無直流儲能直接AC/AC動態電壓恢復器及其預測控制

金楠，　康冬祎，　崔光照

(鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 450002)

?

無直流儲能直接AC/AC動態電壓恢復器及其預測控制

金楠，康冬祎，崔光照

(鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 450002)

摘要:基于電壓源型逆變器的傳統動態電壓恢復器，需使用大容量電解電容進行直流儲能，體積重量大，成本高。為此，提出一種基于直接AC/AC變換的動態電壓恢復器，該方案不需使用直流儲能元件，易于維護，換流過程簡單，動態響應速度快，能夠有效補償電網電壓波動。針對所提出的動態電壓恢復器，設計與之相適應的工作模式、非互補控制換流過程，并使用離散全維狀態觀測器設計預測控制策略。與現有的瞬時電壓控制策略相比，由于控制信號已在前一周期經狀態預測并執行控制算法后得到，當前周期可直接更新控制信號，省去了算法執行時間，提高電壓恢復能力。設計實驗樣機，實驗結果驗證了所提方案的有效性。

關鍵詞:無直流儲能；直接AC/AC變換；動態電壓恢復器；預測控制；換流策略

0引言

電壓跌落與電壓突升是電能質量的常見問題，會影響用電設備的正常工作，尤其是精密儀器、計算機系統等敏感負荷的安全穩定運行。動態電壓恢復器能夠在電網電壓發生波動的情況下，保持負荷電壓穩定，對敏感負荷的正常運行至關重要。

電壓跌落及突升是指電壓幅值在半個周期至幾秒時間內偏離額定值，電壓跌落為額定值的10%-90%，電壓突升為額定值110%以上。一方面，大功率電機啟動、電網短路故障等原因會引起電網電壓跌落。電壓跌落超過兩個周期可能影響到生產制造系統中敏感電子設備的正常工作，特別是在半導體制造、精密加工等領域。另一方面，電網投切大容量補償電容器或斷開大功率負載等情況下會產生電壓突升。電壓突升可能造成通信系統重要數據損失、設備誤操作等問題；因此，電壓跌落與突升會帶來嚴重的經濟損失和資源浪費。為了保障敏感負載的安全穩定運行，提高電能質量，對動態電壓恢復器進行了大量研究。

針對電壓源逆變結構的傳統動態電壓恢復器，在電壓波動信號檢測、補償控制策略等領域開展大量研究[1-5]；但這種方案中，其直流儲能環節需使用大容量電解電容，體積重量大、成本高。且電解電容壽命較短，儲能環節成為定期維護的主要對象，工作量大。級聯多電平電壓源逆變器產生動態補償電壓的方法，使用器件較多，控制復雜，在中小功率領域應用成本較高[6-8]。無直流儲能直接AC/AC變換器由于具有拓撲簡單、不需使用大容量儲能元件、體積小、高功率因數等特點被應用于自動電壓調節器、軟啟動器和電機速度調節器等領域[9-11]。與電壓源型逆變器相比，此類變換器體積小、重量輕、易于集成[12-14]。如果將現有的斬控型直接AC/AC變換器應用于動態電壓恢復領域，存在換流過程繁瑣[12]、開關過程電壓應力較高[13]、僅能使用分離器件不利于集成[14]等問題。使用虛擬整流逆變的直接AC/AC變換方案[15]，單相電路需使用8支開關管，成本高，換流控制復雜。

針對配電網中敏感負荷的電壓穩定問題，提出一種新穎的無直流儲能動態電壓恢復器，該變換器由AC/AC變換器、固態繼電器、隔離變壓器組成。其中，AC/AC變換器產生可調幅的補償電壓，由固態繼電器改變補償電壓極性，通過疊加不同極性的補償電壓實現動態電壓恢復功能。設計該變換器的非互補控制換流策略，換流過程簡單，可靠性高。為了改善動態性能，使用離散系統全維狀態觀測器設計動態電壓恢復預測控制策略。在前一周期經狀態觀測后執行控制算法，超前一拍得到當前周期的控制信號，不占用當前周期控制信號的更新時間，增大動態電壓補償范圍，具有響應速度快、諧波小的優點。設計功能樣機，針對不同工況調節補償電壓，實驗結果驗證了所提方案的有效性。

