差异化级联式可控用电品质扰动发生装置注入电路参数选择问题分析

刘颖英 孙 哲 徐永海 肖湘宁

（华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室 北京 102206）

1 引言

随着现代工业的发展，电能质量问题日益突出。一方面，大量非线性电气负荷的投运使电网电能质量恶化；另一方面，电子精密仪器等敏感负荷日益增多，使配网用户对电网电能质量提出了更高的要求。为了改善配网电能质量，各种用于配网的电能质量调节装置得到了迅速发展，主要包括：有源滤波器（APF）[1]、配电静止补偿器（DSTATCOM）[2]、动态电压调节器（DVR）[3]、固态切换开关（SSTS）[4]与不间断电源（UPS）[5]等。目前，上述调节装置在现场安装前，仅能靠仿真来验证调节效果，而各种仿真软件都存在固有的缺点，仿真结果和现场的运行结果往往存在差异。因此，为了在实验上检验各种调节装置负荷的性能，开发一种可以模拟各种负荷或系统扰动特性的电能质量扰动发生装置尤为重要[6]。

目前，在扰动发生装置研制方面，国内外主要有以下几种实现形式：通过改变发电机励磁而产生电压暂降[7]；用变压器与开关组合产生电压暂降和暂升[8,9]；采用晶闸管控制电抗器产生电压暂降、暂升及谐波[10]。上述方法均不同程度的存在发生信号种类少、功率损耗大、体积大、对电网产生电能质量影响等问题。近年来，采用电力电子技术产生电能质量信号[11-16]的方式发展迅速，该方式基于全控电力电子器件，具有输出信号种类丰富、响应速度快、对电网电能质量污染小等优点。

上述研究主要集中于能够模拟产生各种电压质量扰动的发生装置，而目前能够模拟产生各种负荷特性干扰，从而对谐波和无功补偿装置补偿效果进行检验的电流型扰动发生装置还很少。为了研制能够模拟各种负荷干扰特性的“可控用电品质扰动发生装置”，本文以国家科技部支撑项目：“电力电子关键器件及重大装备研制——电能质量复合控制技术和装置”为背景，对该装置拓扑结构的设计思想以及采用该结构时注入电路参数的选择问题进行了理论与仿真分析，分析结果为主电路参数的选择及装置控制方法的设计提供了依据。

2 主电路拓扑结构设计

根据项目要求，可控用电品质扰动发生装置需要产生谐波电流、可调负序电流、波动电流、可调功率因数，且能够满足一定过载能力。装置的最大容量为1MVA、额定电压为10kV，装置的主拓扑结构如图1所示。

图1 可控用电品质扰动发生装置主拓扑示意图Fig.1 Main circuit diagram of the power quality disturbance controlled generator

2.1 模块差异化设计思路

与现有的用于产生电压扰动的装置不同，本文设计的装置用于产生电流扰动，需并联于系统中，此时装置需承受高电压，对于该问题现有装置主要采用级联式拓扑结构。同时，由于装置需要产生高频分量，因此对 IGBT的开关频率要求较高。若采用目前普遍用于高压的统一化级联设计，各H桥的IGBT均需要选用高频开关，经济性较差，开关损耗也会随之增加。此外，由于装置需要同时产生基频和高频分量，因此若采取统一化级联设计，选取合适的滤波器保证多频率分量的输出非常困难。因此，提出了差异化的拓扑结构。该拓扑将传统的级联型模块分为三个部分：基频模块、高频模块和整流模块。基频模块采用H桥级联结构，承受较高电压，用于产生基频和小于基频频率的各种电流扰动；高频模块采用H桥结构，承受较低电压，用于产生大于基频频率的各种高频电流扰动；整流模块采用单相整流方式，用于稳定各H桥模块的直流电容电压。

为了降低高频模块的承压水平，将高频模块与基频连接电感并联。此时，高频模块的交流侧电压仅为基频连接电感上的电压，而基频连接电感 Lx（x=a,b,c）上的压降较低，因此高频模块所需承受的极限电压较低，有利于高频IGBT的选取。

