周 靜，葉衛(wèi)華，龐臘成，李富鵬

（1.國網(wǎng)電力科學研究院，北京 100220；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 100220；3.江蘇省電力公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

生產(chǎn)生活中不斷涌現(xiàn)各種高科技產(chǎn)品，如數(shù)控機床、高精度測量儀器、精密醫(yī)療設備、變頻調(diào)速設備和各種自動化生產(chǎn)線等。這些以微處理器或計算機為核心的先進設備對供電質(zhì)量和供電可靠性提出了比傳統(tǒng)設備更高的要求，其對電網(wǎng)中的諧波、過電壓、短時斷電、電壓暫降、電壓驟升等干擾十分敏感，任何一種電能質(zhì)量問題都可能引起生產(chǎn)作業(yè)過程的中斷或設備故障，造成巨大的經(jīng)濟或政治損失[1]。

在對電能質(zhì)量進行研究和治理的過程中，必然會涉及到檢驗電能質(zhì)量分析理論正確性的問題。目前供電公司電網(wǎng)電壓穩(wěn)定要求都有相應的考核指標，一般不具備在線檢驗的條件，所以要想驗證理論，需要有專門裝置來模擬這些電網(wǎng)的故障[2～5]。在此，我們設計一種新型的電力擾動發(fā)生裝置并研究其穩(wěn)態(tài)工作性能，主要內(nèi)容包括以下幾個方面[6～7]：（1）主電路結(jié)構(gòu)設計：本文將對多功能電壓擾動發(fā)生器的主電路結(jié)構(gòu)進行詳細設計，該裝置采用多繞組變壓器加H橋級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使裝置的電壓等級達到10 kV；（2）電壓擾動裝置穩(wěn)態(tài)特性分析：重點分析裝置在產(chǎn)生電壓暫降擾動、電壓不平衡擾動和電壓諧波擾動時的穩(wěn)態(tài)工作性能。

2 10kV電壓擾動裝置原理

電壓擾動發(fā)生裝置的工作原理如圖1所示，電壓擾動裝置放于系統(tǒng)電源與被測試設備之間[2～5]。擾動裝置產(chǎn)生的電壓與系統(tǒng)電壓疊加得到需要檢驗的各種工況電壓。其中圖1中給出的是發(fā)生電壓暫降時實現(xiàn)的電網(wǎng)工況。

圖1 10kV電壓擾動裝置原理

3 主電路拓撲

本文研究的電壓擾動發(fā)生裝置主電路拓撲如圖2所示。5個級聯(lián)基波模塊用以產(chǎn)生暫降、暫升、過壓、欠壓、不平衡、波動與閃變電壓。1個諧波模塊產(chǎn)生要求的諧波電壓。整流器采用單相電壓型PWM可控整流，完成從系統(tǒng)吸收有功能量或向系統(tǒng)倒灌能量的功能，實現(xiàn)直流電容電壓穩(wěn)定。

4 主電路參數(shù)設計

針對技術(shù)指標，主電路參數(shù)計算如下所示。

4.1 直流母線電容

直流電容值根據(jù)允許的電壓紋波系數(shù)設計，主要與交流側(cè)容量有關(guān)，一般由式（1）決定：

式中，Sac為功率模塊交流側(cè)容量，Ud0為直流電壓平均值，ΔU為電容電壓波動峰值。按照電壓紋波峰值50V、交流側(cè)容量100kVA來設計，則：

直流電容取8200μF。電容串聯(lián)后額定電壓為1.35kV，留有一定裕量控制直流電壓在1kV。

圖2 10kV電壓擾動裝置主電路拓撲結(jié)構(gòu)

4.2 功率開關(guān)器件

目前，逆變器主電路所采用的開關(guān)器件主要有功率場效應晶體管(MOSFET)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。IGBT具有MOSFET電壓驅(qū)動、開關(guān)頻率高、無二次擊穿問題等優(yōu)點，又具有電力晶體管(GTR)通態(tài)電流大、反向阻斷電壓高等優(yōu)點，因此在中等容量中應用最廣泛。

IGBT電壓的選擇決定于直流母線電壓，一般取IGBT耐壓為直流母線電壓Udc的2倍左右。由于IGBT位于逆變橋上，其CE端與電力電容并聯(lián)，同時電力電容器容量較大，起到了緩沖波動和干擾的作用，因此安全系數(shù)不必取得很大。

本文取IGBT選用1700V/450A。采用單相結(jié)構(gòu)時，開關(guān)管能夠承受1kV直流電壓，需要控制交流電流有效值不超過280A。

4.3 變壓器

變壓器一方面將逆變器和電網(wǎng)隔離，另一方面當采用的是升壓變壓器時，可以降低逆變器直流側(cè)電壓等級。這有利于提高裝置的可靠性，同時可以更加靈活地選擇開關(guān)器件。

