無串聯干式變壓器的2MVA級聯多電平動態電壓調節

本文提出并研究了基于級聯多電平結構的無串聯注入干式變壓器的2MVA動態電壓調節器(DVR)的系統設計方案，闡述了各部件的工作原理。根據某企業6kV系統電壓跌落問題的解決方案，設計了該裝置的主要電路參數和控制電路功能。EMTDC/PSCAD仿真研究驗證了所提設計方案的正確性和有效性。

關鍵詞：動態電壓調節器，級聯多電平逆變器，電壓驟降

0.正式介紹

如今，精密制造設備、計算機和變頻器等電氣負載對電壓驟降非常敏感，16毫秒85至90的電壓驟降可能會導致設備停機。電壓暫降和短時中斷的區別在于，短時中斷發生時，負載一般與供電系統完全斷開，而電壓暫降發生時，負載仍然與供電系統相連。對于一些工業用戶來說，兩者都會造成設備停機，結果是一樣的，但是電壓驟降的概率要比停電的概率高得多。調查顯示，電壓凹陷占所有配電系統事故的70%-80%。在輸電系統事故中，電壓凹陷占96%以上。目前，歐美家對電壓凹陷的重視程度遠遠高于其他電能質量問題。其中一個重要因素是，在電能質量的諸多原因中，80%以上的電能質量問題是由電壓凹陷引起的，不到20%是由諧波、閃變和開關過電壓引起的。在我，隨著社會經濟的發展，電壓凹陷和短時停電問題逐漸引起供電公司、用戶和制造商的關注。特別是在一些高科技園區，大型醫院，軍工單位，重要的政府部門。因此，有效控制電壓暫降等短期電能質量擾動不僅是必要的，而且是迫切的。

電壓凹陷問題是客觀存在的，也是不可避免的。為了減少電壓驟降帶來的損失，用戶必須采用特定的定制電源設備。動態電壓調節器(DVR)是一種靜態串聯補償器。當系統側電壓偏離一定范圍時，DVR會快速動作補償電源電壓的偏差，快速跟蹤恢復負載側電壓波形，滿足特殊用戶對電能質量的高要求。

自20世紀80年代末以來，許多外公司開始了對定制電源技術的專門研究，并相繼推出了SSTS、DVR、DSTATCOM等產品化設備。表1顯示了ABB、西門子、American超導體在DVR研發示范中的情況。

表1DVR開發(截至2002年)

公司

功能特點

ABBPowerSystem

美超導體

西門子

電壓驟降

電壓擺動

X

電壓調節

電壓等級

5~15/25kV

5~15kV

5~35Kv

設備容量

2/100MVA

1.7/10MMA

0.3/20KVA

儲能單元

電容器

超導磁體

電容器

響應時間

1/4周期

1/4周期

操作數量

2

九

八

世界各專家普遍達成共識[1: DVR是提高電壓源電能質量較經濟有效的手段。但目前DVR主電路拓撲基本采用兩級、三級和注入方式使用串聯干式變壓器，在應用中存在一些問題或不足，級聯多級拓撲可以有效解決這些問題。級聯多電平非注入式干式變壓器拓撲的數字電壓表的工程研究和設計尚未見報道。針對中壓系統的電壓凹陷控制目標，對級聯多電平非注入式干式變壓器結構的DVR進行了系統設計和仿真研究，包括主電路拓撲、儲能、濾波、凹陷檢測和補償等。對數字視頻錄像機在高壓大容量領域的應用具有重要意義。 #p#分頁標題#e#

1.工程背景

一個半導體生產基地由兩根35kV電纜供電，單芯1 * 240mm2，長度約1km。主變電站室內有兩臺主變壓器，均為8000kVA，有載調壓，二次電壓6kV，單母線段。一臺干式變壓器在正常負載下運行，兩臺干式變壓器在夏季峰值負載下運行。負荷冬季6000~6500kW，夏季7000~7500kW。

對電能質量敏感的設備，如果供電電壓有效值下降10%，持續時間超過35ms，則相當于停電，足以造成其停機，影響生產，造成嚴重的經濟損失。2002年全年31起電壓驟降故障中，電壓驟降10%以上的有19起，占55.9%，其中影響生產的有13起，占19起故障的68.4%，發生的較大電壓驟降為70%。在電壓下降超過10%的19次中，17次(89.5%)在10%和60%之間，2次(10.5%)在61%和70%之間。目前每次故障造成的平均損失在200-300萬元左右。

根據2002年電壓暫降故障統計分析結果，采用DVR技術，在電壓跌落低于60%的電壓暫降故障發生時，將母線電壓補償到額定電壓的90%以上。那么DVR的補償電壓為VI=0.9-0.4=0.5pu，根據夏季較大負荷(7500kW)考慮兩臺干式變壓器的運行

