2020年12月Power Electronics December2020一种基于超级电容的变频器电压暂降治理装置 马智远，栾乐，许中，莫文雄
(广东电网有限责任公司广州供电局电力试验研究院，广东广州510410)
摘要：研究了一种基于超级电容的变频器电压暂降治理装置，基于超级电容储能和双向DC/DC变换器直接作用于变频器的直流母线，保障了变频器在电压暂降期间能够正常运行，双向DC/DC变换器实现了储能充放电复用，提高了装置效率与功率密度。同时，提出了一种能量状态机控制方法，基于直流母线电压、连锁保护、储能电荷量的状态变化，仅通过直流电压检测和阈值设置即可完成能量分配控制和可靠运行，保证了装置响应的快速性。研制了一台100kW电压暂降治理装置样机并搭建试验平台完成试验验证，试验结果表明，装置具备良好的稳态与动态特性，电压暂降治理效果显著，保障了变频器的连续运行。
关键词：超级电容；电压暂降；变频器
中图分类号:TM15P.3文献标识码：A文章编号：1000-100X(2020)12-0060-04
A Voltage Sag Mitigation Device for Adjustable Speed Drives
Based on Super Capacitor
MA Zhi-yuan,LU A N Le,XU Zhong,MO Wen-xiong
(Electric Power Test&Research Institute of Guangzhou Power Supply Bureau of
Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou510410,China)
Abstract:A voltage sag mitigation device based on super capacitor and bidirectional DC/DC converter directly connected to the DC bus of adjustable speed drives is studied.lt can achieve higher efficiency and power density by using bidirectional DC/DC converter for capacitor charging and discharging.Meanwhile,an energy state machine control method based on DC bus voltage,interlock protection and charge quantity is proposed.Based on this method,only DC voltage detection and threshold value setting can realize reliable energy control and fast response of the device.Finally,a100kW prototype and testing platform are designed to verify the method.The experimental results show that the device can achieve better steady and dynamic characteristics and the voltage sag mitigation performance is significant which ensures the continuous operation of adjustable speed drives.
Keywords:super capacitor；voltage sag；adjustable speed drives
Foundation Project:Supported by Science and Technology Project of China Southern Power Grid
(No.080037KK52170066,GZHKJXM20170141)
1引言
随着国家产业转型与升级，高端制造业、高端服务业等行业对电能质量的要求越来越高IT，电压暂降作为最严重的电能质量问题之一，通常会造成无法挽回的经济损失⑶。
国家标准GB/T30137-2013《电能质量电压暂降与短时中断》将电压暂降定义为电压有效值下降到额定值的90%~10%并持续10ms~l min o近年来，针对电压暂降治理的研究不断增加⑷。事实
基金项目：南方电网科技项目
(080037KK52170066,GZHKJXM20170141)
定稿日期:2020-05-09
作者简介：马智远(1987-)，男，安徽砌山人，硕士，高级工程师，研究方向为电能质量。上，大多数工业敏感设备往往具备整流电路、变频驱动设备等，针对其直流母线进行电压暂降补偿可以大大降低系统成本、提升补偿效率与功率密度、加快响应速度，相比于传统交流侧解决方案更具有优越性。
针对含直流母线的典型敏感负荷一变频器，介绍了一种基于超级电容的直流型电压暂降治理装置。根据其工作原理、特性需求提出了一种优化的控制方法，可以进一步提升系统可靠性和响应速度。该方法在一台100kW试验样机上进行测试，可有效治理电压暂降，大大提升动态响应速度。
2拓扑与原理
2.1装置拓扑结构
直流型电压暂降治理装置的系统架构如图1
60
所不，包含双向DC/DC 模块、超级电容模块、主控
模块、人机模块等4部分。其中，储能单元采用超 级电容作为储能介质，超级电容是一种介于静电
电容器与电池之间的新型储能元件，具有电容密
度和能量密度高、充放电快、寿命长、成本低等众
多优点，使得装置功率密度得到提升。
直流 母线 支撑
电压 暂降
|快制一IAC/DC ［干jT|DC/Ac||dc /dc |
I I
|超级电容|
GZPS-VSP-100
图1直流型电压暂降治理装置系统框架
Fig. 1 System architecture of the DC voltage sag processor
图4充电模式示意图
Fig. 4 Schematic diagram of charging mode
保护模式 如图5所示，当治理装置发生故 障或超级电容过充/过放时，装置切换到保护模
式，退出运行以确保装置和变频器的安全。
直流 母线 支撑
双向DC/DC 变换器采用图2所示的3路交
错并联Buck/Boost 拓扑，可实现储能单元充放电 能量双向流动。
I I
^K>变频器直流母线
Fig. 5 Schematic diagram of protection mode
图2双向DC/DC 变换器拓扑
Fig. 2 Topology of bi directional DC/DC converter
2.2 工作原理
治理装置包括3种运行模式：放电模式、充电 模式、保护模式。
放电模式 如图3所示，当发生电压暂降时, 治理装置对变频器直流母线进行支撑，变频器直
流母线电压由治理装置控制，使其稳定在整定电
压值，由超级电容为负载提供能量。
3控制方法
3.1能量状态机设计
电压暂降治理装置首先需确保电压暂降检测
的快速性，传统的检测方法均依赖于交流电压，由
于电压暂降事件类型多样，其检测与判断需耗费
一定的时间，影响了治理装置响应的快速性。
此处提出了一种以变频器直流母线电压作为
检测目标、以直流母线电压阈值作为电压暂降判
定依据的能量状态机控制方法，如图6所示。
一
压降
电暂流
线撑
直母支.
