（电力电子与电力传动专业论文）可控电流质量扰动发生器的研究.pdf

j 一 一 i 华北电力大学硕士学位论文 摘要 针对常见的电能质量问题，提出一种可模拟负荷电流特性的扰动发生器。分析 了该扰动发生器的主电路拓扑结构，并对相关器件的参数进行了选型计算。提出了 多目标控制策略，模拟谐波电流发生、电流波动、负荷不平衡、功率因数等问题。 基于p s c a d e m t d c 仿真软件搭建仿真模型，对上述问题进行仿真研究。仿真结 果验证了主电路拓扑和控制策略的正确性和有效性。扰动发生器的人机交互系统采 用了l a b v i e w 软件进行编程，实现了调试、项目实验等功能。控制部分采用是基于 d s p + f p g a 构成的全数字控制器。f p g a 完成主要的控制功能。应用现有的低压 4 0 0 v 1 0 0 k v a 样机，对谐波电流，电流波动，负荷不平衡调节等功能进行了原理性 验证。 关键词：电能质量，多目标控制，l a b v i e w ，f p g a a b s t r a c t a c c o r d i n gt oc o m m o nc u r r e n tq u a l i t yp r o b l e m s ，ac o n t r o l l a b l ec u r r e n tq u a l i t y d i s t u r b a n c eg e n e r a t o ri sp r o p o s e du s e dt os i m u l a t el o a dc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i st h em a i nt o p o l o g yo ft h eg e n e r a t o r , a n dc a l c u l a t et h er e l e v a n tp a r a m e t e r so f t h eg e n e r a t o r p r o p o s i n gm u l t i - o b j e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y , i tc a ne f f e c t i v e l ys i m u l a t e t h eh a r m o n i cc u r r e n t s ，t h ec u r r e n tf l u c t u a t i o n s ，t h r e e - p h a s eu n b a l a n c e dl o a d sa n d p o w e rf a c t o r b a s i n go nf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，b u i l das i m u l a t i o nm o d e lo nt h e p l a t f o r mo fp s c a d e m t d c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n d c o n t r o ls t r a t e g i e sa r ef e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h eg e n e r a t o r u s e sap o w e r f u ls o f t w a r ep r o g r a m m i n g l a b v i e w , a c h i e v e dt h em a i nc o n t e n t ss u c ha s d e b u g g i n g ，p r o j e c te x p e r i m e n t se t c c o n t r o lp a r ti sb a s e do nd s p + f p g ac o n s i s t i n go f a l l - d i g i t a lc o n t r o l l e r , f p g ac o m p l e t e st h em a j o rc o n t r o lf u n c t i o n s f i n a l l y , e s t a b l i s h a4 0 0 v 1o o k v ap r o t o t y p ea n dt e s tt h ef u n c t i o no fh a r m o n i cc u r r e n t s ，c u r r e n t f l u c t u a t i o n sa n du n b a l a n c el o a d sa n ds oo n z h a n gy a n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f y i nz h o n g d o n g k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , m u l t i - o b j e c t i v ec o n t r o l ，l a b v i e w , f p g a ， 一 j 4 1 一 ，- ， 华北电力大学硕士学位论文 摘要。 