动态跌落补偿的三相静态串联电压稳压器控制算法
摘要 许多工厂的典型的电能问题是由短暂的中断和电压过低引起的。解决这
个问题的一个常见方法是安装不间断电源UPS。然而这些不间断电源成本高，而且需要维修。一个节省成本的替代方法是使用静态串联稳压器额定功率负载的一小部分，稳压器与负载串联提供电压。该论文中提出的结构带有二极管桥式整流转换器的变压器耦合的电压源逆变器连接到AC电源。本文讨论了实施和控制的问题，并给出了稳定状态下的补偿能力曲线。提出了一种控制算法可以保证快速恢复动态电压，并对电网的故障类型, 干扰和谐波非常敏感。阐明了典型的单相和三相故障的特点。功率补偿器原型的动态性能在DSP上得到了验证。
1.引言
电能质量正在成为配电系统和工厂的一个越来越重要的考虑因素。预计这些问题在没有管制的电力系统环境中将更加普遍，那里频率和电能质量都有可能不同。现代发电厂的一个重要特征是提供高质量的电能，并且具有高可靠性，其中，计算机和其他灵敏电子设备的使用都很广泛。在供电的很多时候，中断供电的损失很大。
在这个新的环境中,用户可能会找到能够经济地解决方案,以确保持续的高质量的电力供应。随着静态功率转换器的快速进步，在中压系统发展的带动下，许多基于电力电子新技术，现在可以应用于一个成本有效的方法。强烈依赖于电力电子技术的小型发电机、储能单元和功率质量补偿器有望经济地分配等级。
研究表明，大多数的电能质量问题是瞬时电压跌落、偏低、中断和过高。另外，大多数的干扰是由错误的馈线系统或相邻的反馈器引起的。而且，多数故障，90%是单相故障，这些故障导致三相电压跌落，有时发生在在一个或多个线路上。另一方面功率因数电容器和变压器开关会引起电压偏高。
解决电能质量问题的常用方法是采用不间断电源UPS。尽管UPS的市场在扩大，但这些设备还是很贵，尤其是那些大功率等级的和不常用等级的。而且，
它们需要维修。
而另一个方法需要投资，电力系统中较为传统的方法是采用并联无功补偿装置，最新技术是采用静态无功补偿器STATCOM。然而,STACOM的适当操作很大程度上依赖于线路电抗。此外,它不能轻易处理大电压凹陷和电压不平衡。
一个更直接有效的方法来保持电压的范围和平衡负载电压,是使用静态串联稳压器,如图1所示。它的性能取决于要解决故障的变化和严重程度，这个特点可能限制了负载的范围。相比于使用UPS,它们成本的明显减少。。另外，在正常的线路条件下，与补偿操作相关的损失是非常小的（不超过1%，）由于注入的电压为零，负荷由馈线直接供电。
串联稳压器由串联在负载和电源之间的内部电压供电，常见的拓扑结构是用变压器和电压型逆变器耦合，直流母线电容器可以自我控制的或用整流器控制，如二极管桥，然后再连接到交流电源。文献[3-5]给出了一些电源结构和控制算法。然而，许多是主要用于纠正无谐波网络中电源的小的不平衡，它们也没考虑配电系统的故障条件，这将比电压跌落或不平衡对用户重要设备造成的危害更严重。而且，动态性能也是考虑的关键因素，因为很多负载如电力驱动和制造过程，它们对ms级的中断也是很敏感的。
图1 串联补偿器的单线结构图
本文讨论了在静态串联稳压器的实施与控制问题，并给出了稳态补偿性能曲线。提出了一种控制算法，能够快速恢复动态电压并且对电网的故障类型，干扰和谐波不敏感。而且分析了典型的单相和三相故障的性能，验证了基于DSP的原型系统的动态性能。还考虑了一些实际问题，如电源和控制电路的设计和逆变器的额定值等。
2 电源变换器的结构
为了给三相系统供电，静态串联稳压器的电源电路的结构可按照下列方面设计：
三相变压器二次侧为角接或星接与三相逆变器相连，一次侧绕组独立接到系统。
全桥逆变器的三相分别通过变压器与交流系统耦合，并连接到同样的直流母线上。
半桥逆变器的三相分别与相同的分裂电容器的直流母线 相连，星接绕组接在逆变侧；一次侧独立连接到系统。
图2中给出了第二种方案，它以最少的元件获得最高的灵活性：注入电压由每相基础电压合成，并且逆变器的每个桥臂是封闭的。电容器的中点作为一个公共点，从而解耦的逆变器的三个桥臂。另外，这种结构作为四线电压源，可以给系统注入零序分量。它可以处理包括接地的三线系统在内的四线交流系统的要求。发生接地故障时，该系统成为四线制，大地作为第四线来流过故障电流。
逆变器的输出连接到二阶滤波器，从而降低由于转换器的开关动作而引起的
高频谐波。
图2 电源电路结构图
电压通过电压匹配变压器加到线A，B，和C上，匹配变压器要设计为低阻抗，以减小补偿时，变压器电压降落时的影响。可以仅改变无功功率来调节负载电压，不需要从补偿器或直流母线获得有功功率。也可以看出，这大大增加了补偿器的等级和能够补偿的电压骤降范围的严格限制，可获得的有功功率解除了注入电压和线电流之间的相位限制。
电源直流母线可有下列选择：
在正常条件下，自我控制的直流电容器从交流电源充电。在负载充电期间，允许故障持续一会儿，持续时间取决于所需的有功功率，因此能量储存在直流母线。通过调节直流母线斩波方式可以提高电压补偿器给负载供电的能力。另外，为了增加储能容量，建议使用心得超级电容器技术。
交流电源接二极管整流器，能量是由直流母线连续提供的，但直流母线电压是由反馈机制限制一个稳定值，特别是在故障条件下。该结构还可以电容吸收能量来处理瞬时电压骤升。然而，对于持续的电压升高，二极管整流器必须由一个有源或再生整流器取代，使得多余的能量可以返回到交流母线。
这种结合串联和并联连接的电压源逆变器，从普通直流母线获得反馈，被称为统一电能质量补偿器。
3.配电系统故障
故障条件下和的变压器的电压矢量图如图2所示。正常工作
。同和
条件下和短路条件，负载侧的电压向量分别为A，B，C和样，正常工作条件下和短路条件，电源侧的电压向量分别为
。电压下降或变为零，取决于相-地之间的负载类型，例如，
侧的单相接地故障引起
侧线电压下降为正常运行时的58%。
的变压
器的电压向量很容易得到，这里就不赘述了。
为了测量故障条件下的不平衡度，用对称分量法把电压分解为两个平衡的三相电压：
这里，变换矩阵T为
分别为电压零序、正序和负序分量。
其中，