，每臺干式變壓器帶3750kW，功率因數0.92，視在功率4076kVA。額定電流為4.076（以1MVA為基準），則DVR將電壓恢復到90％時所需儲存的能量為：0.125×4.076×0.92＝0.469MJ。DVR的額定容量為：0.5×4.076＝2.038MVA，取2MVA。即，針對該企業的系統和負荷狀況，設計安裝的DVR容量為2MVA/臺×2臺，分別安裝于系統的6kV側。

2.主電路拓撲

目前動態電壓調節器的主電路結構有所不同，不同的主電路結構會有不同的補償效果和性價比。可用在高壓大容量領域的實用拓撲結構為：三電平結構和多電平結構。在相同基波輸出下，三電平結構與傳統二電平結構相比，具有開關頻率低、元件應力小、開關損耗低、輸出諧波小的優點。缺點是在實際應用上，單個開關器件仍然要承受較大電壓應力，器件參數選擇余地較小。在線處理電容電壓不平衡、窄脈沖消除等問題使得控制變得很復雜。同時，系統的冗余設計、容量擴展困難。而多電平結構，具有電平越多，輸出電壓諧波含量越小、開關損耗小、效率高的優點，它作為一種新型的高壓大功率變換器，從電路拓撲結構入手，在得到高質量的輸出波形的同時，克服了二電平電路的諸多缺點：無需動態均壓電路，開關頻率低，因而開關器件應力小，系統效率高等。

二極管箝位型和級聯型多電平拓撲的應用較為廣泛，其中二極管型適用于3～5電平的應用場合，當電平數超過5時，該電路的結構和控制變得非常復雜，而級聯型電路很容易擴展到2N 1電平(其中N為模塊數)，且不會導致電路結構和控制的復雜化。研究表明，基于級聯多電平拓撲的DVR在系統可靠性、器件選型、控制復雜程度、總體效率等方面比其他拓撲具有更全面的優勢。因此，本文提出綜合性能較優的DVR主回路拓撲，如圖1所示。#p#分頁標題#e#

圖1.級聯多電平動態電壓調節器主回路拓撲（單線圖）

圖中，每個級聯H橋逆變單元都有其相互先立的、幅值相等的直流電壓源（直流電容），在一個工作周期內，由N個H橋級聯構成的逆變器輸出2N＋1電平的電壓波形。由于采用級聯結構，具有先具特色的提取能量模式，不需要單先設置充電回路和串聯注入干式變壓器，有利于節省成本、減少占地面積以及提高系統可靠性，同時，模塊的級聯使得在不提高器件開關頻率的條件下，大大提高了裝置等效開關頻率，簡化了濾波器設計，降低了損耗。這些是DVR采用級聯主電路結構的突出優點。

由上述工程背景可得，系統線電壓（RMS）：UL＝6000V，較大運行方式下容量：。功率因數0.92，有功容量3750kW。

則，線電流：

（1）

考慮到DVR注入的較大每相電壓為。則有，

（2）

采用1200V/800A的單體IPM模塊作為DVR的級聯單元的開關器件。取逆變單元的直流母線電壓為500V。由4個IPM模塊構成的逆變單元較大輸出正弦交流電壓約為350V（RMS），5個級聯單元串聯輸出交流電壓可達到。考慮一個逆變單元作為N 1冗余，則采用的DVR裝置每相由6個級聯逆變單元構成。

3.控制算法

DVR控制算法由3部分組成，分別為電壓暫降檢測、指令電壓生成、底層PWM控制。電壓暫降檢測采用d-q變換，檢測系統電壓矢量的變化量，與給定值比較，超出誤差范圍，發出Sag信號。

注入電壓指令生成框圖見圖2所示。

圖2.注入電壓指令生成框圖

采用載波移相（CarrierPhase-Shifted）SPWM方式[2>作為底層調制方式，使得級聯單元疊加輸出的SPWM波的等效開關頻率提高到原來每個單元的6倍6，因此在不提高開關頻率條件下，大大減小了輸出波形的低次諧波。

4.儲能計算

由式（2）可知，DVR較大注入電壓運行條件下，每個級聯單元注入的電壓為，

（3）

此時，要求的直流母線電壓約為408V。因此，不考慮電容電壓控制條件下，當直流母線電壓在408～500V之間變化時，通過控制PWM調制比可以保證每個級聯單元輸出289V（RMS）補償電壓，即，直流母線的儲能電容可以提供的能量為

（4）

考慮到DVR較大儲能為0.469MJ，則有

（5）

將（4）式代入（5）式整理得

（6）

考慮到一個級聯模塊故障時，只有5個單元運行，因此式（5）中每相的乘數取5。

5.濾波器設計

雖然級聯多電平結構逆變器等效開關頻率很高，輸出電壓含有的較低次的高次諧波很小，然而在等效開關頻率附近仍然分布著大量高次諧波，如不濾除，將增大DVR輸出電壓波形的總諧波畸變率（THD）。