第一章绪论 目录 i 1 1 1 弓i 言l 1 2 电流质量问题1 1 2 1 谐波电流问题。2 1 2 2 电流波动问题2 1 2 3 三相电流不平衡问题3 1 2 4 功率因数问题3 1 3 典型用电负荷对电能质量的影响3 1 4 论文主要工作4 第二章主电路拓扑结构及其工作原理研究6 2 1 可控电流质量扰动发生器主电路拓扑研究6 2 2 主要元件参数设计及选型7 2 2 1 整流部分关键参数设计7 2 2 2h 桥部分参数设计9 2 3 主要元件选型及经济性分析1 0 2 4 本章小结1 2 第三章控制算法研究及功能仿真。 3 1h 桥模块调制算法13 3 1 1 单级倍频正弦脉宽调制1 3 3 1 2 载波相移正弦脉宽调制( c p s s p w m ) 1 4 3 1 3 瞬时无功功率理论1 7 3 2 仿真分析19 3 2 1 单一电流质量问题仿真分析2 0 3 2 2 复合电流扰动问题仿真分析2 8 3 3 本章小结3 2 第四章人机交互系统及控制器的f p g a 实现 4 1 人机交互界面的设计3 3 4 1 1 状态监视：3 4 4 1 2 调试：3 4 i 华北电力大学硕士学位论文 4 1 3 通讯模块：3 6 4 1 4 项目选择和波形数据显示：3 8 4 1 5 数据显示分析：3 9 4 2 控制系统设计“4 0 4 2 1 基于d s p + f p g a 的全数字控制器设计4 0 4 2 2 控制系统实现方案4 0 4 2 3 装置f p g a 控制流程4 1 4 3 本章小结4 3 第五章可控电流质量扰动发生器低压样机实验 5 1 电流功率因数问题。4 4 5 2 谐波电流扰动4 6 5 2 1 单次谐波扰动4 6 5 2 2 多次谐波复合扰动4 7 5 3 不平衡扰动一4 8 5 4 电流波动4 9 5 5 动态响应分析5 0 5 5 1 输出感性无功动态响应实验5 0 5 5 2 输出容性无功动态响应实验5 0 5 6 本章小结5 1 第六章结论与展望。 参考文献 致谢 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 i i 5 3 5 5 。5 6 l 一 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子技术的发展，特别是功率半导体器件及其控 制技术的迅猛发展，电力电子装置越来越多地应用于工矿、交通、电力等行业，在 节约能源、提高生产效率和产品质量等方面起着重要作用，成为实现生产自动化的 重要基础。与此同时，许多新型的电力电子设备在其运行中会向电力系统注入各种 电磁干扰，对电力系统的安全运行和用电设备的正常工作造成的危害与影响不断增 加，电能质量问题日益突出，引起供用电双方的广泛重视【l 】。 理想状态的公用电网应以恒定的频率和标准的正弦波对用户供电。同时，在三 相交流系统中，三相电压、电流幅值应大小相等，相位对称且互差1 2 0 。但电力系统 负载的多样性使得理想状态并不容易存在。从工程应用角度出发，电能质量分为电 压质量、电流质量、供电质量、用电质量。 其中电流质量是反映电能质量的一个重要标志，它与电压质量密切相关。为了 提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率的正弦波形外，还应保 持该电流波形与供电电压同相位。电流质量通常包括电流谐波、间谐波或次谐波、 电流相位的超前与滞后、噪声等。 针对常见的电能质量问题，有必要研制电能质量扰动发生装置，在实验室中模 拟各种电能质量现象，为电网电能质量的测量、分析、评估和控制建立基础平台， 并提供能有效解决电能质量问题的设备基础。 1 2 电流质量问题 从工程角度出发，电能质量问题包括：电流质量、电压质量、供电质量和用电 质量【2 1 。 电流质量反应了和电压质量密切关联的电流的变化，是电力用户除了对交流电 源的恒定频率、正弦波要求外，还要求电流波形与供电电压同相位运行，以保证高 功率因数。其中电流质量和电压质量密切相关。 电流质量问题通常包括：电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前滞后等几 方面。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 谐波电流问题 谐波属于电能质量体系中波形质量问题，也是电能质量体系中研究最多的问题。 