（电力电子与电力传动专业论文）基于磁通补偿的故障限流器.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，f a u l tc u r r e n ti si n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fc a p a c i t yi np o w e r s y s t e m ，a n di t i so b eo ft h es e r i o u sp r o b l e m sw h i c hm u s tb es o l v e dt h et h e s i sa n a l y z e t h ed i s a d v a n t a g e sa n da d v a n t a g e so f a l lk i n d so ff a u l tc u r r e n tl i m i t e r sa f t e rr e f e r r i n gt o s t r a t e g i e so ff a u l tc u r r e n tl i m i t e r sa l lt h ew o r l d c o n n e c t e dw i t ht e c h n o l o g yo f d i g i t a l p r o c e s s i n ga n dp o w e re l e c t r o n i c s , t h en e ws t r a t e g y , f a u l tc u r r e n tl i m i t e r sb a s e d o nf l u x c o m p e n s a t i o n ，i sp r o p o s e d i nt h i s t h e s i s ，a t t h es a m et i m e ，a u t h o ri n t r o d u c e dt h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c so f t h ew h o l ed e v i c ei nd e t a i l an e w t y p ef a u l tc u r r e n tl i m i t e rb a s e do nf l u xc o m p e n s a t i o ni si n t r o d u c e di nt h i s t h e s i s a c c o r d i n g t ot h et r a n s f o r m e r s e q u i v a l e n tc i r c u i t ，t h ev a l u e o f t h ec u r r e n ti n j e c t e d t ot h et r a n s f o r m e r ss e c o n d a r yw i n d i n gi sc o n t r o l l e d ，s ot h a tt h ev a l u eo ft r a n s f o r m e r i m p e d a n c ei np o w e rs y s t e mc a f i b ec o n t r o l l e d w h e nt h e r ei sal a r g ef a u l tc u r r e n ti n p o w e rs y s t e m ，t h et r a n s f o r m e r w i l lp r e s e n ta h i g hi m p e d a n c e t ol i m i tt h ef a u l tc u r r e n t a f t e ra n a l y z i n gt h e w o r k i n gp r i n c i p l e ，t h e a u t h o r d e s i g n e d t h ew h o l es y s t e m i n c l u d i n g t h es o f t w a r es y s t e ma n dt h eh a r ds y s t e ms u c ha st r a n s f o r m e r , r e c t i f i e r , p w m i n v e r t e r , a n ds oo n e v e r yp a r to ft h ed e v i c em u s tb ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l w o r k i n g c o n d i t i o n i no r d e rt om a k et h ed e v i c eo p e r a t ee f f e c t i v e l y , i ti st h ek e yt oa c c u r a t e l yf o l l o w t h ec u r r