電壓質量擾動發生裝置電路拓撲綜述

云南電網有限責任公司電力科學研究院 李勝男 何廷一云南電力試驗研究院（集團）有限公司 吳水軍

電壓質量擾動發生裝置電路拓撲綜述

云南電網有限責任公司電力科學研究院 李勝男 何廷一云南電力試驗研究院（集團）有限公司 吳水軍

隨著電能質量在工業生產與居民生活中的問題越來越突出，各種電能質量解決方案被提出。電力電子裝置以其低成本、較強的靈活性與可拓展性成為電壓質量擾動發生裝置的理想解決方案。針對不同電壓等級與容量，研究者提出了多種電路拓撲結構，進行了總結與評述。

電能質量；電壓擾動；逆變；背靠背；整流；逆變

1 引言

在現代電力系統中，由于整流設備、大功率感應電機、電弧爐及電氣化軌道交通等電力負荷的不斷投入，電網的諧波污染、低功率因素、功率波動，電流沖擊等問題日益嚴重，供電可靠性與供電電能質量面臨巨大挑戰，對電能質量問題的治理已成為亟待解決并將長期存在的課題。隨著電力電子技術的發展，許多電能質量解決方案被提出，為對其進行測試，有必要研制具有一定帶寬與容量的電壓質量擾動發生裝置，能在實驗室隨時模擬電網各種程度的電能質量問題。

常見的電能質量問題包括：電壓突變、電壓波動與閃變、諧波、三相不平衡、頻率故障。為模擬這些問題，針對不同應用對電壓質量擾動發生裝置特定電壓等級與容量的需求，提出了多種主電路拓撲，各具特點。本文對此進行了歸納與總結，對其優缺點做出評述。本文以1000V為臨界點，將電路拓撲分為低壓與高壓兩類分別闡述。

2 低壓裝置主拓撲

交-直-交整流逆變是最常用的用于產生可編程電壓擾動的拓撲結構。如圖1所示，文獻[1～3]采用背靠背雙PWM變換電路，按指令輸出所需電壓。該電路整流和逆變可控，可實現能量雙向流動，并且確保輸入功率因素為1和直流電壓穩定。控制策略方面，整流部分采用滯環電流控制的脈寬調制方式，輸出逆變采用電壓滯環控制，適合輸出急劇突變電壓，如電壓毛刺、凹陷、方波等，且響應速度快。然而受開關頻率限制，當輸出高次諧波時實際波形與指令波形差別較大。

文獻[4]朱武給出了一種由高頻三極管組成的并聯擴流電路，如圖2所示，可以實現電壓跌落、聚升、中斷和凹陷等功能。該電路不具備能量回饋功能，且只適合于低電壓和小功率電能質量的模擬。

文獻[5]給出了將兩電平PWM整流器和三電平PWM逆變器結合，如圖3所示，構成混合背靠背雙PWM電路拓撲，可以提高等效開關頻率，減小電壓波形畸變率，且可以實現單相輸出。然而與兩電平逆變器相比，增加了功率器件數量。

圖1 單相背靠背雙PWM變換器

圖2 由高頻三極管組成的功率放大器電路

三相可控整流器可以實現電網能量倒灌，然而成本過高，對此文獻[6]劉瑋[7]武鍵使用如圖4所示不可控整流電路，加入制動單元限制直流母線電壓，以防止電壓跌落過程中電網能量倒灌引起的直流電容電壓泵升。該電路的另一個特點是，整流逆變器輸出的電壓經串聯變壓器與電網電壓串聯，電網電壓輸出基波電壓，整流逆變器輸出擾動電壓，大部分輸出功率由電網承擔，因此整流逆變器的容量可以顯著降低。但是該電路無法模擬電網基波頻率故障，且不能四象限運行，不適合做諸如光伏逆變器的電網適應性模擬測試。

圖3 兩電平PWM整流與三電平PWM逆變電路

圖4 含制動模塊的不可控整流電路

文獻[8]周黨生提出了使用兩個逆變器分別產生基波和諧波電壓，通過耦合變壓器疊加。逆變器1輸出基波，承受大部分負荷。逆變器2輸出諧波，功率較小，因此可以使用更高的開關頻率，明顯提升諧波的控制精度。該方案需要2套逆變器，增加了系統成本。

文獻[9]針對電流型電能質量發生裝置采用了并聯型電路，整流逆變器只需往測試負載注入擾動電流，因此所需容量較小，降低系統成本。該電路與圖4所示電路類似，不能模擬頻率故障。

3 高壓裝置主拓撲

對于高壓大容量裝置，級聯式H橋結構以其高可靠性、易擴展性等優點成為最常用的方案，文獻[10～15]采用這種結構。其典型結構如圖5所示，系統由多繞組變壓器、H橋級聯電路、低通濾波器組成。多繞組變壓器輸出多個單相電壓，作為單個整流逆變器的交流電源。每相由多個單相背靠背整流逆變器串聯而成。輸出電壓經低通濾波后與直接電網電壓串聯，二者電壓疊加后驅動測試負載。該結構通常采用可控整流技術實現能量雙向流動、單位功率因素運行。使用載波移相正弦脈寬調制(carrier phase shifted-sinusoidal pulse width modulation，CPSSPWM)，以較低的器件開關頻率獲得較高的等效開關頻率。文獻[11][12]對每相多個功率模塊采取差異化設計，其中一個模塊用于產生高頻諧波，其他模塊產生低頻擾動電壓，提高了功率器件利用率，提高了高頻諧波控制精度，降低了裝置損耗。

與圖4一樣，由于只需承擔諧波部分負荷，因此裝置容量可以小于測試負荷。研究表明,基于級聯多電平拓撲結構的裝置在系統可靠性、器件選型、控制復雜程度、總體效率等方面比其他拓撲結構的裝置具有更全面的優勢且具有良好的應用與發展前景。然而該拓撲無法模擬頻率故障。為使裝置適應各種需求，也有研究者將級聯式整流逆變器的三相輸出直接驅動負載，這種設計使得裝置承擔全部負荷，需要擴大裝置容量，對裝置的可靠性也提出了更高要求。

文獻[16]周黨生提出圖6所示拓撲，通過降壓變壓器將電壓將至690V，使用圖5所示低壓拓撲產生所需電壓波形，最后經升壓變壓器輸出35kV高壓。該裝置輸出2.5MA VA容量，逆變器必須承受大電流，因此器件的并聯與均流是一大挑戰。與圖7所示拓撲相比，該方法輸出僅為兩電平，輸出電壓諧波更大。

4 結論

（1）無論是低壓還是高壓裝置，交-直-交變換器是主流拓撲，而且隨著IGBT價格下降，PWM整流聯合PWM逆變逐漸被廣泛使用，使裝置的功能更加豐富。

（2）將電壓的低頻與高頻分別由不同的逆變器或功率單元分別產生，可提高器件利用率，提高電壓控制精度，輸出更高次諧波，該方法非常適合應用于高壓級聯式拓撲。

（3）裝置輸出電壓通過耦合變壓器或直接連接與電網電壓疊加可降低裝置容量，減少成本，但無法改變基波頻率。可模擬頻率偏移的高壓裝置目前未見報道。

（4）從成本考慮，電壓質量擾動發生裝置不一定要能模擬所有故障，針對特定的應用按需設計電路拓撲，可減小系統成本，提高可靠性。

圖6 35kV電壓擾動裝置主拓撲

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