无串联干式变压器的2MVA级联多电平动态电压调节
本文提出并研究了基于级联多电平结构的无串联注入干式变压器的2MVA动态电压调节器(DVR)的系统设计方案，阐述了各部件的工作原理。根据某企业6kV系统电压跌落问题的解决方案，设计了该装置的主要电路参数和控制电路功能。EMTDC/PSCAD仿真研究验证了所提设计方案的正确性和有效性。
关键词：动态电压调节器，级联多电平逆变器，电压骤降
0.正式介绍
如今，精密制造设备、计算机和变频器等电气负载对电压骤降非常敏感，16毫秒85至90的电压骤降可能会导致设备停机。电压暂降和短时中断的区别在于，短时中断发生时，负载一般与供电系统完全断开，而电压暂降发生时，负载仍然与供电系统相连。对于一些工业用户来说，两者都会造成设备停机，结果是一样的，但是电压骤降的概率要比停电的概率高得多。调查显示，电压凹陷占所有配电系统事故的70%-80%。在输电系统事故中，电压凹陷占96%以上。目前，欧美家对电压凹陷的重视程度远远高于其他电能质量问题。其中一个重要因素是，在电能质量的诸多原因中，80%以上的电能质量问题是由电压凹陷引起的，不到20%是由谐波、闪变和开关过电压引起的。在我，随着社会经济的发展，电压凹陷和短时停电问题逐渐引起供电公司、用户和制造商的关注。特别是在一些高科技园区，大型医院，军工单位，重要的政府部门。因此，有效控制电压暂降等短期电能质量扰动不仅是必要的，而且是迫切的。
电压凹陷问题是客观存在的，也是不可避免的。为了减少电压骤降带来的损失，用户必须采用特定的定制电源设备。动态电压调节器(DVR)是一种静态串联补偿器。当系统侧电压偏离一定范围时，DVR会快速动作补偿电源电压的偏差，快速跟踪恢复负载侧电压波形，满足特殊用户对电能质量的高要求。
自20世纪80年代末以来，许多外公司开始了对定制电源技术的专门研究，并相继推出了SSTS、DVR、DSTATCOM等产品化设备。表1显示了ABB、西门子、American超导体在DVR研发示范中的情况。
表1DVR开发(截至2002年)
公司
功能特点
ABBPowerSystem
美超导体
西门子
电压骤降
电压摆动
X
电压调节
电压等级
5~15/25kV
5~15kV
5~35Kv
设备容量
2/100MVA
1.7/10MMA
0.3/20KVA
储能单元
电容器
超导磁体
电容器
响应时间
1/4周期
1/4周期
操作数量
2
九
八
世界各专家普遍达成共识[1: DVR是提高电压源电能质量较经济有效的手段。但目前DVR主电路拓扑基本采用两级、三级和注入方式使用串联干式变压器，在应用中存在一些问题或不足，级联多级拓扑可以有效解决这些问题。级联多电平非注入式干式变压器拓扑的数字电压表的工程研究和设计尚未见报道。针对中压系统的电压凹陷控制目标，对级联多电平非注入式干式变压器结构的DVR进行了系统设计和仿真研究，包括主电路拓扑、储能、滤波、凹陷检测和补偿等。对数字视频录像机在高压大容量领域的应用具有重要意义。 #p#分页标题#e#
1.工程背景
一个半导体生产基地由两根35kV电缆供电，单芯1 * 240mm2，长度约1km。主变电站室内有两台主变压器，均为8000kVA，有载调压，二次电压6kV，单母线段。一台干式变压器在正常负载下运行，两台干式变压器在夏季峰值负载下运行。负荷冬季6000~6500kW，夏季7000~7500kW。
对电能质量敏感的设备，如果供电电压有效值下降10%，持续时间超过35ms，则相当于停电，足以造成其停机，影响生产，造成严重的经济损失。2002年全年31起电压骤降故障中，电压骤降10%以上的有19起，占55.9%，其中影响生产的有13起，占19起故障的68.4%，发生的较大电压骤降为70%。在电压下降超过10%的19次中，17次(89.5%)在10%和60%之间，2次(10.5%)在61%和70%之间。目前每次故障造成的平均损失在200-300万元左右。
根据2002年电压暂降故障统计分析结果，采用DVR技术，在电压跌落低于60%的电压暂降故障发生时，将母线电压补偿到额定电压的90%以上。那么DVR的补偿电压为VI=0.9-0.4=0.5pu，根据夏季较大负荷(7500kW)考虑两台干式变压器的运行
