CN106961111A - 一种双向动态电压调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向动态电压调节装置，包括调节主电路和DSP控制电路，所述调节主电路连接于电网与负载之间，包括：第一PWM变换器，实现对电网能量的流入流出控制；第二PWM变换器，通过储能电容与第一PWM变换器并联，在DSP控制电路的控制下实现对负载能量的流入流出控制；串联补偿变压器，其原边连接第一PWM变换器，副边直接串联在电网中，实现降压和隔离，并在DSP控制电路的控制下实现负载电压的正向补偿或反向补偿；正弦波滤波器，串联于串联补偿变压器和负载之间，实现高频脉冲的滤除。与现有技术相比，本发明不仅具有传统机械式有载调压变压器、无触点晶闸管有载调压装置的优点，还可以克服其固有的缺点，性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种电网电压控制装置，尤其是涉及一种双向动态电压调节装置。
背景技术
由于电网电压用电容量随时变化，其配电变压器的一次侧电压波动很大，导致配电变压器二次侧电压不稳定，从而影响用户的用电质量。电压跌落虽然没有电压中断严重，但它发生得更频繁，电压中断是局限于某一个地区或区域的，而电压跌落却能由数百公里外的输电系统中的故障引起，它对敏感负荷造成的危害和电压中断是一样的，甚至更严重。虽然电压跌落持续时间短，但广泛分布的敏感负荷使它对工业生产、人民生活产生了重大影响，对经济造成了巨大的损失。目前，在工业化国家，电压跌落已上升为最重要的电能质量问题之一。
到目前为止，已有若干个产品可用来抑制电压跌落：变压器分接头调节器、磁谐振变压器、静上开关切换、不间断电源UPS等。随着社会的发展和用电量的迅速增长，电网规模不断扩大、网络结构越来越复杂，传统的有载调压方法己经不能完全满足现代电网的安全和经济运行的要求，分接头切换过程中产生电弧，分接开关的动作速度慢，无法满足电压的连续调节而且调节范围受限。
随着电力电子技术的飞速发展，基于高压大功率开关器件的动态电能质量调节技术的出现为解决电压跌落问题提供了新的手段。目前研究的比较多的是无触点晶闸管有载调压装置，这种装置相对于传统的机械式有载调压装置，性能有所提高，但还有以下不足：
a.在不同触点之间进行切换时，由于晶闸管不是立即关断，所以触点之间存在环流，控制不当，很容易烧毁装置；
b.由于晶闸管是半控器件，响应速度受到限制，想再次提高比较困难，通常在10毫秒以上；
c.由于晶闸管是直接串在主电路中，承受的电压值比较高，器件容量比较大，致使成本增加；
d.这种装置实现的是有级调压，调压精度受到限制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双向动态电压调节装置，引入动态电压调节，不仅具有传统机械式有载调压变压器、无触点晶闸管有载调压装置的优点，还可以克服其固有的缺点，从而使之性能得到大大的提高。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种双向动态电压调节装置，其特征在于，包括调节主电路和DSP控制电路，所述调节主电路连接于电网与负载之间，包括：
第一PWM变换器，在DSP控制电路的控制下实现对电网能量的流入流出控制；
第二PWM变换器，通过储能电容与所述第一PWM变换器并联，在DSP控制电路的控制下实现对负载能量的流入流出控制；
串联补偿变压器，其原边连接第一PWM变换器，副边直接串联在电网中，实现降压和隔离，并在DSP控制电路的控制下实现负载电压的正向补偿或反向补偿；
正弦波滤波器，串联于所述串联补偿变压器和负载之间，实现高频脉冲的滤除；
该装置采用双PWM变换器，构成能量双向流动通道，实现电压波动的双向调节。
