趙小英，趙瑞斌，張一博

（國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102200）

1 引言

目前，隨著電力電子設備的廣泛應用，電能質(zhì)量問題日益突出[1～3]。為了改善配網(wǎng)電能質(zhì)量，各種用于配網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置得到了迅速發(fā)展，主要包括有源濾波器（APF）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）、固態(tài)切換開關（SSTS）與不間斷電源（UPS）等[4～5]。這些裝置在設計定型的過程中，需要進行相應的中試試驗，試驗條件也在很大程度上約束了裝置性能的實現(xiàn)與否。通過中試試驗設備，可以驗證、補充相關試驗數(shù)據(jù)，確定完善的技術規(guī)范，如產(chǎn)品標準和產(chǎn)品工藝規(guī)程等。

為實現(xiàn)對無功發(fā)生設備（如SVG、APF）特性的測試，模擬負荷特性，設計一種電流擾動發(fā)生裝置是很有必要的。目前一些廠家采用TCR型SVC+FC[6～7]的方式實現(xiàn)動態(tài)負荷的模擬，但這種方式存在占地面積大、損耗大、產(chǎn)生信號形式較單一的缺點[8]。文獻采用的主電路結(jié)構(gòu)為常規(guī)的IGBT三相逆變電路，其通過變壓器與系統(tǒng)相連接，可四相限運行，如圖1所示。杭州安特電力電子技術有限公司申請專利[9]，提出一種基于三相橋式全控整流的諧波電流和感性無功功率發(fā)生裝置。該裝置由三相橋式全控整流橋構(gòu)成的整流器的直流側(cè)串接設置直流電抗器、電流采樣器，電流采樣器的兩端與移相控制器的電流反饋輸入端連接，移相控制器信號輸出端與三相橋式全控整流橋的開關管門極對應連接，三相橋式全控整流橋的電壓輸入端直接接入電網(wǎng)，移相控制器電壓輸入端通過降壓變壓器后接入電網(wǎng)。國內(nèi)院校如華北電力大學、中國電力科學研究院等也對電流擾動發(fā)生裝置進行了研究[10～11]，并進行了小容量樣機試制，但如何研制出高電壓、大容量和多功能的試驗裝置仍是難點。

圖1 基于三相逆變電路的電流擾動發(fā)生裝置

本文以中電普瑞科技有限公司“靈活交流輸電產(chǎn)業(yè)能力擴建”項目中“全控型電能質(zhì)量治理裝置綜合中試平臺”子項目為依托，設計了一套10 kV/3MVA電流擾動發(fā)生裝置。

根據(jù)項目要求，該裝置應實現(xiàn)負荷三相不平衡度0～50%可調(diào)；工頻基波上疊加幅度范圍0～50%的額定電流，頻率范圍0.5～25 Hz的調(diào)制波形（調(diào)制波包括正弦波和方波兩種形式）；功率因數(shù)可超前、滯后，并在0～1范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

2 原理介紹

本裝置作為可變負載接入系統(tǒng)，其采用級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，由整流部分和逆變側(cè)電流發(fā)生部分組成。

整流部分包括整流變壓器、整流電感和三相橋式整流器，通過與系統(tǒng)交換功率來維持模塊直流側(cè)電壓的穩(wěn)定；逆變側(cè)電流發(fā)生部分經(jīng)連接電抗器發(fā)出擾動電流注入電網(wǎng)。主電路拓撲如圖2所示。

圖2中虛線框內(nèi)所示為功率單元，采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，每個單元為四象限變流器結(jié)構(gòu)[12～13]。整流側(cè)采用三相全控整流橋，主要是考慮三相對稱性，保證裝置運行時不對電網(wǎng)造成不平衡的影響；逆變側(cè)采用H橋功率單元串聯(lián)形式[11]，便于電壓和功率的提高。

圖2 電流擾動發(fā)生裝置主電路拓撲

圖3是電流擾動發(fā)生裝置單相原理圖，Rloss為等效損耗電阻，Xac=ωLrec為基波部分與系統(tǒng)之間的等效電感的電抗。

圖3 電流擾動發(fā)生裝置單相原理圖

通過控制電流擾動發(fā)生裝置輸出電壓VC的幅值和相角可實現(xiàn)裝置與系統(tǒng)之間進行無功功率和有功功率的交換[15]，等效電路公式（1）如下：