，每台干式变压器带3750kW，功率因数0.92，视在功率4076kVA。额定电流为4.076（以1MVA为基准），则DVR将电压恢复到90％时所需储存的能量为：0.125×4.076×0.92＝0.469MJ。DVR的额定容量为：0.5×4.076＝2.038MVA，取2MVA。即，针对该企业的系统和负荷状况，设计安装的DVR容量为2MVA/台×2台，分别安装于系统的6kV侧。2.主电路拓扑
目前动态电压调节器的主电路结构有所不同，不同的主电路结构会有不同的补偿效果和性价比。可用在高压大容量领域的实用拓扑结构为：三电平结构和多电平结构。在相同基波输出下，三电平结构与传统二电平结构相比，具有开关频率低、元件应力小、开关损耗低、输出谐波小的优点。缺点是在实际应用上，单个开关器件仍然要承受较大电压应力，器件参数选择余地较小。在线处理电容电压不平衡、窄脉冲消除等问题使得控制变得很复杂。同时，系统的冗余设计、容量扩展困难。而多电平结构，具有电平越多，输出电压谐波含量越小、开关损耗小、效率高的优点，它作为一种新型的高压大功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了二电平电路的诸多缺点：无需动态均压电路，开关频率低，因而开关器件应力小，系统效率高等。
二极管箝位型和级联型多电平拓扑的应用较为广泛，其中二极管型适用于3～5电平的应用场合，当电平数超过5时，该电路的结构和控制变得非常复杂，而级联型电路很容易扩展到2N 1电平(其中N为模块数)，且不会导致电路结构和控制的复杂化。研究表明，基于级联多电平拓扑的DVR在系统可靠性、器件选型、控制复杂程度、总体效率等方面比其他拓扑具有更全面的优势。因此，本文提出综合性能较优的DVR主回路拓扑，如图1所示。#p#分页标题#e#
图1.级联多电平动态电压调节器主回路拓扑（单线图）
图中，每个级联H桥逆变单元都有其相互先立的、幅值相等的直流电压源（直流电容），在一个工作周期内，由N个H桥级联构成的逆变器输出2N＋1电平的电压波形。由于采用级联结构，具有先具特色的提取能量模式，不需要单先设置充电回路和串联注入干式变压器，有利于节省成本、减少占地面积以及提高系统可靠性，同时，模块的级联使得在不提高器件开关频率的条件下，大大提高了装置等效开关频率，简化了滤波器设计，降低了损耗。这些是DVR采用级联主电路结构的突出优点。
由上述工程背景可得，系统线电压（RMS）：UL＝6000V，较大运行方式下容量：。功率因数0.92，有功容量3750kW。
则，线电流：
（1）
考虑到DVR注入的较大每相电压为。则有，
（2）
采用1200V/800A的单体IPM模块作为DVR的级联单元的开关器件。取逆变单元的直流母线电压为500V。由4个IPM模块构成的逆变单元较大输出正弦交流电压约为350V（RMS），5个级联单元串联输出交流电压可达到。考虑一个逆变单元作为N 1冗余，则采用的DVR装置每相由6个级联逆变单元构成。
3.控制算法
DVR控制算法由3部分组成，分别为电压暂降检测、指令电压生成、底层PWM控制。电压暂降检测采用d-q变换，检测系统电压矢量的变化量，与给定值比较，超出误差范围，发出Sag信号。
注入电压指令生成框图见图2所示。
图2.注入电压指令生成框图
采用载波移相（CarrierPhase-Shifted）SPWM方式[2>作为底层调制方式，使得级联单元叠加输出的SPWM波的等效开关频率提高到原来每个单元的6倍6，因此在不提高开关频率条件下，大大减小了输出波形的低次谐波。
4.储能计算
由式（2）可知，DVR较大注入电压运行条件下，每个级联单元注入的电压为，
（3）
此时，要求的直流母线电压约为408V。因此，不考虑电容电压控制条件下，当直流母线电压在408～500V之间变化时，通过控制PWM调制比可以保证每个级联单元输出289V（RMS）补偿电压，即，直流母线的储能电容可以提供的能量为
（4）
考虑到DVR较大储能为0.469MJ，则有
（5）
将（4）式代入（5）式整理得
（6）
考虑到一个级联模块故障时，只有5个单元运行，因此式（5）中每相的乘数取5。
5.滤波器设计