谐波是非线性用电设备产生的，这些用电设备向电网注入谐波电流，使电网p c c 点 电压波形发生严重畸变。因此谐波主要是供电系统的问题【2 1 。 把含有供电系统设计运行频率的整数倍频率的电流或电压定义为谐波。可以把 谐波分解为基频分量与谐波分量的总和。电力系统中的非线性负荷是造成波形畸变 的源头。公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波 频率的整数倍 。 在工程中出现的谐波问题的描述和性质需要注意以下问题：谐波次数h 必须为 基波频率的整数倍；间谐波概念是谐波概念的延续，是指在一定得供电系统条件下， 用电负荷出现了非工频频率整数倍的周期性电流波动( 也称为分数谐波) ；频率低于 工频的间谐波被称为次谐波；电能质量问题中的暂态现象不是波形畸变，其实质是带 有明显高频分量的畸变波形，和谐波是两个完全不同的现象，这些高频分量和系统 的基波频率无关。谐波是在稳态条件下出现的，产生谐波的畸变波形是连续的，谐 波和负荷的连续运行有关；短时间的谐波应和电力系统稳态谐波区分开来。 谐波产生的主要原因主要分为两方面：来自用户方面的非线性负荷，来自系统 的影响。非线性设备是产生谐波的主要原因。非线性设备产生的谐波电流通过电力 网络注入到系统电源中，畸变电流流经系统阻抗，母线电压发生畸变，使得电能质 量受到污染。系统内部的交流发电机内部的转子和定子间存在气隙，分布不均匀， 产生的三相电势中含有一定量的奇次谐波；电网中的大量变压励磁电流中含有奇次 谐波成分，当变压器空载或过励磁时会更加严重，因此构成了主要的稳定性谐波源； 当电网中投切空载变压器或电容器时，其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波 源。电力系统中作用在同一线路上的数个频率不同的正弦电势，使电路中的电流成 为各个不同频率的电流分量叠加值，形成谐波电流【3 1 。 1 2 2 电流波动问题 电流波动可表示为电流均方根值一系列相对的快速变动或连续改变的现象。其 变化周期大于工频周期。电流波动现象有可能多次出现，变化过程可能是规则的、 或不规则的，随机的等。 为了更好的描述电流波动的特性，我们称一系列电流波动中相邻的两个极值之 间变化称为一次电流波动。为了更直观的表示电流的波形变化，我们常常将工频电 流看作载波，将波动电流看作调幅波。 2 ， 一 华北电力大学硕士学位论文 电流波动产生的原因【1 1 ： ( 1 ) 用电设备中具有波动性负荷或冲击性负荷，如电弧炉、轧钢机、电焊机、炼 钢炉、轨道交通、电气化铁路，短路试验负荷等。 ( 2 ) 系统发生短路故障，引起电网中电流波动。 ( 3 ) 系统中设备自动投切时产生的操作波的影响。 ( 4 ) 系统遭受雷击引起的电网电压波动等。 1 2 3 三相电流不平衡问题 三相不平衡：三相数值相等，频率相同，相位相差1 2 0 。的系统称为对称三相系 统。不同时满足这三个条件的系统是不对称三相系统。 三相系统中的电流可分解为正序分量、负序分量、零序分量三个对称的分量。 电流的负序分量均方根值和正序分量均方根值之比定义为电流的三相不平衡度。 用电环节中，三相电流不平衡主要由三相负荷不对称引起，如在配电系统中不 能合理有效的调整单相用电负荷分配，加上各种不平衡负荷设备( 例如单相电焊机、 单相电炉等) 的使用，产生了负序分量，导致三相电压不平衡，进而导致三相电流 不平衡【4 1 。 1 2 4 功率因数问题 在交流电路中，电压和电流之间存在相位角差矽，那么e o s q ，即为功率因数。例 如，当矽= o 。时，c o s 缈= l ，此时功率因数为l 。当电流滞后电压时，功率因数为正； 当电流超前电压时，功率因数为负值。 电从发电厂经过电网输送给用户，在变压器，输电线路中均会产生有功损耗， 大约有5 0 的无功功率消耗在输、配、变设备上，5 0 消耗在电力用户上。为了减少 无功功率的损耗和由此造成的电网的有功功率损耗，必须提高电网负荷的功率因数。 提高功率因数的好处：可以防止因为功率因数过低而使电压崩溃、电网瓦解， 使电网安全运行；还可以提高用户产品质量，减少电费开销，降低成本等。 1 3 典型用电负荷对电能质量的影响 大量应用的电力电子器件的家用电器和各种节能设备都是常见的谐波源，产生 的谐波污染以3 次谐波为主，对电网的安全运行造成威胁，并使线路功率损耗严重。 家用电器产生的谐波危害还可能引起系统谐振，存在着潜在的威胁。电视机是低压 电网的主要谐波源，产生2 k + 1 次谐波。电视机的谐波电流总畸变率远远大于基波 华北电力大学硕士学位论文 电流值。切其运行时间相对集中，因此庞大的电视机群谐波污染问题应引起重视。 变频家用电器，对配电网产生的谐波污染也较为严重。 电气化铁道以其牵引力大、速度快、能耗低、效率高、污染小、对环境友好等 优越性在世界各发达国家得到快速发展。