基于VSI的電力擾動發(fā)生裝置的開發(fā)

汪 燕,姚蜀軍,劉宏偉,韓民曉

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京102206)

0 引言

理想的供電電壓應(yīng)該是純正弦波形,具有標稱的幅值和頻率。然而,由于供電線路阻抗的變化,供電系統(tǒng)所承受的各種擾動,負荷的時變性與非線性等,導(dǎo)致供電電壓常常呈現(xiàn)各種各樣的電能質(zhì)量問題。通常表現(xiàn)為頻率偏差、電壓偏差、諧波、電壓波動與閃變、電壓暫降與暫升等現(xiàn)象。

電能質(zhì)量知識是電力電子專業(yè)學(xué)生所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。這些電能質(zhì)量問題,雖然可以通過仿真軟件進行觀測,但是無法使學(xué)生得到直觀的感性認識。一個典型的例子就是電壓閃變。根據(jù)定義,電壓閃變是人眼對一定程度內(nèi)的白熾燈亮度變化的一種反應(yīng)。顯然,僅僅通過仿真軟件無法觀測到這一現(xiàn)象,而是需要通過物理實驗才能模擬的。因此,如果能安排實踐環(huán)節(jié)讓學(xué)生通過實驗裝置來產(chǎn)生和觀察這些實際的電能質(zhì)量問題,將有助于加深學(xué)生對電能質(zhì)量知識的理解。

此外,在研究生的教學(xué)過程中,還需要研究電能質(zhì)量問題對用電設(shè)備會產(chǎn)生什么影響?影響的程度如何?應(yīng)該采取什么樣的方法來進行治理和防護?然而,目前對這些問題的研究大多數(shù)都還停留在仿真研究階段。由于仿真軟件并不能提供準確全面的用電設(shè)備模型,因此,在某些情況下的仿真結(jié)果值得懷疑。

為此,我們研制了一種電能質(zhì)量擾動發(fā)生裝置。該裝置為大功率信號發(fā)生裝置,不僅能夠產(chǎn)生所需的波形,還具有足夠的負載能力。但是,國內(nèi)電能質(zhì)量研究中心采用的各種電力擾動發(fā)生裝置,一般采用經(jīng)阻抗短接或變壓器抽頭等方式來產(chǎn)生擾動,卻存在擾動類型少和設(shè)置不便等問題[1]。國外的一些發(fā)生裝置則采用工作在線性放大區(qū)的功率器件產(chǎn)生所需的信號[2]。這類裝置雖然信號動態(tài)特性好,但造價高和效率低。此外,還可采用交流斬波方式實現(xiàn)各類擾動,這種方法對進行諧波、閃變和頻率變動等調(diào)節(jié)十分困難,且在驅(qū)動電感類負載時要考慮續(xù)流問題,拓撲結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。

1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用的擾動發(fā)生裝置的電路框圖如圖1所示。主功率回路系統(tǒng)由12脈動不可控整流橋、直流母線、全控型逆變器和濾波器組成?？刂茊卧瓿尚畔⒌牟杉?、處理、運算及驅(qū)動脈沖的產(chǎn)生?？刂茊卧罁?jù)所要產(chǎn)生的電壓波形的瞬時值,在每相橋臂上產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM波相應(yīng)的Va,Vb和Vc。該SPWM波經(jīng)Γ型LC濾波器濾除開關(guān)頻率成份后,連接到負載回路。監(jiān)控計算機用于擾動類型和大小等參數(shù)的輸入,擾動波形的可視化編程。

逆變器的輸出,屬于SPWM控制模式。為便于控制單元處理,采用了電平移位和對稱三角波采樣的方法。對應(yīng)的輸出線電壓基波有效值為

圖1 擾動發(fā)生裝置主電路

式中,VLL為輸入電源的線電壓,a為調(diào)制系數(shù),nT為三繞組原邊對一個副邊的電壓變比。本設(shè)計中為380/260=1.46。

如果直接采用上述調(diào)制方法進行調(diào)制控制會造成電壓損失。為了增大電壓輸出能力,可以通過適當選擇輸入12脈動變壓器的變比或采用三相完備SPWM控制方式[3]。

