10kV電壓擾動裝置主電路設計及穩(wěn)態(tài)運行特性

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]。

在對電能質量進行研究和治理的過程中，必然會涉及到檢驗電能質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，主要內容包括以下幾個方面[6～7]：（1）主電路結構設計：本文將對多功能電壓擾動發(fā)生器的主電路結構進行詳細設計，該裝置采用多繞組變壓器加H橋級聯(lián)的結構，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，主要與交流側容量有關，一般由式（1）決定：

式中，Sac為功率模塊交流側容量，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構

4.2 功率開關器件

目前，逆變器主電路所采用的開關器件主要有功率場效應晶體管(MOSFET)、門極可關斷晶閘管(GTO)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。IGBT具有MOSFET電壓驅動、開關頻率高、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。采用單相結構時，開關管能夠承受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器件。

擾動裝置帶調節(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整流側看，當調制度取0.85時，交流電壓有效值為0.6kV。為了在正常工況下PWM整流器交流側流過最小電流，變壓器二次側基波繞組額定電壓取為0.6kV。

根據(jù)設計指標，諧波模塊逆變側注入諧波電壓幅值為系統(tǒng)額定電壓的10%。調制度為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整流側看，當調制度取0.83，交流電壓有效值為0.5kV。變壓器二次側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D接，二次側每相6個繞組，其中5個基波繞組、1個諧波繞組。基波繞組變比為10.5kV/0.6kV，諧波繞組變比為10.5kV/0.5kV。變壓器一次側繞組額定電流0.019kA，二次側基波繞組額定電流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。

假設逆變側等效開關頻率為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所示的濾波器結構，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構

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，負載側發(fā)生電壓暫降50%擾動，負載功率不變。帶此負載時，整流側向系統(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，直流電壓超調接近30%后趨于穩(wěn)定。在擾動發(fā)生后約5個周波內，PWM整流器交流側電流超過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，調制度在設計范圍內（0.8～0.85），移相角接近16°，交流側電流接近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逆變側相關運行參數(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)，交流側電流接近2.2倍額定負載電流（有效值247A），調制度接近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)、負荷側相關運行參數(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阻的電源驅動非線性負載實現(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)、負荷側運行參數(shù)

PWM整流器相關運行參數(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整流器交流側基波電流可忽略不計（含有較多高次諧波電流），調制度在設計范圍內（0.8～0.85），移相角接近0°。

PWM逆變器相關運行參數(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，結構和參數(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。

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