10kV電壓擾動(dòng)裝置主電路設(shè)計(jì)及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性

周 靜，葉衛(wèi)華，龐臘成，李富鵬

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)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(jī)床、高精度測量儀器、精密醫(yī)療設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備和各種自動(dòng)化生產(chǎn)線等。這些以微處理器或計(jì)算機(jī)為核心的先進(jìn)設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性提出了比傳統(tǒng)設(shè)備更高的要求，其對(duì)電網(wǎng)中的諧波、過電壓、短時(shí)斷電、電壓暫降、電壓驟升等干擾十分敏感，任何一種電能質(zhì)量問題都可能引起生產(chǎn)作業(yè)過程的中斷或設(shè)備故障，造成巨大的經(jīng)濟(jì)或政治損失[1]。

在對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行研究和治理的過程中，必然會(huì)涉及到檢驗(yàn)電能質(zhì)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(yīng)的考核指標(biāo)，一般不具備在線檢驗(yàn)的條件，所以要想驗(yàn)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(shè)計(jì)一種新型的電力擾動(dòng)發(fā)生裝置并研究其穩(wěn)態(tài)工作性能，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面[6～7]：（1）主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：本文將對(duì)多功能電壓擾動(dòng)發(fā)生器的主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，該裝置采用多繞組變壓器加H橋級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使裝置的電壓等級(jí)達(dá)到10 kV；（2）電壓擾動(dòng)裝置穩(wěn)態(tài)特性分析：重點(diǎn)分析裝置在產(chǎn)生電壓暫降擾動(dòng)、電壓不平衡擾動(dòng)和電壓諧波擾動(dòng)時(shí)的穩(wěn)態(tài)工作性能。

2 10kV電壓擾動(dòng)裝置原理

電壓擾動(dòng)發(fā)生裝置的工作原理如圖1所示，電壓擾動(dòng)裝置放于系統(tǒng)電源與被測試設(shè)備之間[2～5]。擾動(dòng)裝置產(chǎn)生的電壓與系統(tǒng)電壓疊加得到需要檢驗(yàn)的各種工況電壓。其中圖1中給出的是發(fā)生電壓暫降時(shí)實(shí)現(xiàn)的電網(wǎng)工況。

圖1 10kV電壓擾動(dòng)裝置原理

3 主電路拓?fù)?/h2>

本文研究的電壓擾動(dòng)發(fā)生裝置主電路拓?fù)淙鐖D2所示。5個(gè)級(jí)聯(lián)基波模塊用以產(chǎn)生暫降、暫升、過壓、欠壓、不平衡、波動(dòng)與閃變電壓。1個(gè)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(shí)現(xiàn)直流電容電壓穩(wěn)定。

4 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)技術(shù)指標(biāo)，主電路參數(shù)計(jì)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(shè)計(jì)，主要與交流側(cè)容量有關(guān)，一般由式（1）決定：

式中，Sac為功率模塊交流側(cè)容量，Ud0為直流電壓平均值，ΔU為電容電壓波動(dòng)峰值。按照電壓紋波峰值50V、交流側(cè)容量100kVA來設(shè)計(jì)，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(dòng)裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.2 功率開關(guān)器件

目前，逆變器主電路所采用的開關(guān)器件主要有功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。IGBT具有MOSFET電壓驅(qū)動(dòng)、開關(guān)頻率高、無二次擊穿問題等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，因此在中等容量中應(yīng)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(shí)電力電容器容量較大，起到了緩沖波動(dòng)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(jié)構(gòu)時(shí)，開關(guān)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(dāng)采用的是升壓變壓器時(shí)，可以降低逆變器直流側(cè)電壓等級(jí)。這有利于提高裝置的可靠性，同時(shí)可以更加靈活地選擇開關(guān)器件。

擾動(dòng)裝置帶調(diào)節(jié)裝置負(fù)載時(shí)，不論發(fā)生何種擾動(dòng)，擾動(dòng)裝置的有功負(fù)載恒定，有功大小取決于負(fù)載有功功率。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，負(fù)載最大有功功率不超過1MW。當(dāng)發(fā)生50%三相電壓暫降擾動(dòng)時(shí)（無相位跳變），擾動(dòng)裝置逆變側(cè)需要吸收1MW有功功率，此時(shí)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(shí)工況，變壓器可短時(shí)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(cè)看，當(dāng)調(diào)制度取0.85時(shí)，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(cè)流過最小電流，變壓器二次側(cè)基波繞組額定電壓取為0.6kV。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，諧波模塊逆變側(cè)注入諧波電壓幅值為系統(tǒng)額定電壓的10%。調(diào)制度為0.95時(shí)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(cè)看，當(dāng)調(diào)制度取0.83，交流電壓有效值為0.5kV。變壓器二次側(cè)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(cè)D接，二次側(cè)每相6個(gè)繞組，其中5個(gè)基波繞組、1個(gè)諧波繞組?；ɡ@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(cè)繞組額定電流0.019kA，二次側(cè)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(duì)副邊單繞組阻抗電壓8.7%（副邊單個(gè)繞組短路且達(dá)到額定電流），原邊對(duì)副邊所有繞組阻抗電壓11.25%（副邊所有繞組短路且達(dá)到短路電流）。

