一种串联电容耦合型动态电压恢复器及其控制方法与流程

本发明属于电力电子控制技术领域，涉及一种串联电容耦合型动态电压恢复器及其控制方法。

背景技术：

随着微电网的快速发展以及大量的精密仪器和敏感设备被广泛应用，越来越多的电能质量问题逐渐突显出来，而其中的电压跌落问题便是影响电力负荷稳定运行的最主要问题之一。动态电压恢复器(dynamicvoltagerestorer，dvr)凭借其运行效率高、可靠性高和快速性好等优势，成为目前解决电力系统中电压跌落问题最为经济、有效的动态补偿装置。在补偿电网电压跌落时，动态电压恢复器输出电压的大小与pwm逆变器的整体容量有关，即需要输出的补偿电压越大，pwm逆变器的容量也就需要随之增大，进而增加了设备的运行成本和功率损耗。动态电压恢复器的电压补偿策略主要有同相电压补偿、完全电压补偿以及最小能量补偿三种，为了实现动态电压恢复器有功注入的最小化，充分有效地利用直流侧储能设备，延长补偿时间，最小能量补偿方法得到广泛关注。虽然动态电压恢复器采用最小能量补偿策略时可一定程度上降低有功需求，延长补偿时间，增大补偿能力，但不可避免的带来动态电压恢复器输出电压幅值增大的问题。如何在降低补偿过程有功需求的同时，降低输出电压等级，从而有效降低装置整体容量，值得深入研究与探讨。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明提供一种串联电容耦合型动态电压恢复器，解决了现有技术中存在的动态电压恢复器采用最小能量补偿策略时带来动态电压恢复器输出电压幅值增大的问题。

本发明的另一目的是提供一种上述动态电压恢复器的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种串联电容耦合型动态电压恢复器，其特征在于，由全控器件构成的pwm逆变器、直流侧储能电容cdc、lc输出滤波器、串联变压器t以及串联耦合电容c构成。

进一步的，所述lc输出滤波器由滤波电感lf和滤波电容cf构成。

进一步的，所述pwm逆变器由4个全控型器件igbt和4个续流二极管构成。

进一步的，所述直流侧储能电容cdc安装在pwm逆变器直流侧，lc输出滤波器安装在pwm逆变器交流侧；直流侧储能电容cdc正极和第1个igbt的集电极相连，直流侧储能电容cdc负极和第3个igbt的发射极相连，lc输出滤波器一端与第1个igbt的发射极相连，lc输出滤波器另一端与第4个igbt的集电极相连。

进一步的，所述串联耦合电容c串联安装在滤波电容cf和串联变压器t之间。

进一步的，所述串联变压器t将所述串联电容耦合型动态电压恢复器与电网相连，并使用一个旁路开关k和串联变压器t一次侧并联。

本发明的另一技术方案是，一种串联电容耦合型动态电压恢复器的控制方法：检测电网电压us，若dsag≥0.9，dsag为电网电压跌落因子，则不需要进行电压补偿，旁路开关k闭合，串联电容耦合型动态电压恢复器工作在备用状态；若dsag＜0.9，即电网电压发生跌落，需要进行电压补偿，旁路开关k断开，串联电容耦合型动态电压恢复器正常工作，向电网注入相应的补偿电压，以维持负荷侧电压幅值的稳定。

进一步的，所述补偿电压按以下方法确定：

步骤s1，在检测到电网电压发生跌落后，串联电容耦合型动态电压恢复器的指令电压计算环节可以计算出串联电容耦合型动态电压恢复器所需注入电网的补偿电压的指令值u^*dvr；

步骤s2，对串联电容耦合型动态电压恢复器输出的补偿电压进行电压电流双闭环控制：将参考补偿电压指令值u^*dvr与串联电容耦合型动态电压恢复器注入补偿电压udvr作差，然后将这一差值送入电压外环pi控制器，通过与外环比例积分参数kp1和ki1运算得到调节信号ir，接着将电压外环pi控制器得到的调节信号ir作为电流内环pi控制器的参考指令信号与滤波电感lf的滤波电感电流ilf作差，再把得到的差值输入电流内环pi控制器，通过与内环的比例积分参数kp2和ki2运算得到相应的调节信号；

