动态电压恢复器系统拓扑结构的一个详细的比较

动态电压恢复器系统拓扑结构的一个详细的比较
摘要—在本文中，动态电压恢复器（DVR）四种不同的系统拓扑结构进行了分析和测试，特别是用于在电压下降获得必要的能量的方法。

比较两种拓扑结构，可以用最少的能量存储实现，能量在电网电压跌落使获得，两个拓扑结构在电压骤降时从能量存储装置获得。

使用10千伏安DVR表明没有能量存储概念是可行的实验测试，但是一定的电压骤降使用存储的能量的拓扑结构改进的性能可以实现。

这种比较的结果是使在负载侧无源并联转换器的没有存储的拓扑结构的排名第一，其次是带有一个恒定的直流母线电压的储存能量的拓扑结。

关键词—控制、动态电压恢复器（DVR）、中等电压源换流器、电能质量、电压降落
1、引言
电压下落在电网是几乎不可能避免的，由于故障的有限清除时间，这些故障引起电压下降和并使降落从输电和配电系统到低压负荷传播。

电网的电压暂降和中断的理论在是[ 1 ]中彻底描述。

电压降落是在生产厂和用户端设备引起故障的常见原因。

特别是，在生产线的设备跳闸导致生产中断，生产成本损失巨大。

解决这个问题的一个方法是使设备本身更抗电压下降，也能通过智能控制或在设备储存的能源。

另一个解决方案，不是修改在一个工厂每个组件对电压骤降的抵抗性，而是对长时间的电源中断工厂安装一个不间断电源（UPS）系统或对短期下降安装动态电压恢复器（DVR）缓解电压骤降。

DVR可以消除大部分的电压下落，并减少深度下落时引起负荷跳闸的风险，但他们的主要缺点是其待机损耗，设备成本高，对下游短路保护费用。

图1 电压降落的起因（a）电路图(b)矢量图
近年来,许多使用DVRde 解决方案和问题已出版.DVR的工业上的例子在[ 2 ] [ 4 ]，而与DVR未来可能的问题在[ 6 ]讨论。

在[ 7 ]，对不同类型的电压骤降不同的控制方法进行了分析，而[ 8 ]包括能量优化控制。

在[ 9 ]中DVR原型在中等电压等级下实际电网故障状态下的操作。

在[ 10 ]和[ 11 ]，提出了基于DVR作为谐波补偿器的不同的控制方法。

然而，讨论和比较不同配置DVR的工作还没有提出来。

这是本文的重点。

本文首先提出了DVR的基本系统的拓扑结构和它们功率和电压的等级比较。

其次，描述了一个实验系统，以及不同的配置下的性能结果示。

最后，对DVR的拓扑结构进行研究，在成本，复杂性和性能方面进行比较。

2、电压骤降
电压降落通常是通过短路电流引起的，然后导致在传输或配电线路的故障。

这在图1的简化网格模型显示（a），其中在公共耦合点（PCC）电压下降时的降落幅值和故障相电压是由故障和使用电源阻抗方程决定的：
图2 动态电压恢复器的工作原理
电压在PCC处的降落
电源电压
电源阻抗
在故障线路阻抗
不同于故障前电压，如图1所示的相量形式（b）,数学表达式为
应当指出的是，无论是幅度变化和相位跳变可能会遇到的电压降落的部分。

