基于四桥臂电压源换流器的动态电压恢复器

1、基于四桥臂电压源换流器的动态电压恢复器S.R. Naidu D.A. FernandesDepartment of Electrical Engineering, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB 58429-900, BrazilE-mail: .br摘要：动态电压恢复器的控制描述和分析。电压恢复器是基于四桥臂电压源转换器。在三相输入变量拆分成使用加权，递归最小平方估计器的正，负序和零序分量。相同的控制器已用于各序分量。恢复器的实验模型已经建成，其性能已经通过仿真和实验测试。

2、1. 引言工业生产日益自动化，以提高其生产效率和全球市场竞争力。这种趋势导致两种结果，首先是工业用户的电能是不平衡而且非线性存在于电力配网的。其次，他们在配电系统的电压偏差（或者电压暂降）下非常脆弱。对电网上某点工业负荷点可能发生电压暂降的概率评估已经成为标准的做法。如果有发生负载中断的可能性，而且电压骤降高到无法接受，那么就要考虑一些保护措施。动态电压恢复器（DVR）是串联连接的设备，其功能是保护敏感的工业负荷电压骤降。DVR（示于图1）是一个定制的电源装置，其被安置在配电系统和工业负荷之间1-9。DVR的主要功能是生成三相电压（Vca， vc B, vc c）将它们加入到同步配电系统的电压

3、(vs a , vs b , vs c )。因此，电压暂降是校正和保持负载电压(vl a , vl b , vl c )的标称值。DVR在过去10年已经有了深入研究，有很多关于DVR拓扑和控制方法的文献。然而，一些问题还没有得到明确的解决，研究这些问题是本文的目的。第一个问题是三相变量分离为正，负和零序分量。电压骤降通常是不平衡的。DVR的控制器每个序列元件应包括三个单独的控制器，这一点很明确。然而，很少有提到关于所测量的三相电压和电流的分离成序分量。使用延时技术消除信号已经在【10】中被提出使用于序分量。这种技术队测量信号中的噪声很敏感。一种复杂的过滤器在【11】中被用于序分量的分离。然而，

4、关于该滤波器的特性和数据信息很少。在本文中一种所述的递归最小二乘估算器被用于将三相变量分离成序分量。 第二个问题是关于DVR的闭环控制系统。众所周知，他应该包含一个内部电流回路和一个外部电压回路。但是有必要清楚地确定控制变量和扰动变量。该控制系统应具有良好的跟踪性能，并应排除扰动变量。本文提出的系统跟踪负载电压的命令矢量（command vector）而将负载电流和实际电压作为扰动变量处理。图1，DVR结构最后，需要解决的问题是拓扑结构中电源电压转换器（VSC）的选择。为了有更大的灵活性，该DVR应该能在可能具有零序分量的电压暂降系统中操作。通常情况下，工业负荷通过一个-Y变压器连接，这防止了

5、令序分量传播到次级侧。但是，也有系统使用一个Y-Y中性点接地的变压器。该变压器允许系统故障时零序分量向负载传播。在这种情况下，DVR需要控制的正序、负序和零序电压期间不平衡故障施加到负载。DVR需要控制出现不平衡故障时施加到负载上的正序、负序和零序电压。本文论述了一种比三桥臂电压更简单的基于四桥臂电压的控制策略。2.序分量的解决方案假定对公用设施系统的相电压进行适当次数的采样，来作为对序分量的估计输入数据。电压采样(vs a , vs b , vs c )用著名的Clarkes 或者( ab 0)相变转换为(vs a , vs b , vs z )。当一系列的vs b被绘制为vs a的函数。可

6、以得到在反方向的旋转矢量。为了平衡网络电压，该向量具有恒定的幅度和恒定的旋转角速度。当网络电压不平衡时，空间旋转矢量(vs a + j vs b )可以被表示为一个正序空间向量Vp于一个以w为角速度的逆时针旋转矢量的和。表现为一个方程，我们得到：展开等号右边然后配平实部和虚部部分。我们得到：重写（2）我们得到：对于允许存在的直流偏移VSa，我们得到nT和T是采样周期，将=wT,（5）可以产生一组方程组，写成矩阵形式为：类似的，展开（3）（7）还可以写成其中Y0是VSb的直流偏置样品。将（8）带入每个采样时刻，可以得到另一组方程：X= 和Y= 的估计值可以通过加权解（6）和（9），由最小二乘法（

7、WRLS）过程【12,13】来获得。这个过程使用先前的估计参数和当前对Vsa和VSb的当前采样来更新估计值。前几个估计值是不准确的。需经过100毫秒间隔的20个采样，误差才可以忽略不计。在每次采样后估计出的参数X1，X2，Y1，Y2，我们立刻得到正序和负序空间向量(vp a+ j vp b )和 (vn a j vn b )。空间向量的估计省去了一个锁相环，假设共用电压基波频率是已知的。图2b显示了测量的三相电压的正负序电压幅值的估计样本。在例2a中示出。图2分辨率为序分量a,三相电压b,正负序振幅c, 正负序的与噪声振幅和频率偏差在上述研究过程中，测量中没有考虑噪声的存在。测量噪声可能使（5

