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摘 要：针对传统动态电压恢复器（dynamic voltage restorer， DVR）拓撲结构直流侧电压等级高，逆变单元输出电压波形畸变率大及其损耗亦较高的问题，依据开放式绕组原理提出新型DVR拓扑结构。研究了新型DVR拓扑实现低谐波畸变率和低直流侧电压幅值的方法；建立了新型DVR等效电路模型，并给出新型DVR拓扑的控制策略。同时分析对比了新型DVR与传统DVR拓扑的功耗，结果表明新型DVR功耗较低。最后，在MATLAB/SIMULINK平台搭建仿真模型，仿真结果证明所提出的DVR拓扑结构性能优越，补偿精度高。
关键词：动态电压恢复器；开放式绕组；功率损耗；加权谐波总畸变率
DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.003
中图分类号： TM76
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2018）04-0012-06
Abstract：This paper proposed a new topology of dynamic voltage restorer （DVR） based on the concept of openend winding， considering higher dclink rating， harmonic distortion of voltage generated by inverter and power loss of converter. The methods to decrease the harmonic distortion of voltage and amplitude of dclink were studied. We established equivalent circuit model and then the control strategy was presented. Meanwhile， compared to the traditional DVR， the proposed DVR has better performance on power loss. Finally， we build the simulation model on MATLAB/SIMMULINK and the simulation results show that the new topology structure has superior performance and high compensation accuracy.
Keywords：dynamic voltage restorer；openend winding；power loss；the weighted total harmonic distortion
0 引 言
随着产生电力扰动以及对电力扰动敏感的设备数量剧增，电能质量的研究也引起广泛关注[1-4]。其中，电压跌落为主要的电能质量问题[5]。统计表明：大型电力用户，幅度超过20%的电压暂降的年发生率10～20次左右。
DVR具有响应速度快、补偿精度高等特点，因此，目前DVR在配电网中的应用备受学者的关注。
国内应用DVR解决电能质量问题的研究基本还在理论和实验上，主要包括电压跌落的检测算法、系统控制策略与补偿策略三方面。如文[6-7]介绍了一种改进的dq变换策略，并应用于DVR。文[8]将最小方差滤波器和对称分量法结合，提出新的软件锁相环和电压跌落检测方法。文[9]提出了任意负载条件下的DVR复合控制策略。文[10]提出了基于电压积分的偏磁抑制策略。文[11]提出最优化的能量补偿策略。
DVR的检测算法、控制策略和补偿策略的研究已非常成熟，因此本文以DVR的拓扑结构为研究对象，以降低DVR的功率损耗、谐波畸变率以及直流侧电压等级为目的，更好地推广DVR的工程应用，发展绿色节约型电网。
DVR由直流储能单元、逆变单元、滤波单元和耦合单元四部分组成；其中逆变单元是DVR核心部分。逆变单元承担着输出电网所需补偿电压的任务，因此多数DVR拓扑结构是围绕逆变器进行改进的。然而，传统的DVR存在以下不足：首先，当电网需要补偿很高的电压时，DVR的输出电压无法做到完全补偿；其次，输出电压含有高次谐波分量，对电网产生严重污染；最后，功率开关损耗大。鉴于上述问题，本文遵循低谐波电压畸变率、低电磁干扰及高电压等级下运行三条原则[11]，应用开放式绕组的原理提出了一种新型的动态电压恢复器拓扑结构。
1 新型DVR拓扑结构
开放式绕组（openend winding，OEW）是为解决电机中谐波励磁问题而提出的。它是指电机绕组无中性点联接，即将定子绕组打开，六个端子全部引出来[12]。如图1所示为基于OEW原理的双电源供电的功率变换器拓扑结构[13]。
