汪 燕,姚蜀軍,劉宏偉,韓民曉

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京102206)

0 引言

理想的供電電壓應(yīng)該是純正弦波形,具有標(biāo)稱的幅值和頻率。然而,由于供電線路阻抗的變化,供電系統(tǒng)所承受的各種擾動(dòng),負(fù)荷的時(shí)變性與非線性等,導(dǎo)致供電電壓常常呈現(xiàn)各種各樣的電能質(zhì)量問(wèn)題。通常表現(xiàn)為頻率偏差、電壓偏差、諧波、電壓波動(dòng)與閃變、電壓暫降與暫升等現(xiàn)象。

電能質(zhì)量知識(shí)是電力電子專業(yè)學(xué)生所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。這些電能質(zhì)量問(wèn)題,雖然可以通過(guò)仿真軟件進(jìn)行觀測(cè),但是無(wú)法使學(xué)生得到直觀的感性認(rèn)識(shí)。一個(gè)典型的例子就是電壓閃變。根據(jù)定義,電壓閃變是人眼對(duì)一定程度內(nèi)的白熾燈亮度變化的一種反應(yīng)。顯然,僅僅通過(guò)仿真軟件無(wú)法觀測(cè)到這一現(xiàn)象,而是需要通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)才能模擬的。因此,如果能安排實(shí)踐環(huán)節(jié)讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)產(chǎn)生和觀察這些實(shí)際的電能質(zhì)量問(wèn)題,將有助于加深學(xué)生對(duì)電能質(zhì)量知識(shí)的理解。

此外,在研究生的教學(xué)過(guò)程中,還需要研究電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)用電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生什么影響?影響的程度如何?應(yīng)該采取什么樣的方法來(lái)進(jìn)行治理和防護(hù)?然而,目前對(duì)這些問(wèn)題的研究大多數(shù)都還停留在仿真研究階段。由于仿真軟件并不能提供準(zhǔn)確全面的用電設(shè)備模型,因此,在某些情況下的仿真結(jié)果值得懷疑。

為此,我們研制了一種電能質(zhì)量擾動(dòng)發(fā)生裝置。該裝置為大功率信號(hào)發(fā)生裝置,不僅能夠產(chǎn)生所需的波形,還具有足夠的負(fù)載能力。但是,國(guó)內(nèi)電能質(zhì)量研究中心采用的各種電力擾動(dòng)發(fā)生裝置,一般采用經(jīng)阻抗短接或變壓器抽頭等方式來(lái)產(chǎn)生擾動(dòng),卻存在擾動(dòng)類型少和設(shè)置不便等問(wèn)題[1]。國(guó)外的一些發(fā)生裝置則采用工作在線性放大區(qū)的功率器件產(chǎn)生所需的信號(hào)[2]。這類裝置雖然信號(hào)動(dòng)態(tài)特性好,但造價(jià)高和效率低。此外,還可采用交流斬波方式實(shí)現(xiàn)各類擾動(dòng),這種方法對(duì)進(jìn)行諧波、閃變和頻率變動(dòng)等調(diào)節(jié)十分困難,且在驅(qū)動(dòng)電感類負(fù)載時(shí)要考慮續(xù)流問(wèn)題,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。

1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用的擾動(dòng)發(fā)生裝置的電路框圖如圖1所示。主功率回路系統(tǒng)由12脈動(dòng)不可控整流橋、直流母線、全控型逆變器和濾波器組成?？刂茊卧瓿尚畔⒌牟杉?、處理、運(yùn)算及驅(qū)動(dòng)脈沖的產(chǎn)生?？刂茊卧罁?jù)所要產(chǎn)生的電壓波形的瞬時(shí)值,在每相橋臂上產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM波相應(yīng)的Va,Vb和Vc。該SPWM波經(jīng)Γ型LC濾波器濾除開(kāi)關(guān)頻率成份后,連接到負(fù)載回路。監(jiān)控計(jì)算機(jī)用于擾動(dòng)類型和大小等參數(shù)的輸入,擾動(dòng)波形的可視化編程。