e n ti np o w e r s y s t e m a f t e rc o m p a r i n gt h eh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o la n dp w m c o n t r o lw i t hc o n s t a n tf r e q u e n c y , t h ea u t h o rp r o p o s e dt h ep w m c o n t r o lw i t hc o n s t a n t f r e q u e n c yb a s e do l ld s p , a n d t h i ss o f t w a r es y s t e mc a nr e a l i z em a n yf u n c t i o n ss u c ha s d e a d - t i m e p r o t e c t i o n ，f a u l tc u r r e n td e t e c t i o n ，s o t h i sc u r r e n tc o n t r o ls i m p l i z e dt l l ew h o l e c o n t r o ls y s t e m , a n dm a k et h ec o n t r o lm o r ef l e x i b l e a g a i n ，t h i sm e t h o dg e n e r a t eo n l y h a r m o n i c sw i t hh i g h f r e q u e n c y , a n di t i s e a s yt og e t r i do ft h eh a r m o n i e st h r o u g h l o w p a s s f i l t e r t h er e s u l to f e x p e r i m e n t sa r ev e r ys a t i s f i e d ，a n dt h er e s e a r c ho f t h ef c l b a s e do n f l u xc o m p e n s a t i o nw i l lp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n t o f p o w e rs y s t e m i nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：p o w e r s y s t e m ，m a g n e t i cf l u x ，f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，t r a n s f o r m e r , c u r r e n t c o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 华中科技大学硕士学位论文 i 绪论 概要：首先综述了故障限流器在电力系统中的重要性，接着作者分析了几十年来f c l 的发展 状况，并深入总结目前国际上所研制的各种故障限流器，在比较多种f c l 的优缺点的基础上， 本文提出一种新的故障限流的实现方案一基于磁通补偿的故障限流器。 1 1 引言 电力需求的日益增长，使得电力系统的规模逐渐扩大，而短路电流的增大已 开始成为限制我国电网发展和运行的一个重要问题。据计算在2 0 0 0 年，金沙江电 站送电后所在地5 0 0 k v 主网短路电流将超过5 0 k a ，上海些5 0 0 k v 变电所的短路 电流将超过6 3 l ( a ，而三峡电站建成后可能的最大短路电流将超过i o o k a 。这就要 求组成电网内的各种电气设备，如断路器、变压器、互感器以及变电站的母线、 构架，导线、支承瓷瓶等，必须满足短路电流水平提高所带来的更苛刻的要求。 由于短路电流会直接影响电气设备的选择和电网的安全稳定运行，为了限制短路 电流水平，减小短路引起的电压降落，常规限制短路电流水平的措施主要从以下 四个方面考虑：电网结构方面：往往采取高一级电压或采用直流联网等均可控 制系统短路电流水平；系统运行方式方面：对具有大容量机组的发电厂采用单 元接线。对环形供电网络可以在环网中穿越功率最小处开环运行。对具有双回线 路，在符合允许条件下可以按单回路运行。在降压变电所中可采用多母线分列运 行或母线分段运行；在设备上采取措施：采用高阻抗变压器、分裂电抗器、分 段电抗器和出线电抗器，在厂用系统及其l o 一3 5 k v 变电所中采用串联电抗器，但 在高压电力网中不易采用，因为这种措施会导致电压降和网络损耗增加，并降低 系统的稳定性；加装短路电流限制器f c l ( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) ，通常是将大的 短路电流限制在设定的电流范围内，然后断路器动作保护。