一个DVR的工作原理是在与电源系列注入电压补偿电压骤
降和保持原状的负载电压，如图2所示。

电压降落持续时间取决于故障的类型和位置，但通常是与用于网格系统的保护系统有关。

电压骤降是可对称或非对称。

然而，大多数的电压骤降是不对称的，如确定在近年来电力科学研究院（EPRI）调查[ 12 ]。

下跌可能产生的：三相故障，三相接地故障，两相，两相接地故障，单相故障。

更多的细节可以在[ 13 ]找到。

不同降落类型对基本DVR的设计有
影响，但对不同的系统拓扑结构的DVR的评级主要问题是电压降落的深度和持续时间，为我们将进行讨论。

三、DVR系统拓扑结构
从概念上讲，DVR维持在额定负载供电电压。

本文所考虑的系统都是三相有功功率。

比较目的，它是假定有一个高功率负载因子和无源转换器仅吸收有功功率。

在电压骤降，该DVR注入电压恢复供电电压。

在这种模式下的DVR与周边系统交换有功功率。

如果从DVR 的有功功率供给到负载，它需要一个能量源。

两种类型的系统在这里被考虑，一个使用能量存储，另一种不具有内部能量存储。

存储的能量可以从不同的能量存储系统获得，如电池，飞轮，超级电容器提供，或磁能量存储（SMES）。

对于没有存储拓扑的DVR，实质上没有内部的能量存储容量，相反能量是从故障的电网供电。

图3 没有能量储存的DVR和供应侧连接的转换器（系统1）
图4 没有能量存储的DVR和负载侧连接的并联变换器（系统2）
图5 有能量存储DVR和可变的直流母线电压（系统3）
图6 有能源储存的DVR和恒定的直流母线电压（系统4）四种DVR的拓扑结构，如下
A.无储能拓扑
系统1 能量是从输入电源通过一个无源并联变换器连接到电源侧（见图3）
系统2 能量是从输入电源通过一个无源变换器器连接到负载侧（见图4）
B.储能拓扑
系统3 存储的能量在直流母线和一个可变的直流母线电压（见图5）
系统4 存储的能量供给到可控的直流链路的任意类型，其电压可保持不变（见图6）这些拓扑结构具有不同的性能，复杂性，成本和控制结构，如现在将分析。

值得注意的是，在这种分析中，电压跌落系数定义为
其中为额定电压。

C. 没有能量存储的DVR拓扑结构
DVR没有储能的拓扑结构，由于在电源电压的很大一部分仍然存在降落，这剩余的供应可以提供所需的保持满负荷功率在额定电压升压能量。

然而，该拓扑结构的缺点，从线路的故障吸收更多电流，因此上游荷载将看到一个更高的电压降。

另一方面，一个节约是由能量存储系统获得的，并有能力存在较长的降落补偿。

特别是，在DVR是连接到一个大电网
的地方，以加载必要的功率可以很容易地通过增加电流并联转换器与串联变换器供应注入失踪的电压。

一个无源并联变换器的使用是因为只有单向功率流是必要的，它是假定一个廉价的解决方案。

两个基本的拓扑结构可以使用，根据并联变换器的位置分在这里。

1）系统1-供应侧连接并联变换器：供应侧连接的无源转换器，如图3所示，有一个无法控制的直流母线电压，无源转换器将直流母线电容器充电到实际供应电压状态。

直流母线电压近似等于电源电压的相电压峰值，因此，直流母线电压下降与电压降落成比例，根据
其中和是直流母线电压和电源电压，分别是标幺值。

对于并联和串联变换器电压最大值，可以表示为
而被转换处理的最大电流给出了
因此，该转换器的最大额定功率给定为
应该指出的是，两个转换器的额定功率是不平等的，因为由串联转换器处理的功率是对失踪的电压成正比，而并联变换器的最大电压和负载电流不同时发生，因为在输入电压减少发生严重下落时并联变换器电流显著提高。

例如，如果电源电压降至0.3，额定负载时通过串联变换器电流将为1，而是通过并联变换器的电流为2.33。

因此，为了弥补深的电压骤降的能力是有限，在拓扑中的直流母线电压跟随线电压下降，可用补偿电压变得有限。

2）系统2-负载侧连接并联变换器:与负载侧连接的并联变换器，如图4所示，对并联变换器输入电压被控制（在串联转换器的限制下）和直流母线电压可以由足够的注入电压
几乎不变。

