具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器

韓其國，石文明，吳跨宇，黃曉明

（1.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018；

2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014）

具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器

韓其國1，石文明1，吳跨宇2，黃曉明2

（1.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018；

2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014）

通過對(duì)提高國內(nèi)大型火力發(fā)電廠輔機(jī)變頻器的高、低電壓穿越能力的研究，設(shè)計(jì)了一種在變頻器直流側(cè)加儲(chǔ)能蓄電池和過壓斬波電路，具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器。分析了所提變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，提出了啟動(dòng)階段、低電壓和高電壓階段的控制策略。搭建了Matlab仿真模型，獲得了不同功率變頻器對(duì)應(yīng)所需的儲(chǔ)能蓄電池?cái)?shù)據(jù)。最后，通過實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了該儲(chǔ)能型變頻器及其相應(yīng)控制策略的有效性，其性能能滿足電網(wǎng)的有關(guān)技術(shù)要求。

儲(chǔ)能型變頻器；低電壓穿越；高電壓穿越；IGBT開關(guān)

目前，變頻器以其優(yōu)越的調(diào)速性能已在發(fā)電廠的一類輔機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用，但由于變頻器高低電壓穿越能力的局限性，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓瞬間跌落或升高時(shí)，導(dǎo)致變頻器停機(jī)，如果停機(jī)發(fā)生在一些關(guān)鍵設(shè)備上，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的跳機(jī)，進(jìn)一步加劇電網(wǎng)運(yùn)行情況的惡化。因此，提高此類變頻器高、低電壓穿越能力，對(duì)維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有極其重要的意義。

本文針對(duì)提高變頻器高低電壓穿越能力，提出了在變頻器的直流側(cè)加儲(chǔ)能蓄電池和過壓斬波電路的方案，組合成一種具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器，并利用Matlab仿真模型的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)試加以驗(yàn)證。

1　已有的變頻器高低電壓穿越方案

目前對(duì)變頻器低電壓穿越方案研究較多，主要分為以下幾種：采用輔助直流電源供電、兩路交流電源供電和優(yōu)化負(fù)荷的控制邏輯。

國內(nèi)外一些公司生產(chǎn)的變頻器采用交、直流兩用電源供電，避免因交流系統(tǒng)發(fā)生故障帶來的高電壓和低電壓的問題，這種方案的缺點(diǎn)是需要另外增設(shè)一路直流線路，成本較高。國內(nèi)對(duì)在變頻器直流環(huán)節(jié)加直流輔助裝置［1-3］的研究居多；另外也有采用不間斷電源［4］UPS）來對(duì)重要負(fù)荷的變頻器供電，其缺點(diǎn)是體積大、價(jià)格貴、成本高。

配置動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器［5］DVR）也是一種解決變頻器低電壓穿越的手段，其工作原理是將動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器串聯(lián)在交流系統(tǒng)和通用變頻器之間，DVR中的檢測(cè)單元一旦檢測(cè)到電壓下降或閃變時(shí)，觸發(fā)控制DVR中的逆變器，將直流電壓變換成合適的交流電壓以消除交流電壓的凹陷，相應(yīng)時(shí)間大約需要2～5 ms，這樣變頻器能有效地避免交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響。這種方案的缺點(diǎn)是控制復(fù)雜、響應(yīng)時(shí)間較慢、同時(shí)成本高。

通過兩路交流電源［6］系統(tǒng)給變頻器供電，兩段供電母線按照互為備用的方式配置，其主備用間切換的順序必須要保證母線切換的實(shí)時(shí)性，在變頻器低電壓或過電壓保護(hù)前就實(shí)現(xiàn)主供電源與備用電源間的切換。所以，其接觸器回路不能或者只能有極少的延時(shí)，如果主備用電源切換邏輯的回路異常，將可能造成切換失敗，供電可靠性差。

優(yōu)化負(fù)荷的控制邏輯［7］也是保護(hù)變頻器免受系統(tǒng)電壓波動(dòng)影響方法。以控制給煤機(jī)的變頻器為例，對(duì)給煤機(jī)控制器內(nèi)部的控制邏輯進(jìn)行修改，在交流系統(tǒng)電壓跌落或瞬停切換已實(shí)際跳閘的時(shí)間內(nèi)，對(duì)變頻器延時(shí)發(fā)送“延時(shí)”信號(hào)，同時(shí)對(duì)給煤機(jī)電動(dòng)機(jī)的“失速”信號(hào)也相應(yīng)延遲。該方法的優(yōu)點(diǎn)是需要添加的設(shè)備少，不足之處是當(dāng)交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)過大，超過±15%時(shí)，運(yùn)行中的所有給煤機(jī)都將經(jīng)歷一個(gè)“跳閘—再啟動(dòng)”的過程，再啟動(dòng)后的輸出對(duì)制粉系統(tǒng)可能產(chǎn)生超調(diào)和震蕩。