8、）（8）的等号左变有附加值。然而，假定测量噪声平均值为零而且任何相电压的噪声与任何其他相位的电压噪声是不相关的，那么所述参数的最小二乘估计是无偏的。平率的便宜是另一个值得考虑的严重问题。巴西的传输系统频率严格控制在(60 + 0.1) Hz。但是，我们假定所测量的f0的相电压频率与fc在控制算法中的假设是不同的。频率偏差不会对正序分量的估计值有什么影响。序分量的估计值确实被一个正比于（fc-f0）的振荡频率调制在（f0+fc）。因此，对于0.3赫兹量级的频率偏差，所述WRLS过程执行的很好。在图2C中。我们表示了当一个有0.3HZ频率偏差的噪声被测量值中的序分量的估计值。（注意到此时噪声已经存

9、在于测量值中）。随机噪声在每个阶段已经假定为正态分布并且具有零均值和单位方差的信号噪声为21分贝。噪声和频率偏移对序列的估计值部分影响不明显。3.系统模型图1表示DVR的结构图。它由一个四桥臂VSC送入三个单项变压器组成。该转换器的电压的电源频率成分通过的RLC滤波器装置提取。而且它们的电压是由变压器的次级绕组串联在配电线路提供。滤波电容器与次级绕组并联连接，变压器的漏阻抗形成该过滤器RL的一部分。考虑三相变量(x a , x b , x c ). 它是通过将( ab 0)相变转化为(x a , x b , x z )。零序分量Xz将被视为一个标量，这部分的控制是众所周知的。另一方面，(x a

10、 , x b )部分可被一起看做一个复杂的变量，可以进一步分解成一个正序空间矢量和一个负序空间矢量。在（10）中，J= -1，w是基波角频率，（）是复数共轭算子。它表示该方程式中负序空间矢量可被视为另一种正序空间矢量的共轭。因此，所有施加到正序的控制方法是有效的负序的结合物。应注意，应用复合共轭（10）中的两个分量相加之前。因此，所有控制到正序的方法也可以适用于共轭的负序中。应注意，负荷共轭（10）须用在两个分量相加之前。( ab 0)的坐标系统方程由下式给出：（11）（13）中的每个复数变量被分解为一个正序空间矢量和负序空间矢量。因此，该系统的方程分离成应用到正序和负序方程的两个部分。复数共

11、轭过程应用于将方程为负序转换成等价的正序。最后，方程组的两个系统被转换成基于同坐标系的旋转。旋转坐标系中与d轴方向相同的矢量表示实际电压的正序分量。与d轴另一方向旋转相同的表示实际电压的负序分量的共轭。两个参考坐标系都向反时针方向旋转。该系统的旋转坐标系参考方程如下：图3示出了表示工厂在同步旋转坐标系的正序框图。对于负序的框图与其相似。框图中表现出的交叉耦合条件是非常重要的4.控制系统图4表示对于正序的控制系统。类似的系统已被用于负序和零序。反馈变量是负载电压和电容器的电流。所提出的控制系统包括熟知的内环电流和外电压回路。内环控制器是一个PI控制器，电容器电流是规律的变量。电容器的电压的交叉耦

12、合部分依赖于加到电容器电流。负载电流和额外交叉耦合部分表现为扰动。图4正序控制系统图3 工厂的正序框图a. d-轴b. q-轴负载电压由一个外环比例控制器控制。正序的d轴（由上标表示）是负载电压的标称值。所有其他序列分量的参考值是零。该转换器的开关频率为10 kHz。内环路的带宽被设定为1700赫兹（10681rads/秒），这大约是开关频率的1/6。外回路的带宽也大约是内环的带宽的六分之一，它被设定为300HZ。表1中给出注入变压器的漏阻抗的被测量值。表1系统参数RLC滤波器的截止频率被定为同一数量级的内环路的带宽。因此，滤波电容的计算值是7.8F，最接近的可用的值是7.5F。d轴的正序的传

13、递函数：内环路的输入 - 输出传递函数是：这个传递函数的极点被设置在（1/根号2）±j(1/根号2)），wn与内环路所需带宽相关。由于零的效果是增加带宽，我们选择所需带宽的一半为wn，我们得到K C的值为7.68。最后，由w平方=.。我们得到kc=4159。需要用的控制系统的仿真软件如Matlab的帮助下调整这些简单的计算获得的参数值。最终k c和z C的值的结果列于表1。外环路比例控制器的增益P，用Matlab确定。外环路的输入 - 输出传递函数由下式给出：利用Matlab的控制系统工具箱，传递函数的带宽计算为增益P的函数，示于图5。从该图中看出，对应于300赫兹（1885弧度/秒

