差異化級聯(lián)式可控用電品質(zhì)擾動發(fā)生裝置注入電路參數(shù)選擇問題分析

劉穎英 孫 哲 徐永海 肖湘寧

（華北電力大學電力系統(tǒng)保護與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點實驗室 北京 102206）

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電能質(zhì)量問題日益突出。一方面，大量非線性電氣負荷的投運使電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化；另一方面，電子精密儀器等敏感負荷日益增多，使配網(wǎng)用戶對電網(wǎng)電能質(zhì)量提出了更高的要求。為了改善配網(wǎng)電能質(zhì)量，各種用于配網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置得到了迅速發(fā)展，主要包括：有源濾波器（APF）[1]、配電靜止補償器（DSTATCOM）[2]、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）[3]、固態(tài)切換開關(guān)（SSTS）[4]與不間斷電源（UPS）[5]等。目前，上述調(diào)節(jié)裝置在現(xiàn)場安裝前，僅能靠仿真來驗證調(diào)節(jié)效果，而各種仿真軟件都存在固有的缺點，仿真結(jié)果和現(xiàn)場的運行結(jié)果往往存在差異。因此，為了在實驗上檢驗各種調(diào)節(jié)裝置負荷的性能，開發(fā)一種可以模擬各種負荷或系統(tǒng)擾動特性的電能質(zhì)量擾動發(fā)生裝置尤為重要[6]。

目前，在擾動發(fā)生裝置研制方面，國內(nèi)外主要有以下幾種實現(xiàn)形式：通過改變發(fā)電機勵磁而產(chǎn)生電壓暫降[7]；用變壓器與開關(guān)組合產(chǎn)生電壓暫降和暫升[8,9]；采用晶閘管控制電抗器產(chǎn)生電壓暫降、暫升及諧波[10]。上述方法均不同程度的存在發(fā)生信號種類少、功率損耗大、體積大、對電網(wǎng)產(chǎn)生電能質(zhì)量影響等問題。近年來，采用電力電子技術(shù)產(chǎn)生電能質(zhì)量信號[11-16]的方式發(fā)展迅速，該方式基于全控電力電子器件，具有輸出信號種類豐富、響應速度快、對電網(wǎng)電能質(zhì)量污染小等優(yōu)點。

上述研究主要集中于能夠模擬產(chǎn)生各種電壓質(zhì)量擾動的發(fā)生裝置，而目前能夠模擬產(chǎn)生各種負荷特性干擾，從而對諧波和無功補償裝置補償效果進行檢驗的電流型擾動發(fā)生裝置還很少。為了研制能夠模擬各種負荷干擾特性的“可控用電品質(zhì)擾動發(fā)生裝置”，本文以國家科技部支撐項目：“電力電子關(guān)鍵器件及重大裝備研制——電能質(zhì)量復合控制技術(shù)和裝置”為背景，對該裝置拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想以及采用該結(jié)構(gòu)時注入電路參數(shù)的選擇問題進行了理論與仿真分析，分析結(jié)果為主電路參數(shù)的選擇及裝置控制方法的設(shè)計提供了依據(jù)。

2 主電路拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)項目要求，可控用電品質(zhì)擾動發(fā)生裝置需要產(chǎn)生諧波電流、可調(diào)負序電流、波動電流、可調(diào)功率因數(shù)，且能夠滿足一定過載能力。裝置的最大容量為1MVA、額定電壓為10kV，裝置的主拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可控用電品質(zhì)擾動發(fā)生裝置主拓撲示意圖Fig.1 Main circuit diagram of the power quality disturbance controlled generator