2.根据权利要求1所述的双向动态电压调节装置，其特征在于，所述DSP控制电路包括DSP控制芯片以及分别与DSP控制芯片连接的电压电流采样电路、显示输入电路和保护电路，所述DSP控制芯片分别连接第一PWM变换器和第二PWM变换器。
3.根据权利要求2所述的双向动态电压调节装置，其特征在于，所述DSP控制芯片包括与电压电流采样电路连接的AD接口以及分别与第一PWM变换器和第二PWM变换器连接的PWM脉冲发生接口。
4.根据权利要求2所述的双向动态电压调节装置，其特征在于，该装置集成有软件控制部分，所述软件控制部分包括：
锁相环单元，用于对采集的电网电压信息进行相位锁定；
补偿信号生成单元，用于将锁相环单元获得的相位信息与电网的额定电压幅值相结合生成负载参考电压，并根据采样得到的实时电网电压生成补偿指令信号；
脉冲生成单元，用于根据所述补偿指令信号生成控制第一PWM变换器和第二PWM变换器的PWM脉冲。
所述锁相环单元采用基于广义二阶积分算法的单相锁相环进行相位锁定。
所述补偿信号生成单元采用的电压补偿策略为最小能量法。
与现有技术相比，本发明主要以补偿电压跌落、上升为目的，具有以下有益效果：
①本发明将电压缺额的部分通过串接于线路的补偿变压器注入到系统，自动保持负载电压稳定，不仅具有传统机械式有载调压变压器、无触点晶闸管有载调压装置的优点，还可以克服其固有的缺点，从而使之性能得到大大的提高。
②本发明调节装置只对负载电压的缺额部分进行调整和补偿，而无需承担其全部电压，因此本装置承担的容量仅为系统功率的20％左右，致使其性价比高；
③本发明调节装置是通过串联补偿变压器与负载相连，而不是直接串在供电系统主回路中，因此器件可以选用耐压值比较低的IGBT功率器件，所以器件选型容易；
④本发明调压装置采用双PWM变换器，构成能量双向流动通道，可实现电压凹陷和凸起的双向调节，且产生连续的补偿电压；
⑤锁相环节使用广义二阶积分软件锁相环，它不仅能在三相电压不平衡电网中快速准确地获取电网正序分量的频率和相位信息，还可以抑制谐波对系统输出的影响，具有良好的自适应性；
⑥本发明由全控器件IGBT构成，动态响应快，且无需机械开关切换，寿命长；
⑦本发明补偿策略采用了最小能量电压计算方法，通过减少调节装置的有功输出，从而在一定的储能容量下，可以获得更长的补偿时间；
附图说明
图1为本发明的硬件结构示意图；
图2为电网电压升高时的能量流分析示意图；
图3为电网电压下降时的能量流分析示意图；
图4为本发明控制原理框图；
图5为广义二阶积分器生成正交向量算法框图；
图6为本发明使用的单相锁相环数学模型原理图；
图7为本发明使用的最小能量法的补偿向量示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
1、硬件拓扑
如图1所示，本实施例提供一种高性能的双向动态电压调节装置，包括调节主电路和DSP控制电路2，调节主电路连接于电网与负载之间，包括第一PWM变换器103、第二PWM变换器104、串联补偿变压器101和正弦波滤波器102，第一PWM变换器103在DSP控制电路2的控制下实现对电网能量的流入流出控制；第二PWM变换器104通过储能电容Cd与第一PWM变换器103并联，在DSP控制电路2的控制下实现对负载能量的流入流出控制；串联补偿变压器101，其原边连接第一PWM变换器103，副边直接串联在电网中，实现降压和隔离，并在DSP控制电路2的控制下实现负载电压的正向补偿或反向补偿；正弦波滤波器102串联于串联补偿变压器101和负载之间，实现高频脉冲的滤除。
DSP控制电路2包括DSP控制芯片以及分别与DSP控制芯片连接的电压电流采样电路、显示输入电路和保护电路，DSP控制芯片分别连接第一PWM变换器和第二PWM变换器。DSP控制芯片包括与电压电流采样电路连接的AD接口以及分别与第一PWM变换器和第二PWM变换器连接的PWM脉冲发生接口。电压电流采样电路的主要功能是对电网电压瞬时值检测，用于检测电压波动；保护电路主要是过压、欠压、过流等信号的检测，用于保护该装置的功率器件；显示输入电路为外围电路，用于显示和参数设定；DSP控制芯片对采集的电网电压信息进行相位锁定，将锁相环单元获得的相位信息与电网的额定电压幅值相结合生成负载参考电压，并根据实时电网电压生成补偿指令信号，生成控制第一PWM变换器和第二PWM变换器的PWM脉冲。