1無直流儲能直接AC/AC動態電壓恢復器

交流電壓動態恢復有多種實施方案，采用電壓型逆變器的傳統方案需要使用大容量電解電容作為儲能裝置。電解電容由于壽命較短成為電壓恢復器運行中的主要維護對象，需定期檢測、換新，成本較高，維護工作量大。無直流儲能直接AC/AC變換器通過對雙向開關應用PWM技術實現輸出電壓調節功能，不需要使用大容量電解電容等儲能裝置，成本較低，調節速度快。傳統單管反串聯雙向電力電子開關直接AC/AC變換器如圖1(a)，針對其存在換流復雜、需要設計相互隔離的驅動電路等問題，設計一種改進的無直流儲能直接AC/AC變換器，如圖1(b)。該變換器開關器件的驅動電路不需另外進行電氣隔離設計，使設計大為簡化，換流過程簡單，系統成本降低。

圖1　直接AC/AC變換器Fig.1　Direct AC/AC power converter

基于圖1(b)無直流儲能直接AC/AC變換器，提出一種新穎的動態電壓恢復器，使用變換器產生幅度可調的補償電壓，通過固態繼電器開關組、隔離變壓器連接負載，如圖2。當電網電壓發生波動時，變換器通過改變PWM控制信號占空比產生補償電壓；固態繼電器SW1-SW4由雙向晶閘管組成，通過切換其工作狀態，改變補償電壓極性；變壓器實現功率變換器與負載的隔離。

輸入電壓正常時，功率變換器輸出補償電壓為零；輸入電壓突升或突降時，通過改變變換器和固態繼電器SW1-SW4的工作狀態使變壓器副邊輸出相應極性的補償電壓，保持負載電壓的穩定。

圖2　無直流儲能動態電壓恢復器Fig.2　DC energy storageless dynamic voltage restorer

2工作模式與換流策略

變換器的主要工作模式有三種，分別是有源模式、續流模式和死區模式。設計與圖2中動態電壓恢復器相適應的非互補換流控制策略。PWM控制信號如圖3，其中Sg1-Sg4分別為S1-S4的門極驅動信號。由于死區模式時間極短且換流過程與其它兩種模式相同，以下僅討論有源模式和續流模式的工作過程。

圖3　無直流儲能動態電壓恢復器的PWM控制信號Fig.3　PWM control signals of DC energy　　　storageless dynamic voltage restorer

開關管S1、S2周期的開通與關斷，用于控制電感L存儲能量，S3、S4為電感電流提供續流回路。圖4描述了輸入電壓正極性時系統的工作過程。

當輸入電壓ui正(負)極性時，互補PWM信號控制S1、S3(S2、S4)，開關S2、S4(S1、S3)處于始終導通狀態。當S1導通、S3關斷時，交流斬波變換器工作在有源模式，電感電流通過交流電源、開關管S1、開關管S2體二極管構成回路，電感存儲能量，如圖4(a)。當S1關斷時，交流斬波變換器工作在續流模式，電感電流通過負載、開關管S4、開關管S3體二極管構成回路，電感釋放能量，如圖4(b)。

圖4　無直流儲能動態電壓恢復器換流過程Fig.4　Commutation process of the DC energy　　　storageless dynamic voltage restorer

當輸入電壓突降時，SW1、SW3導通，SW2、SW4關斷，補償電壓與輸入電壓極性相同，負載電壓等于補償電壓與輸入電壓之和。當輸入電壓突升時，SW1、SW3關斷，SW2、SW4導通，補償電壓與輸入電壓極性相反，負載電壓等于補償電壓與輸入電壓之差。不同工作狀態下的開關操作如表1所示。

表1　不同工作狀態下的開關操作

3動態電壓恢復器預測控制策略

為快速抑制輸入電壓波動對負載的影響，需設計有效的控制策略以保持負載電壓穩定。電壓峰值反饋控制方法通過峰值電壓檢測電路采樣輸入電壓峰值。與電壓瞬時值相比，電壓峰值的變化緩慢，電壓有效值控制方法也存在同樣問題。

為了解決這個問題，提出動態電壓恢復預測控制策略。現有的瞬時電壓控制策略如圖5(a)。在新的開關周期計算占空比，通過該占空比改變PWM脈沖寬度，如果控制算法執行時間為MTs(0