在这四种方案中，通 过改造电力网结构限制短路电流水平的费用极其昂贵，同时此方案是在电网的设 计、规划时考虑的，一旦方案定下不易改变。而通过改变系统运行方式和设备来 限制短路电流水平容易造成电力系统运行的不稳定性。因此，显然方案加装短 路电流限制器是一种永久性的解决方法。早在1 9 7 4 年，美国电力研究所e p r i 刚 华中科技大学硕士学位论文 刚成立不久，故障限流器器就被该组织列为重点优先发展的研究课题。目前日本 也成立了“故障电流抑制用限流技术调查专门委员会”。在1 9 8 6 年由美国的著名 专家n gh i n g o r a n i 提出柔性交流输电系统”m ”n o “1 ( f a c t s f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 中，故障限流器也成为其中的一个重要组成部分。 故障限流器f f e l ) 是一种串联接在线路中的电气设备，其基本思想就是在 快速检测即将出现的大短路电流峰值，并提前采取措施将其限制在低水平，以满 足已有断路器在不超过其切断能力的前提下切断短路故障。它正常时阻抗很小( 趋 于零) ，而故障时阻抗很大。它必须满足下列要求：它必须能限制故障电流的第 一个峰值；正常运行时对系统无不良影响；动作时不会造成过电压等副作用， 故障过后能自动复位；成本低，能为电力部门所接受。由于应用f c l 可以大幅 度限制故障短路电流，从而大大减少线路的电压损耗，电力系统的稳定性得到有 效改善，电网和设备事故的影响可得到有效的控制；同时，由于f c l 是在故障短 路电流的第一个峰值之前就发挥作用，许多设备所需求的热稳定极限和动稳定极 限均可降低，电网的热极限和稳定极限比减小，从而大大提高输电线的利用率和 输电极限，降低整个电网的投资，所以故障限流器的应用研究已经成为2 1 世纪电 网技术的前沿课题之一。 1 2 f c l 的发展 故障限流器( f c l ) 早在七十年代就出现在国内外的文献中，至八十年代初期， 仍有人不断对此进行研究，传统的f c l 是使用机械开关，把故障电流转移到高阻 抗回路。其主要技术难点是开关的灭弧问题，同时由于传统机械开关装置的成本 高、速度慢，难以限制短路电流的第一个峰值，因此未能在电力系统中实用化。 随后在八十年代后期，新技术的发展又出现了一系列派生的短路电流限制器，如 自愈合熔丝型f c l 、限流式熔断器、高压限流式熔断器、串联电弧限流装置等， 新的f c l 的出现的确解决了一些技术难点，然而却仍然不能摆脱自身所固有的缺 点： 1 1自愈合熔丝型f c l 是利用n a 元素的热效应在大电流情况下形成高压、高 温、高阻抗的等离子体，在故障切除后，n a 等离子体可很快恢复至固态， 华中科技大学硕士学位论文 重新回到低阻状态，因此是一种可重复性设备，但是由于n a 元素的腐蚀性 而使得设备的可重复性受到限制； 2 ) 限流式熔断器和高压限流式熔断器均可以开断短路电流，而且开断能力大、 速度快。缺点是它们都是一次性设备； 3 1 串联电弧限流可以在4 0 0 u s 的时间内快速检测故障电流并完成开断动作，开 断产生的电弧在电动力的作用下快速从机械开关移向高阻抗的轨道。电流 过零时，电弧熄灭，电流流过高阻抗，限制大的短路电流。在断路器动作 之后设备复位。缺点是依靠电弧阻抗来限流，弧道烧蚀严重，所以动作次 数有限。 电力半导体器件在f c l 中的应用，是故障限流器发展的一个重要转折。晶闸管 问世后，人们开始研究使用晶闸管代替机械开关来切换阻抗，然而由于当时电力电 子器件都是以半控型的普通晶闸管为主，即门极控制信号只能控制其开通，而不能 控制其关断，要关断它必须加很复杂的换相电路，其工作频率很难提高。8 0 年代以 后，出现了大量的全控型电力电子器件，如：电力晶体管g t r 、可关断晶闸管( g a t e t u m - o f f t h y r i s t o r , 缩写g t o ) 、静电感应晶体管s i t 、绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t eg a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r , 缩写i g b t ) 等，这些新产品的出现在功能上实现了自关断，从而避 免了传统电力电子器件关断时所必须的强迫换流电路。在1 9 8 6 年，美国电力科学研 究院的著名电力专家h i n g o r a n i 创建了f a c t s 理论，它是“应用电力电子技术的最 新发展成就以及现代控制技术实现对交流输电系统参数以至网络结构的灵活快速控 制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳 定、可靠性。f a c t s 概念一经提出就立即受到各国电力部门的重视，在f a c t s 数 目众多的家族中，故障限流技术被列为重点研究项目。目前研究最多的是用可关断 晶闸管g t o 代替断路器。 近年来，超导故障限流器( s u p e r c o n d u c t i n gf a u l t c u r r e n tl i m i t e r , 缩写为s f c l ) 具有反应速度快、能自动触发、自动复位、可多次动作等优越性，是f c l 发展的 另一个新方向。