2、工作原理
上述双向动态电压调节装置的工作原理如下：当输入电压Ui升高，致使输出负载电压偏高时，DSP控制电路根据检测输入电压的变化，控制第一PWM变换器处于整流状态，而第二PWM变换器处于逆变状态，能量流从电网侧经过双PWM变换器流入负载，进而维持输出负载电压不变，如图2所示。此时串联补偿变压器Tr起反向补偿作用；当输入电压Ui跌落，致使输出负载电压偏低时，DSP控制器根据检测输入电压的变化，控制第一PWM变换器处于逆变状态，而第二PWM变换器处于整流状态，能量流从负载侧经过双PWM变换器流入电网，进而维持输出负载电压不变，如图3所示。此时串联补偿变压器Tr起正向补偿作用。由此可知，高性能的可逆调节动态电压调节器通过控制双PWM变换器，使能量在负载和电网之间循环流动，进而保持输出电压不变。
下面对上述双向动态电压调节装置的具体调节过程及能量流进行分析。
假定高性能的双向动态电压调节装置损耗等于零，则市电输入的功率一定等于负载吸收的有功功率，即
Ui·i1＝Uo·i2 (1)
由于双向动态电压调节装置的稳压作用，使Uo＝Ur(Ur是参考电压，即Ur＝220V)，由此可知，Ui·i1＝Ur·i2或i1＝Ur·i2/Ui。
当Ui＞Uo＝Ur时，例如Ui＝Ur(1+15％)时，
由交流稳压器原理可知，当输入电压升高时，需要对输入电压Ui进行负补偿，此时第一PWM变换器处于整流状态，而第二PWM变换器处于逆变状态，在串联补偿变压器Tr次级产生一个负补偿电压ΔU＝-Ur(15％)，如图2所示。此时有Ui-ΔU＝Ur(1+15％)-Ur(15％)＝Ur。与此同时，串联补偿变压器Tr从市电吸收的功率为
ΔU·i1＝ΔU·i2(1-13.1％)＝Ur(15％)·i2(1-13.1％)≈Uri2(13.1％) (3)
变换成电流：
转送到负载，使负载得到的电流为：
i1+i2(13.1％)＝i2(1-13.1％)+i2(13.1％)＝i2 (5)
由式(1)～式(5)可知，在保持输入功率等于输出功率的条件下(假定调压器的损耗等于零)，由于市电电压Ui升高Ur(15％)而使市电输入电流减少的量i2(13.1％)，当市电电压Ui受到高性能的可逆调节动态电压调节器的负补偿而使负载电压Uo＝Ui-ΔU＝Ur(1+15％)-Ur(15％)＝Ur的同时，把由串联补偿变压器Tr从市电电源吸收的功率ΔU·i1＝Ur(15％)·i2(1-13.1％)＝Uri2(13.1％)，变换成电流转送到负载，使负载吸收的电流等于i2(1-13.1％)+i2(13.1％)＝i2(100％)，保证了市电的输入功率等于负载吸收的功率。
当Ui＜Uo＝Ur时，例如Ui＝Ur(1-15％)时，
如上所述，此时第一PWM变换器处于逆变状态，而第二PWM变换器处于整流状态，在串联补偿变压器Tr次级产生一个正补偿电压ΔU＝+Ur(15％)，如图3所示。此时有Ui+ΔU＝Ur(1-15％)+Ur(15％)＝Ur。因此串联补偿变压器Tr补偿到市电电源的功率为
ΔU·i1＝ΔU·i2(1+17.6％)＝Ur(15％)·i2(1+17.6％)≈Uri2(17.6％) (7)
变换成电流：
转送到负载，使负载得到的电流为：
i1-i2(17.6％)＝i2(1+17.6％)-i2(17.6％)＝i2 (9)
这说明，在保持调压器输入功率等于输出功率的条件下(假定稳压器的损耗等于零)，由于市电电压Ui降低Ur(15％)而使市电输入电流增加的量i2(17.6％)，由于受到高性能的可逆调节动态电压调节器的正补偿，使其增加的电流量通过交流稳压器的作用，反馈回电网，维持负载电流i2(1-13.1％)+i2(13.1％)＝i2(100％)不变，从而保证了市电的输入功率等于负载吸收的功率。