電流擾動發(fā)生裝置向系統(tǒng)發(fā)出的有功和無功功率分別由式（2）和（3）表示：

式中VC、VPCC分別是裝置輸出的補償電壓和系統(tǒng)接入點電壓，式中δ是VC和VPCC的相角差。

圖4描述了在PQ坐標系下VPCC、VC和iC的關系。圖中的四相限分別表示功率模塊的四種能量的交換狀態(tài)，由圖中的關系可得，根據(jù)VPCC的幅值和相角調(diào)節(jié)VC的幅值和相角，就能控制電流iC的幅值和相對于VPCC的夾角，也就達到控制能量交換的目的。

3 主電路參數(shù)設計

本章節(jié)將對10 kV/3 MVA電流擾動發(fā)生裝置的主電路參數(shù)進行設計和計算，基值計算如式（4）～（7）。

圖4 功率交換示意圖

3.1 功率模塊參數(shù)設計

3.1.1 級聯(lián)模塊數(shù)計算

級聯(lián)模塊數(shù)由功率模塊可逆變輸出的電壓值決定，而該值又由直流側(cè)額定電壓決定。設直流側(cè)額定電壓為Vdc，逆變側(cè)發(fā)出最大電壓時調(diào)制比設為minv，并考慮裝置一定的裕量，級聯(lián)模塊數(shù)的計算公式如下所示：

3.1.2 整流側(cè)連接電感

為實現(xiàn)交流側(cè)與直流側(cè)能量的可控傳遞，需在整流側(cè)接入三相電感。電感的取值一方面決定著瞬態(tài)電流是否能及時跟蹤，同時也決定了穩(wěn)態(tài)電流的控制效果[16]。若電感取值較大，有利于電能轉(zhuǎn)換和濾波，但會造成成本增加、電流瞬態(tài)響應慢等問題；若電感取值較小，則電流波形畸變較嚴重。因此，電感的取值需根據(jù)瞬態(tài)電流跟蹤的要求和穩(wěn)態(tài)電流控制的效果兩種指標均衡考慮[17]。

為了保證整流器的輸入電流有良好的跟蹤性能，則輸入電感必須滿足下式：

另考慮整流側(cè)采取單位功率因數(shù)方式運行，穩(wěn)態(tài)條件下對電感的要求為：

式中Im1、Em和Vm分別為變壓器副邊相電流、線電壓和閥側(cè)線電壓的峰值，ω=2πf與網(wǎng)側(cè)電壓頻率相關。

3.1.3 直流側(cè)電容選擇

直流側(cè)電容Cd的選擇主要取決于功率單元所流經(jīng)的功率、直流電壓值，以及直流電壓允許的紋波系數(shù)。較大的電容對直流側(cè)輸出電壓紋波能起到較好的抑制作用，但影響電路的動態(tài)響應速度。

功率單元交流側(cè)功率的倍頻分量有名值可表示為：

直流側(cè)電容電壓有名值可表示為：

直流側(cè)功率的倍頻分量有名值可表示為：

將式（11）、（12）帶入（13），得：

假設功率傳輸沒有延時，則有ΔPd=P2ωβ=φ，可得出直流側(cè)電容表達式為：

這里ΔUd=λUd，通常直流電壓的紋波系數(shù)λ可取5%～15%，具體取值與裝置的功能要求密切相關。

另一種算法，直流側(cè)支撐電容的大小主要由整流側(cè)電感Lrec儲能的變化決定[18]。由能量守恒定律可以得到，交流側(cè)開關頻率次電流脈動能量最大值等于支撐電容上的能量脈動最大值，即：

得到：

其中，λ為電源電流紋波系數(shù)。

3.2 整流變壓器設計

為了維持變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，裝置需配置多繞組整流變壓器。變壓器容量應考慮單模塊最大輸出有功功率，其表達式如下：

