級(jí)聯(lián)式電流擾動(dòng)發(fā)生裝置的主電路設(shè)計(jì)

趙小英，趙瑞斌，張一博

（國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102200）

1 引言

目前，隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出[1～3]。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）、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）、固態(tài)切換開關(guān)（SSTS）與不間斷電源（UPS）等[4～5]。這些裝置在設(shè)計(jì)定型的過(guò)程中，需要進(jìn)行相應(yīng)的中試試驗(yàn)，試驗(yàn)條件也在很大程度上約束了裝置性能的實(shí)現(xiàn)與否。通過(guò)中試試驗(yàn)設(shè)備，可以驗(yàn)證、補(bǔ)充相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定完善的技術(shù)規(guī)范，如產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品工藝規(guī)程等。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功發(fā)生設(shè)備（如SVG、APF）特性的測(cè)試，模擬負(fù)荷特性，設(shè)計(jì)一種電流擾動(dòng)發(fā)生裝置是很有必要的。目前一些廠家采用TCR型SVC+FC[6～7]的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷的模擬，但這種方式存在占地面積大、損耗大、產(chǎn)生信號(hào)形式較單一的缺點(diǎn)[8]。文獻(xiàn)采用的主電路結(jié)構(gòu)為常規(guī)的IGBT三相逆變電路，其通過(guò)變壓器與系統(tǒng)相連接，可四相限運(yùn)行，如圖1所示。杭州安特電力電子技術(shù)有限公司申請(qǐng)專利[9]，提出一種基于三相橋式全控整流的諧波電流和感性無(wú)功功率發(fā)生裝置。該裝置由三相橋式全控整流橋構(gòu)成的整流器的直流側(cè)串接設(shè)置直流電抗器、電流采樣器，電流采樣器的兩端與移相控制器的電流反饋輸入端連接，移相控制器信號(hào)輸出端與三相橋式全控整流橋的開關(guān)管門極對(duì)應(yīng)連接，三相橋式全控整流橋的電壓輸入端直接接入電網(wǎng)，移相控制器電壓輸入端通過(guò)降壓變壓器后接入電網(wǎng)。國(guó)內(nèi)院校如華北電力大學(xué)、中國(guó)電力科學(xué)研究院等也對(duì)電流擾動(dòng)發(fā)生裝置進(jìn)行了研究[10～11]，并進(jìn)行了小容量樣機(jī)試制，但如何研制出高電壓、大容量和多功能的試驗(yàn)裝置仍是難點(diǎn)。

圖1 基于三相逆變電路的電流擾動(dòng)發(fā)生裝置

本文以中電普瑞科技有限公司“靈活交流輸電產(chǎn)業(yè)能力擴(kuò)建”項(xiàng)目中“全控型電能質(zhì)量治理裝置綜合中試平臺(tái)”子項(xiàng)目為依托，設(shè)計(jì)了一套10 kV/3MVA電流擾動(dòng)發(fā)生裝置。

根據(jù)項(xiàng)目要求，該裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷三相不平衡度0～50%可調(diào)；工頻基波上疊加幅度范圍0～50%的額定電流，頻率范圍0.5～25 Hz的調(diào)制波形（調(diào)制波包括正弦波和方波兩種形式）；功率因數(shù)可超前、滯后，并在0～1范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

2 原理介紹

本裝置作為可變負(fù)載接入系統(tǒng)，其采用級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，由整流部分和逆變側(cè)電流發(fā)生部分組成。

整流部分包括整流變壓器、整流電感和三相橋式整流器，通過(guò)與系統(tǒng)交換功率來(lái)維持模塊直流側(cè)電壓的穩(wěn)定；逆變側(cè)電流發(fā)生部分經(jīng)連接電抗器發(fā)出擾動(dòng)電流注入電網(wǎng)。主電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2中虛線框內(nèi)所示為功率單元，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)單元為四象限變流器結(jié)構(gòu)[12～13]。整流側(cè)采用三相全控整流橋，主要是考慮三相對(duì)稱性，保證裝置運(yùn)行時(shí)不對(duì)電網(wǎng)造成不平衡的影響；逆變側(cè)采用H橋功率單元串聯(lián)形式[11]，便于電壓和功率的提高。

圖2 電流擾動(dòng)發(fā)生裝置主電路拓?fù)?/p>

圖3是電流擾動(dòng)發(fā)生裝置單相原理圖，Rloss為等效損耗電阻，Xac=ωLrec為基波部分與系統(tǒng)之間的等效電感的電抗。

圖3 電流擾動(dòng)發(fā)生裝置單相原理圖

通過(guò)控制電流擾動(dòng)發(fā)生裝置輸出電壓VC的幅值和相角可實(shí)現(xiàn)裝置與系統(tǒng)之間進(jìn)行無(wú)功功率和有功功率的交換[15]，等效電路公式（1）如下：

電流擾動(dòng)發(fā)生裝置向系統(tǒng)發(fā)出的有功和無(wú)功功率分別由式（2）和（3）表示：

式中VC、VPCC分別是裝置輸出的補(bǔ)償電壓和系統(tǒng)接入點(diǎn)電壓，式中δ是VC和VPCC的相角差。

圖4描述了在PQ坐標(biāo)系下VPCC、VC和iC的關(guān)系。圖中的四相限分別表示功率模塊的四種能量的交換狀態(tài)，由圖中的關(guān)系可得，根據(jù)VPCC的幅值和相角調(diào)節(jié)VC的幅值和相角，就能控制電流iC的幅值和相對(duì)于VPCC的夾角，也就達(dá)到控制能量交換的目的。

3 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

本章節(jié)將對(duì)10 kV/3 MVA電流擾動(dòng)發(fā)生裝置的主電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，基值計(jì)算如式（4）～（7）。