擾動裝置帶調(diào)節(jié)裝置負載時，不論發(fā)生何種擾動，擾動裝置的有功負載恒定，有功大小取決于負載有功功率。根據(jù)設計指標，負載最大有功功率不超過1MW。當發(fā)生50%三相電壓暫降擾動時（無相位跳變），擾動裝置逆變側(cè)需要吸收1MW有功功率，此時變壓器需要傳送最大功率1MW。需要傳送最大功率一般為短時工況，變壓器可短時2倍過載，變壓器容量可選0.5MVA。考慮諧波繞組容量，變壓器容量最終選擇0.6MVA。

從基波模塊PWM整流側(cè)看，當調(diào)制度取0.85時，交流電壓有效值為0.6kV。為了在正常工況下PWM整流器交流側(cè)流過最小電流，變壓器二次側(cè)基波繞組額定電壓取為0.6kV。

根據(jù)設計指標，諧波模塊逆變側(cè)注入諧波電壓幅值為系統(tǒng)額定電壓的10%。調(diào)制度為0.95時直流電壓的最小值為0.858kV，取諧波模塊直流電壓為0.86kV。從諧波模塊PWM整流側(cè)看，當調(diào)制度取0.83，交流電壓有效值為0.5kV。變壓器二次側(cè)諧波繞組額定電壓取為0.5kV。

故選擇變壓器額定容量0.6MVA，一次側(cè)D接，二次側(cè)每相6個繞組，其中5個基波繞組、1個諧波繞組?；ɡ@組變比為10.5kV/0.6kV，諧波繞組變比為10.5kV/0.5kV。變壓器一次側(cè)繞組額定電流0.019kA，二次側(cè)基波繞組額定電流0.0556kA、諧波繞組額定電流0.0667kA。變壓器原邊對副邊單繞組阻抗電壓8.7%（副邊單個繞組短路且達到額定電流），原邊對副邊所有繞組阻抗電壓11.25%（副邊所有繞組短路且達到短路電流）。

4.4 PWM整流器交流側(cè)電抗

根據(jù)電路理論，變壓器向PWM整流器傳輸?shù)挠泄β蕿?/p>

式中， U1為變壓器二次電壓0.6kV，U2為PWM整流器交流側(cè)電壓0.6kV，X為變壓器漏抗（原邊對副邊基波繞組，8.7%），δ為變壓器二次側(cè)電壓超前角度。每個PWM整流器最大傳輸功率P≈66.7kW，移相角度δ≈10°，則基波繞組電流為：

可以看出，基波繞組電流剛好達到2倍過載，且遠小于280A。

4.5 逆變側(cè)交流濾波器

電壓型逆變器在一定程度上可以看成是一個諧波源，會產(chǎn)生一定的諧波，濾波單元是用來消除諧波電壓的。一般諧波單元采用無源LC濾波器，基本要求是LC濾波器的固有諧振頻率必須遠遠大于逆變器輸出電壓的基波頻率。

假設逆變側(cè)等效開關(guān)頻率為10kHz和20kHz兩種，需要輸出最大次數(shù)諧波電壓為25次，頻率為1.25kHz。采用如圖3所示的濾波器結(jié)構(gòu)，諧振頻率選為4kHz，阻尼比0.3。

圖3 10kV電壓擾動裝置濾波器結(jié)構(gòu)

濾波器傳遞函數(shù)為：

按照L=4.5mH、C=0.3μF、R=75Ω所設計的濾波器，其濾波特性如圖4所示。從濾波特性看，25次諧波幅值增益接近0.85dB，10kHz諧波幅值增益接近-9.5dB，20kHz諧波幅值增益接近-17.5dB。

5 擾動裝置穩(wěn)態(tài)運行特性分析

5.1 電壓暫降擾動

電壓暫降是指在工頻下，電壓的有效值短時間內(nèi)下降。典型的電壓暫降值為0.1～0.9倍標稱值，持續(xù)時間為0.5個周期到1min。

試驗中，假設擾動前后負載功率不變，容量2.4MVA、功率因數(shù)0.5。設置0.55s時，負載側(cè)發(fā)生電壓暫降50%擾動，負載功率不變。帶此負載時，整流側(cè)向系統(tǒng)倒灌的功率最大（1.2MW）。