虽然级联多电平结构逆变器等效开关频率很高，输出电压含有的较低次的高次谐波很小，然而在等效开关频率附近仍然分布着大量高次谐波，如不滤除，将增大DVR输出电压波形的总谐波畸变率（THD）。
图1中DVR输出侧配置的无源滤波器可以起到很好的滤除高次谐波的效果，其固有谐振频率必须远大于工频频率，同时远小于需要滤除的高次谐波频率。不过考虑到系统正常工作时，电源侧电压不能损失过大，滤波电抗要尽量减小，而过大的滤波电容会显著增大逆变器的额定容量。设计中要对照滤波效果仔细分析，折衷取值。DVR输出电路两侧放置滤波电抗的目的是限制级联单元中间发生短路故障时可能产生的过电流及电流上升率。#p#分页标题#e#
每个器件导通压降以2V估算，则6模块串联运行，待机状态的总压降为24V。考虑将总电压损失限制在5％相电压范围内，则滤波电感上压降为，
(7)
以较大运行方式下的线电流（392A）考虑滤波电感压降，计算得到电感值约为281mH，对应的滤波电容值为5mF。
6.逆变器损耗计算
在DVR的系统设计中需考虑逆变器散热的设计，因此，必须准确估算其损耗，为散热装置的设计提供依据。对于这种级联多电平结构，先分析一个模块中各器件的损耗，进而得到整个装置的损耗。表2所示为不同结温下的损耗计算结果。
表2.不同结温下的损耗计算（S＝2MVA）
结温
(0C)
开关损耗
(W)
IGBT
通态损耗(W)
二极管
通态损耗(W)
单管
总损耗
(W)
单模块
总损耗
(W)
逆变器
总损耗
(W)
损耗比
P损耗/S
()
250C
典型值
72.29
221.18
101.74
395.22
1581
28460
1.40％
250C
较大值
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系统等值
等值系统如图3所示。电源系统为无穷大系统，线路侧发生单相接地故障，由于干式变压器为Y/D接线，低压侧发生无零序分量的电压跌落，电压波形中只含有正序和负序分量。仿真故障时序：0.077秒时刻，降压干式变压器一次侧A相发生接地；0.164秒时刻，A相接地故障解除。故障期间，干式变压器二次侧A、B两相相电压跌落约50，C相电压略有升高。
图3.仿真等值系统
7.2基于载波移相SPWM的底层调制
图4.基于载波移相SPWM的底层调制波形
上：指令电压和三角载波波形；中：各单元模块输出波形；下：级联的合成电压波形
图4所示为基于EMTDC/PSCAD仿真软件的6单元级联多电平DVR在载波移相SPWM调制下的仿真波形。可见，DVR输出相电压为13电平阶梯波，在没有增加单元器件开关频率条件下，大大提高了输出波形的等效开关频率，极大地消除了较低次高次谐波的影响。
7.3电压暂降补偿
图5为DVR补偿电压暂降的仿真结果。系统电压正常时，DVR装置处于旁路状态，不输出补偿电压。在系统发生电压暂降后，DVR装置检测出暂降，并在较短时间内将负荷端电压补偿至额定值。不过，由于未加滤波器，负荷侧电压的高次谐波含量较高。
图5.DVR补偿电压暂降的仿真波形（无滤波器）
上：系统三相电压；中：负荷三相电压；下：DVR注入三相电压
7.4谐波抑制
虽然级联多电平结构逆变器等效开关频率很高，输出电压含有的较低次的高次谐波很小，然而在等效开关频率附近仍然分布着大量高次谐波，如不滤除，将增大DVR输出电压波形的总谐波畸变率（THD），如图5所示，DVR注入的高次谐波也影响到负荷电压质量。设置滤波器后的仿真结果及谐波分析见图6（只取A相数据）。#p#分页标题#e#
图6.滤波前后波形及频谱比较
由图6可见，设计的滤波器滤除高次谐波效果显著。
8.结语
（1）电压暂降问题是客观存在的不可避免的，用户为了减少因电压暂降引起的损失，必须采用DVR等定制电力设备。
（2）级联多电平拓扑是高压大容量DVR的合理选择。
（3）介绍了2MVA级联多电平无串联干式变压器DVR的系统设计及参数计算。
（4）通过基于EMTDC/PSCAD的仿真，验证了设计方案的正确性及有效性。
参考文献：
[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
作者简介：
尹忠东，男，1968年12月生，博士，副教授，从事电力电子、FACTS技术、电能质量方向的研究工作。yzd@ncepubj.edu.cn