前一種方法受到器件耐壓的制約,且與負荷大小有關(guān)。后一種方法在不增加任何主拓撲或提高器件耐壓的情況下,輸出電壓可提高15.5%。

低通濾波器在擾動發(fā)生裝置設(shè)計中用于濾除開關(guān)諧波,以保證低頻諧波幅值及相位的不失真?zhèn)鬟f。在控制算法及功率器件允許的情況下,應(yīng)盡可能地提高諧振頻率,這也有利于濾波器的小型化。L和C數(shù)值的確定還應(yīng)保證基波時電壓的無損耗傳遞。

2 人機界面的實現(xiàn)

我們選擇PC機來完成人機界面、數(shù)據(jù)分析和顯示功能,通過PC機與DSP之間的串行通訊,可向DSP傳送控制指令和波形數(shù)據(jù),并且可以分析得到產(chǎn)生故障的各項參數(shù)。

本裝置采用Visual C++提供的MSComm控件控制上位機的串口來實現(xiàn)和下位機的通訊。該控件提供了一系列標準通信命令接口,可以連接到其他的通訊設(shè)備,還可以發(fā)送命令、進行數(shù)據(jù)交換和監(jiān)視等功能,從而可以用它來創(chuàng)建全雙工的、事件驅(qū)動的、高效的應(yīng)用通信程序。該方法在應(yīng)用程序中,不需要直接對接口硬件進行操作,只需要插入該控件便可調(diào)用它提供的所有函數(shù)。其余部分工作由系統(tǒng)完成。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計,分別設(shè)置有初始化串口程序、設(shè)置參數(shù)、發(fā)送初始化參數(shù)、空閑時演示曲線、關(guān)閉串口和數(shù)據(jù)分析等。

在系統(tǒng)中,為用戶設(shè)計了良好的可視化人機界面,用戶可進行數(shù)據(jù)采集和各種控制功能轉(zhuǎn)換,檢測相關(guān)數(shù)據(jù),自動生成各種曲線。裝置的人機界面的流程圖如圖2所示。

圖2 擾動發(fā)生裝置的人機界面流程圖

3 幾類典型擾動的討論

1)電壓暫降

電壓暫降表現(xiàn)為電壓有效值一段時間內(nèi)的跌落,通常由電力系統(tǒng)鄰域內(nèi)的故障和大型負荷的啟動等造成,是電能質(zhì)量諸問題中危害最嚴重。暫降對負荷的危害與暫降深度和持續(xù)時間密切相關(guān),因此,擾動裝置能夠產(chǎn)生可自由設(shè)定暫降強度的擾動是本裝置的一項基本內(nèi)容。通過定時與PWM調(diào)制系數(shù)的控制,就可實現(xiàn)這一目標。本裝置可產(chǎn)生幅度為0%～100%,持續(xù)時間為0～2s的暫降,或幅度為0%～15%,持續(xù)時間為0～2s的暫升,亦可產(chǎn)生0～2min.的短時供電中斷,波形如圖3所示。

圖3 電壓暫降的波形

2)諧波

傳統(tǒng)電壓諧波產(chǎn)生的方法是通過有一定內(nèi)阻的電源驅(qū)動非線性負載實現(xiàn)的。這種方法不僅使設(shè)備占用空間大和功耗高,且不易控制。本文開發(fā)的基于逆變器VSI的擾動發(fā)生裝置則通過在調(diào)制波中加入各次諧波,且通過對諧波成份及大小的指定,能夠高效率地實現(xiàn)所需的諧波擾動。本裝置可產(chǎn)生最高20階的電壓諧波,圖4所示為測量得到的含5次諧波的線電壓波形。

3)電壓波動與閃變

圖4 含5次諧波的線電壓波形

閃變可通過電壓幅度波動對正弦穩(wěn)定瞬時值的調(diào)制來實現(xiàn)。本文提出的方案,僅需預(yù)制兩張調(diào)制與載波的表格就可實現(xiàn)所需的閃變擾動。本裝置所實現(xiàn)的閃變可以是正弦調(diào)制,也可以是方波調(diào)制,調(diào)制的幅度和頻率均可編程控制。電壓波動與閃變波形如圖5所示。

