研究表明配電系統(tǒng)中90％以上的擾動(dòng)都是由電壓降低引起的，常用的低壓補(bǔ)償技術(shù)無論是變電站的集中補(bǔ)償,、用戶的分散補(bǔ)償,，還是桿上補(bǔ)償，基本上都是采用成組電容器／電感等能量存儲(chǔ)設(shè)備,，造價(jià)都比較高,。
本文介紹配電系統(tǒng)中針對(duì)重要用戶的一種新型電壓補(bǔ)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(dòng)AC—AC變換器,。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生使得電壓降低時(shí)，本裝置能提升電壓,，保持負(fù)荷端電壓為額定值,。在設(shè)計(jì)中沒有使用諸如成組電容器／電感等這些儲(chǔ)能元件，造價(jià)低且響應(yīng)速度快,。
l 設(shè)計(jì)方案
圖1所示為本設(shè)計(jì)方案的單相結(jié)構(gòu)圖,。對(duì)電壓的補(bǔ)償是通過迭加電壓Vc來實(shí)現(xiàn)的，而Vc由PWM AC—AC變換器模塊提供,。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),，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(gè)通路,，將電壓Vs直接加到負(fù)荷上,。此時(shí)，電壓Vc為O,。當(dāng)電源電壓Vs出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí),，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(shí),，斬波電路又回到旁路方式。
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2 理論分析
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(bǔ)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(shí)，Vs改變?yōu)橄轮担?br />
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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(gè)電壓之間的相量關(guān)系。同時(shí),，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(shí),，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(jì)所能提供的最大補(bǔ)償度由如下電壓擾動(dòng)的幅值相對(duì)值決定：
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由式(6)可知，當(dāng)匝數(shù)比N2／N1為1時(shí),，電壓補(bǔ)償度可達(dá)50％,，這種方式可在實(shí)際中采用，因?yàn)楫?dāng)匝數(shù)比增加到2時(shí),，補(bǔ)償度又增加了16．66％,。
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3 電路實(shí)現(xiàn)
電壓補(bǔ)償控制模塊如圖3所示，根據(jù)系統(tǒng)控制對(duì)象的特點(diǎn),，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(jì)基于DSP的PWM實(shí)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(gè)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(shí)輸出電壓Vc與Vs同相,。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí),，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(shí)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(lì)磁電流),。而當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí),，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(dòng)作,，此時(shí)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(hào)方式驅(qū)動(dòng),，這種控制技術(shù)可有效地降低開關(guān)時(shí)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(jì)方案(單相)可推廣到三相系統(tǒng)(無論有無中性點(diǎn)),，如圖5所示。通過各個(gè)PWM變換器模塊,，各相可獨(dú)立控制,。
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4 結(jié) 語
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(lì)磁電流。而當(dāng)電壓降低時(shí),，變換器將電壓Vc迭加(補(bǔ)償)上去,，同時(shí)通過自耦變壓器增加一定的輸出功率。所以在本設(shè)計(jì)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(duì)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(yàn)證三相系統(tǒng)的情況,。當(dāng)一個(gè)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(bǔ)償后可維持負(fù)荷電壓保持恒定。