可控电压质量扰动检测平台装置的原理研究及实现

赵国亮,杨 进,杨晓东,赵小英,李奇睿

(1.中国电力科学研究院 电力电子所 北京 100192;2.华北电力大学 电气与电子工程学院,北京 102206)

可控电压质量扰动检测平台装置的原理研究及实现

赵国亮1,2,杨 进1,杨晓东2,赵小英1,李奇睿1

(1.中国电力科学研究院 电力电子所 北京 100192;2.华北电力大学 电气与电子工程学院,北京 102206)

介绍了可控电压质量扰动检测平台装置的研究情况,重点研究了差异化配置无变压器接入系统的拓扑结构和基于EtherCat的控制器设计,推导了基于功角控制的直流电压平衡策略公式,并通过低压模型,验证了其有效性和可行性。

可控电压质量扰动检测平台;差异化;Ethercat功角控制

0 引 言

随着现代科学技术的发展,一方面大量非线性负荷、大型冲击性用电设备等设备的投入恶化了配电系统的电能质量,另一方面各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备不断增加[1]。而且,电能质量问题对电网和用电系统造成的直接危害和对人类生产和生活造成的损失也越来越大。某液晶加工厂仅 2007年就因电压暂降和短时断电造成的直接经济损失就高达 4 200多万元。因此,为了有效解决这些电能质量问题,工程上提出了定制电力技术概念[2],与此相关的 SSTS,DVR,UPQC,APF,DSTATCO M等装置在国内外陆续投运,并取得了良好效果。但与其相配套的试验能力建设研究还较少,仅有韩国和美国等国家具备相关实验设备,而国内仅有华北电力大学等高校进行了低压模型的研制,因此,国内缺乏相应的检测试验手段,尤其是在高压大容量方面。一方面,造成定制电力设备的性能难以验证,严重影响了用户对定制电力设备的信心;另一方面,目前,国内缺乏各类生产设备对电能质量的耐受能力方面的评测数据和评测手段,从而导致用户很难对定制电力设备的性能参数提出明确需求。这些因素都严重影响了定制电力技术在我国的推广应用。

基于上述情况,国家科技部 “十一五”科技支撑计划,将 10 kV复合电能质量控制器的研制列入其重大装备研制的项目中,其中对可控电压扰动检测平台装置提出了以下指标。电压暂降范围：下降深度 90%～50%的额定电压,持续时间10 ms～1min。三相不平衡度：20%。电压谐波：最大谐波次数不小于 25次。本文将对可控电压扰动检测平台装置的拓扑结构、控制策略和控制器等方面进行研究。

1 差异化无变压器接入的拓扑结构

韩国定制电力中心 (KCPP)研制了一台电压暂升暂降和谐波发生装置 (SSHG),其拓扑结构如图 1所示。

图1 SSHG拓扑结构示意图Fig.1 Topo logical structure of SSHG

该拓扑结构采用变压器接入系统,采用大容量模块并联,避免了模块级联,并实现了模块与系统之间的隔离,增强了装置的可靠性,但是由于变压器铁心磁通不能突变和漏抗限制,频率较高的电压波动与闪变和高频电压谐波时,对变压器设计和装置的控制策略提出了较高要求。而风电机组等设备对电压谐波的限制在 25～75次,甚至有更高频率的要求。同时,由于高频谐波对功率器件的开关频率提出了近似苛刻的要求,加大了设备运行的损耗,增大了冷却设备投资。为了解决上述问题,本文针对该课题要求提出了差异化无变压器接入的拓扑结构,其拓扑结构示意图如图 2所示。

图2 可控电压扰动发生装置拓扑结构示意图Fig.2 Topological structure of controlled voltage-perturbation device

该拓扑结构采用 H桥级联的方法实现基波扰动的发生,而采用专用高频模块与之串联。基波模块产生电压暂降/暂升、电压波动与闪变和电压不平衡等基频电压扰动,而谐波等高频电压扰动由高频模块产生;这样实现了高频电压扰动与低频电压扰动的解耦控制,降低了基波模块的开关频率要求,同时降低了谐波模块的基波电气应力,减小了设备的损耗,节省了设备造价。采用 H桥级联,同时避免了采用变压器接入系统,简化了控制和一次设备设计难度。

