基于PWM AC—AC變換的電壓補償器設(shè)計
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本文介紹配電系統(tǒng)中針對重要用戶的一種新型電壓補償器，即在用戶自耦變壓器中加裝PWM AC—AC變換器，通過換流技術(shù)來驅(qū)動AC—AC變換器。當(dāng)擾動發(fā)生使得電壓降低時，本裝置能提升電壓，保持負(fù)荷端電壓為額定值。在設(shè)計中沒有使用諸如成組電容器／電感等這些儲能元件，造價低且響應(yīng)速度快。
l 設(shè)計方案
圖1所示為本設(shè)計方案的單相結(jié)構(gòu)圖。對電壓的補償是通過迭加電壓Vc來實現(xiàn)的，而Vc由PWM AC—AC變換器模塊提供。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，PWM AC—AC變換器的電子開關(guān)作為旁路開關(guān)，給電壓提供一個通路，將電壓Vs直接加到負(fù)荷上。此時，電壓Vc為O。當(dāng)電源電壓Vs出現(xiàn)擾動時，PWM斬波電路以高頻閉合，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾妷篤c迭加到電源電壓上以維持負(fù)荷電壓恒定。而當(dāng)電源側(cè)電壓恢復(fù)正常時，斬波電路又回到旁路方式。
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根據(jù)圖1可得如下負(fù)荷電壓表達(dá)式：
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其中：Vs為電源電壓；Vc為提供的補償電壓。
注意在正常工作狀況下Uc等于O，因而Vload=Vs。
出于控制的目的，將要求的負(fù)荷電壓用恒值Vref表示。正常工作狀況下，Vs和Vload均為Vref。
而當(dāng)電源電壓降低時，Vs改變?yōu)橄轮担?
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其中：n為電壓幅值降低的標(biāo)幺值。圖2所示為Vload，Vs，Vc三個電壓之間的相量關(guān)系。同時，電壓Vc是電壓VL和斬波電路負(fù)載率的函數(shù)，即：
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其中：Vs為電源電壓歸算到變壓器原邊的值；VL=VsN2／N1；D為變換器的負(fù)載率；N2／N1為變壓器繞組的匝數(shù)比。則式(1)可改寫為：
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由式(4)知，當(dāng)保持Vload=Vref時，D值可由下式求得：
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顯然，D值最大取1。因而，本設(shè)計所能提供的最大補償度由如下電壓擾動的幅值相對值決定：
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由式(6)可知，當(dāng)匝數(shù)比N2／N1為1時，電壓補償度可達(dá)50％，這種方式可在實際中采用，因為當(dāng)匝數(shù)比增加到2時，補償度又增加了16．66％。
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電壓補償控制模塊如圖3所示，根據(jù)系統(tǒng)控制對象的特點，從模塊化及數(shù)字化的角度出發(fā)，選取數(shù)字化控制芯片TMS320LF2407，設(shè)計基于DSP的PWM實現(xiàn)方式。
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PWM AC—AC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。變換器輸出電壓Vc由式(3)給出。圖4所示的變換器由4個IGBT(S1a，S1b，S2a，S2b)組成，通過操作開關(guān)S1a，S1b，S2a，S2b的開／關(guān)方式，可使變換器在正確操作時輸出電壓Vc與Vs同相。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，開關(guān)S1a，S1b保持閉合，S2a，S2b保持開斷，因而變換器輸出電壓Vc為0，負(fù)荷電壓VL等于Vs。這種操作方式稱為旁路方式，此時電源功率直接傳輸給用戶，自耦變壓器處于開路狀態(tài)(即只吸收勵磁電流)。而當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，變換器的開關(guān)S1(S1a，S1b)和S2(S2a，S2b)按(5)式所示的負(fù)載周期D動作，此時的負(fù)荷電壓VL就等于Vc+Vs。
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IGBT元件是通過合適的門信號方式驅(qū)動，這種控制技術(shù)可有效地降低開關(guān)時的損耗，省去緩沖電路。圖4所示的電路可使傳統(tǒng)的IGBT模塊在變換器中得到廣泛應(yīng)用。圖1所示的設(shè)計方案(單相)可推廣到三相系統(tǒng)(無論有無中性點)，如圖5所示。通過各個PWM變換器模塊，各相可獨立控制。
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在正常工作狀況下，PWM變換器工作在旁路方式，電源功率直接傳輸給負(fù)荷，自耦變壓器只吸收勵磁電流。而當(dāng)電壓降低時，變換器將電壓Vc迭加(補償)上去，同時通過自耦變壓器增加一定的輸出功率。所以在本設(shè)計中變壓器的選擇主要取決于暫態(tài)過程中功率變化的能力。本裝置能很方便地集成到對重要負(fù)荷供電的配電變壓器中。選用圖4所示的變換器，在各種不同的電壓降落下來驗證三相系統(tǒng)的情況。當(dāng)一個配電網(wǎng)絡(luò)電源單相電壓或者三相電壓均發(fā)生了30％的降低，在加了補償后可維持負(fù)荷電壓保持恒定。
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