应用OEW原理，在传统DVR拓扑结构的基础上本文提出了两种新型DVR拓扑结构，如图2所示：
2 系统控制
2.1 PWM调制策略
针对所提出的新型DVR拓扑结构，以4L4L DVR为例详细分析说明PWM调制策略。如图3所示为4L4L DVR的逆变器等效电路，设定逆变器A与B的极点电压分别为uak0a（即点ak和0a之间的电势差，k=1，2，3，4）和ubk0b（即点bk和0b之间的电势差，k=1，2，3，4），其中：
2.2 DVR的控制策略
开环控制和闭环控制是DVR常采用的控制策略[14-17]。本文采用双闭环复合控制策略，即在前馈控制的基础上加入负载电压外环、滤波电容内环的负反馈；如图4所示为4L4L DVR 单相等效电路图。 3 拓扑比较
本文对每种拓扑结构的最小直流侧电压（新型拓扑结构DVR为u*ab，传统结构的DVR为u*c）、半导体器件和电容的数量进行了比较。其中ud是2C2C DVR直流侧电压。
由表2知：与2C和4L DVR结构相比，4L4L 和2C2C DVR的u*ab降低了50%左右；新型DVR拓扑结构虽然含较多IGBT，但在直流侧电压等级相同的前提下2C2C DVR逆变器输出电压的谐波畸变比3HB DVR低。
4 谐波畸变率
新型DVR与传统DVR的注入相电压的加权总谐波畸变率（the weighted total harmonic distortion， WTHD）计算公式如下[18]：
在DVR向三相系统中注入相同的最大电压的前提下，逆变器输出电压的畸变率如表3所示；其中，开关动作的平均频率和基波频率分别为10kHz和50Hz。须知，2C2C DVR运行在两侧直流电压比为1∶1的模式下时与传统的DVR等效，且谐波电压畸变率亦相同。
从表3可看到：4L4L DVR逆变器输出电压的谐波畸变率最低，且所提出的新型DVR逆变器输出电压的谐波畸变率比传统的DVR逆变器输出电压的谐波畸变率都低。
5 逆变器的功率损耗
应用回归曲线进行损耗评估的理论方法，在MATLAB平台上进行仿真；文[19]用实验数据建立回归曲线模型从而进行损耗评估的方法证明了该理论的有效性。开关损耗分4种：①IGBT和二极管的传导损耗；②IGBT的开通损耗；③IGBT的关断损耗；④二极管关断能量。
表4所示为新型DVR与传统DVR的损耗对比结果。其中，仿真结果是 DVR在逆变器输出的最大三相对称电压中不含零序电压的情况下运行得出的。
4种结果谐波畸变率相同（WHTD=0.22%）；为满足DVR逆变器输出电压的谐波畸变率相同，2C2C、4L4LDVR的开关频率分别设定为6.25kHz和4.8kHz，每种DVR两侧直流电压比为1∶2。从上表可看出，新型DVR的开关损耗比传统4L DVR低。
6 直流侧高频功率损耗
本文研究了不同频率下的直流侧功率损耗，设定传统的DVR和新型DVR逆变器输出电压的谐波畸变率相同，则高频功率损耗计算公式如下：
计算每种DVR的高频功率损耗与传统的DVR高频功率损耗比值（即PHOloss/PHOloss3HB）时，取传统DVR拓扑的直流侧高频功率标幺值为1，则2C2C、4L4L DVR直流侧高频功率损耗分别为0.77、0.36。
7 仿真结果
在MATLAB平台上搭建传统DVR与新型DVR仿真模型，仿真实验选取的参数为：电网电压的有效值为220V，负载类型选择100Ω的纯电阻，变压器的容量22kVA，变压器的变比为n=2，变压器的漏电抗2.5mH，低通滤波电容值为40μF，滤波电感值为2mH。本文规定两侧直流电压相等， 以4L4L DVR为代表研究动态电压恢复器在以下三种故障下的性能：①单相电压跌落（如图7所示）；②两相电压跌落（如图8所示）；③三相电压跌落（如图9所示）。上述3种故障下电压跌落幅值（即30%）和持续时间（约100ms）均相同。
DVR在两侧直流电压值相等与不等（即ua≠ub）两种情况下，逆变输出的相电压（滤波前）的波形如图10所示。与传统的DVR相比，在运行条件皆相同的情况下新型的DVR拓扑结构的逆变器输出的电压的波形更逼近正弦波；因此，补偿相电压加权谐波总畸变率更低。
8 结 论
本文以传统的DVR拓扑为支撑，提出新型的DVR拓扑；通过仿真实验得出如下结论：
1）新型DVR可同时补偿单相或多相电压跌落且补偿精度高；
2）直流侧的高频功率损耗和电压等级低；
3）逆变器输出电压具有较低的谐波畸变率。
因此，新型DVR能够更好地应用到配电系统解决电能质量问题，以发展绿色环保经济。
参 考 文 献：
[1] 李兰英，师克龙.电能质量暂态扰动的Coiflet小波检测方法及其实现[J].哈尔滨理工大学学报，2016，21（2）：32-37.
[2] 李圣清，张彬，栗伟周，等.含微网的配网统一电能质量调节装置[J].电机与控制学报，2014，18（6）：89-95.
[3] 李梦诗，王学健，季天瑶.基于形态小波范数熵和支持向量机的电能质量分类研究[J].电机与控制学报，2016，20（9）：33-39.