变频器
|ac /dc DC/AC|
载
压
负电|dc /dc |
f I
|超级电容|
GZPS-VSP-100
图6能量状态机模式切换
Fig. 6 Mode switching of energy state machine
9
KJ
II
li Wv
图3放电模式示意图
Fig. 3 Schematic diagram of discharging mode
充电模式 如图4所示，电网电压恢复正常
后，变频器自动选择电网为负载提供能量，变频器
直流母线电压由变频器整流部分控制，治理装置
工作于充电（或浮充）状态，从变频器直流母线抽 取能量向超级电容充电。
其中,C…（n = l,2,---,13）为表1（状态机切换
条件详情表）中的切换条件，过充/过放可根据超 级电容电压上、下限设定，模式切换由直流母线电
压阈值决定分别为装置切换到放电、充电
模式的直流母线电压阈值。为避免频繁切换，6须 小于乞。在任意工作模式下，如果存在故障标志,
装置则必须切换至保护模式。
61
2020年12月Power Electronics December2020
表1状态机切换条件详情表
Table1Mode switching conditions of state machine
故障过充/过放当前模式母线电压条件
充电模式过充
保护模式>S ws >U d WUd
否
放电模式
过放
保护模式
>U C
>U C
G
C2
C3
C4
C5
C6
C7
无
充电模式
放电模式
>5
WUa
>U C
c9
c10
CH
c12
电容侧电感参数取厶=1.2mH,D=0.5，可解得
电流环PI调节器参数。在设计电压环补偿网络参
数时，将电流环闭环传递函数作为被控对象的一
部分。由于电流环带宽远高于电压环，故电流环的
闭环传递函数可用增益为1的比例环节代替。将
补偿后电压环的穿越频率九设置在人/5处。取电
压环PI调节器转折角频率2矶=200rad-s-1，则有:
心心200,|W=1(3)
式中：『=(«,+爲)/$。
图8为补偿前后电流环与电压环开环传递函
数的波特图。
是任意任意任意c13
当超级电容发生过充时，若直流母线电压低于装置切换到放电模式，否则装置须切换到保护模式，等待直流母线电压降低'
当超级电容发生过放时，若盲流母线电压高于装置切换到充电模式，否则装置须切换到保护模式，等待直流母线电压升高。
能量状态机控制方法综合多种因素，并基于直流电压检测，使得装置可靠性更高，响应时间更短。
3.2控制器设计
当装置工作在放电模式时，采用图7所示的双闭环控制，与Boost电路工作在恒压模式时类似，外环为
输出侧直流母线电压环，内环为超级电容侧电感电流环。
KpwM]d»|Gid(
期'f*|Gui(s)|丫■
图7放电模式控制环路
Fig.7Control loop of discharging mode
图7中,G id(s)和 久(s)为Buck-Boost变换器工作在Boost模式时的小信号交流模型下的传递函数，其表达式为：
G id(s)=i l(s)/d(s)=l/ba(/iCs+2)/A(1)
G ui(s)=u o(s)/i i(s)=B
式中：C为直流母线电容；R为Buck-Boost电路工作在Boost模式下的等效负载；D'=l-D,D为下桥臂开关管占空比；A=[LCs2+Ls/R+(D')2]D'R i B=[(D')2R-sL]/[(RCs+2)D']o 将补偿后电流环的穿越频率人设置在开关频率〃15处，取电流环比例积分(PI)调节器的转折角频率2it/^=1000rad•s'1，则有：
1000,\X[K vm U lM(RC S+2yA]\s^=1(2)式中：X=(K$+K a)/s。
m
l
®
(
。)
、
罕
吳
10102103104
a/rad・sT
(a)电流环开环特性
P!亠：
补偿前
PI
补.偿后
1
o
o
8
4
4
6
8
i
3
1
CQ P
晝
(
首
决
10IO2103104IO5
cu/rad«s_l
(b)电压环开环特性
图8放电模式下的波特图
Fig.8Bode diagram of discharging mode
当装置工作在充电模式时，采用图9所示的双闭环控制，外环为超级电容电压环，内环为电流环。超级电容充电过程一般可分为恒功率充电阶段和恒压浮充阶段。在恒功率阶段，电容充电功率恒定，此时电压外环饱和，电容充电电流由电压外环输岀限幅值决定，电压环不起作用。当电容电压达到给定值后，电压外环退出饱和状态而开始起作用，系统进入恒压浮充阶段以弥补电容自放电。
