云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 李勝男 何廷一云南電力試驗研究院(集團)有限公司 吳水軍
電壓質(zhì)量擾動發(fā)生裝置電路拓撲綜述
云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 李勝男 何廷一云南電力試驗研究院(集團)有限公司 吳水軍
隨著電能質(zhì)量在工業(yè)生產(chǎn)與居民生活中的問題越來越突出,各種電能質(zhì)量解決方案被提出。電力電子裝置以其低成本、較強的靈活性與可拓展性成為電壓質(zhì)量擾動發(fā)生裝置的理想解決方案。針對不同電壓等級與容量,研究者提出了多種電路拓撲結(jié)構(gòu),進行了總結(jié)與評述。
電能質(zhì)量;電壓擾動;逆變;背靠背;整流;逆變
在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,由于整流設(shè)備、大功率感應(yīng)電機、電弧爐及電氣化軌道交通等電力負荷的不斷投入,電網(wǎng)的諧波污染、低功率因素、功率波動,電流沖擊等問題日益嚴重,供電可靠性與供電電能質(zhì)量面臨巨大挑戰(zhàn),對電能質(zhì)量問題的治理已成為亟待解決并將長期存在的課題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,許多電能質(zhì)量解決方案被提出,為對其進行測試,有必要研制具有一定帶寬與容量的電壓質(zhì)量擾動發(fā)生裝置,能在實驗室隨時模擬電網(wǎng)各種程度的電能質(zhì)量問題。
常見的電能質(zhì)量問題包括:電壓突變、電壓波動與閃變、諧波、三相不平衡、頻率故障。為模擬這些問題,針對不同應(yīng)用對電壓質(zhì)量擾動發(fā)生裝置特定電壓等級與容量的需求,提出了多種主電路拓撲,各具特點。本文對此進行了歸納與總結(jié),對其優(yōu)缺點做出評述。本文以1000V為臨界點,將電路拓撲分為低壓與高壓兩類分別闡述。
交-直-交整流逆變是最常用的用于產(chǎn)生可編程電壓擾動的拓撲結(jié)構(gòu)。如圖1所示,文獻[1~3]采用背靠背雙PWM變換電路,按指令輸出所需電壓。該電路整流和逆變可控,可實現(xiàn)能量雙向流動,并且確保輸入功率因素為1和直流電壓穩(wěn)定??刂撇呗苑矫?,整流部分采用滯環(huán)電流控制的脈寬調(diào)制方式,輸出逆變采用電壓滯環(huán)控制,適合輸出急劇突變電壓,如電壓毛刺、凹陷、方波等,且響應(yīng)速度快。然而受開關(guān)頻率限制,當輸出高次諧波時實際波形與指令波形差別較大。
文獻[4]朱武給出了一種由高頻三極管組成的并聯(lián)擴流電路,如圖2所示,可以實現(xiàn)電壓跌落、聚升、中斷和凹陷等功能。該電路不具備能量回饋功能,且只適合于低電壓和小功率電能質(zhì)量的模擬。
文獻[5]給出了將兩電平PWM整流器和三電平PWM逆變器結(jié)合,如圖3所示,構(gòu)成混合背靠背雙PWM電路拓撲,可以提高等效開關(guān)頻率,減小電壓波形畸變率,且可以實現(xiàn)單相輸出。然而與兩電平逆變器相比,增加了功率器件數(shù)量。
圖1 單相背靠背雙PWM變換器
圖2 由高頻三極管組成的功率放大器電路
三相可控整流器可以實現(xiàn)電網(wǎng)能量倒灌,然而成本過高,對此文獻[6]劉瑋[7]武鍵使用如圖4所示不可控整流電路,加入制動單元限制直流母線電壓,以防止電壓跌落過程中電網(wǎng)能量倒灌引起的直流電容電壓泵升。該電路的另一個特點是,整流逆變器輸出的電壓經(jīng)串聯(lián)變壓器與電網(wǎng)電壓串聯(lián),電網(wǎng)電壓輸出基波電壓,整流逆變器輸出擾動電壓,大部分輸出功率由電網(wǎng)承擔(dān),因此整流逆變器的容量可以顯著降低。但是該電路無法模擬電網(wǎng)基波頻率故障,且不能四象限運行,不適合做諸如光伏逆變器的電網(wǎng)適應(yīng)性模擬測試。
