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基于PWM开关变压器的动态电压恢复器研究

作者:cp彩票 发布时间:2020-08-16 17:17 点击:

  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,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

  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。

  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。

  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(1t)时,将其在基波尺度上移相1/4周期得到U1mcos(1t),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。

  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。

  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50s,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。

  在此提出了基于PWM开关变压器的在线式DVR电路结构,采用输出电压反馈与电压前馈相结合的控制策略,搭建了实验样机。实验结果表明,此处提出的DVR系统具有较好的动态响应和良好的补偿、运行性能。

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