2.2 高频模块串联电容调谐注入思路

为了降低高频模块的直流侧电压，高频模块可以采取电感串联电容的单调谐注入方式。此时，高频模块的注入电路相当于单调谐滤波器。如果高频模块产生一定量的基频电流，则该基频电流在高频连接电感和电容上的压降将部分抵消基频连接电感上的压降，从而进一步降低了高频模块经注入电感之后的输出电压。如果将该滤波器的调谐点设定得较低（例如4.5次左右），可实现对基频电流呈高阻状态，对高频电流呈低阻状态，从而保证高频模块产生的高频电流均能够注入到系统。

与传统的统一化级联相比，差异化设计的主要优点在于：①有利于耐压较低的高频IGBT的选取。②高频模块与基频模块分别控制产生高频与基频电流，注入滤波电路分立，有利于滤波器的设计和选择。采用该拓扑时，高频和基频模块注入电路参数的选择将会影响装置的输出效果，因此本文对该拓扑结构注入电路的参数选择问题进行了详细的分析。

3 注入电路参数选择问题分析

为了便于分析，将主电路等效为图2所示的电路图。

图2为单相等效电路图，由于装置为三相星形连接分相控制，因此三相的等效电路与单相相同。由于基频模块用于输出基频电流，因此可等效为基频电压源1U˙串联基频连接电感L1，此时基频连接电感上的电流（即基频模块的输出电流）为1LI˙。高频模块用于产生高频电流，可以等效为电压源hU˙串联高频连接电感Lh（和电容Ch）。系统电压等效为sU˙，系统等效阻抗为Zs，注入系统的电流为sI˙。

图2 主电路单相等效电路图Fig.2 Equivalent single phase circuit of the main circuit

3.1 基频连接电感的选取问题

3.1.1 对基频模块输出电流调节精度的影响

式中，oU˙为系统电源电压与系统阻抗基波压降之和。可见，输出电流1I˙与电感L1成反比，由于输出电压为kV级，输出电流为A级，因此若电感取值过小，则基频模块输出电压的微小变化都会导致输出电流1I˙发生剧烈变化，不利于控制。因此，工程上一般选取基频连接电感上的压降为系统电压的10%。

3.1.2 对高频模块高频输出量的影响

由图2分析可知，高频模块输出的高频电流有两条输出路径：一条注入系统，另一条经基频连接电感回流至高频模块，其分流关系式为

式中，Ihs为高频模块输出电流注入系统的电流值；Ihe为高频模块输出电流经基频连接电感的回流值。ZhL1=jnωL1为基频连接电感的高频阻抗值，Zhs=Rs+jnωLs（n 为谐波次数, n=2,3,4,…）。因此高频模块注入系统的电流值与基频连接电感成正比，高频模块环流值与基频连接电感成反比。基频连接电感越大，其产生的高频环流越小，注入系统的高频电流输出量削减量越小。

进一步分析可知，此时装置注入系统的电流sI˙为基频模块输出电流1I˙与高频模块注入系统的高频电流hsI˙之和，基频连接电感上的电流为基频模块输出电流1I˙与高频模块回流heI˙之差，即

3.1.3 对高频模块承压及输出电流跟踪性能的影响

高频模块采取电流跟踪控制，为了保证良好的电流跟踪性能，高频模块的输出电压应高于交流侧电压（即基频连接电感上的电压），而交流侧电压的大小直接取决于基频连接电感的大小。所以，基频连接电感的大小直接决定了高频模块的承压水平。

3.2 高频连接电感及电容的选取问题

3.2.1 高频连接电感的选取

为了保证装置高频模块输出电流的响应速度，高频模块可采取电流跟踪控制方式。此时，高频连接电感的选取直接影响高频模块输出电流的跟踪性能。工程经验表明，电感值选取过大，会降低输出电流的跟踪性能，甚至跟踪不上；电感值选取过小，开关频率过高，同时输出电流的纹波较大。此外，由于高频模块需要输出高频电流，因此连接电感的大小也会受到谐波次数的影响，当谐波次数增大时，等效连接电感值变大，也会导致输出电流的跟踪性能下降。