2.1 模塊差異化設(shè)計思路

與現(xiàn)有的用于產(chǎn)生電壓擾動的裝置不同，本文設(shè)計的裝置用于產(chǎn)生電流擾動，需并聯(lián)于系統(tǒng)中，此時裝置需承受高電壓，對于該問題現(xiàn)有裝置主要采用級聯(lián)式拓撲結(jié)構(gòu)。同時，由于裝置需要產(chǎn)生高頻分量，因此對 IGBT的開關(guān)頻率要求較高。若采用目前普遍用于高壓的統(tǒng)一化級聯(lián)設(shè)計，各H橋的IGBT均需要選用高頻開關(guān)，經(jīng)濟性較差，開關(guān)損耗也會隨之增加。此外，由于裝置需要同時產(chǎn)生基頻和高頻分量，因此若采取統(tǒng)一化級聯(lián)設(shè)計，選取合適的濾波器保證多頻率分量的輸出非常困難。因此，提出了差異化的拓撲結(jié)構(gòu)。該拓撲將傳統(tǒng)的級聯(lián)型模塊分為三個部分：基頻模塊、高頻模塊和整流模塊?；l模塊采用H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，承受較高電壓，用于產(chǎn)生基頻和小于基頻頻率的各種電流擾動；高頻模塊采用H橋結(jié)構(gòu)，承受較低電壓，用于產(chǎn)生大于基頻頻率的各種高頻電流擾動；整流模塊采用單相整流方式，用于穩(wěn)定各H橋模塊的直流電容電壓。

為了降低高頻模塊的承壓水平，將高頻模塊與基頻連接電感并聯(lián)。此時，高頻模塊的交流側(cè)電壓僅為基頻連接電感上的電壓，而基頻連接電感 Lx（x=a,b,c）上的壓降較低，因此高頻模塊所需承受的極限電壓較低，有利于高頻IGBT的選取。

2.2 高頻模塊串聯(lián)電容調(diào)諧注入思路

為了降低高頻模塊的直流側(cè)電壓，高頻模塊可以采取電感串聯(lián)電容的單調(diào)諧注入方式。此時，高頻模塊的注入電路相當于單調(diào)諧濾波器。如果高頻模塊產(chǎn)生一定量的基頻電流，則該基頻電流在高頻連接電感和電容上的壓降將部分抵消基頻連接電感上的壓降，從而進一步降低了高頻模塊經(jīng)注入電感之后的輸出電壓。如果將該濾波器的調(diào)諧點設(shè)定得較低（例如4.5次左右），可實現(xiàn)對基頻電流呈高阻狀態(tài)，對高頻電流呈低阻狀態(tài)，從而保證高頻模塊產(chǎn)生的高頻電流均能夠注入到系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的統(tǒng)一化級聯(lián)相比，差異化設(shè)計的主要優(yōu)點在于：①有利于耐壓較低的高頻IGBT的選取。②高頻模塊與基頻模塊分別控制產(chǎn)生高頻與基頻電流，注入濾波電路分立，有利于濾波器的設(shè)計和選擇。采用該拓撲時，高頻和基頻模塊注入電路參數(shù)的選擇將會影響裝置的輸出效果，因此本文對該拓撲結(jié)構(gòu)注入電路的參數(shù)選擇問題進行了詳細的分析。

3 注入電路參數(shù)選擇問題分析

為了便于分析，將主電路等效為圖2所示的電路圖。

圖2為單相等效電路圖，由于裝置為三相星形連接分相控制，因此三相的等效電路與單相相同。由于基頻模塊用于輸出基頻電流，因此可等效為基頻電壓源1U˙串聯(lián)基頻連接電感L1，此時基頻連接電感上的電流（即基頻模塊的輸出電流）為1LI˙。高頻模塊用于產(chǎn)生高頻電流，可以等效為電壓源hU˙串聯(lián)高頻連接電感Lh（和電容Ch）。系統(tǒng)電壓等效為sU˙，系統(tǒng)等效阻抗為Zs，注入系統(tǒng)的電流為sI˙。

圖2 主電路單相等效電路圖Fig.2 Equivalent single phase circuit of the main circuit

3.1 基頻連接電感的選取問題

3.1.1 對基頻模塊輸出電流調(diào)節(jié)精度的影響

式中，oU˙為系統(tǒng)電源電壓與系統(tǒng)阻抗基波壓降之和?？梢姡敵鲭娏?I˙與電感L1成反比，由于輸出電壓為kV級，輸出電流為A級，因此若電感取值過小，則基頻模塊輸出電壓的微小變化都會導致輸出電流1I˙發(fā)生劇烈變化，不利于控制。因此，工程上一般選取基頻連接電感上的壓降為系統(tǒng)電壓的10%。

