白云飛,萬萌
(1.西安西電自動化控制系統(tǒng)有限責任公司,陜西西安710049;2.特變電工西安電氣科技有限公司,陜西西安710049)
鏈式STATCOM物理模擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計
白云飛1,萬萌2
(1.西安西電自動化控制系統(tǒng)有限責任公司,陜西西安710049;2.特變電工西安電氣科技有限公司,陜西西安710049)
物理模擬實驗是現(xiàn)代電力設(shè)備制造及電力系統(tǒng)研究的重要方法,該方法與仿真實驗以及數(shù)字動模實驗相比,能夠更好地模擬實際電路系統(tǒng)的真實工況。針對鏈式STATCOM系統(tǒng)設(shè)計了用于進行鏈式STATCOM物理模擬實驗的物模系統(tǒng),提出了主電路計算方法,設(shè)計了基本的電路模塊,并進行了相關(guān)的實驗驗證。
物理模擬實驗;鏈式STATCOM;IGBT;研究系統(tǒng)
物理模擬實驗是現(xiàn)代電力設(shè)備制造及電力系統(tǒng)研究的重要方法。該方法是通過建立與原型電力設(shè)備或電力系統(tǒng)中某個子系統(tǒng)的在物理特性上相似的實體模型,然后在特定的環(huán)境下組成等效系統(tǒng)來驗證控制保護系統(tǒng)功能正確性或系統(tǒng)設(shè)計合理性的實驗測試方法。物理模擬實驗與一般仿真實驗相比,最大的優(yōu)點是物理模擬實驗系統(tǒng)(簡稱“物模系統(tǒng)”)可以反映物理模擬的原型的實際工作過程,且實體現(xiàn)象直觀、豐富。與數(shù)字動模實驗相比,物理模擬實驗對控制器系統(tǒng)的檢驗更加全面,在物理模擬中所使用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與真實控制系統(tǒng)完全相同,既包含了控制系統(tǒng)中的核心控制單元,又包含控制系統(tǒng)中除了控制單元以外的輔助單元,而在數(shù)字動模中通常只對核心控制器進行模擬。鏈式STATCOM(Cascaded Static Synchronous Compensator,STATCOM)物理模擬實驗系統(tǒng)是根據(jù)模擬理論及相似原理將實際中的原型系統(tǒng)各部分按同比例縮小構(gòu)建的實驗研究系統(tǒng)。
根據(jù)鏈式STATCOM中鏈式電路三相所采用的接線方式劃分,鏈式STATCOM可以分為“Y”形接線和“△”形接線2種電路結(jié)構(gòu)。在設(shè)備容量和接入的系統(tǒng)電壓相同的情況下,這2種不同的電路結(jié)構(gòu)對組成鏈式STATCOM中電力電子開關(guān)器件參數(shù)的選擇區(qū)別較大。本文在設(shè)計物模系統(tǒng)時按照實際工程選擇了“Y”形接線的鏈式STATCOM。
本文所設(shè)計鏈式STATCOM物模系統(tǒng)所接入的電網(wǎng)電壓US為380 V,鏈式STATCOM電路結(jié)構(gòu)采用“Y”形接線。鏈式STATCOM物模系統(tǒng)的設(shè)計補償容量為S為±3 kVar,則其最大相電流IcY-max為:
鏈式STATCOM接入系統(tǒng)的相電壓有效值USP為:
接入系統(tǒng)的相電壓有效值USP、鏈式STATCOM中電壓源型換流器輸出的最大電壓有效值UcY-max與電抗器的端電壓有效值URe之間滿足公式:UpY-max=USP+URe.
鏈式STATCOM中電抗器的電抗率η通常選擇11%~15%,本文設(shè)計所的物模系統(tǒng)中,電抗器的電抗率選取14%,則電抗器的端電壓有效值URe可由以下公式得出:URe=ηUSP.