[4] 荣盘祥，刘兆宇，杨常伟.有源电力滤波器谐波检测仿真设计[J].哈尔滨理工大学学报，2015，20（1）：66-69.
[5] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.
[6] 周雪松，何杰，马幼捷，等.动态电压恢复器主拓扑和控制算法的研究[J].高电压技术，2008，34（4）：753-758.
[7] 金显吉，佟为明，卢雷，等.基于改进单相dq变换与形态滤波的电压暂降检测方法[J].电机与控制学报，2015，19（4）：45-52.
[8] 陈国栋，朱淼，蔡旭，等.一种软件锁相环和电压跌落检测新算法[J].中国电机工程学报，2014，34（25）：4383-4394.
[9] 李哲，吴正国，夏立，等.任意负载条件下动态电压恢复器的复合谐振控制策略[J].中国电机工程学报，2013，33（25）：130-138.
[10]王晶，徐爱亲，翁国庆，等.动态电压恢复器控制策略研究综述[J].电力系统保护与控制，2010， 38（1）：145-151.
[11]ALMEIDA，CARLOS，CURSIN.Investigation on Dynamic Voltage Restorers With Two DC Links and Series Converters for ThreePhase FourWire Systems[J].IEEE TRANSACTIONS，2016，52（2）：1608-1620.
[12]李贺龙，孙力.基于双逆变器的开放式绕组感应电机矢量控制系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.
[13]孙丹，林斌，陈敏，等.HEV用开绕组永磁同步电机双逆变器协同控制[J].电机与控制学报，2016，20（2）：29-33.
[14]P， T， CHENG，CC，HUANG，CC，PAN.Design and Implementation of a Series Voltage Sag Compensator under Practical Utility Conditions[J].IEEE TRANSACTIONS，2003，39（3）：873-878.
[15]周雪松，張智勇，马幼捷，等.动态电压恢复器双闭环控制策略的研究[J].电力电子技术，2007，41（6）：34-36.
[16]何益宏，王群，卓放，等.串联电压控制器的控制策略[J].电力系统自动化，2004，28（18）：67-70.
[17]袁性忠，姜新建，黄宇淇.动态电压恢复器的复合控制策略[J].电力系统自动化，2006，30（19）：61-64.
[18]NIELSEN J，BLAABJERG F， MOHAN N.Control Strategies for Dynamic Voltage Restorer Compensating Voltage Sags with Jump[J].IEEE APEC，2001，2（16：1267-1273.
[19]DA E，SILVA D，BOROYEVICH C，et al. A Feasible Loss Model for IGBT in Softswitching Inverters[J].IEEE PESC，2003，4（34）：1845-1850.
（编辑：王 萍）
关键词：动态电压恢复器；开放式绕组；功率损耗；加权谐波总畸变率
DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.003
中图分类号： TM76
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2018）04-0012-06
Abstract：This paper proposed a new topology of dynamic voltage restorer （DVR） based on the concept of openend winding， considering higher dclink rating， harmonic distortion of voltage generated by inverter and power loss of converter. The methods to decrease the harmonic distortion of voltage and amplitude of dclink were studied. We established equivalent circuit model and then the control strategy was presented. Meanwhile， compared to the traditional DVR， the proposed DVR has better performance on power loss. Finally， we build the simulation model on MATLAB/SIMMULINK and the simulation results show that the new topology structure has superior performance and high compensation accuracy.
