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(dòng)都是由電壓降低引起的，常用的低壓補償技術(shù)無(wú)論是變電站的集中補償、用戶(hù)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(jià)都比較高。

本文介紹配電系統中針對重要用戶(hù)的一種新型電壓補償器，即在用戶(hù)自耦變壓器中加裝PWM AC—AC變換器，通過(guò)換流技術(shù)來(lái)驅動(dòng)AC—AC變換器。當擾動(dòng)發(fā)生使得電壓降低時(shí)，本裝置能提升電壓，保持負荷端電壓為額定值。在設計中沒(méi)有使用諸如成組電容器／電感等這些儲能元件，造價(jià)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(guò)迭加電壓Vc來(lái)實(shí)現的，而Vc由PWM AC—AC變換器模塊提供。當系統正常運行時(shí)，PWM AC—AC變換器的電子開(kāi)關(guān)作為旁路開(kāi)關(guān)，給電壓提供一個(gè)通路，將電壓Vs直接加到負荷上。此時(shí)，電壓Vc為O。當電源電壓Vs出現擾動(dòng)時(shí)，PWM斬波電路以高頻閉合，產(chǎn)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(shí)，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(shí)，Vs改變?yōu)橄轮担?


其中：n為電壓幅值降低的標幺值。圖2所示為Vload，Vs，Vc三個(gè)電壓之間的相量關(guān)系。同時(shí)，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(xiě)為：


由式(4)知，當保持Vload=Vref時(shí)，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(dòng)的幅值相對值決定：


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

3 電路實(shí)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(diǎn)，從模塊化及數字化的角度出發(fā)，選取數字化控制芯片TMS320LF2407，設計基于DSP的PWM實(shí)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(gè)IGBT(S1a，S1b，S2a，S2b)組成，通過(guò)操作開(kāi)關(guān)S1a，S1b，S2a，S2b的開(kāi)／關(guān)方式，可使變換器在正確操作時(shí)輸出電壓Vc與Vs同相。當電網(wǎng)電壓正常時(shí)，開(kāi)關(guān)S1a，S1b保持閉合，S2a，S2b保持開(kāi)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(chēng)為旁路方式，此時(shí)電源功率直接傳輸給用戶(hù)，自耦變壓器處于開(kāi)路狀態(tài)(即只吸收勵磁電流)。而當電網(wǎng)電壓降低時(shí)，變換器的開(kāi)關(guān)S1(S1a，S1b)和S2(S2a，S2b)按(5)式所示的負載周期D動(dòng)作，此時(shí)的負荷電壓VL就等于Vc+Vs。

　　
IGBT元件是通過(guò)合適的門(mén)信號方式驅動(dòng)，這種控制技術(shù)可有效地降低開(kāi)關(guān)時(shí)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(wú)論有無(wú)中性點(diǎn))，如圖5所示。通過(guò)各個(gè)PWM變換器模塊，各相可獨立控制。

4 結 語(yǔ)

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(shí)，變換器將電壓Vc迭加(補償)上去，同時(shí)通過(guò)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(tài)過(guò)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(lái)驗證三相系統的情況。當一個(gè)配電網(wǎng)絡(luò )電源單相電壓或者三相電壓均發(fā)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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