圖1中DVR輸出側配置的無源濾波器可以起到很好的濾除高次諧波的效果，其固有諧振頻率必須遠大于工頻頻率，同時遠小于需要濾除的高次諧波頻率。不過考慮到系統正常工作時，電源側電壓不能損失過大，濾波電抗要盡量減小，而過大的濾波電容會顯著增大逆變器的額定容量。設計中要對照濾波效果仔細分析，折衷取值。DVR輸出電路兩側放置濾波電抗的目的是限制級聯單元中間發生短路故障時可能產生的過電流及電流上升率。#p#分頁標題#e#

每個器件導通壓降以2V估算，則6模塊串聯運行，待機狀態的總壓降為24V。考慮將總電壓損失限制在5％相電壓范圍內，則濾波電感上壓降為，

(7)

以較大運行方式下的線電流（392A）考慮濾波電感壓降，計算得到電感值約為281mH，對應的濾波電容值為5mF。

6.逆變器損耗計算

在DVR的系統設計中需考慮逆變器散熱的設計，因此，必須準確估算其損耗，為散熱裝置的設計提供依據。對于這種級聯多電平結構，先分析一個模塊中各器件的損耗，進而得到整個裝置的損耗。表2所示為不同結溫下的損耗計算結果。

表2.不同結溫下的損耗計算（S＝2MVA）

結溫

(0C)

開關損耗

(W)

IGBT

通態損耗(W)

二極管

通態損耗(W)

單管

總損耗

(W)

單模塊

總損耗

(W)

逆變器

總損耗

(W)

損耗比

P損耗/S

()

250C

典型值

72.29

221.18

101.74

395.22

1581

28460

1.40％

250C

較大值

72.29

279.73

129.49

481.51

1926

34670

1.70％

1250C

典型值

72.29

260.22

92.49

425.00

1700

30600

1.50％

7.仿真研究

7.1系統等值

等值系統如圖3所示。電源系統為無窮大系統，線路側發生單相接地故障，由于干式變壓器為Y/D接線，低壓側發生無零序分量的電壓跌落，電壓波形中只含有正序和負序分量。仿真故障時序：0.077秒時刻，降壓干式變壓器一次側A相發生接地；0.164秒時刻，A相接地故障解除。故障期間，干式變壓器二次側A、B兩相相電壓跌落約50，C相電壓略有升高。

圖3.仿真等值系統

7.2基于載波移相SPWM的底層調制

圖4.基于載波移相SPWM的底層調制波形

上：指令電壓和三角載波波形；中：各單元模塊輸出波形；下：級聯的合成電壓波形

圖4所示為基于EMTDC/PSCAD仿真軟件的6單元級聯多電平DVR在載波移相SPWM調制下的仿真波形。可見，DVR輸出相電壓為13電平階梯波，在沒有增加單元器件開關頻率條件下，大大提高了輸出波形的等效開關頻率，極大地消除了較低次高次諧波的影響。

7.3電壓暫降補償

圖5為DVR補償電壓暫降的仿真結果。系統電壓正常時，DVR裝置處于旁路狀態，不輸出補償電壓。在系統發生電壓暫降后，DVR裝置檢測出暫降，并在較短時間內將負荷端電壓補償至額定值。不過，由于未加濾波器，負荷側電壓的高次諧波含量較高。

圖5.DVR補償電壓暫降的仿真波形（無濾波器）

上：系統三相電壓；中：負荷三相電壓；下：DVR注入三相電壓

7.4諧波抑制

雖然級聯多電平結構逆變器等效開關頻率很高，輸出電壓含有的較低次的高次諧波很小，然而在等效開關頻率附近仍然分布著大量高次諧波，如不濾除，將增大DVR輸出電壓波形的總諧波畸變率（THD），如圖5所示，DVR注入的高次諧波也影響到負荷電壓質量。設置濾波器后的仿真結果及諧波分析見圖6（只取A相數據）。#p#分頁標題#e#

圖6.濾波前后波形及頻譜比較

由圖6可見，設計的濾波器濾除高次諧波效果顯著。

8.結語

（1）電壓暫降問題是客觀存在的不可避免的，用戶為了減少因電壓暫降引起的損失，必須采用DVR等定制電力設備。

（2）級聯多電平拓撲是高壓大容量DVR的合理選擇。

（3）介紹了2MVA級聯多電平無串聯干式變壓器DVR的系統設計及參數計算。

（4）通過基于EMTDC/PSCAD的仿真，驗證了設計方案的正確性及有效性。

參考文獻：

[1>L.E.Conrad,M.H.J.Bollen．Voltagesagcoordinationforreliableplantoperation[J>．IEEETrans.OnIndustrialApplication,1997，Vol.33：pp.1459-1464.

[2>Laijisheng,PengFangzheng．Multilevelconverteranewbreedofpowerconverters[J>．IEEETransonland.Appli,1996,32(3)：509-517

作者簡介：

尹忠東，男，1968年12月生，博士，副教授，從事電力電子、FACTS技術、電能質量方向的研究工作。yzd@ncepubj.edu.cn