System Design and Simulation of 2MVA Cascade Multilevel Transformerless Dynamic Voltage Restorer
Yin Zhongdong
Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control, Ministry of Education, School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Beijing P.R.China 102206

摘要：論文提出並研究了基於級聯多電平結構的無串聯注入變壓器的2MVA動態電壓調節器（DVR）的係統設計方案，闡述了各個組成部分的工作原理
，並針對某企業6kV係統電壓暫降問題的解決方案完成了裝置主電路參數和控製電路的功能設計，通過EMTDC/PSCAD進行了仿真研究，驗證了論文提出設計方案的正確性及有效性。

關鍵詞：動態電壓調節器（DVR），級聯多電平逆變器

，電壓暫降

0.引言
現今的精密製造設備
、電腦

，變頻器等用電負載對電壓暫降均非常敏感，持續16ms的85%至90%電壓暫降即可能導致設備停機。電壓暫降與短時斷電(interruption)的de差cha別bie在zai於yu短duan時shi斷duan電dian時shi負fu載zai一yi般ban與yu供gong電dian係xi統tong完wan全quan斷duan開kai，而er電dian壓ya暫zan降jiang發fa生sheng時shi負fu載zai仍reng與yu電dian源yuan連lian接jie
，對dui某mou些xie工gong業ye用yong戶hu而er言yan，兩liang者zhe均jun會hui造zao成cheng設she備bei停ting機ji，所suo產chan生sheng的de結jie果guo是shi相xiang同tong的de，但dan是shi電dian壓ya暫zan降jiang發fa生sheng的de機ji率lv遠yuan高gao於yu斷duan電dian會hui發fa生sheng的de機ji率lv。調tiao查zha顯xian示shi：在所有配電係統事故中，電壓暫降占了70％－80％
；而在輸電係統事故中
，電壓暫降所占的比例超過了96％。muqianzaioumeigeguoduidianyazanjiangdeguanzhuchengdubiqitayouguandiannengzhiliangwentideguanzhuchengduyaodadeduo
，qizhongyigezhongyaodeyinsushizaidiannengzhiliangdezhuduoyuanyinzhong
，youdianyazanjiangyinqideyonghutousuzhanzhenggediannengzhiliangwentide80％以上
，而由諧波、閃變、開關操作過電壓等引起的電能質量問題投訴不到20％。在中國，隨著社會經濟的發展，電壓暫降和短時斷電的問題也逐漸引起了供電公司、用戶及製造廠商的關注。特別是在一些高科技園區、大型醫院、軍工單位和重要的政府部門。因此，對電壓暫降等短時電能質量擾動進行有效治理不僅必要而且十分迫切。
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，必須采用特定的定製電力設備。動態電壓調節器（DVR）是一種靜態串聯補償器。當係統側電壓偏離了一定的範圍，DVR將迅速動作，以補償電源電壓的偏差
，快速跟蹤並恢複負荷側的電壓波形，滿足特殊用戶對電能質量的高要求。
國外自80年代末，許多公司便開始了定製電力技術的專題研究

，並陸續推出了SSTS、DVR、DSTATCOM等產品化裝置。表1所示為ABB、西門子、美國超導公司（American Superconductor）在DVR研究開發示範方麵的情況。
表1 DVR開發研製情況（截止2002年）


各國專家已經普遍達成共識[1]：DVR是改善電壓型電能質量問題的最經濟、最有效的手段。不過，目前DVR主電路拓撲基本采用兩電平、三電平及利用串聯變壓器的注入模式，在應用上存在一些問題或不足，級聯多電平拓撲能有效解決這些問題。有關級聯多電平、無注入變壓器拓撲的DVR工程研究及設計尚未見到報道
，針對中壓係統電壓暫降治理目標
，對級聯多電平無注入變壓器結構的DVR進行包括主電路拓撲、儲能、濾波器
、暫降檢測及補償等的係統設計及仿真研究對DVR高壓大容量方麵的應用具有重要意義。

1.工程背景
某半導體生產基地由兩回35kV電纜供電，電纜采用單芯1*240平方毫米，長度約一公裏。總變電室兩台主變，均為8000kVA，有載調壓，二次電壓為6kV
，單母分段。正常負荷時為單台變壓器運行，夏季高峰負荷時

