基于VSI的电力扰动发生装置的开发

汪 燕,姚蜀军,刘宏伟,韩民晓

(华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206)

0 引言

理想的供电电压应该是纯正弦波形,具有标称的幅值和频率。然而,由于供电线路阻抗的变化,供电系统所承受的各种扰动,负荷的时变性与非线性等,导致供电电压常常呈现各种各样的电能质量问题。通常表现为频率偏差、电压偏差、谐波、电压波动与闪变、电压暂降与暂升等现象。

电能质量知识是电力电子专业学生所要学习的内容。这些电能质量问题,虽然可以通过仿真软件进行观测,但是无法使学生得到直观的感性认识。一个典型的例子就是电压闪变。根据定义,电压闪变是人眼对一定程度内的白炽灯亮度变化的一种反应。显然,仅仅通过仿真软件无法观测到这一现象,而是需要通过物理实验才能模拟的。因此,如果能安排实践环节让学生通过实验装置来产生和观察这些实际的电能质量问题,将有助于加深学生对电能质量知识的理解。

此外,在研究生的教学过程中,还需要研究电能质量问题对用电设备会产生什么影响?影响的程度如何?应该采取什么样的方法来进行治理和防护?然而,目前对这些问题的研究大多数都还停留在仿真研究阶段。由于仿真软件并不能提供准确全面的用电设备模型,因此,在某些情况下的仿真结果值得怀疑。

为此,我们研制了一种电能质量扰动发生装置。该装置为大功率信号发生装置,不仅能够产生所需的波形,还具有足够的负载能力。但是,国内电能质量研究中心采用的各种电力扰动发生装置,一般采用经阻抗短接或变压器抽头等方式来产生扰动,却存在扰动类型少和设置不便等问题[1]。国外的一些发生装置则采用工作在线性放大区的功率器件产生所需的信号[2]。这类装置虽然信号动态特性好,但造价高和效率低。此外,还可采用交流斩波方式实现各类扰动,这种方法对进行谐波、闪变和频率变动等调节十分困难,且在驱动电感类负载时要考虑续流问题,拓扑结构也较复杂。

1 电路结构及工作原理

本文采用的扰动发生装置的电路框图如图1所示。主功率回路系统由12脉动不可控整流桥、直流母线、全控型逆变器和滤波器组成。控制单元完成信息的采集、处理、运算及驱动脉冲的产生。控制单元依据所要产生的电压波形的瞬时值,在每相桥臂上产生正弦脉宽调制SPWM波相应的Va,Vb和Vc。该SPWM波经Γ型LC滤波器滤除开关频率成份后,连接到负载回路。监控计算机用于扰动类型和大小等参数的输入,扰动波形的可视化编程。

逆变器的输出,属于SPWM控制模式。为便于控制单元处理,采用了电平移位和对称三角波采样的方法。对应的输出线电压基波有效值为

图1 扰动发生装置主电路

式中,VLL为输入电源的线电压,a为调制系数,nT为三绕组原边对一个副边的电压变比。本设计中为380/260=1.46。

如果直接采用上述调制方法进行调制控制会造成电压损失。为了增大电压输出能力,可以通过适当选择输入12脉动变压器的变比或采用三相完备SPWM控制方式[3]。

前一种方法受到器件耐压的制约,且与负荷大小有关。后一种方法在不增加任何主拓扑或提高器件耐压的情况下,输出电压可提高15.5%。

低通滤波器在扰动发生装置设计中用于滤除开关谐波,以保证低频谐波幅值及相位的不失真传递。在控制算法及功率器件允许的情况下,应尽可能地提高谐振频率,这也有利于滤波器的小型化。L和C数值的确定还应保证基波时电压的无损耗传递。

2 人机界面的实现

我们选择PC机来完成人机界面、数据分析和显示功能,通过PC机与DSP之间的串行通讯,可向DSP传送控制指令和波形数据,并且可以分析得到产生故障的各项参数。

本装置采用Visual C++提供的MSComm控件控制上位机的串口来实现和下位机的通讯。该控件提供了一系列标准通信命令接口,可以连接到其他的通讯设备,还可以发送命令、进行数据交换和监视等功能,从而可以用它来创建全双工的、事件驱动的、高效的应用通信程序。该方法在应用程序中,不需要直接对接口硬件进行操作,只需要插入该控件便可调用它提供的所有函数。其余部分工作由系统完成。