步骤s3，将得到的调节信号送入驱动电路产生相应的驱动信号控制pwm逆变器，从而使得串联电容耦合型动态电压恢复器产生所需的补偿电压。

进一步的，在串联电容耦合型动态电压恢复器输出补偿电压期间，为保证在负荷发生波动时pwm逆变器输出电压不超出其输出极限电压值uinv-max，需要检测pwm逆变器输出电压uinv的大小，若uinv≤uinv-max，则表示pwm逆变器输出电压未超出其输出极限电压值，串联电容耦合型动态电压恢复器可安全稳定运行，无需进行角度调节，得到补偿电压的指令值u^*dvr＝udvr；若uinv＞uinv-max，则表示pwm逆变器输出电压超出了其输出极限电压值，为保证装置的安全稳定运行，需要对负载电压ul进行角度为δ的调节，通过调节角度δ的大小，可以改变补偿电压的大小和相位，并经过调整计算得到补偿电压的指令值u^*dvr＝udvr′，udvr′为调整后串联电容耦合型动态电压恢复器注入补偿电压大小，从而最终使得pwm逆变器输出电压满足其极限电压要求。

进一步的，所述通过调节角度δ的大小，可以改变补偿电压大小和相位的方法为：

这里，pwm逆变器输出电压uinv满足条件

uinv≤m·udc(1)

于是可以得到pwm逆变器可输出的极限电压值为uinv-max＝m·udc；

根据和之间的关系，δ可以由以下公式推导出来

ulcc＝(1/ωc-ωlf)·il(2)

在确定了调节角度δ之后，可以得到调整后动态电压恢复器注入补偿电压的大小为

进一步地，可以得到和的夹角γ为

由此可得，调整后的补偿电压相位为

其中，公式(3)中的c为电容值，m为调制比、udc为pwm逆变器的直流侧电压、为故障期间电网电压、为负载电压、为调整后的负载电压、il为串联耦合电容c上的电流、ω＝2πf，f为基波频率等于50hz、ω为角速度、为串联耦合电容c上电压与滤波电感lf上电压之和(即头上带点的表示向量，这里的和都表示向量)、ulcc表示向量的幅值大小、α为与的向量夹角、α'为调整后的补偿电压相位、为功率因数角、γ为和的夹角、为动态电压恢复器注入补偿电压、为调整后的动态电压恢复器注入补偿电压。

本发明的有益效果是：本发明在同等系统参数环境下，由于串联耦合电容c的存在，通过合理设计串联耦合电容c上电压的大小，可以减少pwm逆变器输出电压又由于pwm逆变器输出电压的降低，从而可以在串联耦合电容c后实现pwm逆变器容量以及直流侧电压等级的降低，同时降低设备成本和系统损耗。本发明在同等工况下，采用最小能量补偿策略时，串联电容耦合型动态电压恢复器pwm逆变器输出电压的基波有效值不仅要比传统动态电压恢复器低的多，同时也比采用同相补偿策略时的传统动态电压恢复器低。通过调节角度的大小，可以改变补偿电压的大小和相位，从而最终使得pwm逆变器输出电压满足其极限电压要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是串联电容耦合型动态电压恢复器的拓扑结构图；

图2是串联电容耦合型动态电压恢复器的系统等效电路图；

图3a是串联电容耦合型动态电压恢复器采用纯无功补偿策略时的工作矢量图；

图3b是串联电容耦合型动态电压恢复器采用临界补偿策略时的工作矢量图；

图3c是串联电容耦合型动态电压恢复器采用最小有功补偿策略时的工作矢量图；

图4是不同工况下的pwm逆变器输出电压对比图；

图5a是负载电流减少时串联电容耦合型动态电压恢复器的工作矢量图；

图5b是功率因数角变化时串联电容耦合型动态电压恢复器的工作矢量图；

图6是串联电容耦合型动态电压恢复器的系统控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种串联电容耦合型动态电压恢复器，由全控器件构成的pwm逆变器、直流侧储能电容cdc、lc输出滤波器、串联变压器t以及串联耦合电容c构成。

所述lc输出滤波器由滤波电感lf和滤波电容cf构成。所述pwm逆变器由4个全控型器件igbt和4个续流二极管构成。所述直流侧储能电容cdc安装在pwm逆变器直流侧，lc输出滤波器安装在pwm逆变器交流侧；直流侧储能电容cdc正极和第1个igbt的集电极相连，直流侧储能电容cdc负极和第3个igbt的发射极相连，lc输出滤波器一端与第1个igbt的发射极相连，lc输出滤波器另一端与第4个igbt的集电极相连。所述串联耦合电容c串联安装在滤波电容cf和串联变压器t之间。所述串联变压器t将所述串联电容耦合型动态电压恢复器与电网相连，并使用一个旁路开关k和串联变压器t一次侧并联。