我国电气化铁道近年来发展迅速，遍布全 国2 0 个省市、自治区，现已占铁路运量的近5 0 ，电气化铁道将在近期和今后相当 长一段时间内，在我国得到大力发展。到2 0 2 0 年，电气化铁道总里程将达到5 万公 里，其中高速铁路1 2 万公里，普通电铁3 8 万公里。电气化铁路动力系统主要包括 供电系统和牵引系统。由于电力机车的非线性、单相、冲击特性，在电力机车运行 过程中产生大量的谐波和负序，且电力机车沿铁路移动用电，产生的危害远比其它 谐波源和负序源更为严重和广泛，如不能得到及时有效治理，将注入电力系统，影 响全网。电气化铁路的牵引供电制式全部采用单相工频2 5 k v 交流制，牵引站的谐波 源主要是电力机车，电力机车采用单相全波不控或半控整流，脉动数为2 ，特征谐波 为全部奇次谐波，电力机车产生的非正弦电流通过牵引供电系统的接触网注入牵引 站，并通过牵引站注入到与之相连的供电系统变电站。电力机车为单相负荷，由于 其运行的随机性，会在一定区段内造成电网三相严重失衡且难以调节，电力机车牵 引负荷对于供电系统来说为三相不对称负荷，将会产生负序电流分量。电铁负荷是 单相、移动具有很大波动性的特殊负荷，其产生的谐波与负序电流也具有波动性。 电气化铁路所产生的谐波和负序对电力系统的不利影响体现在多个方面。如对电网 一次设备中的开关、变压器、c t 、p t 、发电机、电动机、电力电容器、电抗器、电 缆等都会产生一定影响；对整流设备、变频器设备等主要用电设备也会产生不良影 响；对通信线路会产生干扰；对电力系统二次设备( 继电保护、安全自动装置) 的 正确工作有着重要的影响；使电能计量产生误差，计量的准确性和合理性直接受到 影响等。在上述影响中有很多会造成严重的后果，如谐波和负序所引发的2 0 0 m w 发 电机跳闸，山西、河南和贵州等省电网大面积停电或系统解列，电网产生的局部谐 振等。在诸多的影响中，谐波和负序对继电保护与安全自动装置的影响非常突出 5 - 7 】。 大容量的电弧炉对电网也会产生干扰，其影响主要体现在：由于电弧炉电阻的 非线性和瞬变性产生了高次谐波；三相电弧不对称产生了负序电流；在剧烈的无功 冲击电流和有功冲击电流的影响下产生了剧烈的电压波动和闪变；由于电弧炉在熔 化期会产生高次谐波、负序电流，引起电网的电压波动闪变。 1 4 论文主要工作 本文提出一种新型“可控电流质量扰动发生器 ，在阅读和分析了国内外文献， 从主电路结构、工作原理、扰动电流控制策略和样机实验等几方面进行了详细的分 4 华北电力大学硕士学位论文 析和研究。 ( 1 ) 根据功能设计需要，本文给出可控电力质量扰动发生器主电路结构、工作原 理及参数设计部分。 ( 2 ) 分析了扰动发生器的拓扑结构及工作原理，根据不同的电流质量问题，提出 了多目标控制策略，模拟谐波电流发生、电流波动、三相负荷不平衡调节等问题 ( 3 ) 基于p s c a d e m t d c 仿真软件建立了可控电流质量扰动发生器低压样机仿 真模型，不仅对于单一的各种扰动进行了仿真，而且对于各种复合扰动，都展示了 良好的效果。仿真结果验证了主电路拓扑和控制策略的正确性和有效性。 ( 4 ) 监控系统采用了强大的l a b v i e w 软件进行编程，实现了调试、项目实验等 主要内容。控制部分采用是基于d s p 和f p g a 构成的全数字数字控制器。控制系统 分两级，上层控制电路由d s p + f p g a 构成，负责人机接口、开入开出、检测和控制 算法实现、主电路控制信号生成。下层控制由小容量的f p g a 构成，负责接收上层 控制单元发出的控制信号，并分配给各个相应的电力电子开关器件。 ( 5 ) 进一步研制了可控电流质量扰动发生器4 0 0 v l o o k v a 低压样机，对基波电 流扰动、谐波电流扰动、不平衡扰动、和电流波动等功能进行了实验验证，实验结 果表明本扰动发生器可有效模拟各种电流质量问题。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章主电路拓扑结构及其工作原理研究 2 1 可控电流质量扰动发生器主电路拓扑研究 本文研究的i o o k v a 可控电流质量扰动发生器与传统的电流型电能质量扰动发 生器不同，可控负荷质量扰动发生器主电路拓扑采用高频h 桥模块和低频h 桥模块 级联共同实现负荷用电品质扰动发生的功能，如图2 1 所示。 图2 一l 可控负荷品质扰动发生器主电路拓扑 低频模块负责发出基波频率和小于基波频率的各种电流扰动；高频功率模块负 责发出大于基波频率的各种谐波电流扰动；整流模块采用单相整流方式，负责给各 h 桥模块的直流电容充电，稳定直流电压。谐波电流的注入方式为采用电感l x l ( x 为a , b ，c ) 与h 桥模块串联注入，如图所示。其中每一相低频模块个数为3 个，高频 模块个数为1 个【8 1 。