低电压大功率

低电压大功率（精选9篇）

低电压大功率 篇1

0 引言

失速型异步风电机组与双馈、直驱机组不同,难以通过增加Crowbar电路[1]或改进控制策略[2]来提升其低电压穿越能力,这在2011年频繁出现的大规模风电机组脱网事故中得到了体现[3]。失速型风电机组的定子直接与电网连接,出现电压跌落时,定子电压突然下降,由于磁链不能发生突变,将会在定子绕组中出现不随时间变化的磁链直流分量,从而产生很大的故障电流,转速飞升,最终导致机组出于自身保护而脱网[4]。

针对风电并网的严峻形势,中国电力科学研究院制定了《风电场接入电力系统技术规定》,主要从3个方面对风电机组的低电压穿越提出要求:不间断并网运行能力、有功恢复能力和无功补偿能力。由于失速型风电机组在已安装的风电机组中仍占一定的比例,且不具备低电压穿越能力,因此需要对其进行改造。文献[3]对失速型机组的改造方案进行了总结,主要可以分为静止同步补偿器(STATCOM)、动态电压补偿器(DVR)、动态制动电阻(DBR)和全功率变流器4种方案,但并未对这几种方案进行详细分析和对比。STATCOM属于并联设备,专注于提供无功电流,对定子电压的跌落难有改善,一般是在电压恢复时用来提高机组的稳定性[5];DBR与DVR由于都是串联设备,无功补偿能力有限。因此,考虑采用全功率变流器方案[6]来满足《风电场接入电力系统技术规定》3个方面的要求。

本文针对使用全功率背靠背变流器的低电压穿越方案,对各部分功能进行详细介绍,并建立相应数学模型;提出一种不以转速和磁链为控制目标的电机控制策略。最后,通过仿真和实验验证该方案的有效性。

1 低电压穿越方案

采用全功率变流器的低电压穿越方案的拓扑图如图1所示。该方案主要由4个部分组成,其各自的功能如下。

1)机侧变流器:

正常情况下封锁脉冲;电网电压跌落时模拟跌落前的电网电压相位和幅值,维持定子电压稳定;电网恢复后实现发电机定子与电网的软并网。

2)网侧变流器:

正常情况下封锁脉冲;电网电压跌落时维持直流侧电压稳定,并根据低电压穿越要求发出给定无功电流。

3)直流卸荷电路:

在跌落过程中吸收直流母线上的过剩有功功率。

4)旁路开关:

正常情况下将背靠背变流器旁路,风电机组并网运行;电网电压跌落时通过断开旁路开关将变流器投入使用。

之所以在电网正常时要使用旁路开关将设备旁路,而不是采用类似于西门子NetConverter的技术[7]实现异步风力发电机的变速恒频控制和最大功率跟踪,主要有以下2个原因:①采用全功率变流器控制异步电机发电的形式,需要对现有机组进行很大的改动,这是整机厂商和风电业主所不能接受的;②若全功率变流器长期投入运行,则设备中的元件都需由短期工作制换为长期工作制,并且需要增强散热系统,这会导致设备成本和体积大幅增加。

因此,本文的方案尽管技术难度大,但是改造成本更低,工作量更小。

2 电路建模与控制策略

2.1 机侧变流器

2.1.1 机侧变流器的控制目标

异步电机在电压跌落时,定子电压突然降低引入的磁链直流分量造成了过流,输入输出功率不平衡引起了过速[8],这是失速型风电机组低电压穿越最主要的问题。使用机侧变流器后,使得异步电机在跌落过程中的运行状态可控,可以选择电流、电压、转速、功率等作为控制目标进行控制。

异步电机的数学模型可用dq坐标系下的电压、磁链和转矩方程来表达[9]。

电压方程:

