基于PWM开关变压器的动态电压恢复器研究

摘要：提出了一种基于PWM开关变压器的单相在线式动态电压恢复器(DVR)，PWM开关变压器由交流斩波器及串联变压器组成，该DVR可补偿电压凸起和凹陷，无需直流储能环节和锁相环，且具有相位自动跟踪能力。采用新的控制策略及电压检测方法，使系统能够快速识别电压凸起和凹陷并做出相应补偿。系统可工作在降压状态，可应用于节能场合，并设有旁路开关，提高了供电可靠性。设计了10 kW实验样机，实验结果表明此处所提出的DVR具有较好的动态响应、补偿及运行性能。
关键词：变压器；动态电压恢复器；相位跟踪

1 引言
随着科学技术的进步及工业水平的提高，出现了越来越多的敏感负载如半导体生产、银行系统、自动化生产线、精密数控机床、铁路交通系统等，它们对电能质量及供电可靠性提出了更高的要求。电压跌落对敏感负载的影响最为严重。为解决这些电能质量问题，人们提出了DVR。
目前大多DVR都是基于逆变器加串联变压器拓扑，这种拓扑控制复杂，带有直流储能环节，增加了系统成本，其补偿能力受到储能装置容量的限制。文献首次提出了基于交流斩波器的DVR拓扑，进行了原理分析和实验验证，但其仅能补偿电压凹陷而不能补偿电压凸起，且补偿速度也不够。文献提出了双交流Buck的拓扑实现倒相，但其要利用8个IGBT，增加了系统的成本且控制复杂。在此提出了基于PWM开关变压器的电路结构，无需直流储能环节，且具有相位自动跟踪能力。其中，电压检测利用新的峰值电压法，并采用输出电压反馈与电压前馈相结合的控制策略，使系统有较好的动态响应及补偿性能，整个系统的控制由32位ARM处理器STM32103F完成。

2 系统主电路拓扑
系统主电路如图1所示。

系统主电路由输入LC滤波器、交流Buck型斩波器、串联变压器、输出LC滤波器及旁路晶闸管组成，斩波器和串联变压器被定义为PWM开
关变压器。综合考虑系统效率和IGBT开关损耗，采用非互补驱动方式，且有：uo=duin，d为PWM占空比。此处串联变压器变比为1：1，则有：uL=2uo，将uo=duin代入此式中，得uL=2duin。
故此系统最大可补偿50％的电压凹陷。当电网电压高于标准电压时，可使0d0．5，系统工作在降压状态，可应用于节能场合。当系统故障或遇大电流冲击可切换到旁路运行，提高了供电可靠性。

3 电压凹陷、凸起检测-峰值电压法
电压检测对于DVR至关重要，电压检测的速度及精度直接决定了系统动态表现。由于电压突变的同时会伴随相位跳变，而传统的电压检测方法都会受到电压波形畸变及相位跳变的影响。因为图1中电路拓扑具有相位自动跟踪能力，所以仅需检测电压凹陷、凸起的起始时刻及电压凹陷、凸起的深度。文献中提出峰值电压法，其原理如图2所示。

该方法通过检测电压瞬时值来计算电压幅值，当输入电压为U1msin(ω1t)时，将其在基波尺度上移相1／4周期得到U1mcos(ω1t)，将二者做平方和运算得到：

实际电网电压中含有大量低次谐波，要得到准确的测量结果，必须将谐波分量滤除掉，这就需要一个截止频率很低的低通滤波器，这必定会造成电压检测延迟。随着处理器处理速度越来越快，此处将峰值检测的计算过程通过软件实现，对于滤波器造成的延时，在软件中做超前补偿。滤波及移相电路如图3所示。图中uin_T为互感器输出电压，相位调理电路对滤波电路造成的1 ms延时进行相位补偿，使得u1与电网基波电压同相位，然后再移相90°得u1_90°，u1与u1_90°同时送入STM32103F的12位ADC进行采样计算得到U1m。

滤波移相实验结果如图4所示。

4 控制策略与实现
4．1 控制策略
这里提出了输出电压反馈与电压前馈相结合的控制策略，提高了系统动态响应速度及稳定运行时输出电压的稳定性，其控制框图如图5所示。

负载电压与参考电压的差值作为PI调节器的输入，Kp为比例增益，Ki为积分增益。为避免P1调节器出现饱和现象，限幅器的输出与输入的差值被反馈到PI调节器的输入。若PI调节器的饱和现象没有被校正，那么当输入电压从凹陷恢复到正常值时，输出电压将可能发生过电压现象。为了提高系统的响应速度，引入电压前馈，参考电压与输入电压的差值乘以一个系数Kf加到PI调节器的输出。当发生电压凹陷时，参考电压与输入电压的差值为一个正值，直接增加了PWM占空比，反之亦然。电压前馈不仅在发生电压凹陷时提高了系统响应速度，而且在当电压恢复时避免了过电压现象的发生。
4．2 控制策略的实现
系统的控制由32位单片机STM32103F完成，图3中u1，u1_90°及uL经精密整流后被送到单片机片内12位ADC，精密整流电路如图6所示。

每半个周波采样200点，即采样周期为50μs，每次采样后触发DMA中断，DMA中断内计算U1m，采样的uL做均方根运算后与uref的差值作为PI调节器的输入。将U1m／1．414与uref做差，然后判断是否发生电压凹陷或凸起，当发生电压凹陷或凸起时则将差值经超前补偿算法后直接与PI调节器的输出求和，作为PWM占空比，STM32103F可发出两路死区可编程的PWM，将其做脉冲分配后送到IGBT驱动电路。因采样计算周期与开关周期接近，故系统响应速度非常快。输出电压的均方根值反馈提高了系统的稳态运行性能。当系统故障或发生大电流冲击时，切换到旁路运行。

5 实验结果
搭建220 V／10 kW实验样机，L1=L2=0．5 mH，C1=C2=20μF，VQ1～VQ4为IKW75T60N型IGBT并联，实验结果如图7所示。由图可见，当uin凹陷65 V及凸起85 V时，uL保持不变。