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新型多功能10kV电压扰动发生器的设计

第34卷第7期电网技术V ol. 34 No. 7 2010年7月Power System Technology Jul. 2010 文章编号:1000-3673(2010)07-0075-06 中图分类号:TM 76 文献标志码:A 学科代码:470·4051

新型多功能10kV电压扰动发生器的设计

赵波1,郭剑波2,周飞1,叶傅华1

(1.中国电力科学研究院,北京市海淀区 100192;2.国家电网公司,北京市西城区 100031)

Design of A Novel Multi-Functional 10kV Voltage Disturbance Generator

ZHAO Bo1, GUO Jian-bo2, ZHOU Fei1, YE Fu-hua1

(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;

2. State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China)

ABSTRACT: The topological structure and related control algorithm for a novel multi-functional voltage disturbance generator suitable to 10kV distribution network are proposed. Adopting H-bridge cascaded topological structure and directly connecting this device in series with the transmission line, a voltage disturbance generator is formed. At the DC side of the H-bridge, the pulse width modulation (PWM) is utilized, and the acquisition and feedback of energy are implemented by multi-winding transformer. According to the topology of main circuit for this device, a control method, which combines the feed-forward of inverter’s reference voltage with feedback of output voltage in d-q synchronous coordinates, is put forward, and by use of single closed-loop PWM voltage rectifier the stability of DC voltage is realized. The modeling and simulation of the proposed device is implemented by PSCAD/EMTDC, and simulation results show that the topology of the device’s main circuit is feasible and the control strategy is effective.

KEY WORDS: voltage disturbance generator; H-bridge cascade; pulse width modulation (PWM); topology of circuit

摘要:提出了适用于10kV配电电压等级的新型多功能电压扰动发生器的拓扑结构及相关控制算法。采用H桥级联的拓扑结构,将该装置直接串联在线路中,形成了电压扰动发生源。在H桥直流侧采用脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流技术,通过多绕组变压器实现了取能及能量回馈。结合该装置主电路拓扑,提出了d-q同步坐标下逆变器参考电压前馈和输出电压反馈相结合的控制方法,采用电压单闭环PWM整流实现了直流电压稳定。利用PSCAD/ EMTDC软件对装置进行了仿真建模,仿真结果验证了该装置主电路拓扑的可行性及控制策略的有效性。

基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2007BAA- 12B03)。

Key Project of the National Eleventh-Five Year Research Program of China(2007BAA12B03).关键词:电压扰动发生器;H桥级联;脉宽调制;电路拓扑

0 引言

近年来,随着电力电子器件及相关控制技术的发展,电能质量治理设备的发展极为迅速,电能质量治理设备在工业中的应用也已越来越广泛,较常见的包括动态电压恢复器(dynamic voltage restorer,DVR)、固态切换开关(solid state transfer switch,SSTS)、有源滤波(active power filter,APF)、静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)、静止无功补偿器(static var compensa- tor,SVC)、不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)等。一台电能质量控制装置研制出来后,需要对其有效性进行验证。此外,在进行电能质量研究时,需要对电能质量分析理论的正确性进行校验,对电能质量分析设备的应用效果进行检验。为了满足这些需求,需研制具有一定带宽和驱动能力的可控的电力扰动发生装置。将该装置作为标准测试源,产生包括各类电能质量问题的扰动,为电能质量问题的测量、分析、评估和控制建立基础平台。

产生电压扰动较简单的方法是采用变压器通过手动切换方式实现[1]。该方法只能实现电压暂降或暂升扰动。日本关西电力公司研制一种工作在线性放大区方式下的采用功率器件实现的扰动发生装置[2]。虽然该装置能够产生丰富的波形、动态特性较好,但造价高、功耗大、效率低。文献[3]基于上述原理设计扰动发生装置,使该装置的容量受到限制。文献[4-6]提出了一种由晶闸管和自耦变压器构成的电压暂降(暂升)和不平衡扰动发生装置。文献[7-8]提出了一种用晶闸管可控电抗器(thyristor

