高低電壓穿越能力測(cè)試用電壓暫升暫降發(fā)生裝置

姚新陽(yáng)胡 偉徐 賢顧 文黃學(xué)良

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210096；2.江蘇省電力公司，南京 210024；3.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102）

高低電壓穿越能力測(cè)試用電壓暫升暫降發(fā)生裝置

姚新陽(yáng)1胡 偉2徐 賢2顧 文3黃學(xué)良1

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210096；2.江蘇省電力公司，南京 210024；3.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102）

國(guó)家電網(wǎng)公司近期發(fā)布了《大型汽輪發(fā)電機(jī)組一類輔機(jī)變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》，提出了變頻器高低電壓穿越能力要求，但卻缺少相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備。本文研制了一種 10kW 低壓輔機(jī)變頻器高低電壓穿越能力測(cè)試用電壓暫升暫降發(fā)生裝置，系統(tǒng)主拓?fù)錇楸晨勘呈饺郟WM變換器，可實(shí)現(xiàn)各種平衡或不平衡電壓暫升暫降，幅值變化范圍為0～130%UN。樣機(jī)測(cè)試證明，該裝置能準(zhǔn)確快速地輸出目標(biāo)電壓，滿足對(duì)火電廠一類低壓輔機(jī)變頻器進(jìn)行高低電壓穿越能力測(cè)試的要求。

低壓輔機(jī)變頻器；高低電壓穿越能力測(cè)試；電壓暫升暫降發(fā)生裝置；背靠背式PWM變換器

鑒于低壓輔機(jī)變頻器高低電壓穿越能力的缺失，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了《大型汽輪發(fā)電機(jī)組一類輔機(jī)變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》，對(duì)高低電壓穿越區(qū)進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，提出了3個(gè)低電壓穿越區(qū)和一個(gè)高壓穿越區(qū)，在穿越區(qū)內(nèi)變頻器應(yīng)能夠保障供電對(duì)象的安全運(yùn)行。

許多電廠也陸續(xù)按此規(guī)范對(duì)低壓輔機(jī)變頻器進(jìn)行了高低電壓穿越改造，為了檢驗(yàn)低壓變頻器的高低電壓穿越能力，需要對(duì)低壓變頻器及進(jìn)行高低電壓穿越能力改造后的低壓變頻器進(jìn)行測(cè)試[1]，但卻缺少相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備。

目前，市場(chǎng)上的高低電壓穿越試驗(yàn)用電壓暫降發(fā)生器多采用阻抗型或變壓器抽頭發(fā)生器[2]。該方法只能產(chǎn)生固定幅值的三相平衡電壓跌落，但電網(wǎng)中電壓故障類型多樣，因此有必要研制能模擬電網(wǎng)不平衡故障的電壓暫升暫降發(fā)生裝置。電力電子式電壓暫降發(fā)生裝置因具有精度高、靈活性高、體積小等特點(diǎn)，便于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)合使用，正在成為研究的新方向。

本文設(shè)計(jì)了一種電壓暫升暫降發(fā)生裝置，采用電力電子積木架構(gòu)，相比無(wú)源阻抗或變壓器構(gòu)成的電壓跌落器，更具擴(kuò)展性及可控性。可實(shí)現(xiàn)各種平衡或不平衡電壓暫升暫降模擬，幅值變化范圍為0～130%UN，充分滿足低電壓穿越能力測(cè)試的要求。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制原理

主電路采用兩個(gè)三相PWM變換器構(gòu)成背靠背結(jié)構(gòu)，拓?fù)淙鐖D1所示。圖中左側(cè)為網(wǎng)側(cè)整流器，右側(cè)為故障側(cè)逆變器。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)側(cè)整流器

網(wǎng)側(cè)整流器是一個(gè)三相PWM電壓型整流器，如圖2所示，主要用于提高直流母線電壓，為后級(jí)逆變器實(shí)現(xiàn)電壓暫升提供足夠高的直流電壓。

圖2 網(wǎng)側(cè)整流器結(jié)構(gòu)圖

本裝置中的三相PWM整流器主要有兩個(gè)控制目標(biāo)：①保證直流側(cè)電壓恒定；②實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為 1。為滿足以上兩個(gè)目標(biāo)，采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)[3]。

三相PWM整流器在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

式中，ed、eq為三相電網(wǎng)電壓矢量在d、q軸上的分量；id、iq為網(wǎng)側(cè)電流的 d、q軸分量；Sd、Sq為開關(guān)函數(shù)對(duì)應(yīng)的d、q軸分量；ω為電網(wǎng)基波角頻率。

可以看出，三相PWM整流器電流環(huán)是一個(gè)相互耦合的系統(tǒng)。d軸電流要受q軸電流控制，同時(shí)q軸電流也要受d軸電流的控制。為此，采取前饋解耦控制策略，電流調(diào)節(jié)器采用PI控制器調(diào)節(jié)，則ud、uq的的控制方程如下：

式中，Kip、Kil分別為電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益，分別為id、iq電流參考值。