2 直流电压的功角控制策略

对四象限的整流控制器,目前,常见的控制策略为单位功率因数控制,该方法的好处是减小了四象限整流器对系统的无功损耗;但此时四象限整流器的输出电压为：

式中：为 Uz四象限整理器的输出电压;Us为系统电压;X为两者之间的等效电抗。

由公式 (1)可知,|Uz|＞|Us|,由于四象限整流器的输出电压受到可关断器件的耐受水平限制,在诸如动态电压恢复器 (DVR)等装置,对四象限整流器的输出电压要求过高,而无法采用单位因数控制策略[3,4]。本装置采用了动态电压恢复器的四象限整流控制器的直流电压功角控制方法,控制系统的数学模型如下：

因此,在上述近似条件下,直流电压的功角控制策略数学模型为：

该控制策略的控制框图如图 3所示。

图3 PW M整流器直流电压控制框图Fig.3 DC voltage contro l diagram PW Mrectifier

各种电压扰动的波形如图 4所示。

3 基于串行实时以太网的控制器

EtherCat是由德国自动控制公司 Beckhof开发的,并在2003年底成立了 ETG(Ethernet Technology Group),目前,已经被广泛应用于风力发电、自动化生产线和机器人等领域[5]。

一般常规的工业以太网的传输方法都采用先接收通信帧,进行分析 (解密)后作为数据送入网络中的各个模块的通信方法进行的,即采用分时复用以太网总线;而 EtherCat的以太网协议帧中已包含了网络的各个模块的数据,数据的传输采用移位同步的方法进行,即采用串行通讯,EtherCat的主站类似于铁路的总调度,而 EtherCat总线类似于一列高速行驶的列车,可以根据调度的要求与各站之间进行双向交换;因此,EtherCat具有通讯实时性好、无冲突和传送速率高等优点,此外,EtherCat还具有各子站时钟同步功能,同步时钟的时间差小于 15 ns;因此,本装置控制器采用基于 EtherCat的分层分布式控制器,其中主控制器负责完成人机交互、信息采集、以及扰动量计算;单元控制器负责完成模块的保护和 PW M波的产生。EtherCat完成两者之间的信息交换和时钟同步功能。

4 实验装置

为了验证本拓扑结构、控制策略以及基于EtherCat控制器的性能,研制了可控电压扰动装置低压模型,如图 5所示。该模型由 9个功率模块组成,每相 3个功率模块,1个谐波模块,2个基波模块,其中,谐波模块的开关频率为 5 kHz,基波模块开关频率为 2.5 kHz。

图5 EtherCat低压模型Fig.5 Low voltagemodel for EtherCat

5 结 论

随着电能质量治理技术在国内的发展,电能质量扰动平台技术必将成为研究的一个重点,本文根据目前的技术需要,对可控电压扰动发生检测平台装置的拓扑结构、控制策略和控制器进行了研究,提出了差异化配置无变压器接入系统的拓扑结构和基于 EtherCat的控制器设计,推导了基于功角控制的直流电压平衡策略公式,并通过实验证明该方案是切实可行的。

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[3]罗湘,苏喆,赵小英,等.动态电压恢复器的启动算法研究 [J].电力建设,2009,30(5)：88-90.

Luo Xiang,Su Zhe,Zhao Xiaoying,et al.Study on dynamic voltage restorer switching algorithm[J].Electric Power Construction,2009,30(5)：88-90.

[4]韩民晓,尤勇,刘昊.线电压补偿型动态电压调节器的原理与实现 [J].中国电机工程学报,2003,23(12)：49-53.

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Principle and Im plementation of Con trollab le Voltage Quality Disturbance Detection Platform

Zhao Guoliang1,2,Yang Jin1,Yang Xiaodong2,Zhao Xiaoying1,LiQirui1
(1.Power Electronic Technology Department,China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;2.School of Electric and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

In this paper the controllable voltage quality disturbance detection platform device is introduced.Based on the differential access to the system configuration without transformer and the controller design based on Ether-Cat,the power angle control strategy for DC voltagebalance is proposed,which is proved effective and infeasib le by low-pressuremodels.

controllable voltage quality disturbance detection platform;differentiation;power angle control of Ethercat

T M714

A

2009-12-31。

赵国亮 (1978-),男,博士研究生,主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用,E-mail：zgliang@epri.ac.cn。