3.2.2 高频连接电容的选取

由 3.1节分析可知，为了提高装置输出电流的调节精度、减小高频模块输出电流的削减量，基频连接电感不应太小。而基频连接电感过大又会造成高频模块的承压过高。因此，可采取在高频模块注入电路中串联调谐电容的方式降低高频模块的承压。

高频模块等效输出电压由高频电压和基频电压组成，即

无串联电容时，高频模块等效输出基波电压为

有串联电容时，高频模块等效输出基波电压为

式中，h1U′˙为高频模块串联电容时的等效基波输出电压；1I′˙为采用串联电容后基频连接电感上的基波电流；h1I′˙为高频模块产生的基频电流，用以在高频串联电感和电容上产生压降，从而可以抵消基频连接电感上的基频压降。可见，采用串联电容可以减小高频模块的输出电压，此时与反向。

同时，h1I˙也存在同谐波一样的分流问题，即

此时，基频连接电感上的基波电流1I′˙及注入系统的基波电流分别为

由于基波连接阻抗远远大于系统等效阻抗，并且高频模块产生的基波电流相对于装置额定电流很小，因此可近似认为很小，可忽略不计。

根据上述分析可知，若高频模块采取串联电容注入的方式，注入系统中的基波电流不再单纯是基波模块产生的基波电流，将会受到高频模块产生的基波电流的反向抵消影响。同时，由于存在分流现象，因此注入系统的基波电流也同样受到基频连接电感的影响。为了尽量减小基波输出量的影响，可以采取以下措施。①在保证高频模块承压的条件下尽量减小高频模块的基频输出电流，部分抵消基频连接电感上的压降。②增大串联电感、减小电容以降低高频模块基波电流。③减小基频连接电感，以尽量减小高频模块产生的反向基波电流注入系统。④采取控制手段减小影响。

此外，为了保证高频模块输出谐波电流的流通，电感和电容应采取串联调谐方式配合选取，调谐点可设置为 4.5次左右，从而保证不同频次的谐波电流都能注入系统。

4 参数选择问题的仿真分析

根据上述分析，利用PSCAD/EMTDC对注入电路参数的确定进行仿真验证。已知该装置的额定容量为1MVA、额定电压10kV、额定电流57.7A。高频模块为1个高频IGBT组成的H桥，基频模块采用 10个H桥级联，装置能够产生谐波电流、负序电流等电能质量扰动。

4.1 注入电路电感参数的选取

4.1.1 基频连接电感L1的选择

由 3.1节分析可知，在保证高频模块承压的基础上，基频连接电感的取值应尽量大。目前市面上的高频IGBT耐压一般为1200V，考虑到一定裕度，高频模块直流侧电压最高为800V，为了保证电流跟踪控制的跟踪性能，根据经验，基频连接电感上的电压最高应不超过 400V，此时基频连接电感值 L1为22mH。

4.1.2 高频连接电感Lh的选择

由 3.2节分析可知，高频连接电感值的选取直接影响高频模块输出电流的跟踪性能，并且跟踪性能会随着谐波次数的增大而降低，因此对高频连接电感Lh分别为2～6mH时输出11.542A（额定电流的 20%）的 17次谐波电流，高频模块的电流跟踪性能进行仿真验证，仿真结果见表1。

表1 高频连接电感对17次谐波电流输出量的影响Tab.1 Impact on 17th harmonic current by high-frequency connected inductor

分析表1可知，对于高次谐波，若误差百分数为 10%左右时为允许值，则当高频连接小于 6mH时，能够基本保证高次谐波电流的输出。同时，其他次低频谐波的输出量也能够得到保证，例如此时5次谐波的输出量为11.54A。由于连接电感过小时输出电流纹波较大且会增大开关频率，因此选取高频连接电感为6mH。