系统软件结构采用模块化设计,分别设置有初始化串口程序、设置参数、发送初始化参数、空闲时演示曲线、关闭串口和数据分析等。

在系统中,为用户设计了良好的可视化人机界面,用户可进行数据采集和各种控制功能转换,检测相关数据,自动生成各种曲线。装置的人机界面的流程图如图2所示。

图2 扰动发生装置的人机界面流程图

3 几类典型扰动的讨论

1)电压暂降

电压暂降表现为电压有效值一段时间内的跌落,通常由电力系统邻域内的故障和大型负荷的启动等造成,是电能质量诸问题中危害最严重。暂降对负荷的危害与暂降深度和持续时间密切相关,因此,扰动装置能够产生可自由设定暂降强度的扰动是本装置的一项基本内容。通过定时与PWM调制系数的控制,就可实现这一目标。本装置可产生幅度为0%～100%,持续时间为0～2s的暂降,或幅度为0%～15%,持续时间为0～2s的暂升,亦可产生0～2min.的短时供电中断,波形如图3所示。

图3 电压暂降的波形

2)谐波

传统电压谐波产生的方法是通过有一定内阻的电源驱动非线性负载实现的。这种方法不仅使设备占用空间大和功耗高,且不易控制。本文开发的基于逆变器VSI的扰动发生装置则通过在调制波中加入各次谐波,且通过对谐波成份及大小的指定,能够高效率地实现所需的谐波扰动。本装置可产生最高20阶的电压谐波,图4所示为测量得到的含5次谐波的线电压波形。

3)电压波动与闪变

图4 含5次谐波的线电压波形

闪变可通过电压幅度波动对正弦稳定瞬时值的调制来实现。本文提出的方案,仅需预制两张调制与载波的表格就可实现所需的闪变扰动。本装置所实现的闪变可以是正弦调制,也可以是方波调制,调制的幅度和频率均可编程控制。电压波动与闪变波形如图5所示。

图5 电压波动与闪变波形示例

4)频率变动

频率作为电能质量的一项重要指标,对负荷的运行有很大影响。本文提出的基于VSI的扰动发生装置可通过定时步长的调整很容易实现频率调整。图6分别给出了49Hz和51Hz的电压波形。

图6 49Hz与51Hz电压波形

5)在电力系统负荷建模研究中的应用

研究负荷在各种扰动下的动态行为是电力系统中负荷建模研究的关键内容。例如:比较异步电机直接接入电网和经由变频调速接入电网的负荷特性。利用本项目实现的扰动发生装置,就可容易进行测试实验。图7所示为测试到的异步电机经由变频调速接入电网和直接接入电网对于小幅电压跌落的响应示例,其中电压跌落是通过本装置实现的[5]。由于录波器的功能有限,为了比较响应的同时性,图7是利用录波器记录的波形数据,在Matlab中画出的。图中横坐标表示时间(s),纵坐标表示电压(V)。

图7 负荷对于电压跌落的响应示例

4 装置样机的实现

本文实现的扰动发生装置按380V系统,12kVA容量设计。系统采用不可控三相六脉动整流,经接触器控制的充电电阻与直流母线连接。逆变器采用三桥臂、六只IGBT组合器件构成。逆变器驱动脉冲采用专用驱动板,并带有互锁、过流及开路等保护功能。控制系统采用高速DSP,该处理器带有可灵活编程的PWM输出,为实现各种扰动波形控制提供了方便。综合考虑DSP处理能力、逆变器开关速度、功耗及滤波器的要求,开关频率选定为13.2kHz。本文所实现的滤波器能够正确保持19次以内的谐波成份失真度在5%以内,开关分量的谐波小于3%。

5 结语

通过后台监控界面的设置,扰动发生装置可以在一定范围内产生任意的电力扰动波形。通过接入负载,就可以观察不同的扰动对负载的影响。扰动发生装置大大丰富了电力电子的教学内容和手段,

从教学实践来看,扰动装置不仅增加了本科学生对电能质量的感性认识,而且也增强了研究生的学习和研究手段,受到了师生的一致好评。

[1] 余志勇,刘志斌,许化龙.电网瞬变干扰发生器的研制[J].哈尔滨:电测与仪表,1998,35(11):6-9

[2] 山本和生.瞬时电压低下发生实验装置[J,日文].关西电力,2000,7:39

[3] 韩民晓,吴娅妮,陈志根.易于FPGA实现的最优移相PWM控制策略[J].南京:电力系统自动化,2004,19

[4] 杜云龙.“VSI型电力扰动发生装置的研究”.华北电力大学硕士论文,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