基于PWM AC—AC變換的電壓補償器設計

研究表明配電系統中90％以上的擾動都是由電壓降低引起的，常用的低壓補償技術無論是變電站的集中補償、用戶的分散補償，還是桿上補償，基本上都是采用成組電容器／電感等能量存儲設備，造價都比較高。

本文介紹配電系統中針對重要用戶的一種新型電壓補償器，即在用戶自耦變壓器中加裝PWM AC—AC變換器，通過換流技術來驅動AC—AC變換器。當擾動發生使得電壓降低時，本裝置能提升電壓，保持負荷端電壓為額定值。在設計中沒有使用諸如成組電容器／電感等這些儲能元件，造價低且響應速度快。

l 設計方案

圖1所示為本設計方案的單相結構圖。對電壓的補償是通過迭加電壓Vc來實現的，而Vc由PWM AC—AC變換器模塊提供。當系統正常運行時，PWM AC—AC變換器的電子開關作為旁路開關，給電壓提供一個通路，將電壓Vs直接加到負荷上。此時，電壓Vc為O。當電源電壓Vs出現擾動時，PWM斬波電路以高頻閉合，產生適當的電壓Vc迭加到電源電壓上以維持負荷電壓恒定。而當電源側電壓恢復正常時，斬波電路又回到旁路方式。

2 理論分析

根據圖1可得如下負荷電壓表達式：


其中：Vs為電源電壓；Vc為提供的補償電壓。

注意在正常工作狀況下Uc等于O，因而Vload=Vs。

出于控制的目的，將要求的負荷電壓用恒值Vref表示。正常工作狀況下，Vs和Vload均為Vref。

而當電源電壓降低時，Vs改變為下值：


其中：n為電壓幅值降低的標幺值。圖2所示為Vload，Vs，Vc三個電壓之間的相量關系。同時，電壓Vc是電壓VL和斬波電路負載率的函數，即：


其中：Vs為電源電壓歸算到變壓器原邊的值；VL=VsN2／N1；D為變換器的負載率；N2／N1為變壓器繞組的匝數比。則式(1)可改寫為：


由式(4)知，當保持Vload=Vref時，D值可由下式求得：


顯然，D值最大取1。因而，本設計所能提供的最大補償度由如下電壓擾動的幅值相對值決定：


由式(6)可知，當匝數比N2／N1為1時，電壓補償度可達50％，這種方式可在實際中采用，因為當匝數比增加到2時，補償度又增加了16．66％。

3 電路實現

電壓補償控制模塊如圖3所示，根據系統控制對象的特點，從模塊化及數字化的角度出發，選取數字化控制芯片TMS320LF2407，設計基于DSP的PWM實現方式。

　
PWM AC—AC變換器的拓撲結構如圖4所示。變換器輸出電壓Vc由式(3)給出。圖4所示的變換器由4個IGBT(S1a，S1b，S2a，S2b)組成，通過操作開關S1a，S1b，S2a，S2b的開／關方式，可使變換器在正確操作時輸出電壓Vc與Vs同相。當電網電壓正常時，開關S1a，S1b保持閉合，S2a，S2b保持開斷，因而變換器輸出電壓Vc為0，負荷電壓VL等于Vs。這種操作方式稱為旁路方式，此時電源功率直接傳輸給用戶，自耦變壓器處于開路狀態(即只吸收勵磁電流)。而當電網電壓降低時，變換器的開關S1(S1a，S1b)和S2(S2a，S2b)按(5)式所示的負載周期D動作，此時的負荷電壓VL就等于Vc+Vs。

　　
IGBT元件是通過合適的門信號方式驅動，這種控制技術可有效地降低開關時的損耗，省去緩沖電路。圖4所示的電路可使傳統的IGBT模塊在變換器中得到廣泛應用。圖1所示的設計方案(單相)可推廣到三相系統(無論有無中性點)，如圖5所示。通過各個PWM變換器模塊，各相可獨立控制。

4 結 語

在正常工作狀況下，PWM變換器工作在旁路方式，電源功率直接傳輸給負荷，自耦變壓器只吸收勵磁電流。而當電壓降低時，變換器將電壓Vc迭加(補償)上去，同時通過自耦變壓器增加一定的輸出功率。所以在本設計中變壓器的選擇主要取決于暫態過程中功率變化的能力。本裝置能很方便地集成到對重要負荷供電的配電變壓器中。選用圖4所示的變換器，在各種不同的電壓降落下來驗證三相系統的情況。當一個配電網絡電源單相電壓或者三相電壓均發生了30％的降低，在加了補償后可維持負荷電壓保持恒定。

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