鑒于以上現(xiàn)有的變頻器高低電壓穿越方案都存在種種問題，本文提出一種具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器，在改動(dòng)較少線路的條件下，實(shí)現(xiàn)了變頻器的高低電壓穿越。

2　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

提出的具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，它除了具有常規(guī)變頻器的整流、逆變單元外，還具有儲(chǔ)能模塊（包括蓄電池、充放電回路和斬波電路）。圖1中S1為雙向電力電子開關(guān)，S2和S3為單向電力電子開關(guān)，具體如圖2所示，另外R1為充電限流電阻，R2為放電耗能電阻，F(xiàn)1為熔斷器。充放電回路由F1，S1，S2和R1組成，過壓斬波電路由S3和R2組成。本文提出的S1～S3采用無觸點(diǎn)的電力電子開關(guān)，它具有控制速度快、無火花燃弧和開關(guān)壽命長的優(yōu)點(diǎn)。

圖1　新型儲(chǔ)能型變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1　Topological structure of the new type energy storage frequency converter

圖2　電力電子開關(guān)拓?fù)銯ig.2　Power electronic switching topologies

雙向電力電子開關(guān)S1在不同的控制下將產(chǎn)生4種通斷狀態(tài)，如表1所示，當(dāng)上面的IGBT導(dǎo)通，下面的IGBT關(guān)斷時(shí)，開關(guān)從上向下導(dǎo)通，稱為正向?qū)顟B(tài)；當(dāng)上面的IGBT關(guān)斷，下面的IGBT導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)從下向上導(dǎo)通，稱為反向?qū)顟B(tài)；當(dāng)2個(gè)IGBT均導(dǎo)通時(shí)，稱為雙向?qū)顟B(tài)；當(dāng)2個(gè)IGBT均關(guān)斷時(shí)，稱為關(guān)斷狀態(tài)。S2和S3只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。

表1　開關(guān)S1的通斷狀態(tài)Tab.1　On-off state of the switch S1

2.2工作原理

正常工作時(shí)，首先通過充電電路向蓄電池充電。充電完成后，當(dāng)交流電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下，S1導(dǎo)通，S2和S3關(guān)斷，蓄電池處于浮充狀態(tài)，變頻器根據(jù)負(fù)載特性，調(diào)節(jié)輸出波形，調(diào)制策略采用直流電壓利用率最高的SVPWM調(diào)制。交流電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降或低電壓故障時(shí)，通過蓄電池提供能量，穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓，避免逆變器發(fā)生低電壓保護(hù)。當(dāng)交流電壓發(fā)生暫時(shí)性過電壓故障時(shí)，通過控制S3的通斷，來實(shí)現(xiàn)能量的釋放，從而使直流側(cè)電壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。在適當(dāng)?shù)目刂撇呗韵?，?chǔ)能模塊能有效地穩(wěn)定住變頻器直流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)變頻器的高低電壓穿越。

3　控制策略

本文提出的儲(chǔ)能型變頻器除了常規(guī)的變頻器控制策略以外，還需要考慮啟動(dòng)控制、低電壓穿越控制和高電壓穿越控制。

3.1啟動(dòng)控制

儲(chǔ)能型變頻器啟動(dòng)時(shí)，先要通過交流系統(tǒng)向蓄電池充電，啟動(dòng)控制策略是S1關(guān)斷，S2正向?qū)ǎ琒3關(guān)斷。

充電等效電路如圖3所示，交流系統(tǒng)通過二極管整流得到等效直流電壓為1.35 US，r是等效直流電阻，R1是充電回路的限流電阻。

圖3　蓄電池充電等效電路Fig.3　Equivalent circuit of battery charging

啟動(dòng)充電過程最大電流如下式所示：

式中：UB0是蓄電池初始電壓。

r的值如下式所示：

式中：L為交流側(cè)的交流電感值。

根據(jù)式（1）可以推導(dǎo)得出限流電阻如下式所示：

從而可以給定1個(gè)最大充電電流值確定限流電阻的參數(shù)。

充電完成后，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，變頻器轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)的控制策略S1雙向?qū)?，S2關(guān)斷，S3關(guān)斷。

