逆变器在动态电压恢复器中的应用

1 概述

电能质量的问题主要体现为电压质量问题。

根据美国电气和电子工程师协会(IEEE)和其他一些国际委员会的推荐，描述电能质量问题的术语主要包括：电压不平衡(Voltage unbalance)、过电压(Overvoltage)、欠电压(Undervoltage)、电压骤降(Sag)、电压骤升(Swell)、供电中断(Interruption)、电压瞬变(Transient)、电压切痕(Notches)、电压波动(Voltage fluctuation)或闪变(Flicker)等[1]。这些问题或多或少地会影响许多设备的正常运行，给用户带来大量的不便。

一般，通过装设补偿装置来抑制或消除电能质量问题是一种非常有效的方法。而动态电压恢复器(dynamic voltage restorer———DVR)是解决电压骤升、骤降等动态电能质量问题的串联型补偿装置[2]。

图1所示为典型的DVR(虚线框内)结构框图，其一般可以分为以下几部分：检测及控制单元;储能单元，包括直流电压变换装置和储能元件;整流器单元，包括整流电路、并联变压器、整流侧滤波器;逆变器单元，包括逆变器、滤波器及串联变压器。DVR相当于串联在系统中动态受控的电压源，其核心单元是基于全控型器件的电压型逆变器。DVR逆变单元作为电压补偿指令的执行环节，在很大程度上影响甚至决定了整个DVR系统的性能和硬件成本。

2 DVR逆变器的电路结构

在DVR 中，每一单元虽然在功能上相对独立，但互有关联，不可分割，所以在设计和控制上需要协调一致。DVR中的检测控制单元对系统的运行工作状况进行实时检测、采集信息并进行处理计算后，向DVR其他部分发出控制指令。在储能单元中，常规的DVR 一般使用像蓄电池、电容器等传统器件来储存补偿所需的能量，如今超级电容器在DVR中的应用越来越广。整流器单元的主要作用是把电网侧交流电压转换成直流以便向储能单元提供能量，常用整流电路一般有二极管整流、SCR可控整流以及PWM整流器等[3]。

DVR逆变器单元的主要作用是根据控制单元给出的控制指令，把直流电压转换成一定幅值、相位的交流电压，然后和故障的电网电压叠加，使得负载侧电压保持稳定不变。根据应用场合的电压等级不同，DVR可以通过串联变压器和电网耦合(电压等级高)，也可以通过滤波电容支路直接和电网耦合。另外，逆变器本身的拓扑和控制策略也是多种多样的。

本文采用单相H桥结构的逆变主电路(如图2所示)。

图2 中，Udc 代表经整流器输出的直流电源;

TA1~TA4为大功率全控型开关管，通常选择IGBT或者IPM模块;Usi 为逆变器的交流输出，通过滤波电路输出经过升压变压器送入电网。

3 DVR 逆变器的控制策略

对于逆变器的控制，现在应用最多的是脉宽调制技术。脉宽调制技术主要有：载波式脉宽调制、磁通脉宽调制(空间矢量脉宽调制)、随机脉宽调制以及特定谐波消除脉宽调制。而对于单相逆变器来说，为抑制开关阵列输出脉冲中的低次谐波，可选用的脉宽调制方法主要是载波式脉宽调制(SPWM)方法和特定谐波消除脉宽调制(Selective Harmonic Elimination PWM-SHEPWM)方法。

载波式脉宽调制是最为成熟的脉宽调制方法，一般以正弦波为调制波，以N 倍于调制波频率的三角波或锯齿波为载波，通过调制波和载波的电压比较，决定逆变器中开关管的通断状态，使得逆变器的输出脉冲宽度按照正弦规律变化。载波式脉宽调制方法原理简单、通用性强、控制方便、易于实现、性能良好。但用此调制方法的逆变器输出脉冲中的谐波分布与调制比、载波比都有关系，当调制比很低或载波比很小的时候，逆变器输出中的低次谐波含量就会过高。

状态为-Udc 和0 两种电平。通过对4 只开关管TA1~TA4进行适当的控制，例如采用SPWM 控制方法，就会得到基波为正弦输出的Usi。

通常逆变器多采用SPWM控制方法，逆变器输出的PWM 波经低通滤波器后可以得到总谐波含量(THD)很低的正弦波。但DVR中的逆变器输出要求与普通控制有所不同，主要体现在：

1)为满足各种电压波动和各种补偿策略的需要，DVR逆变单元输出的电压变化范围很宽，其调制比可能要在0 到最大值之间改变;

2)为尽量减少或避免对电网的污染，在任何给定的调制比下，其输出电压的THD 要保持在较低的水平上;

3)为提高DVR的电压补偿能力，在直流母线电压一定的情况下，逆变单元能输出的电压值要尽量高，即直流电压利用率要高[4]。这些无疑对控制策略提出了更高的要求。

目前，对逆变器整体控制采用的控制方法有很多，其中在工程中相对成熟和实用的主要有：

PID控制、状态反馈控制、滞环控制、无差拍控制、重复控制等，这些控制方法互有差异，各有所长，可以根据实际需要进行选择。另外，控制理论中的其他控制方法，例如模糊逻辑、神经网络、专家系统、滑模变结构以及非线性控制等都已经出现在逆变器的控制研究中，其中大多数控制方法还限于理论分析过程中，在逆变器控制中要达到实际应用水平仍需进一步的研究[5]。

4 DVR逆变器的实验分析

根据文中所提出的逆变器结构以及控制方法，搭建硬件电路，并通过采用以TMS320LF2407为核心的微机控制系统进行软硬件设计，对最终形成的逆变器平台进行了测试[6]。在逆变器运行的调试过程中，对不同调制比下逆变器输出的PWM脉冲及其频谱分别采用泰克公司TDS2012型示波器和FLUKE 43B 型电能质量分析仪作了测量，图4 为基于SPWM 控制的逆变器在调制比为50%的情况下对应输出的PWM 脉冲分布及其频谱情况;

为了观测逆变器单元在整个调制比范围内通过滤波后的输出电压波形质量，对各调制比下逆变单元滤波后的输出电压及频谱作了详细测量，图5给出了调制比为50%的情况下对应的逆变器输出电压及滤波后电压的各次谐波分布情况，其中滤波之前的谐波总畸变率THD=36.9%，而滤波之后的谐波总畸变率THD=4.0%。通过比较可以发现，滤波之后的谐波总畸变率大大减小，高次谐波基本滤除。

5 结语

文章介绍了动态电压恢复器的基本构成，并重点对其采用的逆变器单元的电路结构、工作原理、控制方法以及实验波形进行了详细分析，通过实验结果可以表明文中所述逆变器的可行性。