由式（2）可得網(wǎng)側(cè)整流器的控制框圖，如圖3所示。在電壓外環(huán)中，反饋的直流電壓udc與參考值比較后形成的偏差經(jīng)電壓環(huán) PI控制器后得到 d軸電流的參考值。為了保證三相 PWM整流器能夠在單位功率因數(shù)下運(yùn)行，此處q軸電流的參考值設(shè)為0。在電流內(nèi)環(huán)中，三相輸入電流經(jīng)坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)換為輸入電流的dq軸分量id和iq，分別與其參考值作比較，得到的偏差信號(hào)再經(jīng)過電流環(huán)PI控制器后通過與前饋信號(hào)和交叉反饋信號(hào)綜合，形成dq軸的參考電壓。經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，送到SVPWM發(fā)生器形成開關(guān)控制信號(hào)。坐標(biāo)變換的基準(zhǔn)角度由鎖相環(huán)測(cè)量電網(wǎng)電壓相角所得。

圖3 網(wǎng)側(cè)整流器控制框圖

考慮到需要模擬 130%UN電壓暫升，將母線電壓控制為700V。

1.2 故障側(cè)逆變器

電壓暫降有A～F共7種類型[4]，但由于變頻器為三角形負(fù)載，且前級(jí)無(wú)隔離變壓器，因此，裝置只需生成A（三相接地短路）、B（單相接地短路）、C（兩相相間短路）、E（兩相接地短路）4種電壓暫降，這4種電壓暫降的幅值和相角見表1。

表1 四種電壓暫降類型的幅值和相角

表中 X為電壓變化比例，在直流母線電壓為700V，X=1時(shí)，逆變器輸出電壓為130%UN，因此，若要輸出60%UN，則X=0.462。

本裝置的故障側(cè)采用開環(huán)控制，按照表1中的電壓幅值和相角設(shè)定調(diào)制波，即可逆變產(chǎn)生目標(biāo)電壓。

2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 功率器件選型

裝置功率P=10kW，三相電網(wǎng)線電壓Uin=380V，則輸入電流有效值I為

輸入電流的峰值Im為：

考慮到有些低電壓穿越改造方案會(huì)造成變頻器輸入側(cè)5倍的過電流[5]，即，則IGBT的額定電流ICEM(S)選為

直流側(cè)輸出電壓udc=700V，增加一定的裕量，最終選擇了西門康公司的SKM300GB12E4型IGBT模塊，其耐壓值為1200V，額定電流為300A。

IGBT模塊的開關(guān)頻率需要綜合考慮整流器的系統(tǒng)參數(shù)。頻率太低不但會(huì)增加濾波器的體積和重量，還會(huì)增大輸入電流的諧波含量；頻率太高則開關(guān)損耗增加。因此，本文輸入環(huán)節(jié)三相PWM整流器采用的開關(guān)頻率為4.8kHz。

2.2 直流側(cè)電容設(shè)計(jì)

直流側(cè)電容容量的計(jì)算式為

2.3 輸入濾波電感設(shè)計(jì)

在整流器中，輸入濾波電感的主要作用是儲(chǔ)存能量，濾除高頻諧波，減小高頻電流紋波等。其值不但影響著電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)速度，而且還制約著整流器的輸出功率、直流母線電壓以及功率因數(shù)等。

濾波電感值的選取既要考慮到電流快速跟蹤性能，又要考慮如何減小諧波畸變率。通過對(duì)電流的瞬態(tài)分析可得

綜合考慮，濾波電感的值取0.6mH。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置采用兩塊DSP2808來(lái)分別作為PWM整流器、逆變器的控制器。DSP2808的主頻最大為100MHz，3.3V供電，采用 100個(gè)引腳封裝，所有產(chǎn)品引腳兼容，具有高達(dá)64k的Flash。片上集成：12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC），支持16路信號(hào)采樣；增強(qiáng)型捕獲比較單元（CAP）可捕獲脈沖信號(hào)；增強(qiáng)型脈寬調(diào)制器（ePWM），可同時(shí)輸出16路PWM信號(hào)；4個(gè)同步串行通信接口（SPI），兩個(gè)異步串行通信接口（SCI），可以實(shí)現(xiàn)與DSP及外設(shè)的通信。

控制板硬件框圖如圖4所示，系統(tǒng)以DSP為核心，對(duì)輸入電壓和電流、直流母線電壓實(shí)時(shí)采樣，產(chǎn)生PWM波控制IGBT的通斷，使輸出達(dá)到的設(shè)定值。同時(shí)DSP2808可實(shí)時(shí)保持人機(jī)通信，方便用戶控制。

圖4 控制板硬件框圖

電源模塊采用 TI公司的高精度電源芯片TPS70351，這是一款雙路輸出低壓降的集成電路穩(wěn)壓器，輸入電壓5V，輸出兩組穩(wěn)定的電壓3.3V和1.8V供DSP使用。

系統(tǒng)時(shí)鐘采用外接一個(gè)20M晶振的方式來(lái)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)。晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖信號(hào)經(jīng)DSP內(nèi)部鎖相環(huán)PLL模塊倍頻至100MHz后送至CPU。