3、软件控制部分
上述双向动态电压调节装置的基本控制原理框图如图4所示。
将电网的额定电压幅值作为负载的参考电压幅值，电网电压经采样后，由锁相环锁定相位，该相位与电网的额定电压幅值结合生成负载参考电压。负载参考电压与电网的实时电压的差额部分即是补偿双向动态电压调剂装置的补偿指令电压。软件控制策略为调制波的生成提供所需的电压幅值和相位信息，对逆变器发出指令信号，产生需要的补偿电压，并通过串联变压器补偿到线路中，维持负载电压的稳定。
由此可见，该电压调节装置的控制部分涉及的关键技术有锁相技术和补偿信号的生成。这两项技术的优劣也直接影响到双向动态电压调节器的动态性能。
1)单相锁相环
本发明中的锁相技术采用了基于广义二阶积分算法的单相锁相环。即使用广义二积分的方法来生成正交相量，将三相软件锁相方法用于单相软件锁相环的分析。此方法一种简单实用，具有频率自适应、较低的计算量及其良好的滤波能力，因此对频率波动以及谐波畸变等电能质量问题具有良好的鲁棒性。其生成正交向量的结构框图如图5所示，闭环传递函数被定义如下：
上述公式表明，向量u、qu分别是输入信号经过带通、低通滤波器后得到的向量。其中：比例系数k影响闭环系统传递函数的滤波带宽。通过其伯德图分析得出：相位上qu始终滞后u有90"，与频率w、比例系数k无关，从而解决了延时带来的数据不能够实时性的问题。比例系数k影响系统的动态性能，同时，波形的滤波效果也与比例系数k有关；比例系数k减小时，滤波的带宽变窄，会有很好的滤波效果，但是同时系统的动态性能降低；比例系数k増大时，滤波的带宽变宽,滤波效果变差但系统的动态性能增强。综合比较，最终将比例系数k的值定为化0.6。为了解决电网频率变化对锁相环的影响，可以在广义二阶积分环中引入了电网频率的反馈量，即令频率w为实时电网的频率。
通过上述分析可知，广义二阶积分器构造正交向量，不仅可解决数据不能够实时性的问题，还可对输入积分器的电网电压信号进行滤波和解决锁相环对电网频率依赖性的问题。
由此，单相软件锁相环的数学模型如图6所示。
设电网电压为：
ugrid＝Umcosθ' (12)
经过广义二积分器输出的u、qu分别为u＝Umcosθ'、qu＝Umsinθ'，则经过dq变换后得式：
uq＝Umsinθ'cosθ-Umcosθ'sinθ＝Umsin(θ'-θ) (13)
当锁相环正确锁相后，实际电网电压的相位θ'与锁相输出的相位θ之间的误差较小，则：sin(θ'-θ)≈θ'-θ。于是通过PI调节，使得θ不断逼近θ'，最终达到与电网相位一致。
2)补偿策略
目前关于DVR(Dynamic Voltage Regulator，动态电压调节器)补偿电压的计算方法主要有三种。第一种：完全电压补偿法。要求补偿后电压完全恢复到凹陷前负载电压。该补偿方法的优点是能保证凹陷前后负载电压的连续性，缺点是DVR输出的电压相量和功率不受控制。第二种：最小电压补偿。要求将系统凹陷电压的幅值补偿至额定电压、相位与凹陷电压一致。该方法的优点是补偿电压幅值最小、计算简单。缺点是输出功率不受控制,而且负载电压有相角偏移。第三种:最小能量法，要求补偿后电压幅值达到额定电压幅值。该方法的优点是输出的能量最小。缺点是输出电压比较大，而且负载电压也有相角偏移。与前两种方法相比，最小能量法通过减少DVR的有功输出,从而在一定的储能容量下，可以获得更长的凹陷补偿时间。
由于双向电压调节器是串联在系统和负载之间,所以其电流与负载电流相同，要想改变电压调节器的有功输出，可以改变的只有其输出电压。最小能量法的基本思想就是通过改变输出电压与负载电流的相角，使得输出电压相量与负载电流相量垂直，则调节器输出的有功最小，即为零。最小能量法的补偿向量图如图7所示。
