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：論文提出并研究了基于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）的系統設計方案，闡述了各個組成部分的工作原理，并針對某企業6kV系統電壓暫降問題的解決方案完成了裝置主電路參數和控制電路的功能設計，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
現今的精密制造設備、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)的差別在于短時斷電時負載一般與供電系統完全斷開，而電壓暫降發生時負載仍與電源連接，對某些工業用戶而言，兩者均會造成設備停機，所產生的結果是相同的，但是電壓暫降發生的機率遠高于斷電會發生的機率。調查顯示：在所有配電系統事故中，電壓暫降占了70％－80％；而在輸電系統事故中，電壓暫降所占的比例超過了96％。目前在歐美各國對電壓暫降的關注程度比其它有關電能質量問題的關注程度要大得多，其中一個重要的因素是在電能質量的諸多原因中，由電壓暫降引起的用戶投訴占整個電能質量問題的80％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、用戶及制造廠商的關注。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，必須采用特定的定制電力設備。動態電壓調節器（DVR）是一種靜態串聯補償器。當系統側電壓偏離了一定的范圍，DVR將迅速動作，以補償電源電壓的偏差，快速跟蹤并恢復負荷側的電壓波形，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制電力技術的專題研究，并陸續推出了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研究開發示范方面的情況。
表1 DVR開發研制情況（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，針對中壓系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系統設計及仿真研究對DVR高壓大容量方面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，長度約一公里。總變電室兩臺主變，均為8000kVA，有載調壓，二次電壓為6kV，單母分段。正常負荷時為單臺變壓器運行，夏季高峰負荷時，兩臺變壓器運行。冬季負荷6000～6500kW，夏季負荷7000～7500kW。
對于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，就等同于一次停電，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，兩臺變壓器運行考慮，每臺變壓器帶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將電壓恢復到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，針對該企業的系統和負荷狀況，設計安裝的DVR容量為2MVA/臺×2臺，分別安裝于系統的6kV側。

2.主電路拓撲
目前動態電壓調節器的主電路結構有所不同，不同的主電路結構會有不同的補償效果和性價比。可用在高壓大容量領域的實用拓撲結構為：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，器件參數選擇余地較小。在線處理電容電壓不平衡、窄脈沖消除等問題使得控制變得很復雜。同時，系統的冗余設計、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、效率高的優點，它作為一種新型的高壓大功率變換器，從電路拓撲結構入手，在得到高質量的輸出波形的同時，克服了二電平電路的諸多缺點：無需動態均壓電路，開關頻率低，因而開關器件應力小，系統效率高等。
二極管箝位型和級聯型多電平拓撲的應用較為廣泛，其中二極管型適用于3～5電平的應用場合，當電平數超過5時，該電路的結構和控制變得非常復雜，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制的復雜化。研究表明，基于級聯多電平拓撲的DVR在系統可靠性、器件選型、控制復雜程度、總體效率等方面比其他拓撲具有更全面的優勢。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。由于采用級聯結構，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，有利于節省成本、減少占地面積以及提高系統可靠性，同時，模塊的級聯使得在不提高器件開關頻率的條件下，大大提高了裝置等效開關頻率，簡化了濾波器設計，降低了損耗。這些是DVR采用級聯主電路結構的突出優點。
由上述工程背景可得，系統線電壓（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冗余，則采用的DVR裝置每相由6個級聯逆變單元構成。

3.控制算法
DVR控制算法由3部分組成，分別為電壓暫降檢測、指令電壓生成、底層PWM控制。電壓暫降檢測采用d-q變換，檢測系統電壓矢量的變化量，與給定值比較，超出誤差范圍，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]作為底層調制方式，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，不考慮電容電壓控制條件下，當直流母線電壓在408～500V之間變化時，通過控制PWM調制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，只有5個單元運行，因此式（5）中每相的乘數取5。

5.濾波器設計
雖然級聯多電平結構逆變器等效開關頻率很高，輸出電壓含有的較低次的高次諧波很小，然而在等效開關頻率附近仍然分布著大量高次諧波，如不濾除，將增大DVR輸出電壓波形的總諧波畸變率（THD）。
圖1中DVR輸出側配置的無源濾波器可以起到很好的濾除高次諧波的效果，其固有諧振頻率必須遠大于工頻頻率，同時遠小于需要濾除的高次諧波頻率。不過考慮到系統正常工作時，電源側電壓不能損失過大，濾波電抗要盡量減小，而過大的濾波電容會顯著增大逆變器的額定容量。設計中要對照濾波效果仔細分析，折衷取值。DVR輸出電路兩側放置濾波電抗的目的是限制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制在5％相電壓范圍內，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的系統設計中需考慮逆變器散熱的設計，因此，必須準確估算其損耗，為散熱裝置的設計提供依據。對于這種級聯多電平結構，先分析一個模塊中各器件的損耗，進而得到整個裝置的損耗。表2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 系統等值
等值系統如圖3所示。電源系統為無窮大系統，線路側發生單相接地故障，由于變壓器為Y/接線，低壓側發生無零序分量的電壓跌落，電壓波形中只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 基于載波移相SPWM的底層調制


圖4所示為基于EMTDC/PSCAD仿真軟件的6單元級聯多電平DVR在載波移相SPWM調制下的仿真波形。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。系統電壓正常時，DVR裝置處于旁路狀態，不輸出補償電壓。 在系統發生電壓暫降后，DVR裝置檢測出暫降，并在較短時間內將負荷端電壓補償至額定值。不過，由于未加濾波器，負荷側電壓的高次諧波含量較高。


7.4 諧波抑制
雖然級聯多電平結構逆變器等效開關頻率很高，輸出電壓含有的較低次的高次諧波很小，然而在等效開關頻率附近仍然分布著大量高次諧波，如不濾除，將增大DVR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。設置濾波器后的仿真結果及諧波分析見圖6（只取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等定制電力設備。
（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的系統設計及參數計算。
（4）通過基于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。yzd@ncepubj.edu.cn