76 赵波等:新型多功能10kV电压扰动发生器的设计V ol. 34 No. 7

controlled reactor,TCR)构成的的电压暂降或暂升扰

动发生装置。文献[9]提出了一种采用不控整流与全

控逆变结构的波形发生设备。

为对电能质量相关设备进行验证,国内常采用

阻抗短接或变压器调压的方法产生扰动[10]。这种方

法电路简单、易实现,可在短时间内产生扰动。然而,各种治理设备功能的增加和性能的提高,对扰

动源提出了可控和多功能的要求。华北电力大学在

扰动源发生方面做了一些研究,已研制出380V实

验样机和单相220V实验样机[11-13]。该样机采用12

脉动不控整流与可控逆变结构,可产生暂降、不平衡、闪变、电压谐波等扰动。东南大学采用全控器

件背靠背式的单相拓扑结构研制了4.4kV A的实验

室装置,取得了一定的研究成果[14-15]。尽管国内外

对电压扰动装置的研究取得了一定成果,但这些装

置均处于低电压、小容量的水平,功能也较简单,

不能满足实际需要。高电压等级、大容量和多功能

的可控电压扰动源仍是研究难点。

本文将设计一种新型的多功能电压扰动发生器。该装置采用多绕组变压器加H桥级联的结构,使装置的电压等级达到10kV,增大了装置的容量。本文还采用可控整流技术、载波移相正弦脉宽调制(carrier phase shifted-sinusoidal pulse width modulation,CPS-SPWM)技术及参考电压前馈加输

出电压反馈的控制方法,提高了输出的等效开关频率,减小了滤波电路的体积和重量,输出响应速度较快。该装置具有扰动波形丰富的优点,能产生下降深

度为50%~90%的额定电压、持续时间为0.5个工频周

期到1min的电压暂降,三相不平衡度达20%、电压

幅值为额定电压的0~20%、调制频率范围为0.5~25Hz

的波动与闪变以及高达25次的电压谐波。

1 多功能电压扰动发生器的原理和结构

1.1 工作原理

电压扰动发生器通过与系统电压叠加产生各

种扰动源,并将这些扰动源作用于DVR、SSTS等

电压型治理设备和需要考核电压质量耐受能力的

用电设备。电压扰动发生器的基本原理如图1所

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图1电压扰动发生器的工作原理

Fig. 1 Principle of the voltage disturbance generator 示。图中:U sys为系统电压;U inv为包括电压谐波、暂降、不平衡扰动、闪变等的复合电压扰动装置的输出电压;U load为扰动负荷电压,U load= U sys+U inv。

1.2 拓扑结构

新型多功能电压扰动发生器主电路见图2。图中:C f为滤波电容;L f为滤波电感。该装置在网侧使用三相多绕组变压器取能,原边以D连接方式接入系统,副边为单相多绕组结构。

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图2新型多功能电压扰动发生器主电路

Fig. 2 A main circuit topology of the novel multi-function

voltage disturbance generator

该主电路每相共6个单相背靠背结构的全控模块,其中5个模块用以产生基波扰动(包括暂降、暂升、不平衡、闪变等),另设置1个高频模块产生幅值较小的谐波电压扰动,模块之间形成差异化配置。逆变侧模块级联,通过低通滤波器输出需要的电压。

本文采用H桥级联的结构,使逆变输出电压叠加,其中背靠背的全控模块可以实现能量的双向流动,并与变压器一起实现能量回馈,这有利于该装置在发生扰动时维持直流电压稳定。本文采用差异化配置来分别产生基波扰动和谐波扰动,从而达到降低器件开关频率、提高开关管利用率、提高效率的目的。

2 多功能电压扰动发生器的控制策略

2.1 扰动输出控制策略

本文用电压扰动发生器实时检测系统电压和测试负载电压,接收扰动发生指令,控制逆变器输出电压扰动波形,并控制整流器,维持直流电压稳定。输出扰动波形的控制措施包括以下3个方面:扰动输出控制、可控整流控制和底层脉宽调制(pulse width modulation,PWM)控制。

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本文采用全控型电力电子器件大大提高了扰动设备的动态响应性能,输出的各种扰动延迟只是从命令下发到产生波形的数ms 。

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控制输出扰动的目的是按照要求控制级联H 桥逆变器输出各种扰动电压。前馈控制具有响应速度快、稳定性高、控制方法简单等优点,但其负载电压与滤波器参数、负荷阻抗等因素相关,补偿效果较差。反馈控制可以得到较理想的负载调节特性和稳定的输出电压,控制结构较简单,但抑制LC 滤波环节谐振的能力不强。电压电流双闭环控制的控制方式则使调试复杂,较难应用于工程。本文在

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d-q 同步坐标下采用参考电压前馈和逆变输出电压反馈相结合的控制方法对负载电压进行控制,补偿算法的控制框图如图3所示。图中:U load-dq 为d-q 坐标系下的负载参考电压;U system-abc 为三相坐标系下的系统电压;U invref-dq 为d-q 坐标系下该发生器的输出参考电压;U inv-abc 为三相坐标系下该发生器的输出电压;U inv-dq 为d-q 坐标系下该发生器的输出电压;U dc 为全控模块直流电容电压;U i *nvref-abc 为三相坐标系下调节器的输出参考电压;S 为绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor ,IGBT)门极驱动脉冲。图中负荷参考电压可以直接在d-q 坐标下给定,也可在三相坐标下给定。通过对负载参考电压与系统电压进行运算,可以得到装置的输出参考电压,有效补偿系统电压变化,使受控的负载电压不受系统电压波动的影响。