圖5　不同任務時序圖Fig.5　Timing of different tasks

根據動態電壓恢復預測控制策略原理，設計系統控制結構，如圖6。

圖6　動態電壓恢復預測控制系統結構圖Fig.6　Structure diagram of the dynamic voltage　　　 predictive control system

圖2所示電路的模型是一個二階系統，狀態量可表示為

(1)

式中：uc為變換器輸出電壓；iL為流過輸出濾波電感L的電流。

控制系統的輸入為

(2)

式中：ucp為斬波器電壓；io為變換器的輸出電流。

狀態方程為：

(3)

式中，L為輸出濾波電感；Co為輸出濾波電容。

(4)

通過改變占空比D(k+1)，調節負載電壓uL(k+1)至額定電壓un(k+1)。為預測系統狀態，設計離散系統全維狀態觀測器為

(5)

(6)

令電源電壓額定值為

un=unpsin(2πft)。

(7)

式中unp為額定電壓峰值。

當ui=un時，補償電壓為零；當電源電壓突升時，

uL=ui-ucsec。

(8)

當電源電壓突降時，

uL=ui+ucsec。

(9)

(10)

式中：kp為比例增益；ki為積分增益；占空比Df范圍是0到1。控制器積分環節使負載電壓穩態誤差為零。

當電源電壓正常時，固態繼電器SW1、SW4關斷，SW2、SW3導通，變換器輸出電壓uc為零，負載電壓uL等于電源電壓ui，電源直接為負載供電。當電源電壓異常時，使用微控制器執行動態電壓恢復預測控制策略和SSR投切方案，實現電壓突升、突降補償。

4仿真分析與驗證

為驗證所提方案的有效性，對輸入電壓突升、突降兩種條件下的動態電壓恢復能力分別進行仿真。

電網電壓過壓和突升故障下，負載電壓波形如圖7(a)。0s至0.084s，輸入電壓為1.15un，電網發生過電壓故障，動態電壓恢復器調節負載電壓至額定電壓。0.084s時，電網電壓從1.15un突升至1.3un，動態電壓恢復器在0.003s內調節負載電壓至額定電壓。

電網電壓欠壓和突降情況下，負載電壓波形如圖7(b)。0s至0.084s，輸入電壓為0.85un，電網發生欠電壓故障，動態電壓恢復器能夠調節負載電壓至額定電壓。0.084s時刻，輸入電壓從0.85un突降至0.7un，當輸出電壓突降30%情況下，動態電壓恢復器僅用0.004s將負載電壓uL恢復至額定電壓un。

仿真結果表明，在電網電壓突升、突降、過壓、欠壓情況下，動態電壓恢復器響應速度快，可在極短的時間內恢復負載電壓為額定值。仿真結果驗證了所提無直流儲能動態電壓恢復器及其預測控制的有效性。

圖7　電網電壓波動時負載電壓波形Fig.7　Load waveformswhen source voltage　　　fluctuations occur

5實驗結果

針對設計的動態電壓恢復器，設計實驗樣機進行驗證。樣機結構如圖8，系統參數見表2。

圖8　無直流儲能動態電壓恢復器實驗平臺結構Fig.8　Structure of DC energy storageless dynamic　　　voltage restorer experimental platform

實驗中電網電壓波動范圍為0.7uin至1.3uin，樣機輸出功率為500W。根據圖4中設計的非互補換流控制策略，開關管的門極控制信號實驗波形如圖9(a)，其中Sg1、Sg2、Sg3、Sg4分別為S1、S2、S3、S4的門極控制信號。當占空比D=0.5時，阻性負載40歐，變換器輸出電壓uc如圖9(b)，實驗結果表明輸出電壓為正弦波形。電源電壓經過AC/AC變換后，輸出正弦包絡的斬波電壓ucp如圖9(c)和圖9(d)。輸入電壓被斬波為微秒級電壓片段，濾波后輸出正弦電壓uc。實驗表明，所提出的非互補換流控制策略使開關器件電壓尖峰較小，換流安全可靠。

表2　樣機實驗系統參數

圖9　D=0.5時，控制信號與斬波電壓波形Fig.9　When D=0.5,waveforms of control　　　signalsand chopper voltage