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 2 主要元件参数设计及选型 2 2 1 整流部分关键参数设计 2 2 1 1p w m 整流器功率单元设计 根据直流母线电压u d c = 2 5 0 v ，选取p w m 整流单元的额定电压应选取 unx=(152)u,k(2-1) 则可以确定整流单元的h 桥模块应选取u n r = 6 0 0 v 。 额定电流的选取，则根据后级的容量为1 0 0 k v a 可以得到，单个整流模块的工 作容量为： p n r = 筹= 6 6 7 k v a ( 2 - 2 ) 根据p w m 整流电路输出直流母线电压的设计要求： u d c 2 e 。 其中e m 为交流输入电压峰值。 选取交流侧的输入线电压为u a c = 1 5 0 v ， 入电流有效值为： 肛2 丧州s a ( 2 3 ) 则根据能量守恒可以得到交流测的输 ( 2 4 ) 考虑电流脉动1 0 及裕量，整流单元的h 桥模块电流定额应选取： i n l l = ( 1 + k ) i a c m a ) ( = 1 0 0 a( 2 5 ) 故实际选取：f f l 0 0 r 1 2 k s 4 ( 1 2 0 0 v 1 0 0 a ) 。 2 2 1 2p w m 整流器输入电感设计 对于单相p w m 整流系统，交流侧输入电感l 有十分重要的作用。l 的取值不 仅影响到电流环的动态、静态响应，而且还制约着系统输出功率、功率因数和直流 电压。由此可见，l 对v s r 系统的影响是综合的：主要用于限制器件高频开关所产 7 华北电力大学硕士学位论文 生的高次谐波电流；平衡v s r 系统中各点电压；传递能量。 电抗器l 的设计，应满足以下的三个要求【9 m 】： a 电感上的压降不能太大，应尽可能小，一般不大于电源额定电压3 0 b 一个开关周期内，交流侧电流的最大超调量应该尽可能小，一般小于交流 侧额定电流的2 0 c 交流侧电流谐波失真度t h d 应尽可能小，一般要求小于交流侧额定电流数 值的5 为了保证p w m 整流器的输入电流良好的跟踪性能，则输入电感必须满足下式 ( 2 - 6 ) ： l 悬= 丽面2 丽x 2 5 0 - 5 5 3 m h 2 - 6 ) 3 i m 3 8 0 ( 1 + o 2 ) 3 1 4 。 另外为了保证电流脉动以及输入电流失真度的大小： l 盟挚- 1 1 7 m h (27)2u d c i 麟 、7 则可以得到p w m 整流器的输出电感的取值范围应在：单独整流的时候，电抗 器取值为：1 1 7 m h 到5 5 3 m h 之间。考虑到p w m 整流采用载波移相控制，可以提 高开关等效开关频率，降低开关纹波，在同等纹波下，电抗值可以取为原来的1 n ， n 为级联h 桥个数，本扰动发生器中n = 3 ，因此取值应该为0 3 8 m h 到1 3 m h 之间 综合考虑取l = 0 4 m h 。 2 2 1 3p w m 整流器直流电容设计 单相p w m 整流系统中，除了交流侧电感l 的参数设计之外，还有一个重要参 数是直流侧电容c 。 有源逆变电路中的电容作用是稳定直流电压，理论上来说电容值越大越有利于 电压稳定。但是电容越大，成本越高，体积越大。c 选择的合适与否将直接影响系 统的特性及稳定性。它的主要作用是【9 1 2 】： a 滤除由于器件高频开关动作引起的直流电压纹波，抑制直流侧谐波电压 b 在整流器的惯性延时环节内，将直流电压的波动维持在限定的范围。稳定 直流侧电压 c 缓冲v s r 交流侧与直流侧负载间的能量交换。 从满足电压环控制的跟随性看，v s r 直流侧电容应该尽可能小；而从满足电压 华北电力大学硕士学位论文 环控制的抗干扰性来看，c 又应取得尽量大，以限制负载扰动时的直流电压动态变 化。 从满足v s r 直流电压的跟随性方面入手，设计电容c ，假设单相v s r 从直流 电压稳态最低值跃变到直流电压额定值。单相v s r 直流电压最低值，指的是单相 v s r 交流侧接入电阿且功率管不调制时，由于功率管中续流二极管的作用，此时 v s r 相当于一个单相二极管整流器。 满足v s r 直流电压抗扰性指标时电容设计： 、 q = 煮茜 ( 2 - 8 ， 其中p h 为半个工频周期内传输的最大谐波功率，取总容量的5 ，即为： p h = 0 0 5 p ，a v d c 为纹波电压的峰峰值，直流电压波动为额定电压的1 。可以计算 得出直流侧电容值的参考值为： c d c ：尝堕塑坐凳：2 5 4 6 4 1 上5 ( 2 9 ) “ 2 刀厂2 5 0 2 5 0 1 因此最终选取的电容值为2 7 2 0 0 1 工f 。 根据上述计算公式选取一定的容值裕度，并结合仿真与实际工程设计经验，最 j ， 终确定p w m 整流单元的直流母线电容取值为：( 4 5 0 v ，2 7 2 0 0 p t f ) 2 2 2h 桥部分参数设计 按照最大谐波电流为额定电流的1 0 进行设计，则可以计算高频模块的容量： i h n = 1 0 i n = 6 7 a ( 2 1 0 ) 高频模块采用电流源控制模式，确定采用的是电感电流滞环控制模式，仿真表 明此方法是可行的。