几种动态电压恢复器(DVR)的对比分析

摘要：当前电力系统受自然灾害等因素的影响，常常会发生不可预知的故障，同时大量非线性电力设备的使用给电网带来了巨大的谐波污染，进而进一步恶化电网电压质量，电网电压质量的下降会给很多电力用户带来巨大损失。DVR可以有效保证负载的供电质量，因而受到了广泛的关注，发展十分迅猛。对于DVR来说，各种新的拓扑方案和控制方法层出不穷，侧重点和补偿效果也不尽相同。本文对于几种典型的DVR方案进行了叙述，介绍了其工作原理和特点，力图反映当前DVR拓扑结构方面的主要方案，供在设计和使用DVR时参考。
关键词：电能质量；动态电压恢复器；电压跌落

1 引言
       电能质量问题已经受到越来越多电力用户和电力企业的关注，特别是对于一些重要负荷和对电能质量高度敏感的负荷来说，保证电能质量尤为重要。电能质量问题的产生原因主要有两个方面，一个是各种工业生产过程中的非线性原件的使用或投入产生系统故障；另一方面是由于恶劣的天气条件，如雷击、暴风雨等，以及外力对架空线和电缆的破坏等一些非供电部门人力所能及的因素，例如2008年初我国南方的冻雨天气便引发了大面积的停电事件。这些电能质量问题，如三相电压不平衡、高次谐波以及长期的电压过高或过低，电压跌落等，会给广大电力用户造成巨大经济损失，形成了潜在的威胁[1]。
       文献[1]列举了电压质量下降给一些电力用户造成损失的实例，据国外统计一次幅值低于90%，持续事件超过35ms的电压骤降可造成半导体芯片工厂的直接损失约为100万美元。国际上已经有大量关于动态电压质量问题对各种用户造成损失的研究报告[2][3]。
       文献[4]给出了电能质量和化工工业的关系, 指出根据EPRI PEAC的统计，化工行业的一次电压跌落造成的损失在50万美元，国内某化工工厂，由于电压跌落导致接触器脱扣，催化炉停产，导致损失1000多万元。说明了电压跌落, 波动,闪变和不平衡都会给生产企业带来严重影响，并推荐采用DVR等方案来提高供电电压质量。
        文献[5]给出了常见的电压质量问题示意图, 如图1所示。并介绍了电压跌落对一些生产部分可能产生的危害, 如表1所示。而DVR是一种用来保证电能质量的设备，可以在毫秒级时间内将电压补偿至正常值，全面综合地提高配电电网电压质量, 对电网电压的波动、跌落、浪涌和谐波进行补偿，使负载上的电压为稳定纯净的正弦波电压, 保证负载端电压良好。 因此，对于DVR的研究，已成为当前国内外研究的热点之一。
 

图1 几种常见的电压质量问题

表1 电压跌落对部分电力设备的危害[5]
设备 电压跌落造成的影响结果
冷却控制器 当电压低于80%时，控制器动作将制冷电机切除，导致巨大生产损失。
芯片测试仪 当电压低于85%时，测试仪停止工作，芯片，主板被毁坏
可编程控制器 早期的产品当电压低于10%时，仍能持续工作300ms；新版产品，当电压低于50%-60%时，PLC停止工作；而据2年后的另一篇参考文献介绍，当电压低于81%时，PLC停止工作；一些I/O设备，当电压低于90%，持续时间仅几十毫秒，就会被切除。
机器人 由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工具，为保证产品质量和安全，工作电压幅值一般设为90%，当电压低于此值，持续时间超过40-60ms，被跳闸。
直流电机 当电压低于80%，直流电机被跳闸，每次损失达10000美元
变频调速器 当电压低于70%且持续时间超过120ms时被切除，而对于一些精细加工业中的电机，当电压低于90%且持续时间超过60ms时，电机就会被跳闸而退出运行。
电动机接触器 有研究表明，当电压低于50%，持续时间超过20ms，接触器就会脱扣；也有研究表明，当电压低于70%，甚至更高时，接触器就会脱扣。
计算机 当电压低于60%，持续时间超过240ms时，计算机的工作将受到影响，比如产生数据丢失等。
       文献[6]给出了一个DVR在制氧机上的应用实例，指出马鞍山钢铁厂某制氧机安装了DVR后，在2006年4月1日和4月8日两次电压跌落故障中均保持正常工作，而未安装DVR的部分则出现了接触器、计算机控制系统断电的事故。由此可见安装DVR是保证企业正常生产秩序，避免经济损失的有效方案。