3.1.2 對高頻模塊高頻輸出量的影響

由圖2分析可知，高頻模塊輸出的高頻電流有兩條輸出路徑：一條注入系統(tǒng)，另一條經(jīng)基頻連接電感回流至高頻模塊，其分流關(guān)系式為

式中，Ihs為高頻模塊輸出電流注入系統(tǒng)的電流值；Ihe為高頻模塊輸出電流經(jīng)基頻連接電感的回流值。ZhL1=jnωL1為基頻連接電感的高頻阻抗值，Zhs=Rs+jnωLs（n 為諧波次數(shù), n=2,3,4,…）。因此高頻模塊注入系統(tǒng)的電流值與基頻連接電感成正比，高頻模塊環(huán)流值與基頻連接電感成反比?；l連接電感越大，其產(chǎn)生的高頻環(huán)流越小，注入系統(tǒng)的高頻電流輸出量削減量越小。

進一步分析可知，此時裝置注入系統(tǒng)的電流sI˙為基頻模塊輸出電流1I˙與高頻模塊注入系統(tǒng)的高頻電流hsI˙之和，基頻連接電感上的電流為基頻模塊輸出電流1I˙與高頻模塊回流heI˙之差，即

3.1.3 對高頻模塊承壓及輸出電流跟蹤性能的影響

高頻模塊采取電流跟蹤控制，為了保證良好的電流跟蹤性能，高頻模塊的輸出電壓應高于交流側(cè)電壓（即基頻連接電感上的電壓），而交流側(cè)電壓的大小直接取決于基頻連接電感的大小。所以，基頻連接電感的大小直接決定了高頻模塊的承壓水平。

3.2 高頻連接電感及電容的選取問題

3.2.1 高頻連接電感的選取

為了保證裝置高頻模塊輸出電流的響應速度，高頻模塊可采取電流跟蹤控制方式。此時，高頻連接電感的選取直接影響高頻模塊輸出電流的跟蹤性能。工程經(jīng)驗表明，電感值選取過大，會降低輸出電流的跟蹤性能，甚至跟蹤不上；電感值選取過小，開關(guān)頻率過高，同時輸出電流的紋波較大。此外，由于高頻模塊需要輸出高頻電流，因此連接電感的大小也會受到諧波次數(shù)的影響，當諧波次數(shù)增大時，等效連接電感值變大，也會導致輸出電流的跟蹤性能下降。

3.2.2 高頻連接電容的選取

由 3.1節(jié)分析可知，為了提高裝置輸出電流的調(diào)節(jié)精度、減小高頻模塊輸出電流的削減量，基頻連接電感不應太小。而基頻連接電感過大又會造成高頻模塊的承壓過高。因此，可采取在高頻模塊注入電路中串聯(lián)調(diào)諧電容的方式降低高頻模塊的承壓。

高頻模塊等效輸出電壓由高頻電壓和基頻電壓組成，即

無串聯(lián)電容時，高頻模塊等效輸出基波電壓為

有串聯(lián)電容時，高頻模塊等效輸出基波電壓為

式中，h1U′˙為高頻模塊串聯(lián)電容時的等效基波輸出電壓；1I′˙為采用串聯(lián)電容后基頻連接電感上的基波電流；h1I′˙為高頻模塊產(chǎn)生的基頻電流，用以在高頻串聯(lián)電感和電容上產(chǎn)生壓降，從而可以抵消基頻連接電感上的基頻壓降?？梢?，采用串聯(lián)電容可以減小高頻模塊的輸出電壓，此時與反向。

