馮興田, 仉志華, 郭 靜

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

電力系統(tǒng)由于存在非線性特性、電力系統(tǒng)故障以及非線性負(fù)載等問題,會(huì)帶來不同的電壓質(zhì)量問題；新能源的發(fā)展使得大量分布式發(fā)電單元并入電網(wǎng),對電網(wǎng)的影響愈加嚴(yán)重,電能質(zhì)量問題更為突出[1]。在我國的智能電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)中,要求配電網(wǎng)增強(qiáng)接納分布式能源系統(tǒng)接入能力的同時(shí),明確提出了配電網(wǎng)要滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)電能質(zhì)量的多元化要求,實(shí)現(xiàn)最佳的電能質(zhì)量和供電可靠性[2]。電能質(zhì)量問題已經(jīng)成為影響用電效率、用電安全的重要因素,已成為電氣工程學(xué)科的一個(gè)重要研究方向。

電能質(zhì)量問題包括電壓暫降、電壓驟升、電壓中斷、諧波、低功率因數(shù)、電壓波動(dòng)或閃變、三相電壓不對稱等,都會(huì)帶來巨大的損失和危害[3]。定制電力技術(shù)將電力電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等結(jié)合起來,能夠有效解決各種電能質(zhì)量問題[4-7]。為使電氣專業(yè)學(xué)生熟悉電能質(zhì)量問題、治理技術(shù),并增強(qiáng)工程實(shí)踐能力,本文設(shè)計(jì)了基于儲(chǔ)能的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),將定制電力技術(shù)應(yīng)用到電能質(zhì)量裝置中,通過控制策略的開發(fā),針對電壓和電流不同的質(zhì)量問題進(jìn)行治理[8-10]。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合運(yùn)用電力電子技術(shù)、電能質(zhì)量分析、計(jì)算機(jī)測控等專業(yè)知識(shí),學(xué)生在深入理解電能質(zhì)量問題及其治理方法的同時(shí),工程實(shí)踐能力得到鍛煉[11-12]。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

基于儲(chǔ)能的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由主電路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。主電路系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能單元、串聯(lián)變流器、并聯(lián)變流器和雙向直流變換器；控制系統(tǒng)主要包括供電電源、交直流電壓電流采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、PWM輸出等單元。以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320F28335為核心進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)控制策略的算法開發(fā)。

1.1 系統(tǒng)主電路單元

圖1為本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)主電路，其中A1、B1、C1、N1為側(cè)連接配電網(wǎng)電源,A2、B2、C2、N2為側(cè)連接負(fù)載。串、并聯(lián)變流器單元均為三相四橋臂結(jié)構(gòu),串聯(lián)變流器輸出經(jīng)過濾波器LsCs、串聯(lián)變壓器TsA—TsC串入配電網(wǎng),并聯(lián)變流器經(jīng)過電感Lp并入配電網(wǎng)。雙向晶閘管SCRA—SCRC分別串聯(lián)限流電感LA—LC的組合結(jié)構(gòu)與變壓器TsA—TsC并聯(lián),構(gòu)成旁路回路。超級(jí)電容儲(chǔ)能單元作為快速儲(chǔ)能,通過DC/DC直流變換器與直流側(cè)進(jìn)行能量的交換與緩沖。電解電容Cdc1、Cdc2穩(wěn)定直流電壓；R1為預(yù)充電電阻,限制充電電流；R2為泄放電阻,提供直流母線電壓過高時(shí)的釋能回路；Lb為升壓電感；KMp1、KMp2為接觸器,控制相關(guān)回路的通斷。

圖1 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量為100 kVA(串、并聯(lián)變流器各自按照50 kVA),控制電源供電為AC 220 V,輸入輸出電壓等級(jí)AC 380 V,變流器開關(guān)頻率fs=7.2 kHz。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到各個(gè)元件的參數(shù)見表1。圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主電路的實(shí)物圖。

表1 系統(tǒng)元件及電路參數(shù)表

表1(續(xù))