，兩台變壓器運行。冬季負荷6000～6500kW，夏季負荷7000～7500kW。
對於對電能質量敏感的設備來說，供電電壓有效值下降10％，持續時間超過35ms，就等同於一次停電
，足夠導致其停機
，影響生產，造成嚴重的經濟損失。在2002年全年的31次電壓突降故障中，電壓瞬間降低超過10％的共 19 次，占 55.9 ％，其中有13次對生產造成影響

，占19次故障的68.4%
，發生的最大電壓降幅為70％。在電壓降幅超過10％的19次中，電壓降幅在10％～60％之間的共17次，占89.5%
，在61～70％之間的共2次，占10.5%。目前，每次故障造成的損失平均約200～300萬元人民幣。
根據2002年發生電壓暫降故障的統計分析結果
，確定采用DVR技術，將電壓降幅在60％以下的電壓暫降故障發生時的母線電壓補償到額定電壓的90％以上。則DVR的補償電壓為：Vi=0.9-0.4=0.5 pu。按夏季最大負荷（7500kW）時，兩台變壓器運行考慮
，每台變壓器帶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將電壓恢複到90％時所需儲存的能量為：0.125×4.076×0.92＝0.469 MJ。DVR的額定容量為：0.5×4.076＝2.038 MVA，取2MVA。即

，針對該企業的係統和負荷狀況，設計安裝的DVR容量為2MVA/台×2台，分別安裝於係統的6kV側。

2.主電路拓撲
目mu前qian動dong態tai電dian壓ya調tiao節jie器qi的de主zhu電dian路lu結jie構gou有you所suo不bu同tong，不bu同tong的de主zhu電dian路lu結jie構gou會hui有you不bu同tong的de補bu償chang效xiao果guo和he性xing價jia比bi。可ke用yong在zai高gao壓ya大da容rong量liang領ling域yu的de實shi用yong拓tuo撲pu結jie構gou為wei：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，器件參數選擇餘地較小。在線處理電容電壓不平衡、窄脈衝消除等問題使得控製變得很複雜。同時，係統的冗餘設計、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xiao率lv高gao的de優you點dian，它ta作zuo為wei一yi種zhong新xin型xing的de高gao壓ya大da功gong率lv變bian換huan器qi，從cong電dian路lu拓tuo撲pu結jie構gou入ru手shou，在zai得de到dao高gao質zhi量liang的de輸shu出chu波bo形xing的de同tong時shi，克ke服fu了le二er電dian平ping電dian路lu的de諸zhu多duo缺que點dian：無需動態均壓電路，開關頻率低，因而開關器件應力小，係統效率高等。
二極管箝位型和級聯型多電平拓撲的應用較為廣泛
，其中二極管型適用於3～5電平的應用場合，當電平數超過5時
，該電路的結構和控製變得非常複雜，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製的複雜化。研究表明，基於級聯多電平拓撲的DVR在係統可靠性
、器件選型


、控製複雜程度、總體效率等方麵比其他拓撲具有更全麵的優勢。因此
，本文提出綜合性能最優的DVR主回路拓撲，如圖1所示。


圖中，每個級聯H橋逆變單元都有其相互獨立的
、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。由於采用級聯結構，具有獨具特色的提取能量模式，不需要單獨設置充電回路和串聯注入變壓器，有利於節省成本、減(jian)少(shao)占(zhan)地(di)麵(mian)積(ji)以(yi)及(ji)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)，同(tong)時(shi)
，模(mo)塊(kuai)的(de)級(ji)聯(lian)使(shi)得(de)在(zai)不(bu)提(ti)高(gao)器(qi)件(jian)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)裝(zhuang)置(zhi)等(deng)效(xiao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，簡(jian)化(hua)了(le)濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)，降(jiang)低(di)了(le)損(sun)耗(hao)。這(zhe)些(xie)是(shi)DVR采用級聯主電路結構的突出優點。
由上述工程背景可得，係統線電壓（RMS）：UL＝6000V，最大運行方式下容量： 。功率因數0.92，有功容量3750kW。
則，線電流：
（1）
考慮到DVR注入的最大每相電壓為 。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最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冗餘，則采用的DVR裝置每相由6個級聯逆變單元構成。

3.控製算法
DVR控製算法由3部分組成，分別為電壓暫降檢測
、指令電壓生成、底層PWM控製。電壓暫降檢測采用d-q變換，檢測係統電壓矢量的變化量
，與給定值比較