圖3 兩電平PWM整流與三電平PWM逆變電路
圖4 含制動模塊的不可控整流電路
文獻[8]周黨生提出了使用兩個逆變器分別產(chǎn)生基波和諧波電壓,通過耦合變壓器疊加。逆變器1輸出基波,承受大部分負荷。逆變器2輸出諧波,功率較小,因此可以使用更高的開關(guān)頻率,明顯提升諧波的控制精度。該方案需要2套逆變器,增加了系統(tǒng)成本。
文獻[9]針對電流型電能質(zhì)量發(fā)生裝置采用了并聯(lián)型電路,整流逆變器只需往測試負載注入擾動電流,因此所需容量較小,降低系統(tǒng)成本。該電路與圖4所示電路類似,不能模擬頻率故障。
對于高壓大容量裝置,級聯(lián)式H橋結(jié)構(gòu)以其高可靠性、易擴展性等優(yōu)點成為最常用的方案,文獻[10~15]采用這種結(jié)構(gòu)。其典型結(jié)構(gòu)如圖5所示,系統(tǒng)由多繞組變壓器、H橋級聯(lián)電路、低通濾波器組成。多繞組變壓器輸出多個單相電壓,作為單個整流逆變器的交流電源。每相由多個單相背靠背整流逆變器串聯(lián)而成。輸出電壓經(jīng)低通濾波后與直接電網(wǎng)電壓串聯(lián),二者電壓疊加后驅(qū)動測試負載。該結(jié)構(gòu)通常采用可控整流技術(shù)實現(xiàn)能量雙向流動、單位功率因素運行。使用載波移相正弦脈寬調(diào)制(carrier phase shifted-sinusoidal pulse width modulation,CPSSPWM),以較低的器件開關(guān)頻率獲得較高的等效開關(guān)頻率。文獻[11][12]對每相多個功率模塊采取差異化設(shè)計,其中一個模塊用于產(chǎn)生高頻諧波,其他模塊產(chǎn)生低頻擾動電壓,提高了功率器件利用率,提高了高頻諧波控制精度,降低了裝置損耗。
與圖4一樣,由于只需承擔(dān)諧波部分負荷,因此裝置容量可以小于測試負荷。研究表明,基于級聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)的裝置在系統(tǒng)可靠性、器件選型、控制復(fù)雜程度、總體效率等方面比其他拓撲結(jié)構(gòu)的裝置具有更全面的優(yōu)勢且具有良好的應(yīng)用與發(fā)展前景。然而該拓撲無法模擬頻率故障。為使裝置適應(yīng)各種需求,也有研究者將級聯(lián)式整流逆變器的三相輸出直接驅(qū)動負載,這種設(shè)計使得裝置承擔(dān)全部負荷,需要擴大裝置容量,對裝置的可靠性也提出了更高要求。
文獻[16]周黨生提出圖6所示拓撲,通過降壓變壓器將電壓將至690V,使用圖5所示低壓拓撲產(chǎn)生所需電壓波形,最后經(jīng)升壓變壓器輸出35kV高壓。該裝置輸出2.5MA VA容量,逆變器必須承受大電流,因此器件的并聯(lián)與均流是一大挑戰(zhàn)。與圖7所示拓撲相比,該方法輸出僅為兩電平,輸出電壓諧波更大。
(1)無論是低壓還是高壓裝置,交-直-交變換器是主流拓撲,而且隨著IGBT價格下降,PWM整流聯(lián)合PWM逆變逐漸被廣泛使用,使裝置的功能更加豐富。
(2)將電壓的低頻與高頻分別由不同的逆變器或功率單元分別產(chǎn)生,可提高器件利用率,提高電壓控制精度,輸出更高次諧波,該方法非常適合應(yīng)用于高壓級聯(lián)式拓撲。
(3)裝置輸出電壓通過耦合變壓器或直接連接與電網(wǎng)電壓疊加可降低裝置容量,減少成本,但無法改變基波頻率??赡M頻率偏移的高壓裝置目前未見報道。
(4)從成本考慮,電壓質(zhì)量擾動發(fā)生裝置不一定要能模擬所有故障,針對特定的應(yīng)用按需設(shè)計電路拓撲,可減小系統(tǒng)成本,提高可靠性。
圖6 35kV電壓擾動裝置主拓撲
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