Keywords：dynamic voltage restorer；openend winding；power loss；the weighted total harmonic distortion
0 引 言
随着产生电力扰动以及对电力扰动敏感的设备数量剧增，电能质量的研究也引起广泛关注[1-4]。其中，电压跌落为主要的电能质量问题[5]。统计表明：大型电力用户，幅度超过20%的电压暂降的年发生率10～20次左右。
DVR具有响应速度快、补偿精度高等特点，因此，目前DVR在配电网中的应用备受学者的关注。
国内应用DVR解决电能质量问题的研究基本还在理论和实验上，主要包括电压跌落的检测算法、系统控制策略与补偿策略三方面。如文[6-7]介绍了一种改进的dq变换策略，并应用于DVR。文[8]将最小方差滤波器和对称分量法结合，提出新的软件锁相环和电压跌落检测方法。文[9]提出了任意负载条件下的DVR复合控制策略。文[10]提出了基于电压积分的偏磁抑制策略。文[11]提出最优化的能量补偿策略。
DVR的检测算法、控制策略和补偿策略的研究已非常成熟，因此本文以DVR的拓扑结构为研究对象，以降低DVR的功率损耗、谐波畸变率以及直流侧电压等级为目的，更好地推广DVR的工程应用，发展绿色节约型电网。
DVR由直流储能单元、逆变单元、滤波单元和耦合单元四部分组成；其中逆变单元是DVR核心部分。逆变单元承担着输出电网所需补偿电压的任务，因此多数DVR拓扑结构是围绕逆变器进行改进的。然而，传统的DVR存在以下不足：首先，当电网需要补偿很高的电压时，DVR的输出电压无法做到完全补偿；其次，输出电压含有高次谐波分量，对电网产生严重污染；最后，功率开关损耗大。鉴于上述问题，本文遵循低谐波电压畸变率、低电磁干扰及高电压等级下运行三条原则[11]，应用开放式绕组的原理提出了一种新型的动态电压恢复器拓扑结构。
1 新型DVR拓扑结构
开放式绕组（openend winding，OEW）是为解决电机中谐波励磁问题而提出的。它是指电机绕组无中性点联接，即将定子绕组打开，六个端子全部引出来[12]。如图1所示为基于OEW原理的双电源供电的功率变换器拓扑结构[13]。
应用OEW原理，在传统DVR拓扑结构的基础上本文提出了两种新型DVR拓扑结构，如图2所示：
2 系统控制
2.1 PWM调制策略
针对所提出的新型DVR拓扑结构，以4L4L DVR为例详细分析说明PWM调制策略。如图3所示为4L4L DVR的逆变器等效电路，设定逆变器A与B的极点电压分别为uak0a（即点ak和0a之间的电势差，k=1，2，3，4）和ubk0b（即点bk和0b之间的电势差，k=1，2，3，4），其中：
2.2 DVR的控制策略
开环控制和闭环控制是DVR常采用的控制策略[14-17]。本文采用双闭环复合控制策略，即在前馈控制的基础上加入负载电压外环、滤波电容内环的负反馈；如图4所示为4L4L DVR 单相等效电路图。 3 拓扑比较
本文对每种拓扑结构的最小直流侧电压（新型拓扑结构DVR为u*ab，传统结构的DVR为u*c）、半导体器件和电容的数量进行了比较。其中ud是2C2C DVR直流侧电压。
由表2知：与2C和4L DVR结构相比，4L4L 和2C2C DVR的u*ab降低了50%左右；新型DVR拓扑结构虽然含较多IGBT，但在直流侧电压等级相同的前提下2C2C DVR逆变器输出电压的谐波畸变比3HB DVR低。
4 谐波畸变率
新型DVR与传统DVR的注入相电压的加权总谐波畸变率（the weighted total harmonic distortion， WTHD）计算公式如下[18]：
在DVR向三相系统中注入相同的最大电压的前提下，逆变器输出电压的畸变率如表3所示；其中，开关动作的平均频率和基波频率分别为10kHz和50Hz。须知，2C2C DVR运行在两侧直流电压比为1∶1的模式下时与传统的DVR等效，且谐波电压畸变率亦相同。
从表3可看到：4L4L DVR逆变器输出电压的谐波畸变率最低，且所提出的新型DVR逆变器输出电压的谐波畸变率比传统的DVR逆变器输出电压的谐波畸变率都低。
5 逆变器的功率损耗
应用回归曲线进行损耗评估的理论方法，在MATLAB平台上进行仿真；文[19]用实验数据建立回归曲线模型从而进行损耗评估的方法证明了该理论的有效性。开关损耗分4种：①IGBT和二极管的传导损耗；②IGBT的开通损耗；③IGBT的关断损耗；④二极管关断能量。
表4所示为新型DVR与传统DVR的损耗对比结果。其中，仿真结果是 DVR在逆变器输出的最大三相对称电压中不含零序电压的情况下运行得出的。
4种结果谐波畸变率相同（WHTD=0.22%）；为满足DVR逆变器输出电压的谐波畸变率相同，2C2C、4L4LDVR的开关频率分别设定为6.25kHz和4.8kHz，每种DVR两侧直流电压比为1∶2。从上表可看出，新型DVR的开关损耗比传统4L DVR低。
6 直流侧高频功率损耗
本文研究了不同频率下的直流侧功率损耗，设定传统的DVR和新型DVR逆变器输出电压的谐波畸变率相同，则高频功率损耗计算公式如下：
计算每种DVR的高频功率损耗与传统的DVR高频功率损耗比值（即PHOloss/PHOloss3HB）时，取传统DVR拓扑的直流侧高频功率标幺值为1，则2C2C、4L4L DVR直流侧高频功率损耗分别为0.77、0.36。