逆變器的輸出,屬于SPWM控制模式。為便于控制單元處理,采用了電平移位和對(duì)稱三角波采樣的方法。對(duì)應(yīng)的輸出線電壓基波有效值為

圖1 擾動(dòng)發(fā)生裝置主電路

式中,VLL為輸入電源的線電壓,a為調(diào)制系數(shù),nT為三繞組原邊對(duì)一個(gè)副邊的電壓變比。本設(shè)計(jì)中為380/260=1.46。

如果直接采用上述調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制控制會(huì)造成電壓損失。為了增大電壓輸出能力,可以通過(guò)適當(dāng)選擇輸入12脈動(dòng)變壓器的變比或采用三相完備SPWM控制方式[3]。

前一種方法受到器件耐壓的制約,且與負(fù)荷大小有關(guān)。后一種方法在不增加任何主拓?fù)浠蛱岣咂骷蛪旱那闆r下,輸出電壓可提高15.5%。

低通濾波器在擾動(dòng)發(fā)生裝置設(shè)計(jì)中用于濾除開(kāi)關(guān)諧波,以保證低頻諧波幅值及相位的不失真?zhèn)鬟f。在控制算法及功率器件允許的情況下,應(yīng)盡可能地提高諧振頻率,這也有利于濾波器的小型化。L和C數(shù)值的確定還應(yīng)保證基波時(shí)電壓的無(wú)損耗傳遞。

2 人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)

我們選擇PC機(jī)來(lái)完成人機(jī)界面、數(shù)據(jù)分析和顯示功能,通過(guò)PC機(jī)與DSP之間的串行通訊,可向DSP傳送控制指令和波形數(shù)據(jù),并且可以分析得到產(chǎn)生故障的各項(xiàng)參數(shù)。

本裝置采用Visual C++提供的MSComm控件控制上位機(jī)的串口來(lái)實(shí)現(xiàn)和下位機(jī)的通訊。該控件提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令接口,可以連接到其他的通訊設(shè)備,還可以發(fā)送命令、進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和監(jiān)視等功能,從而可以用它來(lái)創(chuàng)建全雙工的、事件驅(qū)動(dòng)的、高效的應(yīng)用通信程序。該方法在應(yīng)用程序中,不需要直接對(duì)接口硬件進(jìn)行操作,只需要插入該控件便可調(diào)用它提供的所有函數(shù)。其余部分工作由系統(tǒng)完成。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì),分別設(shè)置有初始化串口程序、設(shè)置參數(shù)、發(fā)送初始化參數(shù)、空閑時(shí)演示曲線、關(guān)閉串口和數(shù)據(jù)分析等。

在系統(tǒng)中,為用戶設(shè)計(jì)了良好的可視化人機(jī)界面,用戶可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和各種控制功能轉(zhuǎn)換,檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù),自動(dòng)生成各種曲線。裝置的人機(jī)界面的流程圖如圖2所示。

圖2 擾動(dòng)發(fā)生裝置的人機(jī)界面流程圖

3 幾類典型擾動(dòng)的討論

1)電壓暫降

電壓暫降表現(xiàn)為電壓有效值一段時(shí)間內(nèi)的跌落,通常由電力系統(tǒng)鄰域內(nèi)的故障和大型負(fù)荷的啟動(dòng)等造成,是電能質(zhì)量諸問(wèn)題中危害最嚴(yán)重。暫降對(duì)負(fù)荷的危害與暫降深度和持續(xù)時(shí)間密切相關(guān),因此,擾動(dòng)裝置能夠產(chǎn)生可自由設(shè)定暫降強(qiáng)度的擾動(dòng)是本裝置的一項(xiàng)基本內(nèi)容。通過(guò)定時(shí)與PWM調(diào)制系數(shù)的控制,就可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。本裝置可產(chǎn)生幅度為0%～100%,持續(xù)時(shí)間為0～2s的暫降,或幅度為0%～15%,持續(xù)時(shí)間為0～2s的暫升,亦可產(chǎn)生0～2min.的短時(shí)供電中斷,波形如圖3所示。