已进行过研究的s f c l 可分为电阻型、变压器型、混合型、磁屏 蔽型、无感电抗器、饱和铁心电抗器、三相电抗器型和桥路型等8 种。目前学者 针对不同结构的s f c l 在实用化过程中所面临的一些技术难点，如动作电流整定、 参数选择、失超恢复问题等进行了比较研究。研究表明，高温超导带材制造桥路 3 华中科技大学硕士学位论文 型s f c l 具有费用低、性能好、可控性强等优点，成为s f c l 工程实践的首选方案。 磁阀式可控电抗器也是9 0 年代的新兴产品，“磁阀”的概念是前苏联学者在 1 9 8 6 年提出的，使可控电抗器的理论向前发展了一大步。磁阀式可控电抗器的铁 心截面积具有减小的一段，在整个容量调节范围内，只有小面积一段磁路饱和， 其余段均处于未饱和的线性状态下，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电 抗器的容量，这就是“磁阀式”名称的由来，磁阀式可控电抗器的制造工艺简单、 成本低廉，对于提高电网的输电能力，调整电网电压，以及限制过电压具有非常 大的应用潜力。 除上述几种常见的故障限流器之外，此领域还存在其他一些类型的f c l ，例 如：具有正温度系数( p t c - - p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 聚合材料的f c l 、基于 真空触发开关与快速合闸真空开关的f c l 等，均正处于试验开发过程中。 1 3 几种典型的f c l 1 3 1 采用开关元件直接投切串联阻抗的f c l “钉脚“1 图1 1 和图1 2 是两种典型的采用开关元件直接投切串联阻抗的f c l ，这种故 障限流器保护电路的基本思想是：正常负载情况下，故障限流器的开关( 机械开关 或固态开关) 闭合导通，流过线路电流；当故障发生时开关元件断开，限流阻抗串 入电网，以限制短路大电流。以图1 2 为例进行说明，图中是运用两个反并联g t o 作为开关元件代替传统的机械开关，其具体工作过程分析如下：在系统正常运行 时，线路电流流经g t o ，每周期内两支反并联g t o 交替导通，整个限流装置对 电网呈现低阻抗值；当短路故障发生时，控制电路在短时间内捡测故障电流并发 出门极关断信号关断g t o ，将阻抗z 串入电网限制短路电流。图1 2 中氧化锌避 雷器z n o 是用来限制固态开关g t 0 开断过程的瞬时过电压。 采用开关直接投切阻抗的f c l 缺点是：使用率不高，仅在故障发生的情况下 才能投入使用；开关分断电流困难，机械开关速度慢，维修量大；正常运行时， 固态开关处于导通状态，因此具有一定的功率损耗。于是，学者们提出了带串联 补偿的f c l 。 4 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! - _ _ _ _ - 一i i i r o l l - _ - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - l 一 ；9 鼻o j 兰_ _ ! ! 、o ：一 图1l用机械开关直接投切阻抗的f c l图1 2 用固体开关直接投切阻抗的f c l 1 3 2 带串联补偿的f c l m 小别刚 1 9 9 6 年在日本提出了带串联补偿的f c l ( f a u l tc u r r e n tl i m i t i n gw i t hs e f i e c o m p e n s a t i o n ) ，带串联补偿的故障限流器不仅可以提高功率传输能力，而且还可e 快速抑制短路电流以达到保护电力系统的目的。图1 3 给出了典型的带串联补偿f c i 的原理电路。 这种f c l 正常运行时为l c l 串联，s w l ( 两个反并联g t o 作为开关元件) 女 于关断状态，电路阻抗呈容性，此时故障限流器工作在常规串补状态下。电路在嘉 时刻发生故障时，s w 迅速导通短接电容器c - ，此时由电抗器厶来限制短路电流 低值阻抗z l 限制固态开关s w l 开通过程中的涌流：同样，氧化锌避雷器z n 0 用 限制电容g 两端的过电压幅值；故障状态下，在固态开关s w i 开通的同时旁路于 关b p s 闭合，一方面低值阻抗z 2 和旁路开关b p s 为电容c l 释放所储存的电能拱 供通路，另一方面低值阻抗z 2 还用来限制旁路开关闭合时所产生的涌流。带串厍 补偿f c l 的特点是： s r k 鼻，冀d 7 一r r 叫 图1 3 带串联补偿f c l 的原理电路图 5 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) s w ，可以提供比传统断路器更快速的故障电流保护，同时还可以进行无功 补偿，提高了系统的传输能力和稳定性。 ( 2 ) 在正常工作情况下，s w l 处于关断状态，没有功率损耗；电容器实现常规 串补，提高了故障限流器的使用率。 ( 3 ) 故障发生时，控制电路触发导通开关元件，z l 接入电容器两端，与电容 器c l 并联运行，增大线路阻抗值以限制故障电流。 采用固体开关直接投切阻抗的f c l 和带串联补偿的f c l 均是采用功率电子 器件g t o 来控制线路阻抗，这两种f c l 始终未投入实际的广泛应用，原因在于： 首先，运行损耗大、体积大。通常在额定负载电流下，装置本身的热损耗为通过 功率的0 2 ：其次，造价高。根据有关文献所给相关元件的价格，f a c t s 控制器 单值容量造价约为( 2 0 - 4 0 ) 美元k v a l ，那么个用于线电压1 0 k v ，正常运行相 电流4 0 0 a 的故障限流器，造价为( 1 4 - 2 8 ) 万美元。特别是可控硅元件造价高， 而且目前可控硅容量不能满足大容量系统的使用要求。 1 3 3 采用超导材料的故障限流器( s f c l ) ”m 7 1 n 8 m 9 1 超导故障限流器( s u p e r c o n d u c t i n g f a u l tc u r r e ml i m i t e r , 简称s f c l ) 是被最广 泛研究的f c l 之一，目前在f c l 研究人员所发表的文章中，有关s f c l 的内容占 到了5 0 以上。日本于1 9 9 7 年左右就开始研究s f c l ，同时中国科学院电工研究 所也对超导故障限流器进行了大量的研究。将超导故障限流器接入电网中，当电 力系统正常运行时，超导体状态的电阻几乎为零，对电力系统运行无影响。一旦 电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体瞬时失超而产生非线性高电阻， 从而有效地限制短路电流。超导故障限流器( s f c l ) 有许多类型，其中桥路超导 故障限流器具有广阔的前景。 桥式超导故障限流器的原理电路图如图l3 所示：它由二极管桥路d t d 4 、超 导线圈l 和直流偏压源组成，与之串联的断路器c b 用来开断被降低的故障电 流，为超导线圈提供偏流屯。正常运行期间调节使屯爿i ( 直流) ，而而大于线 路电流。的峰值。于是二极管桥路始终导通。除桥路上有较小的正向电压降外， s f c l 对l 。不表现出任何阻抗。当线路发生短路故障，k 幅值增加到o 时，在。 华中科技大学硕士学位论文 ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! i ii ；一一! i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 的正半周内二极管d 3 和d 。不导通，而在负半周内d l 和d 2 不导通，超导线圈就 被自动串入线路，短路电流的上升率就被大电感l 所限制。 图l4 桥式超导故障限流器 载 理论上超导故障限流器具有很多优点，但实际上；一方面，由于超导体的失超 电流受超导体内合金比例、散热条件等因素的影响，而且由于工艺水平的限制，超 导线材的均一性得不到保障，所以要将s f c l 的失超电流严格控制在给定值有一定 的难度；另一方面，当电压升高一定值后，超导体的超导丝受电磁力的作用，相位 移增加，失超电流会下降；第三个方面，超导磁体需密封在装满液态氮中的低温容 器中以达到超导态，这样就使得整台限流器体积大、造价高，不容易实现控制和维 护；而且被限制的短路电流波形近似于方波，谐波含量大，易对电网产生不利的影 响。 1 3 4 磁阀式可控电抗器2 3 1 m 5 1 图l5 为磁阀式可控电抗器的结构和电路图，电抗器的主铁芯分裂为两半，截面 积各为a ，长度为“。同时每半铁芯具有一长度为，f 的小截面积。其面积为 a ，翩。 可鬲时，既f o ，在此开关周期内逆变器输出电流小于给 ，8 蟾 定电流；当卜f 可鬲时，即f o ，在此开关周期内逆变器输出电流大于给定电 流。这不仅是一种电流跟踪型控制方法，同时也是线性化的p w m 控制方法。由于 p w m 开关频率是固定的，那么在一个周期中电流的变化率就决定于占空比的数值， 利于数字化的实现。 从上面的分析可以看出，这种方法也存在不足之处：逆变器的输出电流对其 他k 给定值存在着一个跟踪误差1 丢君，此误差为反馈电流，+ 的函数，而反馈电流f + 是 周期性的，因此这个跟踪误差也是周期性的。从误差公式得出，增大三相整流桥 的直流输出电压以和增大比例环节的系数髯可以减少跟踪误差，在以后的试验中 也充分证实了这一点。 4 2 开关频率固定的p w m 电流控制的仿真 电流闭环控制是基于磁通补偿的f c l 得以实现的关键，为使脉宽调制逆变器输 出的电流准确跟踪给定电流，需选择一种合适的电流控制方案，本文采用开关频 率固定的p w m 技术，并对此电流控制方案用s i m u l i n k 进行了仿真。 s i m u l i n k 是m a t l a b 环境下的模拟工具，其为用户提供了很方便的图形化功 能模块，以便连接成一个模拟系统，简化设计流程，减轻设计负担。可以直接对 动态系统做适当地仿真和分析。如下图所示为单相开关频率固定的p w m 电流控制 的仿真模型图。