一种串联电容耦合型动态电压恢复器的控制方法，按以下方法控制：检测电网电压us，若dsag≥0.9，dsag为电网电压跌落因子，则不需要进行电压补偿，旁路开关k闭合，串联电容耦合型动态电压恢复器工作在备用状态；若dsag＜0.9，即电网电压发生跌落，需要进行电压补偿，旁路开关k断开，串联电容耦合型动态电压恢复器正常工作，向电网注入相应的补偿电压，以维持负荷侧电压幅值的稳定。

所述补偿电压按以下方法确定：

步骤s1，在检测到电网电压发生跌落后，串联电容耦合型动态电压恢复器的指令电压计算环节可以计算出串联电容耦合型动态电压恢复器所需注入电网的补偿电压的指令值u^*dvr；

步骤s2，对串联电容耦合型动态电压恢复器输出的补偿电压进行电压电流双闭环控制：将参考补偿电压指令值u^*dvr与串联电容耦合型动态电压恢复器注入补偿电压udvr作差，然后将这一差值送入电压外环pi控制器，通过与外环比例积分参数kp1和ki1运算得到调节信号ir，接着将电压外环pi控制器得到的调节信号ir作为电流内环pi控制器的参考指令信号与滤波电感lf的滤波电感电流ilf作差，再把得到的差值输入电流内环pi控制器，通过与内环的比例积分参数kp2和ki2运算得到相应的调节信号；电压外环控制器和电流内环控制器并非实际电路结构中的一部分，而是用于介绍控制策略的一个专业术语，属于现有技术，不做赘述；

步骤s3，将得到的调节信号送入驱动电路产生相应的驱动信号控制pwm逆变器，从而使得串联电容耦合型动态电压恢复器产生所需的补偿电压。

在串联电容耦合型动态电压恢复器输出补偿电压期间，为保证在负荷发生波动时pwm逆变器输出电压不超出其输出极限电压值uinv-max，需要检测pwm逆变器输出电压uinv的大小，若uinv≤uinv-max，则表示pwm逆变器输出电压未超出其输出极限电压值，串联电容耦合型动态电压恢复器可安全稳定运行，无需进行角度调节，得到补偿电压的指令值u^*dvr＝udvr，udvr为串联电容耦合型动态电压恢复器注入补偿电压；若uinv＞uinv-max，则表示pwm逆变器输出电压超出了其输出极限电压值，为保证装置的安全稳定运行，需要对负载电压ul进行角度为δ的调节，通过调节角度δ的大小，可以改变补偿电压的大小和相位，并经过调整计算得到补偿电压的指令值u^*dvr＝udvr′，udvr′为调整后串联电容耦合型动态电压恢复器注入补偿电压大小，从而最终使得pwm逆变器输出电压满足其极限电压要求。

所述通过调节角度δ的大小，可以改变补偿电压大小和相位的方法为：

这里，pwm逆变器输出电压uinv满足条件

uinv≤m·udc(1)

于是可以得到pwm逆变器可输出的极限电压值为uinv-max＝m·udc；

根据和之间的关系，δ可以由以下公式推导出来

ulcc＝(1/ωc-ωlf)·il(2)

在确定了调节角度δ之后，可以得到调整后动态电压恢复器注入补偿电压的大小为

进一步地，可以得到和的夹角γ为

由此可得，调整后的补偿电压相位为

由式(5)、(6)可知，通过调节角度δ的大小，可以改变补偿电压的大小和相位，从而最终使得pwm逆变器输出电压满足其极限电压要求。

图1为本发明提出的一种串联电容耦合型动态电压恢复器。该结构是由全控器件构成的pwm逆变器、直流侧储能电容cdc、lc输出滤波器、串联变压器t以及串联耦合电容c构成。直流侧储能电容cdc为串联电容耦合型动态电压恢复器补偿电压提供能量支撑；lc输出滤波器对pwm逆变器输出进行滤波，使补偿电压的谐波含量达到要求；串联耦合电容c串联安装在滤波电容cf和串联变压器t之间，其能够提供一个增加了一个滞后负载电流90°的电压uc，使得串联电容耦合型动态电压恢复器在采用最小能量补偿策略时，能够显著的降低pwm逆变器的输出电压，从而有效地降低pwm逆变器的容量以及直流侧电压等级，并且还可以承担一部分容性无功功率，与专利cn201410499807.4中的结构有本质区别，且该专利无法实现本发明在采用最小能量补偿策略时能够显著的降低pwm逆变器输出电压这一功能；串联变压器t将串联电容耦合型动态电压恢复器输出的补偿电压耦合到电网中。