因此，
对于并联和串联变换器的最大电压仍然由下式给出
但是，该串联转换器的最大额定电流的增加。

因为它也供应电流给并联变换器和负荷。

因此，
因此，该串联转换器的额定功率的增加至并联变换器的，由下式给出了
这种拓扑结构用串联变换处理更大的电流是不利的。

例如，如果电源电压降至0.3，在额定负载下，通过串联变换器的电流为3.33，通过并联变换器2.33。

此外，负荷可由非线性电流由被动拉扰并联变换器。

然而，一个DVR使用这种电路拓扑结构可以是并联变换器设计的一个有效的解决方案，因为直流母线电压可以保持恒定。

D.储能拓扑
存储电能是昂贵的，但对某些类型的DVR的电压下降的性能可以得到改善，在电网压力会较低。

是在这里两种方法被考虑，在两个电网电流在电压骤降期间是不变的。

1）系统3-变化的直流母线电压，直流母线电容器中存储能量：能量储存在直流母线电容器，如图5所示是DVR的一个适合的解决方案。

一个简单的拓扑结构可以用一个可变的直流母线电压操作。

储存的能量和直流母线额定电压的平方成正比，通过下式可得
DVR转换器的额定直流电压。

电压呈指数衰减，在电压骤降补偿和直流环节电压衰减补偿能力恶化的情况下。

因此，使用直流母线电压补偿器的存储的能量只能到一定的电压水平，由下式给出
是DVR初始的直流母线电压，是DVR允许的最小直流母线电压。

转换器的额定电压是
可变的直流母线电压的解决方案有一个相对简单的功率变换器的拓扑结构，当电网正常运行时，直流链路的能量存储可能再通过串联变换器或低额定辅助充电器充电。

然而，储能是难以有效地使用在严重的凹陷时，为了注入高电压，储能很大一部分不能作为功率变换器迅速进入过调制。

2）系统4-连续直流母线电压：直接能量存储的方法，如中小企业，电池，超级电容，可以通过增加一个单独的高功率转换器系统在DVR使用。

然后能从大型储能转移到一个较小的额定直流存储，在凹陷使用时此转换器。

因此，直流电压保持几乎固定的常数。

转换器的额定功率可以由下式计算出来
是在功率转换器的能量转换率。

相比变化的直流环节的解决方案，该系统性能得到改进。

但能量储存的需要和一个单独的高额定功率转换器，设备成本作为会更高。

E. DVR拓扑转换器的比较
图7显示了总（串联和并联）转换器的额定为下落尺寸不同的四个DVR的拓扑结构。

负荷侧连接的转换器（系统2）要求最高等级依次供给侧连接的转换器（系统1），恒定的直流链路（系统4）和可变直流链路（系统3）。

因此，例如，能够补偿负载1在0.5的电压凹陷下，四解决方案分别需要至少一个2，1.5，1或0.5安装评级。

图8（a）和（b）比较两种拓扑结构，得出凹陷的补偿功率来自供应（系统1和系统2）。

他们表明，该串联转换器的额定电流，该串联的转换器额定功率，两种可供选择的拓扑结构，从中可以看出，主要的区别是串联变换器对两个概念的不同。

例如，在0.4电压降落，电流通过串联转换器在负载侧变压器拓扑结构是2.5，供应侧变换器的电流为1，而相应的串联转换器的额定功率分别0.6和1.5。

图7 DVR转换器额定功率的大小
图8
四、DVR测试系统。

为了测试和验证的四个不同的DVR的控制，一个10 kVA的实验室原型已经建成，以下
是它的结构。

A.硬件配置
DVR转换器是使用一个共同的直流环节基于三个单相全桥电压源换流器，如图9。

这些转换器采用三单相变压器的电隔离串联耦合到电源，以确保注入电压下降到115 V。

一个位于线路侧电容滤波器滤除转换器所产生的开关谐波。

直流链路可以被无源六脉冲二极管桥（实现系统1和系统的2）或辅助电源实现系统控制4充电。

系统1的拓扑结构，整流器连接到电源侧，系统2的拓扑结构，整流器连接到负载侧。

系统3，辅助电源是不激活，只有电容如图9所示，直流链路被用作能量存储。

图9 DVR实验室实验装置。

控制的计算在一个数字信号处理器进行（DSP）（Analog Devices ADSP21062），脉宽调制（PWM）是由微控制器执行（西门子sab80c167）。