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主電路實(shí)物圖

1.2 控制器單元

控制器單元以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335為核心,結(jié)合外圍控制電路構(gòu)成?？刂破髦饕ü╇婋娫础⒔恢绷麟妷翰蓸?、電流采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、PWM輸出隔離驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)控制輸入輸出等單元,控制單元框圖見圖3。供電電源供給模數(shù)轉(zhuǎn)換、DSP、隔離驅(qū)動(dòng)等單元所需直流電源；電壓采樣采用電阻分壓采樣、電流采樣采用LEM電流傳感器采樣,采樣結(jié)果通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將數(shù)字量送入DSP；DSP對輸入信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯判斷等,按照控制策略要求輸出所需信號(hào)；通過隔離驅(qū)動(dòng)單元輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)(串聯(lián)變流器、并聯(lián)變流器、DC/DC變換器應(yīng)用)、SCR信號(hào)(雙向晶閘管的狀態(tài)切換)、KM信號(hào)(接觸器的開關(guān)控制)；PDP信號(hào)為系統(tǒng)保護(hù)信號(hào)。圖4為控制器實(shí)物圖。

1.3 采樣調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元

各電量的模擬信號(hào),需通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量后才能送入DSP。圖5為電壓、電流的采樣調(diào)理過程以及模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路原理框圖。電壓信號(hào)經(jīng)過電阻分壓采樣后,通過具有高共模抑制能力的隔離運(yùn)算放大器HCPL7800、高輸入阻抗運(yùn)算放大器CA3140后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器；電流信號(hào)通過LEM電流傳感器采樣后,輸出信號(hào)直接進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本文所用DSP自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,只能接收0～+3.3 V的單極性信號(hào),轉(zhuǎn)換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求。因而此處采用Maxim公司的14 位A/D 轉(zhuǎn)換器MAXl25芯片實(shí)現(xiàn)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。MAX125電壓輸入和輸出電平為+5 V,選用驅(qū)動(dòng)緩沖三態(tài)門電路74F245芯片完成與DSP的電平匹配和速度匹配,同時(shí)MAX125和DSP并行工作可減輕DSP的工作負(fù)擔(dān)。

圖3 系統(tǒng)控制單元框圖

圖4 控制器實(shí)物圖

圖5 電量采樣調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理框圖

1.4 儲(chǔ)能單元

超級(jí)電容器在功率密度以及充放電效率等方面性能優(yōu)良,適用于作為能量緩沖器來使用。然而超級(jí)電容器的端電壓很低,一般單只超級(jí)電容器的端電壓為3 V左右,單只超級(jí)電容器的儲(chǔ)能量也相對較小，不適用于實(shí)際系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中通常將多只超級(jí)電容器串并聯(lián)起來組成超級(jí)電容器模組,用以提供能量或進(jìn)行功率緩沖,而且一般用于中低壓場合。超級(jí)電容器的容量計(jì)算公式為

(1)

式中,P為功率；T為時(shí)間；ρ為冗余；C為單體電容值；U1為電容初始電壓；U2為電容放電后電壓；N為電容個(gè)數(shù)。

圖6 超級(jí)電容器儲(chǔ)能柜實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

基于儲(chǔ)能的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要面向電氣工程學(xué)科的研究生和高年級(jí)卓越工程師班的本科生開放,突出工程實(shí)踐、項(xiàng)目開發(fā)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)訓(xùn)練,可以開展多種類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.1 串聯(lián)變流器實(shí)驗(yàn)

串聯(lián)變流器用以解決如電壓暫降、電壓驟升、電壓間斷、電壓閃變等電壓質(zhì)量問題。采樣輸入側(cè)的交流電壓,根據(jù)出現(xiàn)的電壓質(zhì)量問題,采取適當(dāng)控制策略,通過控制單元控制串聯(lián)變流器輸出相應(yīng)的補(bǔ)償電壓,用以維持電壓的額定要求。圖7為串聯(lián)變流器實(shí)驗(yàn)波形,電網(wǎng)電壓暫降期間,串聯(lián)變流器能夠及時(shí)準(zhǔn)確地輸出補(bǔ)償電壓uc,使得負(fù)載電壓uL始終維持原來的幅值和相位,iL為負(fù)載電流。