由上述可知,鏈式STATCOM中電壓源型換流器輸出的最大電壓有效值UpY-max取值為250.1 V。由于電壓源型逆變器的輸出電壓實際由各功率單元提供,因此,電壓源型逆變器的輸出電壓的峰值與功率單元直流電容器電壓Udc之間滿足下列關(guān)系:
式(1)中:N為每相功率單元的數(shù)量,出于對物模系統(tǒng)實驗規(guī)模的考慮,每相功率單元的數(shù)量為8個。
為了保證鏈式STATCOM輸出波形的諧波含量較低,鏈式STATCOM控制系統(tǒng)所采用的調(diào)制比m一般設(shè)定在0.6~0.85之間。因此,電壓源型逆變器的輸出電壓的峰值與功率單元直流電容器電壓Udc之間的實際關(guān)系應(yīng)為:
功率單元中的關(guān)鍵元件包括電力電子開關(guān)器件即IGBT元件和直流支持電容器,為了確定2個元件的參數(shù)首先需要確定功率單元直流電容器電壓Udc.
根據(jù)上述計算公式可計算得出物模系統(tǒng)中功率單元直流電容器電壓Udc=52 V。IGBT元件的額定電流為3.21 A。直流側(cè)電容電壓的構(gòu)成包含1個直流分量和頻率交流系統(tǒng)2倍的分量。直流電容器電壓波動的峰值即直流電容器電壓的紋波值,由直流支撐電容的電容值決定。直流電容電壓的紋波系數(shù)取5%,因此,直流支撐電容的電容值為1 675 μF。根據(jù)上述計算結(jié)果,IGBT元件時選取了額定參數(shù)為400 V、25 A的IGBT元件,直流支撐電容器選取了400 V、330 μF的電解電容6個并聯(lián)的電容器組,等效電容為1 980 μF。
當系統(tǒng)吸收無功時,系統(tǒng)電壓高于鏈式STATCOM中電壓源型逆變器的輸出電壓低于系統(tǒng)電壓,電流滯后系統(tǒng)相電壓為90 V。當系統(tǒng)吸收無功時,系統(tǒng)電壓高于鏈式STATCOM中電壓源型逆變器的輸出電壓高于系統(tǒng)電壓,電流超前系統(tǒng)相電壓為90 V。接入電抗器基準阻抗值為:
由上述計算公式可知,XL=6.6 Ω。另外,由于接入電抗器的電抗率γ=1 4%.則電抗器的基波電抗值XLN=XLγ=0.924 Ω。電抗器電感值L=2.9 mH。
物模系統(tǒng)的功率單元由IGBT逆變模塊和功率單元控制板兩部分組成。
IGBT逆變模塊的主體結(jié)構(gòu)為單相全橋逆變電路,IGBT逆變模塊采用PCB安裝的結(jié)構(gòu)。IGBT的驅(qū)動電路中的驅(qū)動芯片選取國際整流器公司(International Rectifier,IR)的IR2110S驅(qū)動芯片,該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝,采用DIP14腳封裝,兼有光耦隔離型驅(qū)動芯片體積小和電磁隔離型驅(qū)動芯片信號傳輸速度快的優(yōu)點,是中小功率逆變裝置中常用的驅(qū)動器件。
功率單元控制板是一種高電位設(shè)備,是功率單元和鏈式STATCOM控制保護系統(tǒng)接口元件。功率單元控制板和鏈式STATCOM控制保護系統(tǒng)之間采用光纖連接以確保高低電位的電氣隔離。功率單元控制板主要功能有IGBT觸發(fā)脈沖分配、直流電壓測量、直流電容器過電壓保護、低電壓閉鎖和IGBT故障閉鎖等功能。
本文設(shè)計的物模系統(tǒng)可以模擬鏈式STATCOM的實際工況,實現(xiàn)對控制保護系統(tǒng)的功能驗證。鏈式STATCOM物理模擬實驗系統(tǒng)的建成為研究鏈式STATCOM及其控制保護系統(tǒng)的性能提供了重要的研究手段,可以加快鏈式STATCOM控制保護系統(tǒng)的研發(fā)進度。
[1]吳國渝.電力系統(tǒng)仿真[M].北京:水利電力出版社,1987.
[2]劉正富.鏈式靜止同步補償器主電路及控制策略研究[D].杭州:浙江大學,2012.
〔編輯:張思楠〕
TP301.6
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.104
2095-6835(2017)19-0104-02