同時，h1I˙也存在同諧波一樣的分流問題，即

此時，基頻連接電感上的基波電流1I′˙及注入系統(tǒng)的基波電流分別為

由于基波連接阻抗遠遠大于系統(tǒng)等效阻抗，并且高頻模塊產(chǎn)生的基波電流相對于裝置額定電流很小，因此可近似認為很小，可忽略不計。

根據(jù)上述分析可知，若高頻模塊采取串聯(lián)電容注入的方式，注入系統(tǒng)中的基波電流不再單純是基波模塊產(chǎn)生的基波電流，將會受到高頻模塊產(chǎn)生的基波電流的反向抵消影響。同時，由于存在分流現(xiàn)象，因此注入系統(tǒng)的基波電流也同樣受到基頻連接電感的影響。為了盡量減小基波輸出量的影響，可以采取以下措施。①在保證高頻模塊承壓的條件下盡量減小高頻模塊的基頻輸出電流，部分抵消基頻連接電感上的壓降。②增大串聯(lián)電感、減小電容以降低高頻模塊基波電流。③減小基頻連接電感，以盡量減小高頻模塊產(chǎn)生的反向基波電流注入系統(tǒng)。④采取控制手段減小影響。

此外，為了保證高頻模塊輸出諧波電流的流通，電感和電容應采取串聯(lián)調(diào)諧方式配合選取，調(diào)諧點可設(shè)置為 4.5次左右，從而保證不同頻次的諧波電流都能注入系統(tǒng)。

4 參數(shù)選擇問題的仿真分析

根據(jù)上述分析，利用PSCAD/EMTDC對注入電路參數(shù)的確定進行仿真驗證。已知該裝置的額定容量為1MVA、額定電壓10kV、額定電流57.7A。高頻模塊為1個高頻IGBT組成的H橋，基頻模塊采用 10個H橋級聯(lián)，裝置能夠產(chǎn)生諧波電流、負序電流等電能質(zhì)量擾動。

4.1 注入電路電感參數(shù)的選取

4.1.1 基頻連接電感L1的選擇

由 3.1節(jié)分析可知，在保證高頻模塊承壓的基礎(chǔ)上，基頻連接電感的取值應盡量大。目前市面上的高頻IGBT耐壓一般為1200V，考慮到一定裕度，高頻模塊直流側(cè)電壓最高為800V，為了保證電流跟蹤控制的跟蹤性能，根據(jù)經(jīng)驗，基頻連接電感上的電壓最高應不超過 400V，此時基頻連接電感值 L1為22mH。

4.1.2 高頻連接電感Lh的選擇

由 3.2節(jié)分析可知，高頻連接電感值的選取直接影響高頻模塊輸出電流的跟蹤性能，并且跟蹤性能會隨著諧波次數(shù)的增大而降低，因此對高頻連接電感Lh分別為2～6mH時輸出11.542A（額定電流的 20%）的 17次諧波電流，高頻模塊的電流跟蹤性能進行仿真驗證，仿真結(jié)果見表1。

表1 高頻連接電感對17次諧波電流輸出量的影響Tab.1 Impact on 17th harmonic current by high-frequency connected inductor

分析表1可知，對于高次諧波，若誤差百分數(shù)為 10%左右時為允許值，則當高頻連接小于 6mH時，能夠基本保證高次諧波電流的輸出。同時，其他次低頻諧波的輸出量也能夠得到保證，例如此時5次諧波的輸出量為11.54A。由于連接電感過小時輸出電流紋波較大且會增大開關(guān)頻率，因此選取高頻連接電感為6mH。

按高頻連接電感6mH，基頻連接電感22mH選取，裝置輸出57.7A基波電流疊加11.542A的5次和17次諧波電流時的仿真波形如圖3所示。

圖3 裝置輸出電流波形圖Fig.3 Current waveforms generated by device

此時，基波電流輸出量為56.4A，5次諧波電流為11.54A，17次諧波電流為10.3A?？梢?，所選參數(shù)能夠滿足各次諧波的輸出要求。

4.1.3 高頻模塊的環(huán)流問題

由 3.1節(jié)分析可知，高頻模塊的輸出電流在系統(tǒng)注入點將產(chǎn)生分流，分流的大小受到基頻連接電感和系統(tǒng)等效阻抗的影響。由于 10kV系統(tǒng)的短路容量一般在 100MVA～300MVA之間，因此對L1=22mH、Lh=6mH時，裝置分別接入系統(tǒng)短路容量為 300MVA（系統(tǒng)等效阻抗為 0.33∠30°Ω）和100MVA（系統(tǒng)等效阻抗1∠30°Ω）時裝置的輸出特性進行了仿真分析，以考察所選參數(shù)在不同系統(tǒng)中的輸出電流情況，仿真結(jié)果見表2。分析表 2可知，當系統(tǒng)短路容量較小時，高頻模塊產(chǎn)生的環(huán)流百分比較大，應采取措施減小該環(huán)流。