電力電子技術應用于電力系統進行各種電能變換，同時也帶來了諧波污染等電能質量問題。所提出方案在實現動態電壓恢復功能時，也不可避免會產生一定量的諧波。相對于其它電能轉換方式，高頻直接AC/AC變換技術的突出特點是產生諧波分布在較高頻段，低次諧波含量較少。圖2中輸入電壓ui經過高頻斬波電能轉換后，成為微秒級電壓片段拼接而成的ucp。其包含的諧波成分主要集中在開關頻率的整數倍附近，實驗中設計開關頻率fs又遠高于電源頻率f。如圖9(c)所示，ucp中包含的大量高次諧波是易于被濾除的。實驗結果與理論分析一致，經過輸出濾波環節后，高頻諧波成分被濾除，輸出補償電壓uc總諧波畸變較低，輸出電壓總諧波畸變值為1.26%，如圖10。

圖10　輸出電壓諧波頻譜分析Fig.10　Harmonic spectrum analysis of the output voltage

盡管所提出方案產生的諧波污染十分有限，然而目前該方案僅能實現電壓幅值波動的快速補償，還未能實現輸入電壓發生畸變情況下的變頻補償功能。

圖11　電網電壓波動時，負載電壓波形圖Fig.11　Waveforms of load voltage when voltage　　　swells or sags occur

當電網電壓從1.15un突升至1.3un時，電網電壓ui與負載電壓uL實驗波形如圖11(a)。當電網電壓從0.85un突降至0.7un時，實驗結果如圖11(b)。實驗結果驗證了所提動態電壓恢復器及其預測控制的有效性。該控制方案能夠有效抑制輸入電壓波動，5 ms內可控制負載電壓穩定至額定電壓，使負載電壓不受電網電壓波動影響，且電壓恢復過程沒有電壓尖峰。

6結論

電網電壓波動影響敏感負載的可靠穩定運行，為保證電能質量，提出一種無直流儲能動態電壓恢復器及其預測控制策略。首先，該設計通過無直流儲能直接AC/AC功率變換器、固態繼電器和隔離變壓器，實現電壓雙向補償。不需使用大容量電容、電感等直流儲能元件，體積小，成本低，易于維護。其次，通過設計離散系統全維狀態觀測器，當前周期的占空比可經前一周期預測并執行控制算法后得到，不占用當前周期的時間，增大電壓變換范圍。

設計功能樣機，實驗結果表明：在電網電壓突升、突降、過壓、欠壓情況下，所提無直流儲能動態電壓恢復器能有效控制負載電壓穩定，使其不受電網電壓波動的影響，提高電能質量，且響應速度快、諧波小，具有廣闊的應用前景和實用價值。

參 考 文 獻:

[1]JIMICHI T,FUJITA H,AKAGI H. A dynamic voltage restorer equipped with a high-frequency isolated DC-DC converter[C].Proceedings of the Energy Conversion Congress and Exposition,2009.ECCE 2009.IEEE,San Jose,CA,2009.

[2]孫哲,郭春林,肖湘寧. 基于負荷電壓DVR補償策略分析方法及最小能量控制[J].中國電機工程學報,2010,30(31): 43-49.

SUN Zhe,GUO Chunlin,XIAO Xiangning. Analysis method of DVR compensation strategy based on load voltage and minimum energy control[J]. Proceedings of the CSEE,2010,30(31): 43-49.

[3]王建偉,胡曉光,陳松松. 動態電壓恢復器的諧波補償數字控制技術[J].電工技術學報,2014,29(10): 239-245.

WANG Jianwei,HU Xiaoguang,CHEN Songsong. Harmonic compensation digital control technology of dynamic voltage restorer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(10): 239-245.

[4]張強,周暉,齊智平. 適用于動態電壓恢復器電壓檢測的濾波算法[J]. 電工技術學報,2014,24(8): 135-140.

ZHANG Qiang,ZHOU Hui,QI Zhiping. Filtering method for dynamic voltage regulator[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(10): 239-245.

[5]李哲,吳正國,夏立,等.任意負載條件下動態電壓恢復器的復合諧振控制策略[J].中國電機工程學報,2013,33(25): 130-138.