2 几种典型的DVR拓扑
        文献[7]介绍了DVR的基本工作原理如图2所示，DVR设备串联于单相电路中，与电源相加起来一起给负载供电。DVR产生的电压由PWM电压源逆变器提供，逆变器由储能单元供电，实际三相系统中，每相电压的幅值和相角都可以单独控制，从而保证了补偿效果。
 

图2 单相DVR工作原理图          

 图3 级联型中压大功率DVR拓扑
       文献[8]给出了一种中压大容量的DVR拓扑，指出对于大容量DVR场合来说，受电力电子器件的单个器件容量的限制，采用两电平逆变器已经不能满足需要。而且随着器件容量的增大其开关频率越来越低，而开关频率的降低同时会降低DVR的补偿效果，所以将DVR用于大容量补偿时就面临着器件开关频率和容量之间的矛盾。而基于单元串联的DVR结构则借鉴了高压变频器的一些方法，如器件串并联、多电平、多重化等，提高了DVR的容量，如图3所示，各补偿单元的输出经过叠加后作为总的补偿电压，因此可以广泛适用于中压大容量场合。
        文献[9]提出一种智能型动态电压调节器,其原理如图4所示，主要分为机械旁路状态和电子旁路状态。当处于机械旁路状态时，NJ0闭合，NJ1和NJ2断开，DVR处于机械旁路状态，在这种工作状态下，系统电源直接与敏感负荷相连，DVR未接入系统，处于冷备用状态。机械开关NJ0、NJ1和NJ2的开断由控制器决定。当控制器检测到装置异常时，就会自动切换到机械旁路状态，保证负荷供电的安全；对于电子旁路状态，当NJ0断开，NJ1和NJ2闭合的时候，DVR被串联接入系统中，此时控制器发出特定的触发脉冲，使T1和T4的IGBT处于常开状态，T2和T3则处于常闭状态（或四个器件开闭状态相反），则此时DVR处于电子旁路状态。负荷通过T1、T4（或T2、T3）及其反并联的二极管组成回路接到系统电源。电子旁路状态是DVR接入系统后的工作常态，此时DVR处于热备用状态，在系统电源正常的情况下，IGBT器件每个工频周期仅开断一次，开关损耗很小，极大的降低了运行功耗。而一旦控制器检测到系统电源发生电压跌落等事件，控制器脉冲可以在0.5ms以内切换，使得IGBT逆变器工作，生成补偿电压，无缝切换到补偿状态，实现对电压的补偿。
 

图4 智能型动态电压调节器     

  图5 新型带射极跟随器的DVR拓扑
       文献[10]提出了一种新型带射极跟随器的DVR，示意图如图5所示。其中，DVR串联在负荷母线和敏感负荷之间，由以带有直流储能系统的传统三相电压型PWM逆变器和一射极跟随器组成，三相电压型PWM逆变器用于供电电压正序分量的恢复和负序分量的补偿，它的各部分构成和常用的电压型PWM逆变器相同。而射极跟随器用于消除供电电压中零序分量对负荷的影响。该种拓扑适用于不对称三相四线制的配电系统。
文献[11]针对DVR拓扑中的变压器所产生的问题进行了思考，认为在一般的设计中，为避免变压器饱和，铁心要留有足够的裕量，这导致补偿装置的体积变大，成本提高。由此提出了一种无串联变压器的DVR结构如图6所示。该DVR拓扑由一个固态旁路开关和一个并联在输入输出端的校正储能模块构成。正常运行情况下，固态旁路开关闭合，电源电压经过旁路开关给负荷供电；一旦检测到电压跌落或瞬时中断，旁路开关打开，校正储能模块工作，校正储能模块包含一个能量转换电路，在输入电压上叠加适当的补偿电压，为负荷提供近似正常的工作电压。
      

图6 无串联变压器的DVR拓扑    

图7 采用半波二极管整流的DVR拓扑
       文献11还介绍了一种采用半波二极管整流的DVR拓扑，如图7所示。其中输出滤波电容直接和被保护的负荷串联，从而消除了串联变压器。和传统DVR的串联变压器相比，下图中的并联隔离变压器的电压等级和成本都大大减少，而且再这种情况下，铁心饱和的问题也减轻很多，通过选择隔离变压器的变比还可以获得恰当的直流电压