$\{\begin{array}{l}u{}_{d1}=R{}_{1}i{}_{d1}+\text{D}\psi {}_{d1}-\psi {}_{q1}\omega {}_1\\ u{}_{q1}=R{}_{1}i{}_{q1}+\text{D}\psi {}_{q1}+\psi {}_{d1}\omega {}_1\\ u{}_{d2}=R{}_{2}i{}_{d2}+\text{D}\psi {}_{d2}-\psi {}_{q2}S\omega {}_1\\ u{}_{q2}=R{}_{2}i{}_{q2}+\text{D}\psi {}_{q2}+\psi {}_{d2}S\omega {}_1\end{array}(1)$

磁链方程:

$\{\begin{array}{l}\psi {}_{d1}=L{}_{1}i{}_{d1}+L{}_{\text{m}}i{}_{d2}\\ \psi {}_{q1}=L{}_{1}i{}_{q1}+L{}_{\text{m}}i{}_{q2}\\ \psi {}_{d2}=L{}_{\text{m}}i{}_{d1}+L{}_{2}i{}_{d2}\\ \psi {}_{q2}=L{}_{\text{m}}i{}_{q1}+L{}_{2}i{}_{q2}\end{array}(2)$

电磁转矩方程:

${\rm T}{}_{\text{e}\text{m}}=1.5n{}_{\text{p}}(i{}_{q1}\psi {}_{d1}-i{}_{d1}\psi {}_{q1})={\rm T}{}_{\text{L}}-\frac{J}{n{}_{\text{p}}}\text{D}(S\omega {}_1)(3)$

式中:u,i,ψ,L,R分别表示电压、电流、磁链、电感和电阻;下标1,2,m分别表示定子侧物理量、转子侧物理量和励磁分量;ω为转子角速度;TL为机械转矩;S为转差率;J为转动惯量;np为电机的极对数;D表示微分算子。

对于转子短路的鼠笼型电机,ud2=uq2=0,机械转矩TL作为外部输入,因此上述数学模型中总共有ud1,uq1,id1,iq1,id2,iq2,ψd1,ψq1,ψd2,ψq2,S这11个变量。而电压、磁链和转矩方程只有9个,存在2个自由度,可以将这2个自由度作为控制量。只要控制了11个变量中的2个,其他的变量便可以通过上述方程来求解,并且在初始条件确定的情况下,解是唯一的[10]。而对于不同的外部输入,即不同的机械转矩TL,所得到的解也不同。

基于以上分析,对于传统的机侧矢量控制[11],控制的2个量是转速和转子磁链,假如能够保证其在电网电压跌落前后不变,也就能实现机组在电压跌落过程中的运行状态不变。但是,矢量控制需要对转子磁链进行观测,并且需要编码器得到转子转速,或者采用无速度传感器控制策略[11],增加了控制难度。

如果不采用传统的矢量控制,而选取定子电压ud1和uq1为控制对象,通过机侧变流器控制其在电网电压跌落前后保持不变,也能实现机组在电压跌落过程中的稳定运行。并且,直接控制定子电压,能够保证电网恢复后定子重新投入时其与电网电压保持大小和相位一致,实现无冲击并网,整个动作过程与不间断电源(UPS)工作原理类似[12]。因此,本文采用稳定定子电压作为机侧变流器的控制目标。

2.1.2dq坐标系下机侧变流器的控制策略

由于三相电路具有对称性,给出机侧电路单相简化图,如图2所示,其中:$\dot{{\rm I}}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}}$和$\dot{U}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}}$分别为变流器侧的电流和电压;$\dot{{\rm I}}{}_{\text{w}\text{t}}$和$\dot{U}{}_{\text{w}\text{t}}$分别为机组的电流和电压;Lf为机侧滤波电感;Rf为机侧滤波电路的电阻;Cf为并联的无功补偿电容。

通过软件锁相环[13](SPLL)锁住电网电压跌落前的相位,以电网电压空间矢量为d轴,超前90°的为q轴,得到该坐标系下的电压方程:

$\{\begin{array}{l}U{}_{\text{w}\text{t}\_d}=U{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_d}+L{}_{\text{f}}\text{D}{\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_d}+R{}_{\text{f}}{\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_d}-\omega L{}_{\text{f}}{\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_q}\\ U{}_{\text{w}\text{t}\_q}=U{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_q}+L{}_{\text{f}}\text{D}{\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_q}+R{}_{\text{f}}{\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_q}+\omega L{}_{\text{f}}{\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_d}\end{array}(4)$

由于Lf和Rf都很小,因此式(4)中含有电流的项在稳态下都很小,可认为Uwt_d≈Uinvt_d,Uwt_q≈Uinvt_q。如果采用开环控制,如图3所示,则在稳态时定子电压等于逆变器的控制电压。但由于微分项Lfs的存在,会在动态时引入干扰,导致振荡。

由于振荡是因电流存在微分项而造成的,因此,需要对电流也进行控制。机侧电路在dq坐标系下的电流方程为:

$\{\begin{array}{l}{\rm I}{}_{\text{w}\text{t}\_d}={\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_d}+C{}_{\text{f}}\text{D}U{}_{\text{w}\text{t}\_d}-\omega C{}_{\text{f}}U{}_{\text{w}\text{t}\_q}\\ {\rm I}{}_{\text{w}\text{t}\_q}={\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_q}+C{}_{\text{f}}\text{D}U{}_{\text{w}\text{t}\_q}+\omega L{}_{\text{f}}U{}_{\text{w}\text{t}\_d}\end{array}(5)$

取变流器电流Iinvt_dq和定子电压Uwt_dq为控制对象,将式(4)和式(5)中的耦合项和干扰项通过前馈进行补偿,设计电流内环、电压外环的双闭环控制系统[14]。定子电压的参考值是跌落前的电网电压,一般取定子电压参考值U*wt_d=1(标幺值),U*wt_q=0;经过比例—积分(PI)调节和前馈补偿之后,输出作为电流内环的参考值。机侧变流器双闭环控制框图如图4所示,其中虚线方框中的为被控对象。

2.2 网侧变流器

网侧变流器在跌落过程中主要有2个功能:一是维持直流母线电压稳定;二是发出无功电流。网侧电路在dq轴下的数学表达式为:

$\{\begin{array}{l}U{}_{\text{g}\text{r}\text{i}\text{d}\_d}=U{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_d}+(L{}_{{\text{f}}^{\prime }}s+R{}_{{\text{f}}^{\prime }}){\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_d}-\omega L{}_{{\text{f}}^{\prime }}{\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_q}\\ U{}_{\text{g}\text{r}\text{i}\text{d}\_q}=U{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_q}+(L{}_{{\text{f}}^{\prime }}s+R{}_{{\text{f}}^{\prime }}){\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_q}+\omega L{}_{{\text{f}}^{\prime }}{\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_d}\end{array}(6)$

式中:Lf′为网侧滤波电感;Rf′为网侧滤波电路的电阻。

控制策略与直驱机组在电压跌落时网侧变流器的控制策略类似[15],电压外环用于控制直流母线电压稳定,输出作为有功电流的参考值;无功电流的参考值由电压跌落深度以及无功支撑要求来决定。由于在电压跌落过程中以无功电流为主要控制对象,即无功电流优先,因此,需要根据${\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_d2}^{*}=\sqrt{{\rm I}{}_{\max }^2-({\rm I}{}_{\text{i}\text{n}\text{v}\text{t}\_q}^{*}){}^2}$对有功参考电流进行限制,其中Imax为网侧变流器允许输出的最大电流,I*invt_q 为无功参考电流。当原有功参考电流I*invt_d1大于限制值I*invt_d2时,电压外环已经不能有效保持直流侧电压稳定,即不能将机组所有的有功功率都输送到电网,此时需要投入直流卸荷电路。网侧变流器的控制框图如图5所示。

2.3 旁路开关

旁路开关的作用是:在正常情况下将背靠背变流器旁路,风电机组正常并网运行;出现电压跌落时通过断开旁路开关将变流器投入使用。为了能够迅速投切变流器,选择绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和二极管组成的电力电子交流开关,旁路开关单相拓扑如图6所示。