理论上电流源对其他频率的电流是一个高阻状态，仿真表明谐 波模块在作为电流源工作条件下没有基波分流电流。还应考虑高频模块工作在高频 状态，开关损耗以及电压电流应力都比基波模块要高的多。应该选择开关速度相对 高速的i g b t 模块。 基波注入电流联结电抗设计： 基波电流注入的联结电抗选取按照额定容量下，基波电流在电抗器上引起的电 压降落为1 0 0 v 左右进行设计。 9 华北电力大学硕士学位论文 三：塑：o 5 m h 厶= = u ) m n l 一 ( 2 1 1 ) 高频模块主要功能是保证注入谐波电流的稳态精度和暂态响应速度，同时电感 l 2 对谐波模块的工作频率有较大的影响，因此高频模块电感的选取应考虑多种因素 之间的相互制约。 z：u2i_2(2-12) 山4 h l 砜 肾紫 初步确定l = 0 1 m h 。 2 3 主要元件选型及经济性分析 ( 2 1 3 ) 可控电流质量扰动发生器主电路各部分电路进行具体介绍，一次主电路结构包 括：输入单相多绕组整流变压器、p w m 高频整流h 桥模块、放电支路、高频h 桥 模块、低频级联h 桥模块、高频连接电抗和低频连接电抗。 下面分别介绍各部分的主要功能及参数，如图2 2 所示。 输入整流变压器：整流变压器采用单相多绕组结构，为了降低变压器原边电流 值，因此变压器原边电压采用线电压接入方式，提高电压等级在同等功率等级下降 低了变压器原边输入电流，有利于提高装置运行效率。采用级联h 桥结构，因此需 要前级提供独立直流电源，每相都具有4 个h 桥功率单元需要四个独立交流输入电 压。由于扰动发生器的运行电压等级为4 0 0 v ，额定容量为1 0 0 k v a ，为了保证副边 电流不太大，因此将副边交流输出设计成为1 5 0 v 左右，最终设计指标为3 8 0 v ： 1 5 0 v ，额定容量为4 0 k v a 。 p w m 整流器：p w m 整流器是连接交流电网和直流母线电压之间的关键环节， 为装置后级级联h 桥功率模块提供稳定的直流母线电压，同时保证整流侧输入功率 因数近似为l ，并使输入电流谐波含量较低近似为正弦波。本扰动发生器最终将直 流母线电压设计在2 5 0 v ，根据电流质量扰动要求以谐波和无功为主，因此本扰动发 生器中的p w m 整流单元并不需要提供很大的有功电流，最后选择整流模块的i g b t 容量为( 1 2 0 0 v ，1 0 0 a ) ，型号为f f l 0 0 r 1 2 k s 4 。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 单 母j p ： 蓼 ；睡蒌陵 夕 ，、，、，_ 、- 一 i j 曙j 口；皤：警睡 l 1 p ：= j 曙、j l j 母j 母j q 1嚣攀 妻 尊j p ： 名 妇。培 。j 母j 晤攀漆 尊j p ： 皂 j j _ j j 母j 口二告每 h 桥模块h 桥模块 图2 2 可控负荷品质扰动发生器主电路拓扑 电抗 放电支路：由于本扰动发生器能够输出有功功率，在实际运行过程中会出现很 大的有功交换，特别是对于冲击性负荷的扰动，可能会出现直流电压的剧烈波动， 甚至会出现直流母线过压，因此加入放电回路是很有必要的，在p w m 整流器不能 限制过电压时，放电回路i g b t 就开始工作，将直流母线电容通过放电电路放电， 使直流母线电压降低，在运行过程中将过压保护限值设定在3 0 0 v 。最后选择放电电 阻为3 0 0 f l ，放电i g b t 选用( 1 2 0 0 v ，7 5 a ) ，型号为b s m 7 5 g b l 2 0 0 n 2 ，1 2 0 0 v 7 5 a 。 高频h 桥模块：为了提高扰动发生器的整理性能，特别是发生高次谐波电流的 性能，因此引入高频h 桥模块，该h 桥与低频级联h 桥的控制策略和调制方式不 用，使得高频谐波电流与基波电流可以实现解耦控制，从而两者的开关频率、控制 参数等指标可以进行优化设计，使扰动发生器整体性能最优。 低频级联h 桥模块：低频级联h 桥主要输出的是基波电压，通过调节级联h 模块输出的基波电压幅值和相位实现扰动发生器基波功率的控制，从系统吸收或者 发出无功功率和有功功率，当级联h 桥模块输出电压与系统电压完全同相位，进行 幅值调节时，即扰动发生器运行于s t a t c o m 状态，对系统无功进行有效的补偿； 当级联h 桥输出电压与系统电压有相位时，此时能够对系统有功进行调节，因此大 华北电力大学硕士学位论文 大提高了其应用场合。扰动发生器容量的绝大部分取决于基频分量的容量，因此本 扰动发生器的大部分容量由低频级联h 桥决定，最后决定选取低频级联h 桥模块的 i g b t 容量为( 1 2 0 0 v ，4 5 0 a ) ，型号为f f 4 5 0 r 1 2 k s 4 。 