4.4 PWM整流器交流側(cè)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(cè)電壓0.6kV，X為變壓器漏抗（原邊對(duì)副邊基波繞組，8.7%），δ為變壓器二次側(cè)電壓超前角度。每個(gè)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(dá)到2倍過載，且遠(yuǎn)小于280A。

4.5 逆變側(cè)交流濾波器

電壓型逆變器在一定程度上可以看成是一個(gè)諧波源，會(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于逆變器輸出電壓的基波頻率。

假設(shè)逆變側(cè)等效開關(guān)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(jié)構(gòu)，諧振頻率選為4kHz，阻尼比0.3。

圖3 10kV電壓擾動(dòng)裝置濾波器結(jié)構(gòu)

濾波器傳遞函數(shù)為：

按照L=4.5mH、C=0.3μF、R=75Ω所設(shè)計(jì)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(dòng)裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性分析

5.1 電壓暫降擾動(dòng)

電壓暫降是指在工頻下，電壓的有效值短時(shí)間內(nèi)下降。典型的電壓暫降值為0.1～0.9倍標(biāo)稱值，持續(xù)時(shí)間為0.5個(gè)周期到1min。

試驗(yàn)中，假設(shè)擾動(dòng)前后負(fù)載功率不變，容量2.4MVA、功率因數(shù)0.5。設(shè)置0.55s時(shí)，負(fù)載側(cè)發(fā)生電壓暫降50%擾動(dòng)，負(fù)載功率不變。帶此負(fù)載時(shí)，整流側(cè)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(guān)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化波形見圖5。從圖中可以看出，直流電壓超調(diào)接近30%后趨于穩(wěn)定。在擾動(dòng)發(fā)生后約5個(gè)周波內(nèi)，PWM整流器交流側(cè)電流超過2.4倍額定電流（最高達(dá)3.3倍，有效值182A）。PWM整流器達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，調(diào)制度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)（0.8～0.85），移相角接近16°，交流側(cè)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(cè)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化波形見圖6，在擾動(dòng)發(fā)生后，PWM逆變器很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，交流側(cè)電流接近2.2倍額定負(fù)載電流（有效值247A），調(diào)制度接近0.8。

5.2 電壓不平衡擾動(dòng)

電壓不平衡是指三相電壓之間在幅值上的差別，或者相對(duì)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(huì)造成設(shè)備利用率下降、異常發(fā)熱、負(fù)序分量增加等一系列危害。

實(shí)驗(yàn)中假設(shè)負(fù)載為恒阻抗，額定容量2.4MVA，功率因數(shù)0.9。設(shè)置0.55s，負(fù)載側(cè)發(fā)生電壓不平衡度為20%的擾動(dòng)，負(fù)載阻抗不變。

系統(tǒng)、負(fù)荷側(cè)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化波形及負(fù)載電壓序分量見圖7。從圖中可以看出，負(fù)載電壓具有所要求的不平衡特性。

5.3 電壓諧波擾動(dòng)

傳統(tǒng)電壓諧波是通過有一定內(nèi)阻的電源驅(qū)動(dòng)非線性負(fù)載實(shí)現(xiàn)的。這種方法不僅設(shè)備占用空間多，功耗大、效率低，且不易控制。本文實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的擾動(dòng)發(fā)生裝置則通過在調(diào)制波中加入各次諧波，且通過對(duì)諧波成份及大小的指定，能夠高效率地實(shí)現(xiàn)所需的諧波擾動(dòng)。

圖5 0.55s發(fā)生電壓暫降擾動(dòng)，PWM整流器運(yùn)行參數(shù)

圖6 0.55s發(fā)生電壓暫降擾動(dòng)，PWM逆變器運(yùn)行參數(shù)

試驗(yàn)中假設(shè)恒阻抗負(fù)載，額定容量2.4MVA，功率因數(shù)0.9。0.55s負(fù)載側(cè)發(fā)生幅值為額定電壓10%的25次諧波，負(fù)載阻抗不變。

圖7 0.55s發(fā)生電壓不平衡擾動(dòng)，系統(tǒng)、負(fù)荷側(cè)運(yùn)行參數(shù)

PWM整流器相關(guān)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化波形見圖8。

圖8 0.55s發(fā)生諧波電壓擾動(dòng)，PWM整流器運(yùn)行參數(shù)

從圖中可以看出，擾動(dòng)前后直流母線電壓幾乎不受影響。穩(wěn)態(tài)時(shí)，PWM整流器交流側(cè)基波電流可忽略不計(jì)（含有較多高次諧波電流），調(diào)制度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)（0.8～0.85），移相角接近0°。

PWM逆變器相關(guān)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化波形及逆變輸出電壓頻譜分析見圖9。穩(wěn)態(tài)時(shí)，PWM逆變輸出的25次諧波電壓有效值接近10.2%（0.589kV），調(diào)制度接近0.95。

圖9 0.55s發(fā)生諧波電壓擾動(dòng)，PWM逆變器運(yùn)行參數(shù)

6 結(jié)論

本論文通過詳細(xì)的理論分析與仿真計(jì)算，對(duì)裝置主回路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過PSCAD/EMTDC仿真對(duì)裝置的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了校驗(yàn)，結(jié)果證明這些參數(shù)是可行的，可以供裝置設(shè)計(jì)制造使用，裝置實(shí)際設(shè)計(jì)制造時(shí)，結(jié)構(gòu)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(dāng)進(jìn)行一些變化。

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