7 仿真结果
在MATLAB平台上搭建传统DVR与新型DVR仿真模型，仿真实验选取的参数为：电网电压的有效值为220V，负载类型选择100Ω的纯电阻，变压器的容量22kVA，变压器的变比为n=2，变压器的漏电抗2.5mH，低通滤波电容值为40μF，滤波电感值为2mH。本文规定两侧直流电压相等， 以4L4L DVR为代表研究动态电压恢复器在以下三种故障下的性能：①单相电压跌落（如图7所示）；②两相电压跌落（如图8所示）；③三相电压跌落（如图9所示）。上述3种故障下电压跌落幅值（即30%）和持续时间（约100ms）均相同。
DVR在两侧直流电压值相等与不等（即ua≠ub）两种情况下，逆变输出的相电压（滤波前）的波形如图10所示。与传统的DVR相比，在运行条件皆相同的情况下新型的DVR拓扑结构的逆变器输出的电压的波形更逼近正弦波；因此，补偿相电压加权谐波总畸变率更低。
8 结 论
本文以传统的DVR拓扑为支撑，提出新型的DVR拓扑；通过仿真实验得出如下结论：
1）新型DVR可同时补偿单相或多相电压跌落且补偿精度高；
2）直流侧的高频功率损耗和电压等级低；
3）逆变器输出电压具有较低的谐波畸变率。
因此，新型DVR能够更好地应用到配电系统解决电能质量问题，以发展绿色环保经济。
参 考 文 献：
[1] 李兰英，师克龙.电能质量暂态扰动的Coiflet小波检测方法及其实现[J].哈尔滨理工大学学报，2016，21（2）：32-37.
[2] 李圣清，张彬，栗伟周，等.含微网的配网统一电能质量调节装置[J].电机与控制学报，2014，18（6）：89-95.
[3] 李梦诗，王学健，季天瑶.基于形态小波范数熵和支持向量机的电能质量分类研究[J].电机与控制学报，2016，20（9）：33-39.
[4] 荣盘祥，刘兆宇，杨常伟.有源电力滤波器谐波检测仿真设计[J].哈尔滨理工大学学报，2015，20（1）：66-69.
[5] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.
[6] 周雪松，何杰，马幼捷，等.动态电压恢复器主拓扑和控制算法的研究[J].高电压技术，2008，34（4）：753-758.
[7] 金显吉，佟为明，卢雷，等.基于改进单相dq变换与形态滤波的电压暂降检测方法[J].电机与控制学报，2015，19（4）：45-52.
[8] 陈国栋，朱淼，蔡旭，等.一种软件锁相环和电压跌落检测新算法[J].中国电机工程学报，2014，34（25）：4383-4394.
[9] 李哲，吴正国，夏立，等.任意负载条件下动态电压恢复器的复合谐振控制策略[J].中国电机工程学报，2013，33（25）：130-138.
[10]王晶，徐爱亲，翁国庆，等.动态电压恢复器控制策略研究综述[J].电力系统保护与控制，2010， 38（1）：145-151.
[11]ALMEIDA，CARLOS，CURSIN.Investigation on Dynamic Voltage Restorers With Two DC Links and Series Converters for ThreePhase FourWire Systems[J].IEEE TRANSACTIONS，2016，52（2）：1608-1620.
[12]李贺龙，孙力.基于双逆变器的开放式绕组感应电机矢量控制系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.
[13]孙丹，林斌，陈敏，等.HEV用开绕组永磁同步电机双逆变器协同控制[J].电机与控制学报，2016，20（2）：29-33.
[14]P， T， CHENG，CC，HUANG，CC，PAN.Design and Implementation of a Series Voltage Sag Compensator under Practical Utility Conditions[J].IEEE TRANSACTIONS，2003，39（3）：873-878.
[15]周雪松，張智勇，马幼捷，等.动态电压恢复器双闭环控制策略的研究[J].电力电子技术，2007，41（6）：34-36.
[16]何益宏，王群，卓放，等.串联电压控制器的控制策略[J].电力系统自动化，2004，28（18）：67-70.
[17]袁性忠，姜新建，黄宇淇.动态电压恢复器的复合控制策略[J].电力系统自动化，2006，30（19）：61-64.
[18]NIELSEN J，BLAABJERG F， MOHAN N.Control Strategies for Dynamic Voltage Restorer Compensating Voltage Sags with Jump[J].IEEE APEC，2001，2（16：1267-1273.
[19]DA E，SILVA D，BOROYEVICH C，et al. A Feasible Loss Model for IGBT in Softswitching Inverters[J].IEEE PESC，2003，4（34）：1845-1850.
（编辑：王 萍）