其中：lc输出滤波器由滤波电感lf和滤波电容cf构成，由于串联耦合电容c的设计并不会影响其滤波效果，并可以增大高频谐振的衰减能力，从而更好地对pwm逆变器输出进行滤波，使串联电容耦合型动态电压恢复器输出补偿电压的电能质量达到要求；pwm逆变器由4个全控型器件igbt和4个续流二极管构成，将直流侧电压逆变成所需的交流电压，由于串联耦合电容c的加入，使得串联电容耦合型动态电压恢复器在采用最小能量补偿策略时，pwm逆变器可以选择较小的容量和直流侧电压；直流侧储能电容cdc安装在pwm逆变器直流侧，为串联电容耦合型动态电压恢复器补偿电压提供能量支撑，支持串联电容耦合型动态电压恢复器的正常工作；串联变压器t将串联电容耦合型动态电压恢复器与电网相连，把串联电容耦合型动态电压恢复器输出的补偿电压耦合到电网中。

图2中，ul为滤波电感上的电压，uc为串联耦合电容c上的电压，zl为负载等效阻抗。

图3中，根据电网电压跌落深度的不同，串联电容耦合型动态电压恢复器工作在三种不同的模式下，包括：纯无功补偿图3a、临界补偿图3b以及最小有功补偿图3c。

其中，为负载电压，为负载电流，为故障期间电网电压，为动态电压恢复器注入补偿电压，为串联耦合电容c上的电压，为滤波电感lf上的电压，为串联电容耦合型动态电压恢复器的pwm逆变器输出电压，为功率因数角，α为与的夹角，θ为和的夹角，β为和的夹角。

设额定电网电压为usref，电网电压跌落因子为：

dsag＝us/usref(1-1)

则故障期间电网电压为：

us＝dsagusref(1-2)

串联电容耦合型动态电压恢复器注入补偿电压的大小和角度分别为：

其中，

由此可得，串联电容耦合型动态电压恢复器的pwm逆变器输出电压为

其中，ω＝2πf，f为基波频率等于50hz，ω为角速度。

由式(1-5)可见，在同等系统参数环境下，由于串联耦合电容c的存在，通过合理设计的大小，可以减少pwm逆变器输出电压又由于pwm逆变器输出电压的降低，从而可以在串联耦合电容c后实现pwm逆变器容量以及直流侧电压等级的降低，同时降低设备成本和系统损耗。

图4中，带三角的折线表示传统动态电压恢复器动态电压恢复器采用最小能量补偿策略时的pwm逆变器输出电压，带圆点折线表示传统动态电压恢复器采用同相补偿策略时的pwm逆变器输出电压，带正方形折线表示串联电容耦合型动态电压恢复器采用最小能量补偿策略时的pwm逆变器输出电压。这里，分别给出了电网电压幅值跌落10％至50％工况时，上述三种情况下pwm逆变器输出电压的基波有效值。通过对比可以看出，同等工况下，采用最小能量补偿策略时，串联电容耦合型动态电压恢复器pwm逆变器输出电压的基波有效值不仅要比传统动态电压恢复器低的多，同时也比采用同相补偿策略时的传统动态电压恢复器低，这直接验证了本发明所提出的串联电容耦合型动态电压恢复器的优越性。

图5a和图5b中，δ为调节角度，为串联耦合电容c上电压与滤波电感lf上电压之和，为调整后的负载电压，为调整后的动态电压恢复器注入补偿电压，α'为调整后的补偿电压相位，γ为和的夹角，为pwm逆变器输出电压的极限值。

负荷波动可能会使得pwm逆变器输出电压超出其输出极限电压值，此时需要进行相应的角度调节，以保证pwm逆变器输出电压在其极限范围之内，并且使得串联电容耦合型动态电压恢复器工作于输出能力范围内的最小能量补偿状态。

这里，pwm逆变器输出电压uinv满足条件

uinv≤m·udc(1)

式(1)中，m为调制比，udc为pwm逆变器的直流侧电压。于是可以得到pwm逆变器可输出的极限电压值为uinv-max＝m·udc。

根据和之间的关系，δ可以由以下公式推导出来

ulcc＝(1/ωc-ωlf)·il(2)

在确定了调节角度δ之后，可以得到调整后的补偿电压大小为

进一步地，可以得到和的夹角γ为

由此可得，调整后的补偿电压相位为

由式(5)、(6)可知，通过调节角度δ的大小，可以改变补偿电压的大小和相位，从而最终使得pwm逆变器输出电压满足其极限电压要求。

图6中，il为串联耦合电容c上的电流；kpwm为pwm逆变器等效增益，为了简化分析这里取kpwm为1，s表示频域中的微分运算，1/s表示频域中的积分运算。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。