圖4 濾波器濾波特性

PWM整流器相關(guān)運行參數(shù)隨時間變化波形見圖5。從圖中可以看出，直流電壓超調(diào)接近30%后趨于穩(wěn)定。在擾動發(fā)生后約5個周波內(nèi)，PWM整流器交流側(cè)電流超過2.4倍額定電流（最高達3.3倍，有效值182A）。PWM整流器達到穩(wěn)態(tài)時，調(diào)制度在設計范圍內(nèi)（0.8～0.85），移相角接近16°，交流側(cè)電流接近2.4倍額定電流（有效值131A），直流電壓中含有峰值接近39V的100Hz紋波分量，直流電容電流峰值接近400A。

PWM逆變側(cè)相關(guān)運行參數(shù)隨時間變化波形見圖6，在擾動發(fā)生后，PWM逆變器很快達到穩(wěn)態(tài)，交流側(cè)電流接近2.2倍額定負載電流（有效值247A），調(diào)制度接近0.8。

5.2 電壓不平衡擾動

電壓不平衡是指三相電壓之間在幅值上的差別，或者相對正常電壓相位差存在相位偏移，亦或兩者兼而有之，不平衡度太大，會造成設備利用率下降、異常發(fā)熱、負序分量增加等一系列危害。

實驗中假設負載為恒阻抗，額定容量2.4MVA，功率因數(shù)0.9。設置0.55s，負載側(cè)發(fā)生電壓不平衡度為20%的擾動，負載阻抗不變。

系統(tǒng)、負荷側(cè)相關(guān)運行參數(shù)隨時間變化波形及負載電壓序分量見圖7。從圖中可以看出，負載電壓具有所要求的不平衡特性。

5.3 電壓諧波擾動

傳統(tǒng)電壓諧波是通過有一定內(nèi)阻的電源驅(qū)動非線性負載實現(xiàn)的。這種方法不僅設備占用空間多，功耗大、效率低，且不易控制。本文實現(xiàn)設計的擾動發(fā)生裝置則通過在調(diào)制波中加入各次諧波，且通過對諧波成份及大小的指定，能夠高效率地實現(xiàn)所需的諧波擾動。

圖5 0.55s發(fā)生電壓暫降擾動，PWM整流器運行參數(shù)

圖6 0.55s發(fā)生電壓暫降擾動，PWM逆變器運行參數(shù)

試驗中假設恒阻抗負載，額定容量2.4MVA，功率因數(shù)0.9。0.55s負載側(cè)發(fā)生幅值為額定電壓10%的25次諧波，負載阻抗不變。

圖7 0.55s發(fā)生電壓不平衡擾動，系統(tǒng)、負荷側(cè)運行參數(shù)

PWM整流器相關(guān)運行參數(shù)隨時間變化波形見圖8。

圖8 0.55s發(fā)生諧波電壓擾動，PWM整流器運行參數(shù)

從圖中可以看出，擾動前后直流母線電壓幾乎不受影響。穩(wěn)態(tài)時，PWM整流器交流側(cè)基波電流可忽略不計（含有較多高次諧波電流），調(diào)制度在設計范圍內(nèi)（0.8～0.85），移相角接近0°。

PWM逆變器相關(guān)運行參數(shù)隨時間變化波形及逆變輸出電壓頻譜分析見圖9。穩(wěn)態(tài)時，PWM逆變輸出的25次諧波電壓有效值接近10.2%（0.589kV），調(diào)制度接近0.95。

圖9 0.55s發(fā)生諧波電壓擾動，PWM逆變器運行參數(shù)

6 結(jié)論

本論文通過詳細的理論分析與仿真計算，對裝置主回路參數(shù)進行了設計，并通過PSCAD/EMTDC仿真對裝置的穩(wěn)態(tài)性能進行了校驗，結(jié)果證明這些參數(shù)是可行的，可以供裝置設計制造使用，裝置實際設計制造時，結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以根據(jù)制造廠要求和現(xiàn)場安裝布置需要適當進行一些變化。

[1] 周靜.動態(tài)電壓恢復器在電網(wǎng)中的應用及其綜合性能研究[D].北京:中國科學院，2010.

[2] 杜云龍.VSI型電力擾動發(fā)生裝置的研究與實現(xiàn)[D]. 華北電力大學，2006.

[3] 劉瑋.可控電壓質(zhì)量擾動發(fā)生裝置的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[4] 孔舒紅.電壓擾動發(fā)生裝置監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].華北電力大學，2011.

[5] 崔巍，王本德，賈文亭. 基于LabVIEW的電壓擾動發(fā)生裝置及其監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電氣時代，2010，6:84-87.

[6] 葉衛(wèi)華，李富鵬，王勇鋒. 基于動態(tài)相量法的PWMDC/DC變換器的建模與分析方法[J]. 電子與封裝，2011，11(11): 22-28.

[7] 趙波，郭劍波，周飛，葉傅華. 新型多功能10kV電壓擾動發(fā)生器的設計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(7):75-80.