在仿真模型中，所使用参数均是以实际的控制系统参数为参考： 1 ) 给定电流为5 0 h z 的正弦波，其幅值为1 0 a ： 30 华中科技大学硕士学位论文 i _ i _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ l _ _ - _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ i _ o ，! ! ! ! ! ! ，! ! _ _ 一 2 ) p i d ( p i dc o n t r o l l e r ) 控制器：仅使用了比例调节，( 积分和微分环节均未使 用，在基于磁通补偿的f c l 中要求电流跟踪速度要快，实时性要求严格， 加上积分环节之后会引起电流跟踪滞后；而微分调节的：j h a 容易引起系统 的不稳定) 参数p 即是算法分析中的比例放大系数； 3 ) 三角波载波：在仿真时使用的是锯齿波，即在数字化过程中使用的是非对 称p w m 波形，设置三角波频率为1 0 k h z ，幅值珞为 一1 ，1 ： 4 ) 滤波电容上所加的直流电压为2 9 v ； 5 ) 开环所接电感负载，根据公式： 卜2 瓦1u ( - 鄙十了i ( o _ ) ( 4 叫 k = 瓦1 ， 图4 6 开关频率固定的p w m 电流控制仿真模型 如下几幅图分别是电网电流波形、负载电感上的电流波形及电流跟踪误差波 形，在参数选择合理时，从图4 7 和图4 8 看出电流跟踪波形是较理想的；而且图 4 9 电流跟踪误差的波形显示了误差呈现出周期性，和理论分析的结论相一致。图 41 0 是图4 9 的局部展开，展开后的波形是一些高频叠加的三角波。在物理试验中 电流的跟踪误差就反映为变压器一次侧的电压值，如果误差较大，则在电网正常 31 华中科技大学硕士学位论文 运行期间，变压器一次侧的电压值也较大，磁通补偿效果不好，此时从电网侧看 故障限流器就呈现较大的阻抗，电压降大，对电网的正常运行就会产生影响。因 此为减少电流的跟踪误差须合理选择比例参数、电容上的直流电压和三角波 参数( 主要是三角波的幅值吩) ，以达到最好的补偿效果。 从系统的稳定性来看，滞环电流p 删控制方式的稳定性较好，但是，这种方法 中的滞环宽度丙一般固定，因此开关频率不固定，有时甚至会出现很窄的脉冲。 而开关频率固定的p w m 控制的数字化过程比滞环电流p w m 控制方式实现起来简单， 控制灵活，同时从仿真所得的结果表明，如果适当选择比例参数髯、电容上的直 流电压阮和三角波参数( 主要是三角波的幅值啊，三者的协调结合可以使系统在 很大的范围内实现稳定运行。 厂 ， ， 、f 。 、夕 0n 0 嘶0 们00 1 sa 0 2n 0 2 50 图4 7 给定电流波形 0n 5o 口ln 1 50 d 2n 位50 0 3 厂弋l i 飞z ! 00 5o mo 0 1 50 0 20 q 2 50 0 3 图48 负载电感上的电流波形 图49 电流跟踪误差波形图4 1 0 图49 的局部展开图 32 加垤加5 o占仲侣 约幅伯o o与仲幅 ：竺，叶们oo：。：坫，吣oj惦 华中科技大学硕士学位论文 4 _ 3 开关频率固定的p w m 电流控制的算法实现 基于磁通补偿的故障限流器采用t m s 3 2 0 f 2 4 0 型的d s p 作为控制器件，产生开 关频率固定的p w m 脉冲驱动信号，这一p 删脉冲信号是串宽度变化的脉冲序列， 这些脉冲平均分布在一段定长的周期中，从而每个周期中有一个脉冲。该定长周 期被称作p w m ( 载波) 周期，它的倒数被称作p w m ( 载波) 频率。p w m 脉冲的宽度由另 一列具有所需值的调制信号所决定或调制，为保证有准确的p w m 脉冲信号的输出， 在一定的开关频率下，就需要正确的求出每个p w m 开关周期开通或关断的占空比。 在基于磁通补偿的f c l 中，每个开关周期的占空比由下列几个因素决定： 1 ) 三角载波的幅值珞； 2 ) 误差放大倍数再； 3 ) 给定电流值与反馈电流值偏差。 下图是开关频率固定的p w m 电流控制的算法框图： 图4l l 开关频率固定的p w m 电流控制的算法框图 根据框图做如下两点说明： 1 ) 给定电流：从电网检测的电流瞬时值再乘以一个小于等于1 的系数a ( 即是出 现在公式( 2 - - l o ) 的整定参数n ) ，得到的才是给定电流。系数a 的选择要根据 具体情况决定，a 的数值一经选定，在软件就设置为固定的常数。 2 ) 比例放大倍数：采样的给定电流与反馈电流之间的偏差很小，需要经过放大 之后再进行占空比的计算。同时比例放大倍数k 的确定，需将三相整流桥后接 电容上的直流电压值以和三角载波的幅值巧结合起来，综合考虑这三者的关 33 华中科技大学硕士学位论文 系来确定k 值，使反馈电流更好的逼进给定电流。 根据前述原理，实现脉宽调制逆变器开关驱动信号p w m 的问题在于计算每个 p w m 开关周期的占空比，根据本章第一节所推导的开关频率固定的p w m 占空比的公 式( 4 5 ) ，将此公式离散化得出： 嘎。) = 軎( 讪) 一，畔t ) ) + 音( 4 - - 9 ) 二r s 山 式中啦材、i ( k 叫，f 叫分别是第k 个周期的p w m 开关周期的占空比、及第k - 1 个周期的给定电流值和反馈电流值。