LI Zhe,WU Zhengguo,XIA Li,et al. Compound resonant control for dynamic voltage restorers under arbitrary load conditions[J]. Proceedings of the CSEE,2013,33(25): 130-138.

[6]BABAEI E,KANGARLU M F,SABAHI M. Dynamic voltage restorer based on multilevel inverter with adjustable DC-link voltage[J]. IET Transactions on Power Electronics,2014,7(3): 576-590.

[7]王寶安,孟慶剛,商姣. 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.

WANG Baoan,MENG Qinggang,SHANG Jiao. Simulation and experiment of new-type dynamic voltage restorer[J]. Electric Power Automation Equipment,2013,33(9): 25-30.

[8]BARROS J D,SILVA J F. Multilevel optimal predictive dynamic voltage restorer[J]. IEEE Transactions On Industrial Electronics,2010,57(8): 2747-2760.

[9]KANGARLU M F,BABAEI E. Operation of AC chopper as downstream fault current limiter and overvoltage compensator[C]. Power Electronics,Drive Systems and Technologies Conference,Tehran,Iran,2011.

[10]金楠,唐厚君,葉芃生,等.交流Buck型動態電壓調節器的建模與控制[J]. 電機與控制學報,2010,14(8): 102-106.

JIN Nan,TANG Houjun,YE Pengsheng,et al. Modeling and control of AC buck dynamic voltage regulator[J]. Electric Machines and Control,2010,14(8): 102-106.

[11]CHEN Yukai,LU Yucheng. Design and implementation of simple AC chopper with one PWM driving signal[C].Electric Information and Control Engineering,Wuhan,China,2011.

[12]LIU Hao,WANG Jihong.Analysis and control of a single phase AC chopper in series connection with an auto transformer[C]. International Conference on Automation and Computing,Loughborough,England,2012.

[13]JOTHIBASU S,MISHRA M K.A control scheme for storageless DVR based on characterization of voltage sags[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(5):2261-2269.

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

JIN Nan,TANG Houjun,YANG Cunxiang. Topology and control strategy of a new dynamic voltage restorer[J]. Electric Power Automation Equipment,2011,31(7):62-66.

[15]王潔,湯雨,武偉,等.快速相應的交交型動態電壓恢復器[J].電工技術學報，2014，29(8)：242-247.

WANG Jie,TANG Yu,WU Wei,et al. Research on AC-AC dynamic voltage restorer with rapid dynamic response[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(8): 242-247.

(編輯：張楠)

Research on DC energy-storageless direct AC/AC dynamic voltage restorer and its predictive control

JIN Nan,KANG Dong-yi,CUI Guang-zhao

(College of Electric and Information Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China)

Abstract:Traditional dynamic voltage restorer based on voltage source inverter needs energy storage devices,such as electrolytic capacitor,which are heavy and high cost. A new type of dynamic voltage restorer based on improved DC energy storageless direct AC/AC power conversion was proposed. This new type of restorer does not use energy storage devices and has simple commutation process,fast dynamic response and low cost,which can compensate the grid voltage fluctuations effectively. Non-complementary control commutation strategy,work modes and predictive control method were designed. By using a discrete state observer,the control signals were obtained by predicting the system state and performing its algorithm in previous cycle,which was updated in current cycle directly. Compared with the existing instantaneous voltage control,the proposed predictive control strategy saves the algorithm execution time and improves the voltage recovery ability. An experimental prototype was designed. Experiment results show that the load voltage can be kept stable under line voltage swells or sags circumstances,which verifies the validity of the proposed plan.

Keywords:DC energy storageless; direct AC/AC converter; dynamic voltage restorer; predictive control; commutation strategy

收稿日期:2015-07-01

基金項目：河南省科技攻關項目(142102210517)；鄭州輕工業學院博士科研基金(2013BSJJ025)

作者簡介：金楠(1982—)，男，博士，副教授，研究方向為交流斬波功率變換器、分布式發電系統； 康冬祎(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為直接AC/AC功率變換器、分布式發電系統； 崔光照(1957—)，男，博士，教授，研究方向為智能微電網、分布式發電系統。

通信作者:金楠

DOI:10.15938/j.emc.2016.07.012

中圖分類號:TM 761

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2016)07-0088-07