表2 接入不同系統(tǒng)時的高頻模塊的分流情況Tab.2 Division current of high-frequency module in different power systems

4.2 串聯(lián)電容參數(shù)的選取及必要性分析

從上述分析可知，當系統(tǒng)短路容量較小時，為了減小高頻環(huán)流，應提高基頻連接電感值。此外，如果裝置的額定容量增大，則基頻連接電感上的壓降會大大增加。為了保證高頻模塊的輸出性能，均需要提高高頻模塊的輸出電壓，從而導致高頻模塊承壓過大。因此，可采取串聯(lián)電容的方式來部分抵消基頻連接電感上的壓降以降低高頻模塊的承壓。

當高頻連接電感為6mH時，按調(diào)諧點為4.5次考慮，串聯(lián)電容應為83.48μF，則根據(jù)式（6）可計算得到當Ih1=10.76A時，高頻連接電容和電感上的壓降能夠完全抵消基頻電感上的壓降。對此時高頻模塊直流側(cè)電壓不同，對17次諧波電流輸出量的影響程度進行仿真分析，仿真結(jié)果見表3。

表3 串聯(lián)電容時高頻模塊直流側(cè)電壓選取Tab.3 Selection of the DC voltage in high-frequency module with a series capacitor

由表3可知，當采用串聯(lián)電容完全抵消基頻連接電感壓降時，高頻模塊直流側(cè)電壓 400V即可基本滿足高頻電流的輸出量。但由于高頻模塊與基頻模塊產(chǎn)生的基波電流方向相反，在完全抵消基頻電感壓降時，忽略高頻模塊基波電流的環(huán)流問題，基波電流的削減量可達到18.6%（10.76/57.7）。因此，可采取不完全抵消基頻連接電感電壓的方法，在基本保證基波電流輸出量的基礎(chǔ)上降低高頻模塊的電壓。假設(shè)基波電流削減量在 5%以下是允許的，則可讓高頻模塊只輸出2.885A的基波電流，通過仿真分析可知，此時高頻模塊直流側(cè)電壓在 600V時即可基本保證 17次諧波輸出量，此時誤差百分數(shù)為15.42%。

5 結(jié)論

對采用差異化級聯(lián)設(shè)計的“可控用電品質(zhì)擾動發(fā)生裝置”注入電路參數(shù)的選取進行了理論與仿真分析。分析結(jié)果表明：在采用差異化拓撲設(shè)計時，為了提高裝置基波模塊的調(diào)節(jié)精度、保證高頻模塊的承壓并且降低高頻模塊的諧波環(huán)流，基頻連接電感不應太小，對于本裝置的設(shè)計參數(shù)，基頻連接電感為22mH左右時，基本可以保證各項指標。為了保證高頻模塊諧波電流的跟蹤性能，高頻連接電感值為6mH左右時，基本可以保證各次諧波電流的輸出量。當裝置所接入的系統(tǒng)短路容量較小時，或裝置額定容量提高時，高頻模塊可采取注入電路串聯(lián)電容的方式來部分抵消基頻連接電感上的壓降。但此時高頻模塊產(chǎn)生的基波電流將部分抵消基波模塊的輸出電流，此時可采取在保證基波電流輸出誤差在允許值范圍內(nèi)的前提下，部分抵消基頻連接電感壓降的方式來改善基波電流削減問題。所做理論與仿真分析結(jié)果可以作為主電路參數(shù)選擇及裝置控制方法設(shè)計時的參考依據(jù)。

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