圖5 電壓波動與閃變波形示例

4)頻率變動

頻率作為電能質(zhì)量的一項重要指標,對負荷的運行有很大影響。本文提出的基于VSI的擾動發(fā)生裝置可通過定時步長的調(diào)整很容易實現(xiàn)頻率調(diào)整。圖6分別給出了49Hz和51Hz的電壓波形。

圖6 49Hz與51Hz電壓波形

5)在電力系統(tǒng)負荷建模研究中的應(yīng)用

研究負荷在各種擾動下的動態(tài)行為是電力系統(tǒng)中負荷建模研究的關(guān)鍵內(nèi)容。例如:比較異步電機直接接入電網(wǎng)和經(jīng)由變頻調(diào)速接入電網(wǎng)的負荷特性。利用本項目實現(xiàn)的擾動發(fā)生裝置,就可容易進行測試實驗。圖7所示為測試到的異步電機經(jīng)由變頻調(diào)速接入電網(wǎng)和直接接入電網(wǎng)對于小幅電壓跌落的響應(yīng)示例,其中電壓跌落是通過本裝置實現(xiàn)的[5]。由于錄波器的功能有限,為了比較響應(yīng)的同時性,圖7是利用錄波器記錄的波形數(shù)據(jù),在Matlab中畫出的。圖中橫坐標表示時間(s),縱坐標表示電壓(V)。

圖7 負荷對于電壓跌落的響應(yīng)示例

4 裝置樣機的實現(xiàn)

本文實現(xiàn)的擾動發(fā)生裝置按380V系統(tǒng),12kVA容量設(shè)計。系統(tǒng)采用不可控三相六脈動整流,經(jīng)接觸器控制的充電電阻與直流母線連接。逆變器采用三橋臂、六只IGBT組合器件構(gòu)成。逆變器驅(qū)動脈沖采用專用驅(qū)動板,并帶有互鎖、過流及開路等保護功能。控制系統(tǒng)采用高速DSP,該處理器帶有可靈活編程的PWM輸出,為實現(xiàn)各種擾動波形控制提供了方便。綜合考慮DSP處理能力、逆變器開關(guān)速度、功耗及濾波器的要求,開關(guān)頻率選定為13.2kHz。本文所實現(xiàn)的濾波器能夠正確保持19次以內(nèi)的諧波成份失真度在5%以內(nèi),開關(guān)分量的諧波小于3%。

5 結(jié)語

通過后臺監(jiān)控界面的設(shè)置,擾動發(fā)生裝置可以在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生任意的電力擾動波形。通過接入負載,就可以觀察不同的擾動對負載的影響。擾動發(fā)生裝置大大豐富了電力電子的教學(xué)內(nèi)容和手段,

從教學(xué)實踐來看,擾動裝置不僅增加了本科學(xué)生對電能質(zhì)量的感性認識,而且也增強了研究生的學(xué)習(xí)和研究手段,受到了師生的一致好評。

[1] 余志勇,劉志斌,許化龍.電網(wǎng)瞬變干擾發(fā)生器的研制[J].哈爾濱:電測與儀表,1998,35(11):6-9

[2] 山本和生.瞬時電壓低下發(fā)生實驗裝置[J,日文].關(guān)西電力,2000,7:39

[3] 韓民曉,吳婭妮,陳志根.易于FPGA實現(xiàn)的最優(yōu)移相PWM控制策略[J].南京:電力系統(tǒng)自動化,2004,19

[4] 杜云龍.“VSI型電力擾動發(fā)生裝置的研究”.華北電力大學(xué)碩士論文,2006

[5] Jun Wen,Xueyuan Liu,Minxiao Han,“Load Characteristics of Power Electronic Loads and T heir Effects on Voltage Stability”.Proceeding s of ICEE2004.July,2004