按高频连接电感6mH，基频连接电感22mH选取，装置输出57.7A基波电流叠加11.542A的5次和17次谐波电流时的仿真波形如图3所示。

图3 装置输出电流波形图Fig.3 Current waveforms generated by device

此时，基波电流输出量为56.4A，5次谐波电流为11.54A，17次谐波电流为10.3A。可见，所选参数能够满足各次谐波的输出要求。

4.1.3 高频模块的环流问题

由 3.1节分析可知，高频模块的输出电流在系统注入点将产生分流，分流的大小受到基频连接电感和系统等效阻抗的影响。由于 10kV系统的短路容量一般在 100MVA～300MVA之间，因此对L1=22mH、Lh=6mH时，装置分别接入系统短路容量为 300MVA（系统等效阻抗为 0.33∠30°Ω）和100MVA（系统等效阻抗1∠30°Ω）时装置的输出特性进行了仿真分析，以考察所选参数在不同系统中的输出电流情况，仿真结果见表2。分析表 2可知，当系统短路容量较小时，高频模块产生的环流百分比较大，应采取措施减小该环流。

表2 接入不同系统时的高频模块的分流情况Tab.2 Division current of high-frequency module in different power systems

4.2 串联电容参数的选取及必要性分析

从上述分析可知，当系统短路容量较小时，为了减小高频环流，应提高基频连接电感值。此外，如果装置的额定容量增大，则基频连接电感上的压降会大大增加。为了保证高频模块的输出性能，均需要提高高频模块的输出电压，从而导致高频模块承压过大。因此，可采取串联电容的方式来部分抵消基频连接电感上的压降以降低高频模块的承压。

当高频连接电感为6mH时，按调谐点为4.5次考虑，串联电容应为83.48µF，则根据式（6）可计算得到当Ih1=10.76A时，高频连接电容和电感上的压降能够完全抵消基频电感上的压降。对此时高频模块直流侧电压不同，对17次谐波电流输出量的影响程度进行仿真分析，仿真结果见表3。

表3 串联电容时高频模块直流侧电压选取Tab.3 Selection of the DC voltage in high-frequency module with a series capacitor

由表3可知，当采用串联电容完全抵消基频连接电感压降时，高频模块直流侧电压 400V即可基本满足高频电流的输出量。但由于高频模块与基频模块产生的基波电流方向相反，在完全抵消基频电感压降时，忽略高频模块基波电流的环流问题，基波电流的削减量可达到18.6%（10.76/57.7）。因此，可采取不完全抵消基频连接电感电压的方法，在基本保证基波电流输出量的基础上降低高频模块的电压。假设基波电流削减量在 5%以下是允许的，则可让高频模块只输出2.885A的基波电流，通过仿真分析可知，此时高频模块直流侧电压在 600V时即可基本保证 17次谐波输出量，此时误差百分数为15.42%。

5 结论

对采用差异化级联设计的“可控用电品质扰动发生装置”注入电路参数的选取进行了理论与仿真分析。分析结果表明：在采用差异化拓扑设计时，为了提高装置基波模块的调节精度、保证高频模块的承压并且降低高频模块的谐波环流，基频连接电感不应太小，对于本装置的设计参数，基频连接电感为22mH左右时，基本可以保证各项指标。为了保证高频模块谐波电流的跟踪性能，高频连接电感值为6mH左右时，基本可以保证各次谐波电流的输出量。当装置所接入的系统短路容量较小时，或装置额定容量提高时，高频模块可采取注入电路串联电容的方式来部分抵消基频连接电感上的压降。但此时高频模块产生的基波电流将部分抵消基波模块的输出电流，此时可采取在保证基波电流输出误差在允许值范围内的前提下，部分抵消基频连接电感压降的方式来改善基波电流削减问题。所做理论与仿真分析结果可以作为主电路参数选择及装置控制方法设计时的参考依据。

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