在实验过程中由于所选的三角载波的频率很 高，所以在计算占空比时采用了前一个周期的电流采样值，这样实现起来简单， 同时较高的频率也不会产生大的误差。因此根据公式( 4 9 ) 来考查第k 个周期电流 的变化抽为： ，r 壬， ，= 等( 争( i c 一f ( h l d f ( n ) 置) ( 4 - - 1 0 ) l ，5 式( 4 1 7 ) t n n i c h l f + “) 鼍：；每笠时， a i ( 。) 0 ，在此开关周期内逆变器 z u d i g 输出电流小于给定电流；当。) 一f + ( ) 訾时，即出( 。) o ，在此开关周 期内逆变器输出电流大于给定电流。从离散化的算法中，利用三角载波频率高的 特点，将占空比的计算用前一个周期的电流采样值来表示，这样软件实现起来简 单。因此利用数字化的开关频率固定的p 删电流控制方式来实现基于磁通补偿的 f c l ，是一个可行的方案，从数字化过程看实现简单，控制灵活。综合考虑各参数 之间的关系，及每一个参数的变化对实验所产生的影响，协调参数合理选择后， 系统可以在较大的范围内稳定运行。 4 4 小结 本章首先对比分析了模拟式的电流滞环p w m 控制方法和开关频率固定的 p w m 电流控制。电流滞环p w m 控制方式下，开关周期一般不固定，随输入电压 、电感三的大小、滞环宽度卉的变化而变化，同时滞环宽度 的改变也会影响 电流的跟踪质量；而开关频率固定的p w m 控制方式，克服了前者c p u 片外模拟控 制的固有缺陷，如硬件线路复杂、成本大、可靠性弱、控制方式单一、灵活性不 强等，无疑是一种较好的电流环控制策略，但是这种电流控制方法也存在着不足， 34 华中科技大学硕士学位论文 逆变器的输出电流对其给定值存在着个跟踪误差，并且这个跟踪误差是周期性 的，此跟踪误差可以依靠参数的合理选择得以改善。随后通过s i m u l i n k 仿真， 所得的波形结果和理论分析是一致的，证明了各个参数( 比例参数、电容上的 直流电压阮和三角波幅值v s ) 之间的取值决定了系统稳定运行的范围和电流跟踪 误差的大小。最后，经过比较分析，本课题选用了开关频率固定的p w m 驱动信号 实现电流闭环控制，离散化的占空比公式说明，在频率足够高的情况下，可以建 立占空比和前一个周期的采样值关系式，这样使得软件实现起来简单。 3 5 华中科技大学硕士学位论文 5 基于磁通补偿的f c l 的软件控制系统 概要：本章介绍了基于d s p 的电流环控制系统。 5 1 系统程序流程图 系统的主程序部分主要是对控制软件进行初始化，设置t m s 3 2 0 f 2 4 0 的各种功 能模块，以设定系统各个功能模块的工作方式。初始化工作完成后，系统进入等 待状态，等待各种中断产生，进入中断服务子程序以产生控制信号。 5 2 中断服务子程序 框图1 ，是定时器l 中断服务程序，定时器l 用于设置开关频率，此中断服务 程序完成电流的调节，及输出p w m 信号到硬件电路，用来控制开关管以达到控制 主电路电流的目的，同时在此中断服务子程序中，要完成各种软件保护的查询与 输出保护信号的功能。各种保护作用有相应的硬件加以支持。在实验过程中此中 断服务程序主要用于两种工况： 1 系统正常运行的情况，即n = l 时，z a x = u 。1 1 = z 1 ： 2 系统在某一时刻发生短路故障的情况，即a = o 时，z a x = u ，i = z l + 磊； 如下图即是在这两种工况下的程序控制流程图。 36 华中科技大学硕士学位论文 控制框图1 37 华中科技大学硕士学位论文 - _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ - - 框图2 ，也是是定时器1 中断服务程序，和框图l 相同的是，定时器l 仍用于 设置开关频率，同样是完成电流的调节。，通常在电力系统中，并联支路中常常会 出现短路故障，以至于电阏电流大干额定电流，但是此电流小于断路器的开断电 流，断路器不跳闸，电力系统仍然能够正常运行，然而为保证电网电流维持在额 定值，需在系统中串入一阻抗，以限制电流的升高，即是在第二章中所指的第三 种工况：当在( o ，1 ) 之间取值时，阻抗2 k 的取值范围是( z 1 ，z 1 + 磊) ，实现故 障限流器的阻抗可调，以满足电网在并联支路短路情况下的保护。此时给定电流 并不是采样的实际电流，而是将所采样的电网电流乘以一个系数口，即是在第二章 中的整定参数口，如此得到的值才为电流给定值。程序控制流程图和框图l 的控制 流程是很相似的，但是在实际的调试中所选择的参数却有一定的差别。如下图为 程序流程图。 