高频连接电抗：高频连接电抗是为扰动发生器产生高频谐波电流而设计的，对 高频连接电抗器的设计需要考虑其额定工况就是高次谐波电流，同时电抗器对高频 分量起高阻抗作用，因此在参数选取过程中必须考虑，另外高频分量会引起导线的 集肤效应、附加的铁损和铜损等问题，这些问题都必须考虑。根据扰动发生器需要 的要求设计低频连接电抗器的参数为：绝缘等级为4 0 0 v ，额定电流为5 0 a ，电抗值 为0 i m h 。 低频连接电抗：低频连接电抗主要流过的是基波分量，级联h 桥输出基波电压 与系统电压的差值就降落在低频连接电抗器之上，通过电抗器将基波电压差转换成 基波电流，从而实现向系统注入或者吸收无功和有功。另外，也会有部分高频谐波 电流流过，因此在设计过程中应当注意高频损耗的问题。根据本扰动发生器的容量 最后设计选定低频连接电抗器的参数为：绝缘等级为4 0 0 v ，额定电流为1 5 0 a ，电 抗值为0 5 m h 。 2 4 本章小结 本论文以研究可控电流质量扰动发生器为目标。对其主电路拓扑结构进行了介 绍。装置分为低频基波扰动模块和高频谐波扰动模块两部分，针对不同部分的功能 特点，进行了参数设计和计算。 对可能出现的各种内部、外部故障模式和故障机理，通过理论计算和实际分析， 结合系统分析和运行要求，进行器件选型和经济性分析。 对于输入单相多绕组整流变压器、p w m 高频整流h 桥模块、放电支路、高频 h 桥模块、低频级联h 桥模块、高频连接电抗和低频连接电抗等器件的参数范围和 优化选择方案进行了选型分析。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章控制算法研究及功能仿真 3 1h 桥模块调制算法 3 1 1 单级倍频正弦脉宽调制 逆变器输出电压的控制方法有三种方案：可控整流方案、斩波调压方案、逆变 器自身的调控方案。 逆变器自身调控方案是仅通过逆变器的内部开关器件的脉冲宽度调制( p w m ) ， 调控输出电压中基波电压的大小、提高输出电压的最低次谐波阶数、降低其谐波数 值，达到调控输出基波电压，改善波形的目的。常用的调制方法有：单脉冲调制、 正弦脉冲宽度调制、单极性正弦脉冲宽度调制s s p w m 、双极性正弦脉冲宽度调制 b s p w m 、单级倍频正弦脉宽调制、改善型正弦脉宽调制m s p w m ，消除特定谐波 的p w m 控制。 本文采用的是单极倍频s p w m 。所谓倍频是指输出电压的脉动频率& 与逆变器 中开关元件的开关频率f o ( 也是载波频率) 间存在以下关系：f k = 2 f 宅 在普通的p w m 电路中，开关元件的频率与输出电压的脉动频率相等，而上式 表明，在倍频p w m 电路中，输出电压的脉动频率为开关频率的两倍，也就是说用 同样的开关频率可以把输出电压中的脉波数提高一倍，这对减少开关损耗和改善输 出电压波形质量都是有益的。 u t c u 4 6 图3 - 1 电压源型逆变器单元拓扑 要得到单极倍频s p w m 波形，可采用调制波反相法。具体调制过程如下：逆变 器主电路如图3 1 所示，调制过程波形如图3 2 ，载波u c 分别与调制波u s 和反相调 制波u s 进行比较，调制信号瑚与载波u c 的交点形成互补脉冲序列t 1 、t 2 ，用它 1 3 华北电力大学硕士学位论文 们作为逆变桥s 1 、s 2 的控制信号；- u s 与u c 的交点形成另一对互补脉冲序列t 3 、 t 4 ，用它们作为s 3 、s 4 的控制信号。 j u c ，、一， u s 护 ，一、q 么) ，“，- ，q lq l t h , = q 彳。?队- ，夕艮- 。 i厂h i 淑 ，- 。 j 1 - _ ，一 一 n 。 7 、。 u - 二，p “ n v 一 n藿鞴l 麟i 隧攒l 凌壤嬲篓 麟隧l 糍囊黧 糍 塞堍羹。 i t 7 【- 2 薯器誊 漆器 甏黉i i 缆1 r 3 _ 1 i 鞋 壤貔荔貔躲g 疆i 自 罐豢 _ * # 南- h 藤鞋惹隧埔l 麓耘目l 貉 瓣瓣藏l、 l r r 4 l !l 番蒯臻h f _ 獬瓤嘲i i 曩鬟* i 黢鞠融l 镕鼎嬲豢辫瓤i 鞠# 辨l 辑l 髯 ellll l： 哂 ll ll o i i r i r t 一t - 图3 2 单极倍频s p w m 调制原理图 单极倍频s p w m 的调制原理如图3 2 所示，在输出电压u a b 的正半周，实际上 是再现信号t 1 和t 4 的与逻辑，即t 1 t 4 ，当t 1 、t 4 同处高位时，有s l 、s 4 导 通，u a b = e ；同理，在输出电压u a b 的负半周，实际上是再现信号t 2 和t 3 的与逻 辑，即t 2 t 3 ，当t 2 、t 3 同处高位时，有s 2 、s 3 导通，u a b = 一e 。