对DVR的主要硬件参数表I–III 中列出。

电网电源是一个完全可编程的三相30KV交流电源，在这里电压骤降可以实现和测试。

整个系统的基本组成如图10所示。

图10 DVR样机在实验室
左边是可编程电源架，在墙上的是电力电子DVR，下面是DVR注入变压器
B.控制方法
两种控制方法一般可用于DVR，开环控制[ 2 ] 和闭环控制[ 8 ]。

闭环控制是用于此测试系统，包含一个带前馈补偿的[ 9 ]旋转的dq参考系。

图11显示了控制回路的结构。

完整的细节见[ 9 ]和[ 13 ]。

图11 在DQ旋转参考系下的 DVR的闭环控制
总之，该DVR用一个锁相环（PLL）同步到供电电网。

它管理同步的电源电压的基本功能，它能在相位跳变时保持平滑的输出电压。

因此，一个相对缓慢的锁相环是用来限制谐波与非对称输入电压的影响。

此外，当电压跌落被检测，凹陷检测会冻结PLL。

对DVR参考信号，利用理想电源参考电压和电源实际状态电压的计算。

DVR参考电压和实际电压之间的误差由两个PI 积分控制器最小化。

这些控制器产生的DVR的dq参考系，然后转换到三相静止坐标系的值，
这是考虑到实际的直流环节电压的大小，PWM调制使用单极性切换方案。

五、实验结果
已经讨论的四种DVR的拓扑结构测试完成，一类型的电压凹陷时域的结果展示出来。

一个6.6-kw负载电阻作为负载，无相位跳变的0.78对称电压凹陷，持续时间为100 ms，作为故障事件，得到的结果如下。

A.无储能拓扑
1）电源侧连接的并联变换器（系统1）：本系统所施加的电压降落的反应中可以在图12和13看到。

在故障前，直流充电至额定电源电压，在电压降落后的第一个时期内，功率仅从直流链路电容器获得。

一旦直流环节电压下降到约78%（在故障电压降落期间）并联变换器开始注入提供稳定负载电压必要的电量。

图12（c）显示在故障的结束时直流环节电压还没有完全稳定，也显示了当降落被清除一个具有大的浪涌电流的不受控制的再充电。

系统一个阶段的电源电压，注入的DVR的电压和负载电压从图13可以看出。

供应侧连接的并联变换器拓扑结构，具有非常低的能源存储需求，能提供一个不间断负载电压。

直流母线电压水平完全依赖于电压降落的长度和深度。

图12 用于供给侧连接的转换器的实验性能（系统1）（a）电源电流（b）DVR分流（C）直流母线电压
图13 用于供给侧连接的转换器的实验性能（系统１）
（a）电源电流（b）DVR的电压（C）负载电压
2）负荷侧连接的并联变换器（系统2）：本系统所施加的电压降落响应可以在图14和15看出。

随着功率流出直流母线，电流从电源和并联变换器增加了，分别如图14（a）和（b）。

一段长持续时间的电压降落，直流链路稳定在一个相对高的电压，但供应和并联变换器电流是被非线性并联变换器高度扭曲。

系统一个阶段的电源电压，注入的DVR的电压和负载电压从图15可以看出。

在图15（b）的注入电压与以前的解决方案相比具有较高的谐波含量，这是由于非线性并联变换器将引出一个更扭曲的负载电压。

该系统的拓扑结构的DVR 似乎是保持几乎恒定的直流链路的一个非常有效的解决方案。

图14 用于负载侧连接的转换器负荷侧的实验性能（系统2）（a）电源电流（b）分流（C）的直流母线电压
图15 用于负载侧连接的转换器负荷侧的实验性能（系统2）
（ａ）电源电压。