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图3 扰动输出控制框图

Fig. 3 Control block diagram of

the disturbance output

2.2 可控整流控制策略

整流侧的每个模块均为单相电压型PWM 整流

电路,其等效电路如图4所示。

图中:S

U

为变压器二次侧电压;C

U 为整流器交流侧输出电压;L 为连接电感;L

U

为电感电压;I 为电流。 根据电力传输理论可以得到从电源侧向整流

器输送的有功能量,即

S C

sin U U P L

δω= (1)

U S ˙(a) 等效电路

˙

(b) 相量关系

L ˙

图4 单相电压型PWM 等效电路及相量

Fig. 4 Single-phase voltage-type PWM equivalent circuit

and its phasor

式中:ω 为角频率;δ 为变压器二次侧电压超前整流器输出逆变电压的角度。从式(1)可以看出,控制整流器输出逆变电压的幅值恒定,通过调整电压间的偏差角度实现功率流动,维持直流电压稳定。基于以上控制思想,直流电压单闭环的控制框图如图5所示。图中:U d 为直流电压反馈值;U d

* 为直流电压反馈值的参考值;δ * 为PI 调节器输出角度;

U c * 为PWM 参考电压。

输出交流电压幅值信号

三角波 与U

S 同步的相位信号

图5 单相整流单闭环控制框图

Fig. 5 Single closed-loop control block diagram of

the single-phase rectifier

与传统的单位功率因数整流控制策略相比,直流电压单闭环的控制方式没有对电流进行直接控制,网侧功率因数可能较低,但是单闭环控制具有更高的动态响应速度,控制器设计更简单,且装置为短时工作,影响不大。 2.3 底层PWM 控制

本文采用级联单极性载波移相技术实现底层

PWM 控制技术,CPS-SPWM 通过将载波均匀平移一定的相位对多电平变换器进行调制。该方法能在较低的器件开关频率下获得较高的等效开关频率。目前,根据载波移相角度计算方法的不同,实际应用的调制策略主要有移相180°/N 方式和移相

360°/N 方式,其中N 为级联数目。因180°/N 移相方式的输出电压谐波含量相对较小,故本文采取移相180°/N 方式。

CPS-SPWM 分为单极性调制和双极性调制。

因单极性调制的输出电压畸变率相对较低,故采用

CPS-SPWM 单极性调制方法。图6为CPS-SPWM 单极性调制原理。图中:u C i 为三角波发生器的输出

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V ol. 34 No. 7

(a) 主电路 (b) 控制电路 限幅

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S 11S 13S 12S 14S 21S 23S 22S 24S 31S 33S 32S 34S 41S 43S 42S 44S 51S

53S 52S 54

图6 CPS-SPWM 单极性调制原理

Fig. 6 Unipolar modulation principle of the CPS-SPWM

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电压;U a 为模块端电压。

3 多功能电压扰动发生器的主参数设计

3.1 级联模块数的选取

为产生单相最大50%的额定电压暂降。10 kV 系统相电压有效值U p 为5.77 kV 。取逆变调制比m 为0.85,直流电压U dc =

1 kV ,则所需模块数为

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p dc

50% 4.8N mU ×=

= (2)

对N 取整,选择基波级联模块数量为5,同时设置一个模块输出谐波电压。 3.2 变压器

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当扰动装置带调节装置负载时,无论发生何种扰动,扰动装置的有功负载恒定,有功功率大小取决于负载有功功率。根据设计指标,负载最大有功功率不超过1 MW 。当发生50%三相电压暂降扰动时,扰动装置逆变侧需要吸收1 MW 的有功功率,此时变压器需要传送的最大功率为1 MW 。因需要传送的最大功率一般为“短时”工况,变压器可短时2倍过载,故变压器容量可选为0.5 MV A 。考虑谐波绕组容量,变压器容量最终选择为0.6 MV A 。

从基波模块PWM 整流侧看,当调制度取0.85时,交流电压有效值为0.6 kV 。为了在正常工况下使PWM 整流器交流侧流过最小电流,变压器二次侧基波绕组额定电压取0.6 kV 。

从谐波模块PWM 整流侧看,当调制度取0.83时,交流电压有效值为0.5 kV ,变压器二次侧谐波绕组额定电压取0.5 kV ,故选择变压器的额定容量为0.6 MV A ,一次侧D 接,二次侧每相6个绕组,其中包括5个基波绕组、1个谐波绕组。基波绕组变比为10.5 kV/0.6 kV ,谐波绕组变比为10.5 kV/0.5k V 。