14、）的带宽，获得增益为0.012。图6a和6b表示内环路和外环路的输入/输出传输函数的波特图。5理论和实验结果用Matlab计算出DVR的数值模拟。一个可编程电压源产生电压骤降的三相电压。该电压被采样，并且采样波形为模拟程序的数据输入。模拟中使用每相362欧的平衡阻性负载。图7表示了典型的注入和负载电压的波形源。图8显示了噪音被添加到DVR测量时的模拟响应。而且存在0.3的系统频率误差。DVR的低电压实验室模型被建立。图9表示了完整的实验平台。配电系统由三相可编程电压源表示（加州仪器，模型3000Lx）。该控制器的功能是在TMS320F2812基于DSP的数字控制器中实现。该控制器配备了ADC转

15、换器和PWM脉冲输出。霍尔效应传感器感应输入电压和电流分别使用并适当调节。由数字控制器产生的PWM脉冲被输入到一个四桥臂VSC的开关模块。为完整起见，在这里对零序分量不平衡电压的产生做的简要说明。完整的细节在8,9。该技术包括生成应用著名的速度矢量PWM技术的VSC三桥臂的（ab）部分。第四桥臂专门用于产生零序分量。图5作为控制器增益功能的外部环路带宽用于计算开关的上排的占空比的步骤在下面给出。i. VaVb作为电压的（ab）组成部分，由VSC产生。由VaVb，计算得：图7 DVR的仿真响应a. 实际电压b. DVR注入电压c. 负载电压图8带有噪音和频率偏差的DVR仿真响应a.实际电压b.D

16、VR注入电压c.负载电压短路，大负载的断开，电容器组的激励可导致在公共耦合点的电压骤升。图15示出了有一相为150210 V的隆起时，DVR的测量响应值。在DVR能够正确地恢复到标称值（150V）。图14 DVR的测量响应（整流负载，相间故障）a.实际电压b.DVR注入电压c.负载电压图15 电压骤升的过程中DVR的测量响应a.实际电压b.DVR注入电压c.负载电压6.结论在本文中，一个基于四桥臂VSC-DVR的闭环控制进行了说明。所述控制器的功能已经在基于DSP的数字控制器中实现。一种用于解决三相变量导入到序列分量的程序，也被列入所述控制器的功能中。DVR的低电压模型实验室已经建成。仿真和实

17、验结果已验证了该方法。该DVR能够防止由电压骤降和骤升负载产生的不同类型的故障。7 References1 WOODLEY N.H. , MORGAN L. , SUNDARAM A. : Experience withan inverter-based dynamic voltage restorer, IEEE Trans.Power Deliv., 1999, 14, pp. 188111862 ZHAN C. , RAMACHANDARAMURTHY V.K. , ARULAMPALAM A. , FITZER C. ,KROMLIDIS S. , JENKINS N. : Dynam

18、ic voltage restorer based onvoltage-space-vector PWM control, IEEE Trans. Ind. Appl.,2001, 37, (6), pp. 185518633 VILATHGAMUWA D.M. , PERERA A.A.D.R. , CHOI S.S. : Performanceimprovement of the dynamic voltage restorer withclosed-loop load voltage and current-mode control, IEEETrans. Power Electron.

19、, 2002, 17, pp. 8248344 WIJEKOON H.M. , VILATHGAMUWA D.M. , CHOI S.S. : Interlinedynamic voltage restorer: an economical way to improveinterline power quality, IEE Gener. Transm. Distrib., 2003,150, (5), pp. 5135205 NIELSEN J.G. , NEWMAN M. , NIELSEN H. , BLAABJERG F. : Controland testing of a dynam

20、ic voltage restorer (DVR) atmedium voltage level, IEEE Trans. Power Electron., 2004,19, pp. 8068136 AL-HADIDI H.K. , GOLE A.M. : Minimum power operation ofcascade inverter based dynamic voltage restorer. Proc.3rd IET Int. Conf. Power Electronics, Machines and Drives,Dublin, Ireland, March 2006, pp.

21、3013067 LI G.J. , ZHANG X.P. , CHOI S.S. , LIE T.T. , SUN Y.Z. : Control strategyfor dynamic voltage restorers to achieve minimum powerinjection without introducing sudden phase shift, IETGener. Transm. Distrib., 2007, 1, (5), pp. 8478538 FERNANDES D.A. , NAIDU S.R. : A PWM scheme for the 4-legvolta

22、ge source converter and its use in dynamic voltagerestoration. Proc. PES General Meeting, Tampa, Florida,June 2007, pp. 179 NAIDU S.R. , FERNANDES D.A. : Generation of unbalanced3-phase voltages for dynamic voltage restoration usingthe 4-leg voltage source converter. Proc. PowerElectronics Specialists Conf.