驅(qū)動(dòng)板的核心采用西門康公司的高性能驅(qū)動(dòng)芯片SKYPER32 PRO。SKYPER32 PRO最大開關(guān)頻率可達(dá) 50kHz，內(nèi)部綜合集成了短路、過流以及欠電壓監(jiān)測(cè)電路等各種保護(hù)電路，是一款高可靠性的，功能強(qiáng)大的IGBT驅(qū)動(dòng)元件。

電壓采樣選用LEM公司的LV25-P型電壓霍爾傳感器，電流采樣選用LT208-S7。霍爾傳感器的輸出為電流信號(hào)，通過外接的采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序的開發(fā)環(huán)境采用 TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3，控制系統(tǒng)的軟件程序由主程序以及中斷程序組成，如圖5所示。軟件設(shè)計(jì)采用模塊設(shè)計(jì)的方法，整個(gè)系統(tǒng)是通過調(diào)用子程序和接收中斷處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在TMS320F2808上電開始運(yùn)行后，主程序首先對(duì)DSP各單元進(jìn)行初始化配置，初始化完畢后，開全局中斷，進(jìn)入循環(huán)函數(shù)，使系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，以便在中斷到來(lái)時(shí)能快速響應(yīng)中斷，并進(jìn)入相關(guān)中斷服務(wù)程序。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

軟件程序中的中斷主要包括通用定時(shí)器ePWM中斷和不可屏蔽（TZ）中斷。ePWM中斷主要用來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)，在整流器中，該模塊執(zhí)行AD采樣/轉(zhuǎn)換、雙閉環(huán)控制、PWM波產(chǎn)生等子程序；在逆變器中，該模塊執(zhí)行讀取觸控板指令、SPWM波產(chǎn)生等子程序。不可屏蔽（TZ）中斷主要用于交流側(cè)過流保護(hù)，同時(shí)也接受 IGBT驅(qū)動(dòng)板發(fā)來(lái)的保護(hù)觸發(fā)信號(hào)。通過DSP內(nèi)部的邏輯電路實(shí)現(xiàn)輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的全關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，TZ中斷使能，此時(shí)若有觸發(fā)信號(hào)，即可立刻進(jìn)入該中斷。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

對(duì)經(jīng)過以上設(shè)計(jì)制作的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室?guī)лd實(shí)驗(yàn)，裝置輸出側(cè)接入10kVA阻感性負(fù)載，功率因數(shù)為0.8。對(duì)電壓暫降發(fā)生器的A、B兩相進(jìn)行錄波，設(shè)置60%A類電壓暫降，裝置輸出電壓波形如圖6所示，兩相電壓幅值均下降至60%UN。設(shè)置60%B類電壓暫降，裝置輸出電壓波形如圖7所示，A相幅值降低至60%UN，B相幅值不變。設(shè)置120%電壓暫升，裝置輸出電壓波形如圖8所示，兩相電壓幅值均上升至120%UN。

圖6 60%A類電壓暫降

圖7 60%B類電壓暫降

圖8 120%平衡電壓暫升

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)指定電壓幅值和電壓類型的電壓暫升暫降，精度高，響應(yīng)快，為火電廠低壓輔機(jī)變頻器高低電壓穿越能力測(cè)試提供了測(cè)試電源。

[1]張彥凱,智勇,拜潤(rùn)卿,等.火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越能力的研究[J].電氣傳動(dòng),2014(11): 55-58.

[2]湯偉,劉路登,殷駿,等.火電機(jī)組輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)低電壓穿越測(cè)試[J].中國(guó)電力,2016(2): 26-30.

[3]鄭忠玖.三相電壓型 PWM 整流器控制策略及應(yīng)用研究[D].大連: 大連理工大學(xué),2011.

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Voltage Sag&Swell Generator Used in High & Low Voltage Ride Through Ability Test

Yao Xinyang1Hu Wei2Xu Xian2Gu Wen3Huang Xueliang1
(1.School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096; 2.State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024; 3.Jiangsu Frontier Electric Technology Co.,Ltd,Nanjing 211102)

State grid company recently released the "Technical Manual Related to High&Low Voltage Ride Through of A Class of Auxiliary Inverter in Large Steam Turbine-Generator (draft)" and put forward the requirement of high & low voltage ride through ability.But there is a lack of the testing equipment.This paper proposes a 10kW voltage sag & swell generator used in high & low voltage ride through ability test for low-voltage auxiliary inverter.Its main topology is a back-to-back three-phase PWM converter.The generator can realize balanced or unbalanced voltage sag & swell from 0 to 130%UN.Experiment shows that this device can output target voltage accurately and rapidly and meet the requirements of high&low voltage ride through ability test for low-voltage auxiliary inverter in thermal power plant.

low-voltage auxiliary inverter; high&low voltage ride through ability test; Voltage Sag&Swell Generator; back-to-back PWM converter

江蘇省電力公司科技項(xiàng)目（J2015007）

姚新陽(yáng)（1991-），女，江蘇南京人，碩士在讀，研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用。