其中是凹陷发生后系统侧电压；是凹陷发生前负荷侧电压；是调节器输出的补偿电压；是调节器最大输出电压；是负载电流；是负载的功率因数角；α为凹陷发生时的相位突变角。
从系统电压、补偿电压、负载电压及负载电流的相量图,可以得到调节器补偿电压方程以及有功输出方程：
PDVR＝PL-PS (15)
式中：PDVR为调节器输出有功；PL为负荷有功；PS为系统输出的有功。
以顶点为圆心，以的幅值为半径做一个圆，简称补偿极限圆；以圆点为圆心，以的幅值为半径做一圆弧，圆和圆弧有两个交点。圆弧BC上不同的点表示了系统电压的不同相位，从圆弧BC任意一点到补偿极限圆圆心的向量就是调节器的补偿电压寻求最小能量补偿的目的就是要在这些补偿向量中选取合适的补偿向量满足控制目标要求。
为了减少调节器的有功输出，在负荷有功PL一定的前提下，增加系统侧的有功输出即可。要想改变系统输出有功PS，可通过改变系统电压与之间的角度。然而系统电压是不可改变的，只有通过旋转负载参考电压的角度，从而使负载电流也旋转同样的角度。为了叙述方便，假设负载参考电压和负载电流不可旋转，相反通过旋转来改变系统侧功率因数角。
如图可知，当的初始运行点处于A点时，系统侧的功率因数角为但由于系统侧发生电压凹陷，系统提供的有功小于负载的有功消耗。因此调节器需要向负载提供两者的有功差额。如果将系统电压顺时针旋转，则在满足调节器输出电压极限的前提下，系统侧的功率因数角可以减小到对应相量图中的B运行点。显然由于功率因数角的减少，系统侧提供的有功增加，对应调节器输出的有功减少。相反将系统电压逆时针旋转到运行点C时，系统侧功率因数角为功率因素角增大，系统提供的有功减少。因此在圆弧BC中可以找到一个最佳的运行点，使得系统提供的有功最大，该运行点对应的补偿电压就是使调节器输出能量最小的补偿电压。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种双向动态电压调节装置，其特征在于，包括调节主电路和DSP控制电路，所述调节主电路连接于电网与负载之间，包括：
第一PWM变换器，在DSP控制电路的控制下实现对电网能量的流入流出控制；
第二PWM变换器，通过储能电容与所述第一PWM变换器并联，在DSP控制电路的控制下实现对负载能量的流入流出控制；
串联补偿变压器，其原边连接第一PWM变换器，副边直接串联在电网中，实现降压和隔离，并在DSP控制电路的控制下实现负载电压的正向补偿或反向补偿；
正弦波滤波器，串联于所述串联补偿变压器和负载之间，实现高频脉冲的滤除；
该装置采用双PWM变换器，构成能量双向流动通道，实现电压波动的双向调节。
2.根据权利要求1所述的双向动态电压调节装置，其特征在于，所述DSP控制电路包括DSP控制芯片以及分别与DSP控制芯片连接的电压电流采样电路、显示输入电路和保护电路，所述DSP控制芯片分别连接第一PWM变换器和第二PWM变换器。
3.根据权利要求2所述的双向动态电压调节装置，其特征在于，所述DSP控制芯片包括与电压电流采样电路连接的AD接口以及分别与第一PWM变换器和第二PWM变换器连接的PWM脉冲发生接口。
4.根据权利要求2所述的双向动态电压调节装置，其特征在于，该装置集成有软件控制部分，所述软件控制部分包括：
锁相环单元，用于对采集的电网电压信息进行相位锁定；
补偿信号生成单元，用于将锁相环单元获得的相位信息与电网的额定电压幅值相结合生成负载参考电压，并根据采样得到的实时电网电压生成补偿指令信号；
脉冲生成单元，用于根据所述补偿指令信号生成控制第一PWM变换器和第二PWM变换器的PWM脉冲。
5.根据权利要求4所述的双向动态电压调节装置，其特征在于，所述锁相环单元采用基于广义二阶积分算法的单相锁相环进行相位锁定。
6.根据权利要求4所述的双向动态电压调节装置，其特征在于，所述补偿信号生成单元采用的电压补偿策略为最小能量法。
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