可得：

3.3 逆變側(cè)連接電抗器計算

若僅從逆變側(cè)看電流擾動發(fā)生裝置，其實現(xiàn)原理與STATCOM相似。其連接電抗器的選取應從輸出精度、電流響應速度、故障限流等各方面考慮。若電感取值過小，則基頻模塊輸出電壓的微小變化都會導致輸出電流發(fā)生劇烈變化，不利于控制。電感取值過大會導致輸出相同指令電流時要求的逆變電壓過大，出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

這里通常按經(jīng)驗值取0.1 pu。

4 仿真與分析

在基于Matlab/Simulink的仿真實驗平臺下，搭建裝置仿真模型。主電路選取參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型主電路參數(shù)

仿真實現(xiàn)各個功能波形如圖5～圖8所示。

圖5 功率因數(shù)調(diào)節(jié)

圖5顯示在t=0.04 s時刻，電流擾動裝置由I=70 A的有功電流切換到I=100 A的純?nèi)菪噪娏鳡顟B(tài)，在t=0.08 s時切換到I=150 A的純感性電流狀態(tài)；圖6～8分別給出在t=0.04 s時刻產(chǎn)生基波為I=100 A，50%基波電流的不平衡、波動和閃變的仿真電流。

圖7 電流波動（I=100 A，波動電流50%，10 Hz正弦波）

圖8 電流閃變（I=100 A，閃變電流50%，25 Hz方波）

波形表明，在極端的控制量給定下，裝置能夠很好地完成各種功能，證明裝置拓撲的可行性和功能的有效性。

5 結(jié)論

本文針對實際10 kV/3 MVA高壓電流擾動裝置的實際需求：（1）首先列舉并比較了現(xiàn)有市場上電流擾動裝置的特點，并明確多功能電流擾動裝置的各項功能和指標；（2）提出高壓電流擾動裝置的單元功率模塊串聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)并介紹其功能結(jié)構(gòu)和基本工作原理；（3）通過各個重要參數(shù)的計算，搭建仿真平臺，且仿真證明其設計的可行性和功能的有效性。

[1] Jos Arrillaga. Power System Harmonics [M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] 吳竟昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3] 仝世渝，宋偉，龐臘成，張超.電力配電設備故障風險評估模型研究[J].電子與封裝，2012,12（6）.

[4] 王兆安，等，諧波抑制與無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 葉衛(wèi)華，王勇峰.配網(wǎng)生產(chǎn)指揮系統(tǒng)及其信息交互方式研究[J].電子與封裝，2011,11（11）.

[6] 朱金奇.TCR+FC型SVC原理及應用[J].變頻器世界，2006, 5.

[7] Redl R, Tenti P, Daan Van Wyk J. Power Electronics Polluting Effects[J].IEEE.Sepectrum,1997,34（5）∶33-39.

[8] 滕為榮，居長朝.功率器件熱阻的測量研究分析[J].電子與封裝，2011, 11（10）.

[9] 諧波電流和感性無功功率發(fā)生裝置[P].專利號：200610155503.

[10] 單任仲，肖湘寧，劉喬，尹重東，等.多電平并聯(lián)型符合電流擾動發(fā)生器[J].中國電機工程學報，2010,10.

[11] 周飛，喬光堯，趙瑞斌，王宇紅.一種電流擾動發(fā)生裝置控制策略的研究[J].電力電子技術，2010,8.

[12] 張崇巍，張興.PWM整流器及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012,5.

[13] 王久和.電壓型PWM整流器的非線性控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008,9.

[14] 倚鵬.高壓大功率變頻技術原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[15] 王久和，李華德，李正熙.電壓型PWM整流器直接功率控制技術[J].電工電能新技術，2004,6.

[16] 張興，楊孝志，等.單相電壓型PWM整流器交流電感的設計[J].河北工業(yè)大學學報，2004，01.

[17] 王九和，等.電壓型PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)主電路參數(shù)設計[J].北京科技大學學報，2006,11.

[18] 王娜，宋文勝，馮曉云.基于載波移相控制的脈沖整流器直流側(cè)支撐電容電壓諧波抑制研究[J].機車電傳動，2012,2.