圖3 電壓暫降的波形

2)諧波

傳統(tǒng)電壓諧波產(chǎn)生的方法是通過(guò)有一定內(nèi)阻的電源驅(qū)動(dòng)非線性負(fù)載實(shí)現(xiàn)的。這種方法不僅使設(shè)備占用空間大和功耗高,且不易控制。本文開(kāi)發(fā)的基于逆變器VSI的擾動(dòng)發(fā)生裝置則通過(guò)在調(diào)制波中加入各次諧波,且通過(guò)對(duì)諧波成份及大小的指定,能夠高效率地實(shí)現(xiàn)所需的諧波擾動(dòng)。本裝置可產(chǎn)生最高20階的電壓諧波,圖4所示為測(cè)量得到的含5次諧波的線電壓波形。

3)電壓波動(dòng)與閃變

圖4 含5次諧波的線電壓波形

閃變可通過(guò)電壓幅度波動(dòng)對(duì)正弦穩(wěn)定瞬時(shí)值的調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文提出的方案,僅需預(yù)制兩張調(diào)制與載波的表格就可實(shí)現(xiàn)所需的閃變擾動(dòng)。本裝置所實(shí)現(xiàn)的閃變可以是正弦調(diào)制,也可以是方波調(diào)制,調(diào)制的幅度和頻率均可編程控制。電壓波動(dòng)與閃變波形如圖5所示。

圖5 電壓波動(dòng)與閃變波形示例

4)頻率變動(dòng)

頻率作為電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo),對(duì)負(fù)荷的運(yùn)行有很大影響。本文提出的基于VSI的擾動(dòng)發(fā)生裝置可通過(guò)定時(shí)步長(zhǎng)的調(diào)整很容易實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)整。圖6分別給出了49Hz和51Hz的電壓波形。

圖6 49Hz與51Hz電壓波形

5)在電力系統(tǒng)負(fù)荷建模研究中的應(yīng)用

研究負(fù)荷在各種擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為是電力系統(tǒng)中負(fù)荷建模研究的關(guān)鍵內(nèi)容。例如:比較異步電機(jī)直接接入電網(wǎng)和經(jīng)由變頻調(diào)速接入電網(wǎng)的負(fù)荷特性。利用本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的擾動(dòng)發(fā)生裝置,就可容易進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。圖7所示為測(cè)試到的異步電機(jī)經(jīng)由變頻調(diào)速接入電網(wǎng)和直接接入電網(wǎng)對(duì)于小幅電壓跌落的響應(yīng)示例,其中電壓跌落是通過(guò)本裝置實(shí)現(xiàn)的[5]。由于錄波器的功能有限,為了比較響應(yīng)的同時(shí)性,圖7是利用錄波器記錄的波形數(shù)據(jù),在Matlab中畫出的。圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間(s),縱坐標(biāo)表示電壓(V)。

圖7 負(fù)荷對(duì)于電壓跌落的響應(yīng)示例

4 裝置樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)

本文實(shí)現(xiàn)的擾動(dòng)發(fā)生裝置按380V系統(tǒng),12kVA容量設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用不可控三相六脈動(dòng)整流,經(jīng)接觸器控制的充電電阻與直流母線連接。逆變器采用三橋臂、六只IGBT組合器件構(gòu)成。逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖采用專用驅(qū)動(dòng)板,并帶有互鎖、過(guò)流及開(kāi)路等保護(hù)功能?？刂葡到y(tǒng)采用高速DSP,該處理器帶有可靈活編程的PWM輸出,為實(shí)現(xiàn)各種擾動(dòng)波形控制提供了方便。綜合考慮DSP處理能力、逆變器開(kāi)關(guān)速度、功耗及濾波器的要求,開(kāi)關(guān)頻率選定為13.2kHz。本文所實(shí)現(xiàn)的濾波器能夠正確保持19次以內(nèi)的諧波成份失真度在5%以內(nèi),開(kāi)關(guān)分量的諧波小于3%。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控界面的設(shè)置,擾動(dòng)發(fā)生裝置可以在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生任意的電力擾動(dòng)波形。通過(guò)接入負(fù)載,就可以觀察不同的擾動(dòng)對(duì)負(fù)載的影響。擾動(dòng)發(fā)生裝置大大豐富了電力電子的教學(xué)內(nèi)容和手段,

從教學(xué)實(shí)踐來(lái)看,擾動(dòng)裝置不僅增加了本科學(xué)生對(duì)電能質(zhì)量的感性認(rèn)識(shí),而且也增強(qiáng)了研究生的學(xué)習(xí)和研究手段,受到了師生的一致好評(píng)。

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