3.2低電壓穿越

按照我國大型汽輪發(fā)電機(jī)組一類輔機(jī)變頻器低電壓穿越技術(shù)要求，要求變頻器在以下低電壓穿越區(qū)均能安全運(yùn)行，具體安全如表2所示。根據(jù)本文提出的儲(chǔ)能型變頻器的原理，啟動(dòng)完成后，S1處于雙向?qū)顟B(tài)，S2關(guān)斷，S3關(guān)斷。蓄電池的電壓通過啟動(dòng)充電達(dá)到額定電壓1.35 US，當(dāng)交流系統(tǒng)電壓降低時(shí)，蓄電池通過S1的放電回路向電容提供能量，支撐直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的效果。

表2　大型汽輪發(fā)電機(jī)組一類輔機(jī)變頻器低電壓穿越區(qū)Tab.2　The LVRT region of large steam turbine-generator key auxiliary inverter

3.3高電壓穿越

交流系統(tǒng)故障或異常，也可能并發(fā)瞬時(shí)電壓過高，同樣也會(huì)導(dǎo)致變頻器跳機(jī)。目前針對(duì)高電壓的穿越文獻(xiàn)還較少，本文提出了一種采用卸能支路與儲(chǔ)能回路相結(jié)合的拓?fù)?，有效解決了這個(gè)問題。具體的控制思路如下：

1）檢測(cè)三相交流系統(tǒng)電壓；

2）當(dāng)電壓達(dá)到變頻器過電壓保護(hù)值時(shí)，關(guān)斷S1，S2；

3）啟動(dòng)定直流電壓控制，產(chǎn)生的控制信號(hào)觸發(fā)S3，如圖4所示。圖4中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流電壓Udc，通過PI控制得到S3中IGBT的占空比，控制S3的通斷。

圖4　高電壓穿越控制Fig.4　High voltage ride throughcontrol

儲(chǔ)能型變頻器高電壓穿越的等效電路圖如圖5所示。圖5中，Ud*為等效直流電源，R2*為卸能電阻的等效電阻，其值變動(dòng)范圍為R2～∞，為了滿足過電壓保護(hù)的要求，需要合理選取R2的值。當(dāng)電壓過高需要R2調(diào)整時(shí)，等效電阻R2*的值與r為同一個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻，所以Udc可以近似看成R2*在回路的分壓，于是有如下關(guān)系式：

推導(dǎo)可得

由于，R2*的最小值為R2，所以只要確定交流系統(tǒng)電壓升高導(dǎo)致的最高過電壓，就能通過上式確定出卸能電阻的取值。

圖5　高電壓穿越等效電路Fig.5　Equivalent circuit of high voltage ride through

4　仿真

依據(jù)本文提出的新型儲(chǔ)能型變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建Matlab仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

4.1低電壓穿越仿真

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，S2，S3斷開，S1閉合，蓄電池給變頻器直流環(huán)節(jié)供電，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。仿真考慮表2技術(shù)要求中最嚴(yán)重的電壓跌落情況，即進(jìn)線電壓跌落至20%的額定電壓、持續(xù)時(shí)間5 s的情況。

圖6為進(jìn)線電壓跌落至額定電壓20%，持續(xù)時(shí)間為5 s時(shí)，交流進(jìn)線電壓波形。

圖6　電壓跌落至額定值20%持續(xù)時(shí)間5 s時(shí)，進(jìn)線電壓波形Fig.6　AC voltage sag waveform with voltage dropping to 20%and lasting 5 s

圖7為5.5 kW電機(jī)負(fù)載，配置7 A·h蓄電池，當(dāng)進(jìn)線電壓跌落，蓄電池供電時(shí)，變頻器直流母線電壓仿真波形。蓄電池浮充電壓為540 V，初始放電電壓522 V，到5 s末期尚有電壓490 V，約為額定電壓的90%，在變頻器具有電流余量的情況下可以保證變頻器不跳機(jī)。

圖7　蓄電池供電時(shí)直流母線電壓波形Fig.7　DC bus voltage waveform with battery discharging

表3給出了一系列仿真結(jié)果，這些是為保證直流母線電壓在交流電壓跌落的5 s末不低于額定值的90%，不同功率負(fù)載變頻器所需配置蓄電池的容量數(shù)值，實(shí)測(cè)驗(yàn)證該數(shù)據(jù)可以供工程實(shí)際參考。

