基于PWM AC-AC变换的电压补偿器设计

研究表明配电系统中90％以上的扰动都是由电压降低引起的，常用的低压补偿技术无论是变电站的集中补偿、用户的分散补偿，还是杆上补偿，基本上都是采用成组电容器／电感等能量存储设备，造价都比较高。

本文介绍配电系统中针对重要用户的一种新型电压补偿器，即在用户自耦变压器中加装PWM AC-AC变换器，通过换流技术来驱动AC-AC变换器。当扰动发生使得电压降低时，本装置能提升电压，保持负荷端电压为额定值。在设计中没有使用诸如成组电容器／电感等这些储能元件，造价低且响应速度快。

1 设计方案

图1所示为本设计方案的单相结构图。对电压的补偿是通过迭加电压Vc来实现的，而Vc由PWM AC-AC变换器模块提供。当系统正常运行时，PWM AC-AC变换器的电子开关作为旁路开关，给电压提供一个通路，将电压Vs直接加到负荷上。此时，电压Vc为O。当电源电压Vs出现扰动时，PWM斩波电路以高频闭合，产生适当的电压Vc迭加到电源电压上以维持负荷电压恒定。而当电源侧电压恢复正常时，斩波电路又回到旁路方式。



2 理论分析

根据图1可得如下负荷电压表达式：



其中：Vs为电源电压；Vc为提供的补偿电压。

注意在正常工作状况下Uc等于O，因而Vload=Vs。

出于控制的目的，将要求的负荷电压用恒值Vref表示。正常工作状况下，Vs和Vload均为Vref。

而当电源电压降低时，Vs改变为下值：



其中：n为电压幅值降低的标幺值。图2所示为Vload，Vs，Vc三个电压之间的相量关系。同时，电压Vc是电压VL和斩波电路负载率的函数，即：



其中：Vs为电源电压归算到变压器原边的值；VL=VsN2／N1；D为变换器的负载率；N2／N1为变压器绕组的匝数比。则式(1)可改写为：



由式(4)知，当保持Vload=Vref时，D值可由下式求得：



显然，D值最大取1。因而，本设计所能提供的最大补偿度由如下电压扰动的幅值相对值决定：



由式(6)可知，当匝数比N2／N1为1时，电压补偿度可达50％，这种方式可在实际中采用，因为当匝数比增加到2时，补偿度又增加了16．66％。



3 电路实现

电压补偿控制模块如图3所示，根据系统控制对象的特点，从模块化及数字化的角度出发，选取数字化控制芯片TMS320LF2407，设计基于DSP的PWM实现方式。



PWM AC-AC变换器的拓扑结构如图4所示。变换器输出电压Vc由式(3)给出。图4所示的变换器由4个IGBT(S1a，S1b，S2a，S2b)组成，通过操作开关S1a，S1b，S2a，S2b的开／关方式，可使变换器在正确操作时输出电压Vc与Vs同相。当电网电压正常时，开关S1a，S1b保持闭合，S2a，S2b保持开断，因而变换器输出电压Vc为0，负荷电压VL等于Vs。这种操作方式称为旁路方式，此时电源功率直接传输给用户，自耦变压器处于开路状态(即只吸收励磁电流)。而当电网电压降低时，变换器的开关S1(S1a，S1b)和S2(S2a，S2b)按(5)式所示的负载周期D动作，此时的负荷电压VL就等于Vc+Vs。



IGBT元件是通过合适的门信号方式驱动，这种控制技术可有效地降低开关时的损耗，省去缓冲电路。图4所示的电路可使传统的IGBT模块在变换器中得到广泛应用。图1所示的设计方案(单相)可推广到三相系统(无论有无中性点)，如图5所示。通过各个PWM变换器模块，各相可独立控制。



4 结 语

在正常工作状况下，PWM变换器工作在旁路方式，电源功率直接传输给负荷，自耦变压器只吸收励磁电流。而当电压降低时，变换器将电压Vc迭加(补偿)上去，同时通过自耦变压器增加一定的输出功率。所以在本设计中变压器的选择主要取决于暂态过程中功率变化的能力。本装置能很方便地集成到对重要负荷供电的配电变压器中。选用图4所示的变换器，在各种不同的电压降落下来验证三相系统的情况。当一个配电网络电源单相电压或者三相电压均发生了30％的降低，在加了补偿后可维持负荷电压保持恒定。