韓瑞剛+武琦+陳增祿

摘 要：針對傳統(tǒng)電壓暫變發(fā)生器測試效率較低、功能單一、電壓變化范圍窄等問題， 提出一種新穎的電力電子式多功能可控電壓暫變發(fā)生器。主電路采用三相倍壓整流電路和三相三電平逆變電路，逆變器各相采用三電平SPWM調(diào)制進(jìn)行獨(dú)立控制。所提設(shè)計(jì)可模擬單相、兩相及三相電壓的暫升、暫降及電壓暫時(shí)中斷，其暫變持續(xù)時(shí)間、暫變深度及暫變起止相位和暫變類型均可做到持續(xù)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提拓?fù)浜涂刂品桨傅挠行院涂尚行浴?/p>

關(guān)鍵詞：電壓暫變發(fā)生器；倍壓整流；三單相逆變；三電平SPWM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.232

1 引言

隨著科技的發(fā)展，電能質(zhì)量問題越來越受關(guān)注[1]。為了改善電能質(zhì)量，動態(tài)電壓恢復(fù)器、有源濾波器、不間斷電源、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器、低壓穿越裝置等各類治理補(bǔ)償裝置已經(jīng)在工程上得到廣泛的應(yīng)用。有關(guān)企業(yè)部門制定了一系列電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對用電設(shè)備的電能質(zhì)量問題耐受性提出了更高的要求[2]。為了測試和校驗(yàn)上述電能質(zhì)量問題治理設(shè)備的性能，測試并改進(jìn)敏感電力設(shè)備對電能質(zhì)量問題的耐受性，國內(nèi)外對電能質(zhì)量問題發(fā)生器也進(jìn)行了相關(guān)研究，為各類電能質(zhì)量問題的研究提供理想平臺。

本文為某企業(yè)用戶設(shè)計(jì)了一種新型可控的多功能電壓暫變發(fā)生器，可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)電壓暫降（0～100%Ue），電壓暫升（100～140%Ue），電壓暫時(shí)中斷，相位突變（0～360°），電壓低頻擾動，電壓諧波，電壓不平衡等功能。

2 電壓暫變發(fā)生器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

本文研究為實(shí)現(xiàn)電壓暫升功能，主電路整流采用新型三相倍壓整流電路，以提高直流母線電壓等級，增大電壓暫升的范圍；逆變采用三相三電平逆變器，通過對三相輸出電壓進(jìn)行獨(dú)立控制，可模擬單相、兩相及三相電壓的暫升和暫降，電壓不平衡等電壓擾動，其暫變持續(xù)時(shí)間、深度、起止相位和類型均可做到連續(xù)調(diào)節(jié)，輸出電壓在量程范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高精度變化，電壓由穩(wěn)態(tài)至?xí)簯B(tài)切換時(shí)間可達(dá)到微秒級。既可產(chǎn)生一種特定的擾動電壓，又能將幾種不同類型的電壓擾動進(jìn)行疊加輸出。本文主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 工作原理框圖

本文研究的三相電壓暫變發(fā)生器系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。

2.2 三相倍壓整流電路設(shè)計(jì)

為了增大電壓暫變范圍，減小裝置體積重量 ，本文設(shè)計(jì)了±500V非隔離20kW直流電源，采用無升壓變壓器的新型三相倍壓整流電路[3]。主電路拓?fù)淙鐖D1（a）所示。

2.3 三單相三電平逆變器

為了提高逆變器輸出波形的正弦性和可控性，逆變電路采用二極管鉗位型三電平逆變電路，三相橋臂相互獨(dú)立控制，便于模擬波形的多樣化輸出。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2（c）所示。

對于三相二極管鉗位型三電平逆變電路，為了對其三相橋臂進(jìn)行獨(dú)立控制，故不能采用SVPWM調(diào)制方式，本文對每相橋臂采用單極性SPWM調(diào)制方式[4]。各相三電平SPWM驅(qū)動信號生成原理如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逆變閉環(huán)控制框圖如圖4所示。ur*為基準(zhǔn)電壓，uf為輸出端得到的反饋電壓，ur*與uf差值信號經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器后得到調(diào)制信號ur，ur與三角載波信號uc在PWM發(fā)生器中利用三電平SPWM生成原理產(chǎn)生PWM脈沖信號，通過驅(qū)動電路放大后驅(qū)動逆變器[5]。逆變器輸出信號經(jīng)過LCL濾波后，得到所需要的輸出電壓uo。

數(shù)字系統(tǒng)采用ARM主控制器。ARM定時(shí)器TIM1和TIM8的中斷頻率為30kHz，用來產(chǎn)生3相12路SPWM波形。正弦波一個(gè)周期由720點(diǎn)數(shù)據(jù)組成。定時(shí)器TIM5的中斷頻率為36kHz，用來更新正弦波數(shù)據(jù)指針，通過查表方式輸出50Hz正弦波。SysTick定時(shí)器的中斷頻率為1kHz，用來實(shí)時(shí)改變正弦波的幅值和相位。一個(gè)外部中斷用于過流保護(hù)?；贏RM數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

三相正弦控制指令信號由一個(gè)數(shù)字信號合成器生成，該合成器通過串口通信接收上位機(jī)發(fā)來的“指令”信息，在ARM中實(shí)時(shí)合成控制指令信號。

4 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，制作電壓暫變發(fā)生器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其模擬輸出三相電壓可滿足故障時(shí)各相之間的幅值和相角關(guān)系，可真實(shí)地反映出電力系統(tǒng)中電壓暫變的各類電壓故障特征。任意設(shè)定電壓暫變類型、故障相電壓值以及故障持續(xù)時(shí)間、暫變深度，初始相位，對不同類型電壓暫變進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文研究采用新型三相倍壓整流電路和三單相三電平逆變器，三相輸出電壓獨(dú)立控制以精確產(chǎn)生所需要的各類對稱或不對稱電壓擾動，解決了傳統(tǒng)電壓暫變發(fā)生器效率較低、功能單—、電壓變化范圍窄，測試不便等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本方案理論和控制策略的正確性和可行性，為今后重復(fù)性測試各種電能質(zhì)量治理設(shè)備、用電設(shè)備電能質(zhì)量問題耐受性和研究各種電壓暫變提供了理想可靠的平臺。

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