表3　不同負(fù)載變頻器所需蓄電池的容量Tab.3　The battery capacity of different inverter load

4.2高電壓穿越仿真

當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，S3閉合，S1，S2斷開，由電阻R2進(jìn)行卸能斬波，實(shí)現(xiàn)高電壓穿越。圖8為變頻器進(jìn)線電壓升高至額定電壓135%，持續(xù)時(shí)間0.5 s時(shí)，變頻器交流進(jìn)線電壓波形，目前電網(wǎng)要求穿越130%及以上。

圖8　電壓升高至35%、持續(xù)0.5 s，交流進(jìn)線電壓波形Fig.8　AC voltage swell waveform with voltage rising to 135%and lasting 0.5 s

圖9中，曲線1為S3打開，卸能電阻未起作用時(shí)的變頻器直流母線電壓波形，其實(shí)際電壓上升至約730 V，為額定的1.35倍；曲線2為S3閉合，卸能電阻起作用時(shí)的變頻器直流母線電壓波形，這里R2取15 Ω，其實(shí)際電壓上升至695 V，為額定的1.29倍，起到了抑制過電壓的目的，可以保證變頻器在這種情況下不跳機(jī)。

圖9　電壓升高至135%、持續(xù)0.5 s，直流環(huán)節(jié)仿真波形Fig.9　Simulation waveform of DC side，with voltage rising to 135%and lasting 0.5 s

5　實(shí)測(cè)

為驗(yàn)證本文所提方案的正確性，本文搭建了一套變頻器功率為5.5 kW、蓄電池為7 A·h的實(shí)驗(yàn)裝置，卸能電阻取15 Ω。電壓暫降暫升發(fā)生電源采用DHZSZJ-22/600，22 kW，最高電壓600 V。

圖10中，Uab為交流輸入電壓，實(shí)測(cè)的低電壓跌落時(shí)間為10 s，Ubpq為變頻器直流母線電壓，Izc為蓄電池儲(chǔ)能支持單元輸出電流，nbpq為電機(jī)轉(zhuǎn)速1 436 r/min，Pbpq為電機(jī)負(fù)載功率5.5 kW?？梢钥闯? s開始電壓跌落，直流電壓下降從513 V，支持電流開始輸出14 A，到13 s結(jié)束直流電壓約在469 V，變頻器沒有停機(jī)，維持了電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定輸出功率。

圖10　低電壓穿越實(shí)驗(yàn)波形Fig.10　Experimental waveforms of LVRT

圖11a為變頻器未投入卸能電阻的情況，從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，當(dāng)交流電壓暫升1.45倍約580 V，變頻器過壓跳閘停止了運(yùn)行；圖11b為變頻器投入卸能電阻的情況，這時(shí)同樣交流電壓暫升、時(shí)間10 s，變頻器直流環(huán)節(jié)的電壓得到了有效的抑制，變頻器沒有停機(jī)，維持了電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

圖11　高電壓穿越實(shí)驗(yàn)波形Fig.11　Experimental waveform of HVRT

6　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器，具備控制簡單、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。通過Matlab/Simulink仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在變頻器的直流環(huán)節(jié)加蓄電池和斬波電路方案能夠有效地解決高、低電壓穿越問題，滿足大型發(fā)電廠一類輔機(jī)變頻器高低電壓穿越能力的技術(shù)要求，該設(shè)計(jì)具有實(shí)際工程的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 劉耀中，馬永崗，王國慶，等.火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越電源的設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2014，48（11）：13-15.

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Energy Storage Frequency Converter with the Capability of High and Low Voltage Ride Through

HAN Qiguo1，SHI Wenming1，WU Kuayu2，HUANG Xiaoming2
（1.Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，Zhejiang，China；
2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

By the study on improving high and low voltage ride through capability of frequency converter in the large-scale thermal power plant，a new energy storage frequency converter was designed，with DC side energy storage batteries and over-voltage chopper circuit，that having high and low voltage ride through capability.The topology and working principle were analyzed，and the control strategy for starting，LVRT and HVRT were put forward.A Matlab simulation model was set up，and some energy storage battery parameters corresponding to the different frequency converter were obtained.Finally，the actual test results verify the effectiveness of the energy storage frequency converter and its corresponding control strategy，and its performance meets the related technical requirements of the power grid.

energy storage frequency converter；low voltage ride through（LVRT）；high voltage ride through （HVRT）；IGBT switch

TM46

A

2015-06-22

修改稿日期：2016-01-20

韓其國（1963-）男，碩士，高級(jí)工程師，Email：hanqiguo@163.com