由于t 1 t 4 ( t 2 t 3 ) 在一个载波周期中共有两次状态转换，因此u a b 对应有两次脉动，但对 开关元件而言却只开关一次。 3 1 2 载波相移正弦脉宽调制( c p s - s p w m ) 为了提高扰动发生器功率，主电路采取把多个逆变器组合成多重化结构、多电 平结构。多重化逆变器在电压型变换电路中，输出的交流电压为矩形波。为了减小 谐波，常常把几个矩形波输出组合成正弦波的波形。对于n 个三相变流电路，将其 输出波形的相位各错开丌3 n 运行，连同抵消它们之间相位差的变压器( 移相变压 器) ，可以构成脉波数为6 n 的逆变器系统。输出波形中包含6 k n 士l ( k 为整数) 次的 谐波含量。 多电平逆变器近年来，多电平逆变器在高压、大功率的领域得到越来越多的关 1 4 华北电力大学硕士学位论文 注。它的基本思路是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。多电平逆变 器作为一种新型的高压大功率逆变器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出 波形的同时，克服了两电平逆变器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电路， 开关频率低，并有开关器件应力小，系统效率高等一系列优点【1 2 棚1 。 yl c yt c vt ；c n 图3 - 3 级联h 桥多电平逆变器 多电平逆变器主要有以下三种：- - 极管钳位型多电平逆变器、飞跨电容多电平逆 变器和级联h 桥多电平逆变器。链式多电平逆变器有以下优点： ( 1 ) 采用普通变压器接入系统，避免了多化变压器，减小了占地面积，降低了 装置成本； ( 2 ) 在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用； ( 3 ) 采用模块化结构，便于扩展装置容量； ( 4 ) 采用冗余功率模块，提高了装置可靠性 ( 5 ) 避免了多重化逆变变压器激磁回路中磁和饱和非线性导致的装置过电压和 过电流。 载波相移正弦脉宽调制( c p s s p w m ) 是适用于大功率电力电子装置的开关调 制策略，主要应用于多电平变流器和组合变流器。c p s s p w m 技术的基本思想是( 以 一相为例) ：在变流器单元数为n 的级联型逆变器中，各逆变器单元采用共同的调 制波信号u s ( o s t ) ，其频率为f t ) s ，逆变器单元的三角载波频率为k c o s ，将各三角载 波的相位互相错开一定的角度，那么级联逆变器的输出电压就能得到多电平的输出 1 5 华北电力大学硕士学位论文 波形。 通过载波移相方法驱动逆变的i g b t ，实现多电平输出，使输出的波形更加接 近正弦波，从而保证实验的波形质量。由于本实验的基波模块为3 h 桥级联，因而 载波移相错开的角度为1 8 0 n ( n # 3 ) 。因而可以使用三列载波，初始相角为0 。、6 0 。、1 2 0 。的三列载波，与系统的调制波进行比较，得出p w m 驱动信号驱动相应的 i g b t 单元，从而得到想要的输出波形。 下图3 4 所示，为在单极倍频调制算法下，输出电压波形对于正弦指令电流的 跟踪效果情况。给定的调制波为正弦信号发生器发生的标准正弦电流，有载波移相 原理，依次移相0 、尢3 、2 x 3 产生三列三角载波，依次跟正弦调制波进行比较，产 生驱动信号驱动i g b t ，使得输出电压产生标准的七电平，对电压信号进行跟踪。 从下图的跟踪情况可以看出，信号跟踪效果良好。 0 # = 一6 ：器 。：“+ 。 ”0 ：4 0 萋o 3 0 t 毫一0 。2 0 0 。1 0 x0 ；0 0 ：“ 屯1 彩 ：t- 0 2 0 n - & 3 0 飘移电4 钐 ? i + 一j0 ，4 0 赢 虢3 霞 薮o 。2 x 0 。1 0 ， j 0 - 0 0 = l - 0 1 0 ： ：，以2 0 j m 么：- 0 4 0 ， ( a ) a 相正弦信号跟踪效果显示 - e br e f i ：黟j * ，磐糍j 囊：；j 1 j “：，? 一- i 投一j ? ，、餮07 7 一j ：，。；、_ ，一? ：j 。：7 鼎l 熬l 藩耀气羝。船 。捌隧。周l，；凛覆 ； l”蔼湮”溪1 挺拶一| t 艮御霹l l 烈4 糯 翔瀚f麟 ( b ) b 相正弦信号跟踪效果显示 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 1 3 瞬时无功功率理论 ( c ) c 相正弦信号跟踪效果显示 图3 - 4a 、b 、c 三相输出电压 d q 变换，即著名的派克变换，是一种将参考坐标自旋转电机的定子侧转移至i j 转子侧的坐标变换。假定定子三相绕组沿气隙在空间上互差1 2 0 0 并作正弦分布，转 子d 轴绕组通以直流电流，所产生的磁场沿气隙作正弦分布。那么，定子绕