图9充电模式控制环路
Fig.9Control loop of charging mode
图中，G：d(s)和G u(5)为Buck-Boost变换器工作在Buck模式时的小信号交流模型下的传递函数，其表达式为：
GMs)=L(s)/d(s)=Ug(RCs+“(RLCs2+Ls+R).,. <””⑷.Gui(s)=u°(s)/iz,(s)=R/(/?Cs+l)
将参数代入式(4)可知，式中分母没有实根，故被控对象含有一个二阶振荡环节，将电流环PI 调节器的转折频率九设置在振荡环节的转折频率处，将补偿后厶设置在//10处，即有：
Kg/Kjp—、I(RCs+1)/(RLCs2+Ls+R)]|J=j2*=1(
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电容侧电感参数取£=1.2 mH，超级电容出口 滤波电容取50吓,0=0.42即可解得电流环参数。 与补偿模式下电压环的设计方法类似，将电压环
PI 调节器的转折频率九设置在被控对象转折频 率处，同时将补偿后电压环的穿越频率九设置在 九/10处，即有：
心心1/(耽)
\Y[R/(RCs+l)]\s=j2^=l
图10a,b 分别为补偿前后电流环与电压环开 环传递函数的波特图。
o o o O 05 0 5 0 5
4 2 2 44 4 9 3-- --1H P 迪
曙C
◎異o>/rad»s _,
cu/rad*s _l
(a)电流环开环特性
(b)电压环开环特性
图10充电模式下的波特图
Fig. 10 Bode diagram of charging mode
见，装置在电压暂降发生后可在1 ms 内完成响 应，维持变频器的正常运行，切换过程中，变频器
直流母线最低电压为470 V，高于其最小直流工 作电压，实现了无缝切换。
(鰹、A o
e -)
、&
龜 V 002)2
M Z c (l 00 k W 恒功率論5
繹充阶，段充电阶會
-II .|i
__鸟亠紗
//（2 s/格）
图12满载充电模式波形
Fig. 12 Waveforms of charging mode at full load condition
(
萝
o o z w o n
(
嬰 A o s )、s
(枣 V
0003
/
/（20 ms/格）
图13响应时间测试波形
Fig. 13 Waveforms of response time test
4 试验验证
此处设计了一台100 kW 电压暂降治理装置 样机并搭建试验平台进行验证。治理装置超级电
容侧电压为240~450 V，输出侧直流母线额定电
压490 V 。图11为变频器满载情况下电压暂降治 理装置补偿模式的运行波形，可见，装置在电压暂
降发生后迅速响应维持变频器直流母线电压为
490 V 额定电压。其中，氐为直流母线电压，厶为装 置输出电流，如为电网电压，血为变频器输出电压。
a a 亠缶Sc 490 v :
迩理整霁 _!
> > > < sF ~305 A }
//(500 ms/格)
图11满载补偿模式波形
Fig. 11 Waveforms of compensation mode at full load condition
图12为变频器满载情况下治理装置充电模 式的运行波形，可见，装置可对超级电容进行恒功
率充电控制，使超级电容电压稳步提升。其中，/
为超级电容电压，最低超级电容电压为260 V，最 高超级电容电压为450V,/c 为超级电容电流。图13 为满载情况下运行模式切换瞬间的放大波形，可
试验结果表明，基于所提能量状态机控制方
法可提升电压暂降治理装置的响应速度，实现为
敏感负荷可靠供电的目的。
5结论
研究了一种基于超级电容的变频器电压暂降
治理装置并提出一种能量状态机控制方法，以直 流母线电压为检测对象，综合考虑直流母线电压、
储能荷电量及保护等内容，简化控制方式，提升装
置可靠性与动态响应速度。试验结果表明，治理装
置可在1 ms 内完成动态响应，治理效果明显，保 障了变频器在电压暂降期间的连续运行。
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