圖7 串聯(lián)變流器實(shí)驗(yàn)波形

2.2 并聯(lián)變流器實(shí)驗(yàn)

并聯(lián)變流器用以解決如電流諧波、三相不平衡、功率因數(shù)低等電流質(zhì)量問題。采樣負(fù)載側(cè)的負(fù)載電流,根據(jù)出現(xiàn)的電流質(zhì)量問題,采取適當(dāng)控制策略,通過控制單元控制并聯(lián)變流器輸出相應(yīng)的補(bǔ)償電流,用以維持網(wǎng)側(cè)電流的要求。主電路的動(dòng)作需要KMp2 先閉合預(yù)充電,而后斷開KMp2、閉合KMp1,即可投入并聯(lián)變流器單元。圖8為并聯(lián)變流器投入前后的實(shí)驗(yàn)波形,負(fù)載選擇非線性負(fù)載(三相整流橋+電阻)和阻性不平衡負(fù)載。并聯(lián)變流器投入之前,電網(wǎng)側(cè)的各相電流畸變嚴(yán)重,諧波含量較高,而且各相電流不平衡,中線電流isn較大；并聯(lián)變流器投入后,諧波含量降低,三相電流趨于平衡,中線電流非常小。

圖8 并聯(lián)變流器實(shí)驗(yàn)網(wǎng)側(cè)電流波形

2.3 儲(chǔ)能及直流變換器實(shí)驗(yàn)

封鎖串、并聯(lián)變流器,斷開超級(jí)電容儲(chǔ)能柜,首先采用充電機(jī)為其充電；然后接入電路,為直流變換器提供電源,進(jìn)行直流變換器實(shí)驗(yàn)。圖9為實(shí)驗(yàn)時(shí)直流母線電壓波形,超級(jí)電容經(jīng)過預(yù)充電后輸出電壓400 V,再經(jīng)過直流變換器升壓等一系列調(diào)整之后,最終穩(wěn)定在700 V。

圖9 儲(chǔ)能及直流變換器實(shí)驗(yàn)波形

2.4 系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)

儲(chǔ)能及直流變換器單元輸出電壓穩(wěn)定后,可進(jìn)行綜合型實(shí)驗(yàn),先投入并聯(lián)變流器解決網(wǎng)側(cè)電流的電能質(zhì)量問題；在電壓出現(xiàn)電能質(zhì)量問題時(shí),迅速投入串聯(lián)變流器,補(bǔ)償電壓變化；串聯(lián)變流器待機(jī)狀態(tài)時(shí),可通過直流變換器為超級(jí)電容儲(chǔ)能進(jìn)行充電。圖10為電網(wǎng)電壓暫降期間,A相對應(yīng)的負(fù)載電壓uLa、負(fù)載電流iLa、電網(wǎng)電流isa和并聯(lián)變流器輸出電流ica的波形,負(fù)載電壓維持正常幅值,可測得暫降期間電網(wǎng)電流的最大電流諧波畸變率為4.2%。

圖10 系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)波形

3 結(jié)語

本文為電氣工程專業(yè)設(shè)計(jì)了一套電能質(zhì)量調(diào)節(jié)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠解決電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量問題,可以開展多種類型變流器和儲(chǔ)能的實(shí)驗(yàn),服務(wù)于我校電氣工程專業(yè)的“電能質(zhì)量分析與控制”本科生課程和“電能質(zhì)量分析”研究生課程。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于電氣工程專業(yè)的學(xué)生深入了解電能質(zhì)量問題的概念、類型、解決的方法,學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)在電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置中的應(yīng)用、掌握多種變流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和控制策略,有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

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本標(biāo)準(zhǔn)列出了國際單位制(SI)的構(gòu)成體系,規(guī)定了可以與國際單位制并用的單位以及計(jì)量單位的使用規(guī)則。

摘自《國際單位制及應(yīng)用》(GB 3100—03)