控制框图2 38 华中科技大学硕士学位论文 5 3 小结 如前所述，数字信号处理技术的快速发展以及高集成度高速的控制专用数字信 号处理芯片d s p 的出现使得驱动系统的全面数字化，尤其是电流控制的数字化成 为可能，本文正是在这一基础上，成功地利用t m s 2 0 f 2 4 0 提供的p w m 信号发生 单元实现了基于p w m 技术的电流环的数字控制，探讨和分析开关频率固定的 p w m 电流数字化控制策略，提出了今后电流环的发展方向，为f a c t s 的研制开 发开创了一个新局面。 作为数字控制核心的软件编程，其处理技术可谓博大精深，需要不断学习方可有 所为，非一朝一夕之事，本系统只能说是获得了基本令人满意的控制效果。 39 华中科技大学硕士学位论文 6 系统实验与分析 概要：本文建立了的基于磁通补偿的故障电流限制器的软硬件系统，并在此基础上，成功地进 行了试验和调试工作，记录了系统在正常运行时、短路故障时及系数不同时故障限流器阻抗线 性可调的试验波形，物理试验结果再一次验证了基于磁通补偿的f c l 方案的运行可行性。 6 1 基于磁通补偿的故障限流器的试验电路图 根据图61 所示为基于磁通补偿的f c l 电路结构，我们进行了软硬件的设计和 调试工作，实验中使用t m s 3 2 0 f 2 4 0 型d s p 作为控制电路的核心，采用开关频率固 定的p 删触发方式，频率选为i o k h z 。两路采样电路，均是使用电流互感器对电网 电流和变压器二次侧电流进行采样。变压器变比为= l ：1 ，u 。为2 6 0 v ，电解 电容c 。选择4 4 0 0 u f 。逆变器中采用s e m i k r o n 公司的s k m 5 0 g b 0 6 3 的n q a t 型i g b t 作为开关器件。 图6 1 基于磁通补偿的故障限流器电路结构 u 。一电网的电压； 一逆变器的输入直流电压电压取值为2 6 o v ； 。一逆变器的输出端所接电感； 4o 华中科技大学硕士学位论文 c 。一逆变器的输出端的高频滤波电容取值为3 u f ； c 。一三相整流桥后接电容4 4 0 0 u f ； 6 2 系统试验波形与分析 6 2 1 电网运行正常的情况 图6 2 是实验室试验电路图，图中参数如下所列： z 。：为电源内阻抗值为1 4 n l ，：负载电感取值为1 8 6 5 m h r l ：负载电阻取值为1 3 1 q c 鼠：用来开关投切f c l c b ，：用来投切负载电感 圈6 2 试验电路图 m h 根据图62 所示的试验电路图，在电网运行正常的情况下，变压器一次侧电流 为1 2 a ，用h p5 4 5 2 0 a 型数字示波器记录实验波形。图6 3 显示了1 2 a 时电力系统 正常运行，变压器次侧与二次侧的电流跟踪波形，根据原理分析此时a = 1 ，由 于变压器变比= l ：l ，则，= f ( ，是电网电流，i + 是变压器二次侧电流) 图63 和图 6 4 所示为在未串入故障限流器和串入故障限流器后两种情况下电网电流波形的比 较( 量程分别是l v 每格) ，图6 4 说明在正常运行期间，故障限流器的串入对宅网 华中科技大学硕士学位论文 i d 【e 彳】 j 1tt昏 。 l ? ，。、 - - - 。- 、 _ 。弋_ 。? ，- ， 一： ? 髟 一7 。 ： - ：一r x 0 ? 图6 3 电网电流波形( f 是电网电流，f 是变压器二次侧电流，f = f 即a = 1 ) 慧羔爹誉薹羞鬣兰；攀器圭囊 图6 4 电网电流的波形 ( 故障限流器未串入时的波形) 图6 5 电网电流波形 ( 故障限流器串入后处于全补偿状态) 在实验过程中，由于逆变器的开关脉动，会在变压器一次侧电压波形上叠加 高频谐波分量，如图6 6 所示，图6 7 是将图6 6 的局部展开，展开图显示了此谐 波分量主要是一系列的高频三角波，这和如前所仿真的波形是一致的，经频谱分 析此高频分量主要集中在i o k h z 附近，恰恰就是p w m 驱动信号的开关频率。在变 压器的付方并一滤波电容o ( 取值3 后，如图5 8 所示一次侧电压波形基本呈 现基波，且基波压降为3 8 8 7 v ( 量程为5 v 每格) ，仅占电源输出电压的2 ，变压 器一次侧所呈现的阻抗值也只有0 3 2 4q ，( 实测的变压器漏抗为0 4 8 6o ，试验所 测的变压器一次侧漏抗占变压器总漏抗的6 6 。) 验证了在电网正常运行时呈现较 小的变压器漏阻抗。 r 一 ，_；!，j、j一衅 华中科技大学硕士学位论文 图6 6 串联变压器一次侧电压波形 ( 在未加滤波电容c j 时的波形) ：? 。：。 一1 2 j 0 ；十ko 一j j j ! i i ：j i ：j ：一二i ：= ：= j ：j ：曩：i o - o o ：j ? ：! ：? j 图67 图6 6 的局部展开圈 ( 高频分量是一系列的高频三角波) ：孽：；= = = ：尊囊基蓍受：圣囊基章：e ： ： 一 ；0 一 ；- 一 一：- i - - - ，；- 一- - 图68 变压器一次侧电压波形( 在并上滤波电容c d 后的波形) 6 2 2 电网短路故障情况 试验中分别就纯电阻负载和感性负载进行了测试，图6 9 ( a ) 、( b ) 是在纯电 阻负载的情况下，正常运行电流为3 5 a 时的电网在某时刻发生短路，如果没有 引入基于磁通补偿的故障电流限制器，在负载短路后，短路电流会不受限