一種新型可控電壓暫變發生器研究

韓瑞剛+武琦+陳增祿

摘 要：針對傳統電壓暫變發生器測試效率較低、功能單一、電壓變化范圍窄等問題， 提出一種新穎的電力電子式多功能可控電壓暫變發生器。主電路采用三相倍壓整流電路和三相三電平逆變電路，逆變器各相采用三電平SPWM調制進行獨立控制。所提設計可模擬單相、兩相及三相電壓的暫升、暫降及電壓暫時中斷，其暫變持續時間、暫變深度及暫變起止相位和暫變類型均可做到持續調節。實驗驗證了所提拓撲和控制方案的有效性和可行性。

關鍵詞：電壓暫變發生器；倍壓整流；三單相逆變；三電平SPWM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.232

1 引言

隨著科技的發展，電能質量問題越來越受關注[1]。為了改善電能質量，動態電壓恢復器、有源濾波器、不間斷電源、統一電能質量調節器、低壓穿越裝置等各類治理補償裝置已經在工程上得到廣泛的應用。有關企業部門制定了一系列電能質量相關標準，對用電設備的電能質量問題耐受性提出了更高的要求[2]。為了測試和校驗上述電能質量問題治理設備的性能，測試并改進敏感電力設備對電能質量問題的耐受性，國內外對電能質量問題發生器也進行了相關研究，為各類電能質量問題的研究提供理想平臺。

本文為某企業用戶設計了一種新型可控的多功能電壓暫變發生器，可根據需求實現電壓暫降（0～100%Ue），電壓暫升（100～140%Ue），電壓暫時中斷，相位突變（0～360°），電壓低頻擾動，電壓諧波，電壓不平衡等功能。

2 電壓暫變發生器拓撲結構與工作原理

本文研究為實現電壓暫升功能，主電路整流采用新型三相倍壓整流電路，以提高直流母線電壓等級，增大電壓暫升的范圍；逆變采用三相三電平逆變器，通過對三相輸出電壓進行獨立控制，可模擬單相、兩相及三相電壓的暫升和暫降，電壓不平衡等電壓擾動，其暫變持續時間、深度、起止相位和類型均可做到連續調節，輸出電壓在量程范圍內可實現高精度變化，電壓由穩態至暫態切換時間可達到微秒級。既可產生一種特定的擾動電壓，又能將幾種不同類型的電壓擾動進行疊加輸出。本文主電路拓撲結構如圖1所示。

2.1 工作原理框圖

本文研究的三相電壓暫變發生器系統工作原理框圖如圖2所示。

2.2 三相倍壓整流電路設計

為了增大電壓暫變范圍，減小裝置體積重量 ，本文設計了±500V非隔離20kW直流電源，采用無升壓變壓器的新型三相倍壓整流電路[3]。主電路拓撲如圖1（a）所示。

2.3 三單相三電平逆變器

為了提高逆變器輸出波形的正弦性和可控性，逆變電路采用二極管鉗位型三電平逆變電路，三相橋臂相互獨立控制，便于模擬波形的多樣化輸出。主電路拓撲結構如圖2（c）所示。

對于三相二極管鉗位型三電平逆變電路，為了對其三相橋臂進行獨立控制，故不能采用SVPWM調制方式，本文對每相橋臂采用單極性SPWM調制方式[4]。各相三電平SPWM驅動信號生成原理如圖3所示。

3 控制系統設計

逆變閉環控制框圖如圖4所示。ur*為基準電壓，uf為輸出端得到的反饋電壓，ur*與uf差值信號經過電壓調節器后得到調制信號ur，ur與三角載波信號uc在PWM發生器中利用三電平SPWM生成原理產生PWM脈沖信號，通過驅動電路放大后驅動逆變器[5]。逆變器輸出信號經過LCL濾波后，得到所需要的輸出電壓uo。

數字系統采用ARM主控制器。ARM定時器TIM1和TIM8的中斷頻率為30kHz，用來產生3相12路SPWM波形。正弦波一個周期由720點數據組成。定時器TIM5的中斷頻率為36kHz，用來更新正弦波數據指針，通過查表方式輸出50Hz正弦波。SysTick定時器的中斷頻率為1kHz，用來實時改變正弦波的幅值和相位。一個外部中斷用于過流保護。基于ARM數字控制系統結構圖如圖5所示。

三相正弦控制指令信號由一個數字信號合成器生成，該合成器通過串口通信接收上位機發來的“指令”信息，在ARM中實時合成控制指令信號。

4 實驗研究

根據上述設計方案，制作電壓暫變發生器實驗樣機，其模擬輸出三相電壓可滿足故障時各相之間的幅值和相角關系，可真實地反映出電力系統中電壓暫變的各類電壓故障特征。任意設定電壓暫變類型、故障相電壓值以及故障持續時間、暫變深度，初始相位，對不同類型電壓暫變進行試驗模擬，結果符合設計要求。

5 結論

本文研究采用新型三相倍壓整流電路和三單相三電平逆變器，三相輸出電壓獨立控制以精確產生所需要的各類對稱或不對稱電壓擾動，解決了傳統電壓暫變發生器效率較低、功能單—、電壓變化范圍窄，測試不便等問題。實驗結果證明了本方案理論和控制策略的正確性和可行性，為今后重復性測試各種電能質量治理設備、用電設備電能質量問題耐受性和研究各種電壓暫變提供了理想可靠的平臺。

參考文獻：

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