圖4 功率交換示意圖

3.1 功率模塊參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 級(jí)聯(lián)模塊數(shù)計(jì)算

級(jí)聯(lián)模塊數(shù)由功率模塊可逆變輸出的電壓值決定，而該值又由直流側(cè)額定電壓決定。設(shè)直流側(cè)額定電壓為Vdc，逆變側(cè)發(fā)出最大電壓時(shí)調(diào)制比設(shè)為minv，并考慮裝置一定的裕量，級(jí)聯(lián)模塊數(shù)的計(jì)算公式如下所示：

3.1.2 整流側(cè)連接電感

為實(shí)現(xiàn)交流側(cè)與直流側(cè)能量的可控傳遞，需在整流側(cè)接入三相電感。電感的取值一方面決定著瞬態(tài)電流是否能及時(shí)跟蹤，同時(shí)也決定了穩(wěn)態(tài)電流的控制效果[16]。若電感取值較大，有利于電能轉(zhuǎn)換和濾波，但會(huì)造成成本增加、電流瞬態(tài)響應(yīng)慢等問(wèn)題；若電感取值較小，則電流波形畸變較嚴(yán)重。因此，電感的取值需根據(jù)瞬態(tài)電流跟蹤的要求和穩(wěn)態(tài)電流控制的效果兩種指標(biāo)均衡考慮[17]。

為了保證整流器的輸入電流有良好的跟蹤性能，則輸入電感必須滿足下式：

另考慮整流側(cè)采取單位功率因數(shù)方式運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)電感的要求為：

式中Im1、Em和Vm分別為變壓器副邊相電流、線電壓和閥側(cè)線電壓的峰值，ω=2πf與網(wǎng)側(cè)電壓頻率相關(guān)。

3.1.3 直流側(cè)電容選擇

直流側(cè)電容Cd的選擇主要取決于功率單元所流經(jīng)的功率、直流電壓值，以及直流電壓允許的紋波系數(shù)。較大的電容對(duì)直流側(cè)輸出電壓紋波能起到較好的抑制作用，但影響電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

功率單元交流側(cè)功率的倍頻分量有名值可表示為：

直流側(cè)電容電壓有名值可表示為：

直流側(cè)功率的倍頻分量有名值可表示為：

將式（11）、（12）帶入（13），得：

假設(shè)功率傳輸沒(méi)有延時(shí)，則有ΔPd=P2ωβ=φ，可得出直流側(cè)電容表達(dá)式為：

這里ΔUd=λUd，通常直流電壓的紋波系數(shù)λ可取5%～15%，具體取值與裝置的功能要求密切相關(guān)。

另一種算法，直流側(cè)支撐電容的大小主要由整流側(cè)電感Lrec儲(chǔ)能的變化決定[18]。由能量守恒定律可以得到，交流側(cè)開關(guān)頻率次電流脈動(dòng)能量最大值等于支撐電容上的能量脈動(dòng)最大值，即：

得到：

其中，λ為電源電流紋波系數(shù)。

3.2 整流變壓器設(shè)計(jì)

為了維持變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，裝置需配置多繞組整流變壓器。變壓器容量應(yīng)考慮單模塊最大輸出有功功率，其表達(dá)式如下：

可得：

3.3 逆變側(cè)連接電抗器計(jì)算

若僅從逆變側(cè)看電流擾動(dòng)發(fā)生裝置，其實(shí)現(xiàn)原理與STATCOM相似。其連接電抗器的選取應(yīng)從輸出精度、電流響應(yīng)速度、故障限流等各方面考慮。若電感取值過(guò)小，則基頻模塊輸出電壓的微小變化都會(huì)導(dǎo)致輸出電流發(fā)生劇烈變化，不利于控制。電感取值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致輸出相同指令電流時(shí)要求的逆變電壓過(guò)大，出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

這里通常按經(jīng)驗(yàn)值取0.1 pu。

4 仿真與分析

在基于Matlab/Simulink的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，搭建裝置仿真模型。主電路選取參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型主電路參數(shù)

仿真實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能波形如圖5～圖8所示。

圖5 功率因數(shù)調(diào)節(jié)

圖5顯示在t=0.04 s時(shí)刻，電流擾動(dòng)裝置由I=70 A的有功電流切換到I=100 A的純?nèi)菪噪娏鳡顟B(tài)，在t=0.08 s時(shí)切換到I=150 A的純感性電流狀態(tài)；圖6～8分別給出在t=0.04 s時(shí)刻產(chǎn)生基波為I=100 A，50%基波電流的不平衡、波動(dòng)和閃變的仿真電流。

圖7 電流波動(dòng)（I=100 A，波動(dòng)電流50%，10 Hz正弦波）

圖8 電流閃變（I=100 A，閃變電流50%，25 Hz方波）

波形表明，在極端的控制量給定下，裝置能夠很好地完成各種功能，證明裝置拓?fù)涞目尚行院凸δ艿挠行浴?/p>

5 結(jié)論

本文針對(duì)實(shí)際10 kV/3 MVA高壓電流擾動(dòng)裝置的實(shí)際需求：（1）首先列舉并比較了現(xiàn)有市場(chǎng)上電流擾動(dòng)裝置的特點(diǎn)，并明確多功能電流擾動(dòng)裝置的各項(xiàng)功能和指標(biāo)；（2）提出高壓電流擾動(dòng)裝置的單元功率模塊串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并介紹其功能結(jié)構(gòu)和基本工作原理；（3）通過(guò)各個(gè)重要參數(shù)的計(jì)算，搭建仿真平臺(tái)，且仿真證明其設(shè)計(jì)的可行性和功能的有效性。

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