变压器一次侧绕组额定电流为0.019 kA ,二次侧基波绕组额定电流为0.055 6 kA ,谐波绕组额定电流为0.066 7 kA 。变压器原边对副边单绕组阻抗电压为8.7%,原边对副边所有绕组阻抗电压为11.25%。 3.3 逆变侧交流滤波器

逆变侧等效开关频率分10和20 kHz 2种,输出谐波电压的最高次数为25,其频率为1.25 kHz 。本文采用图7所示滤波器结构。图中:U in 为输入电压;U out 为输出电压。该滤波器的谐振频率选为

4 kHz ,阻尼比为0.3。

图7 滤波器结构

Fig. 7 Structure of the filter

该滤波器的传递函数为

21()1

RCs

H s LCs RCs +=++ (3)

按照L = 5 mH 、C = 0.32 μF 、R = 75 ? 设计滤波

器,其滤波特性如图8所示。从滤波特性看,25次

谐波幅值增益接近0.87 dB ,10 kHz 谐波幅值增益

接近 ?9.7 dB ,20 kHz 谐波幅值增益接近 ?17.6 dB 。

f /Hz (a) 辐频特性

幅值/d B ????

f /Hz (b) 相频特性

角度/(°) ??5?

图8 滤波器特性

Fig. 8 Characteristics of the filter

4 仿真结果与分析

基于上述控制策略和主参数,本文用PSCAD/

EMTDC 软件对装置进行了建模。在0.55 s 时分别产生50%电压暂降扰动、不平衡度为20%的电压不平衡扰动、幅值为20%且频率为10 Hz 的正弦波闪变扰动、叠加10%的5次和25次谐波电压的扰动,

第34卷 第7期 电 网 技 术 79

相应的负荷电压分别如图9~12所示。图9中指令电压峰值为4.18 kV ,输出电压峰值为4.25 kV ,精度为98%。图12(a)给出了5次谐波电压,其中目标电压有效值为0.54 kV ,实际输出电压有效值为

0.527 kV ,精度为97.6%。图12(b)给出了25次谐波电压,其中目标电压有效值为0.577 kV ,实际输出

t /ms 负载电压/k V

?10

500 0510525 600

650 550 575 625 675?5

图9 有50%电压暂降扰动时的负载电压

Fig. 9 Load voltages with 50% voltage sag

t /ms 负载电压/k V

?15

500 0515525 600 650 550 575625 675

?5?1010

图10 不平衡度为20%的负载电压

Fig. 10 Load voltages with 20% voltage unbalance

t /ms 负载电压/k V

?10450

0510750

600 900?5

图11 有闪变扰动时的负载电压

Fig. 11 Load voltages with flicker disturbance

t /ms (a) 含5次谐波电压

负载电压/k V

?10

520

0510550 580 610

?5

t /ms (b) 含25次谐波电压

负载电压/k V

?10

520

0510550 580 610

?5

图12 含谐波电压扰动的负载电压

Fig. 12 Load voltages with harmonic voltage disturbance

电压有效值为0.589 kV ,精度为98.8%。从图9~12可以看到,该装置可有效充当暂降、不平衡、闪变、谐波等电压扰动源,模拟各种电压质量问题。从图9~12也可以看出,本文的电路结构、参数及相关控制策略是有效的。

5 结论

1)本文提出了适用于10 kV 配电电压等级的新型多功能电压扰动发生器的拓扑结构及相关控制算法。采用多绕组变压器加H 桥级联的拓扑结构,使该装置达到了10 kV 电压等级。

2)采用差异化模块配置分别产生基波扰动和谐波扰动,降低了器件的开关频率,提高了开关管利用率。

3)采用参考电压前馈加输出电压反馈的控制方法,提高了该装置的输出响应速度。

4)在指令电压中引入系统电压变化,使受控的负载电压不受系统电压波动的影响。

5)采用级联单极性载波移相技术实现底层PWM 控制,提高了等效开关频率,减小了输出滤波器的体积和重量。

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收稿日期:2010-01-19。

作者简介:

赵波(1977—),男,博士研究生,工程师,主要

从事电力系统和电力电子技术研究和开发工作,

E-mail:zhaobo@http://www.doczj.com/doc/b99a08f37c1cfad6195fa77d.html;

郭剑波(1960—),男,教授级高级工程师,博士

生导师,长期从事电力系统规划、运行和电网可靠

性研究工作;

周飞(1981—),男,硕士,工程师,主要从事电力系统和电力电子技术研究和开发工作;

叶傅华(1984—),女,硕士,

新型多功能10kV电压扰动发生器的设计

新型多功能10kV电压扰动发生器的设计

主要从事电力电子技术研究和开发工作。

赵波

(责任编辑杜宁)

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