，超出誤差範圍，發出Sag信號。
注入電壓指令生成框圖見圖2所示。


采用載波移相（Carrier Phase-Shifted）SPWM方式[2]作為底層調製方式，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最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，不考慮電容電壓控製條件下


，當直流母線電壓在408～500V之間變化時，通過控製PWM調製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最大儲能為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，隻有5個單元運行
，因此式（5）中每相的乘數取5。

5.濾波器設計
suiranjilianduodianpingjiegounibianqidengxiaokaiguanpinlvhengao，shuchudianyahanyoudejiaodicidegaocixiebohenxiao，ranerzaidengxiaokaiguanpinlvfujinrengranfenbuzhedalianggaocixiebo，rubulvchu，jiangzengdaDVR輸出電壓波形的總諧波畸變率（THD）。
圖1中DVR輸shu出chu側ce配pei置zhi的de無wu源yuan濾lv波bo器qi可ke以yi起qi到dao很hen好hao的de濾lv除chu高gao次ci諧xie波bo的de效xiao果guo，其qi固gu有you諧xie振zhen頻pin率lv必bi須xu遠yuan大da於yu工gong頻pin頻pin率lv
，同tong時shi遠yuan小xiao於yu需xu要yao濾lv除chu的de高gao次ci諧xie波bo頻pin率lv。不bu過guo考kao慮lv到dao係xi統tong正zheng常chang工gong作zuo時shi，電dian源yuan側ce電dian壓ya不bu能neng損sun失shi過guo大da，濾lv波bo電dian抗kang要yao盡jin量liang減jian小xiao
，而er過guo大da的de濾lv波bo電dian容rong會hui顯xian著zhu增zeng大da逆ni變bian器qi的de額e定ding容rong量liang。設she計ji中zhong要yao對dui照zhao濾lv波bo效xiao果guo仔zai細xi分fen析xi，折zhe衷zhong取qu值zhi。DVR輸出電路兩側放置濾波電抗的目的是限製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。
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製在5％相電壓範圍內，則濾波電感上壓降為，
(7)
以最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281H，對應的濾波電容值為5F。

6.逆變器損耗計算
在DVR的de係xi統tong設she計ji中zhong需xu考kao慮lv逆ni變bian器qi散san熱re的de設she計ji，因yin此ci，必bi須xu準zhun確que估gu算suan其qi損sun耗hao，為wei散san熱re裝zhuang置zhi的de設she計ji提ti供gong依yi據ju。對dui於yu這zhe種zhong級ji聯lian多duo電dian平ping結jie構gou，先xian分fen析xi一yi個ge模mo塊kuai中zhong各ge器qi件jian的de損sun耗hao
，進jin而er得de到dao整zheng個ge裝zhuang置zhi的de損sun耗hao。表biao2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）


7.仿真研究
7.1 係統等值
等值係統如圖3所示。電源係統為無窮大係統
，線路側發生單相接地故障
，由於變壓器為Y/接線，低壓側發生無零序分量的電壓跌落，電壓波形中隻含有正序和負序分量。仿真故障時序：0.077秒時刻
，降壓變壓器一次側A相發生接地；0.164秒時刻，A相接地故障解除。故障期間
，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。


7.2 基於載波移相SPWM的底層調製


圖4所示為基於EMTDC/PSCAD仿真軟件的6單元級聯多電平DVR在載波移相SPWM調製下的仿真波形。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。係統電壓正常時
，DVR裝置處於旁路狀態，不輸出補償電壓。 在係統發生電壓暫降後，DVR裝置檢測出暫降，並在較短時間內將負荷端電壓補償至額定值。不過，由於未加濾波器，負荷側電壓的高次諧波含量較高。


7.4 諧波抑製
suiranjilianduodianpingjiegounibianqidengxiaokaiguanpinlvhengao，shuchudianyahanyoudejiaodicidegaocixiebohenxiao，ranerzaidengxiaokaiguanpinlvfujinrengranfenbuzhedalianggaocixiebo
，rubulvchu，jiangzengdaDVR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。設置濾波器後的仿真結果及諧波分析見圖6（隻取A相數據）。




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等定製電力設備。
（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級聯多電平無串聯變壓器DVR的係統設計及參數計算。
（4）通過基於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．Voltage sag coordination for reliable plant operation[J]．IEEE Trans. On Industrial Application, 1997，Vol. 33：pp.1459-1464.
[2]Lai jis heng, Peng Fang zheng．Multilevel converter a new breed of power converters[J]． IEEE Trans on land. 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。