学术简报｜双PWM型动态电压恢复器的最大输出能力分析
国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）、深圳出入境检验检疫局、长沙理工大学电气与信息工程学院的研究人员涂春鸣、孙勇等，在2018年第21期《电工技术学报》上撰文指出，动态电压恢复器（DVR）可以抑制系统侧电压波动对敏感负荷的影响。
该文综合考虑了电网电压跌落深度、负荷波动幅度以及并联变流器带载能力对双PWM型DVR补偿能力的影响，深入分析其极限输出电压范围。通过建立并、串联变流器的等效数学模型，从保持直流侧电压稳定的并联变流器带载能力角度出发，得到了串联变流器调制比与电网电压幅度、负荷大小、直流侧电压以及变流器电路参数的关系，由此确定了系统定参数下基于直流侧稳定的DVR最大输出能力，并绘制了电网电压跌落深度和负荷波动幅度对DVR输出能力的影响关系曲线。
此外，结合以上分析对变流器电路参数和容量进行了系统设计。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。
随着配电网用户侧敏感负荷的逐渐增多，电压波动的有效抑制逐渐成为电能质量治理的重点工作之一。由于动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer, DVR）可以抑制网侧电压波动对敏感负荷的影响，成为保证敏感设备正常工作的有效电力设备。
目前学者在DVR的拓扑结构与优化设计方面进行了广泛研究。其结构主要分为储能式和非储能式。供能侧采用储能单元，由于储能设备价格昂贵，占用体积大，经济性差；而背靠背双PWM型DVR直接从电网获取能量，并具有单位功率因数运行、直流侧电压可调、体积小等优势，已被广泛采纳。
文献[4]介绍了双PWM型DVR由供能的网侧变流器（后简称“并联变流器”）和提供补偿电压的负载侧变流器（后简称“串联变流器”）构成，表明该结构具有补偿时间长的优势。文献[5]从检测方法上进行改进，提高了DVR补偿的快速性和准确性。文献[6,7]拓展了双PWM型DVR的功能，使其具有限流能力。此外，该结构与统一电能质量控制器、统一潮流控制器类似，具有广泛的应用场景。
对于双PWM型DVR的补偿能力已开展较多研究。其中，文献[11,12]分析了不同电网电压幅度对DVR补偿范围的影响，文献[13,14]分别采用复合谐振控制策略和直接负载电流控制以改善负载突变时DVR的动态补偿性能。由此可见，电网电压跌落深度和负荷变化幅度对DVR补偿能力的影响已引起广泛关注，但文献[11-14]均未明确给出影响关系的量化结论。
文献[15]从不同控制策略角度分析了DVR的电压补偿范围，并指出此范围受并联侧能量补偿能力的限制。此外，由于共用直流电容和存在能量交换，并、串联变流器不可避免地会存在耦合关系。同时，直流侧电压的稳定直接影响到DVR补偿效果，并联变流器具有基于直流侧稳定的最大带载能力。可见并联变流器对DVR的输出电压范围也有着重要影响。
目前，计及并联侧对DVR补偿能力的影响分析研究相对较少。虽然文献[18]从变流器耦合角度分析了统一电能质量控制器的输出电压临界值，但其与变流器电路参数的关系尚不明确，且该分析未考虑不同工况下的情形。
综合以上分析可知，电网电压跌落深度、负荷波动幅度以及并联变流器带载能力与双PWM型DVR补偿能力密切相关。本文在现有文献的研究基础上，首先对双PWM型DVR进行了介绍，接着结合并联变流器的最大带载能力详细分析了并联变流器输出有功情况，得到了其与电网电压跌落幅度的关系。
通过建立并、串联变流器的等效数学模型，得到了串联变流器调制比的极限取值范围，并得出DVR最大输出能力与电网电压跌落深度、负荷波动幅度及并联变流器电路参数间关系的量化结论。同时，结合上述理论进行了系统参数设计。最后，通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。
图1 双PWM型DVR电路
图16 RT-LAB硬件在环实验平台
本文结合基于直流侧稳定的并联变流器最大带载能力，分析了双PWM型DVR在不同电网电压跌落深度和负荷波动幅度下的最大输出能力，得到了如下结论：
1）在定参数下，DVR输出能力受电网电压跌落深度和负荷波动幅度的影响，存在着边界值，当跌落深度和负荷波动幅度超过该边界值时，系统将发生失稳现象。
2）该边界值与并联变流器的带载能力有关，其带载能力随着电网电压跌落深度的增大而减小。
3）考虑并联侧的带载能力并与串联侧等效阻抗比较，可以得到串联变流器调制比的取值范围，进而得到DVR最大输出能力。此输出能力与电网电压幅值、负荷大小、直流侧电压及并联变流器电路参数有关。
该理论对类似统一电能质量控制器和统一潮流控制器等结构的电力电子装置的分析与设计均具有一定的指导意义。