（b）DVR的电压。

（C）负载电压
B.储能拓扑
1）可变的直流母线电压（系统3）：一个可变的直流母线电压具有提供的简单性和性能的好处。

直流链路可以是从小型额定充电器或串联转换器本身充电。

本系统所施加的电压降落的反应中可以在图16和17看到。

直流环节电压衰减的电力从直流链路移除，串联转换器用增加调制指数增加。

然而，如果直流环节电压继续降低负载电压不能完全维持。

电源电压，注入的DVR的电压和负载电压在图17中可以看到。

在这种情况下负载电压是完全保持。

图１６可变的直流电压DVR系统的性能试验（系统3）（ａ）电源电流（b）负载电流（C）直流母线电压
图１６可变的直流电压DVR系统的性能试验（系统3）
（ａ）电源电压（b）DVR的电压（C）负载电压
2）恒定的直流母线电压（系统4）：在这个系统中，恒定的直流母线电压用无源转换器和从辅助能源供应获得能量。

用该方法可以保持几乎恒定的直流电压。

本系统所施加的电压凹陷的反应中可以在图18和19看到。

从电源流出和通过串联变换器的电流几乎是不变的。

相关的电源电压，注入DVR电压和负载电压在图19中可以看到。

该DVR性能优异，负载电压具有极低的失真的和电源电流几乎不变的优点。

图１８对于恒定的直流电压的DVR性能试验（系统4）
（ａ）电源电流（b）负载电流（C）直流母线电压
图１９对于恒定的直流电压的DVR性能试验（系统4）
（ａ）电源电压（b）DVR的电压（C）负载电压
六、比较
通过与实验结果的系统分析，四种DVR系统的拓扑结构进行了比较。

每种拓扑结构的额定值已由其预期的性能决定，主要参数相同。

结果在表IV使用列出为每个标准参考的等级（＋＋非常好），（＋好），（－差）和（－－非常差）。

该表分为ＤＶＲ有无存储的能量，因为这两种没有直接的可比性。

虽然最佳的拓扑结构不能绝对看出，一些主要的差异可以从表四看出。

表IV 不同ＤＶＲ拓扑的比较
等级（＋＋非常好），（＋好），（－差），（－－非常差）
采用比较系统，系统2具有最高的总评分，具有相对高的性能得分和相对较低的成本和复杂性。

然而，负电网的影响和对串联转换器的较高要求可以取消这个方案的应用。

系统4是排名第二的最佳拓扑结构与性能最高的分数，尤其对于深电压骤降，但有明显的缺点，对于复杂性，转换器的额定值和总体成本（能量储存和功率变换器）。

系统2和系统4个代表两个不同概念的拓扑结构（没有能量储存和有能量存储），可能是最好的选择但取决于应用。

系统3是排名三的，在严重和持续时间长的凹陷有相对较差的性能。

然而这些缺点都被简单的拓扑结构和降低转换器的额定值所补偿。

DVR的拓扑结构具有最多差的属性和总得分最低的是系统1。

关注的具体问题是不可控的直流电压，它与电压的凹陷是成比例的，如果凹陷是不对称的，系统的趋势是出现非对称
电流（但应该指出的是，故障相将不加载）。

因此，拓扑结构不是特别适合DVR实现。

然而，它是说如果无源并联变换器与有源转换器取代。

一些这种拓扑结构的主要缺点是可以消除的，它们就应该被重新评估。

排名也可以由比较第一次DVR弥补骤降的能力来确定，然后比较它们的成本和复杂性。

这可能会改变绝对绩效得分，但最终的结论仍然取决于DVR所需的性能，成本与性能的比
较。

七、结论
对四种DVR的拓扑结构进行了研究和实验比较。

每种拓扑结构的复杂性，性能和成本都不同。

从这个比较中，没有能量存储的负载侧连接无源转换器的DVR拓扑（系统2）已被评为最佳，其次是有储存能量恒定直流母线电压的拓扑（系统4）。

在排第三的是储能系统的可变直流链路电压（系统3），性能最差的是由没有能量存储供应侧连接无源转换器的拓扑（系统1）。

实验结果表明了系统之间的主要差异，但是，进一步的工作可以做，看看非对称跌落的性能，一般稳定性和控制结构之间的差异。

以后的拓扑结构，也可以考虑，如使用有源整流器代替无源整流器。

然而，这种拓扑扩展成本预计将增加。

八、参考文献。