］.（2010－11－01）［2012－11－15］.http：／／ieeexplore.ieee.org.