电压跌落是否发生,可以通过检测电网电压正序分量的偏差U+err_dq得到,即

$U{}_{\text{e}\text{r}\text{r}\_dq}^{+}=\sqrt{(U{}_{\text{r}\text{e}\text{f}\_d}^{+}-U{}_{\text{g}\text{r}\text{i}\text{d}\_d}^{+}){}^2+(U{}_{\text{r}\text{e}\text{f}\_q}^{+}-U{}_{\text{g}\text{r}\text{i}\text{d}\_q}^{+}){}^2}(7)$

式中:U+ref_d 和U+ref_q分别为电网电压正序分量的d,q轴参考值,一般取U+ref_d=1(标幺值),U+ref_q=0。

当式(7)计算的正序电压偏差大于一定阈值时,便判定发生了电压跌落,通过封锁交流开关中IGBT的脉冲,瞬时断开旁路开关,将变流器投入使用。

3 仿真结果

在MATLAB/Simulink中建立780 kW失速型风电机组仿真模型。机组额定电压690 V,直流侧额定电压1 050 V,直流侧电容14 mF,卸荷电阻1.2 Ω,机、网侧滤波电感均为0.2 mH,开关频率5 kHz。总仿真时间为1 s,三相对称电压跌落在0.3 s时发生,跌落幅度为80%,维持625 ms后结束,仿真结果中的物理量都经过了标幺化处理。图7是机侧变流器使用开环控制的仿真波形。机侧变流器的控制电压等于电网跌落前的电压,即Uinvt_d=1,Uinvt_q=0。

从图7中可以看出,由于机侧变流器稳定了定子电压,因此定子电流和转速基本没有出现波动,机组正常运行,实现了低电压穿越。但是由于开环控制忽略了式(4)中的暂态分量和电流分量,因此在跌落瞬间会出现较大振荡。

图8是机侧变流器使用了电压电流闭环控制的仿真波形,同样也取得了很好的低电压穿越效果。并且由于引入了电流内环、电压外环的双闭环控制器,与开环控制相比,有效抑制了振荡,提高了控制精度。

图9(a)给出了电网电压跌落瞬间定子电压的细节图。可以看出,由电网电压发生跌落到机侧变流器控制住定子电压之间有1 ms左右的凹陷,它是电压跌落检测、旁路开关断开及机侧变流器启动所花费的时间。图9(b)是电网恢复瞬间定子电压的细节图。电网在0.925 s时恢复,此时机侧变流器仍运行一段时间,以确保在并网之前已经将定子电压的相位和大小控制得与恢复后的电网完全一致。然后,再闭合旁路开关,机侧变流器退出运行,实现无冲击并网。

图10给出了网侧电流、直流母线电压及流向电网的有功和无功功率波形。

网侧变流器在满足无功补偿需求的前提下,还向电网输送少量的有功功率。而过剩的有功功率则由直流卸荷电路消耗。因此,在电网电压跌落过程中,电网吸收的有功功率减小,而无功功率由向失速型风电机组提供变为从网侧吸收。

4 实验验证

为了进一步验证提出方案的可行性,设计了一台实验样机,并在110 kW的电机平台上进行实验。发电机为一台鼠笼型异步电机,由一台直流拖动电机拖动到满功率发电。使用跌落发生器模拟电网跌落。限于篇幅,仅给出电网三相对称电压跌落深度为20%,跌落时间为625 ms的波形,这种情况下为《风电场接入电力系统技术规定》所允许的最大跌落深度,如图11所示。其他跌落深度下的实验波形见附录A图A1。从实验结果可以看出,在跌落期间,由于定子电压得到了很好的补偿,因此定子电流的波动和冲击都较小。并且网侧变流器发出大量的无功电流,为电网的恢复提供支撑。需要注意的是,网侧在正常情况下检测到的电流是流向网侧滤波电容的电流,此时网侧变流器并未启动。

5 结语

使用全功率背靠背变流器的改造方案能够使失速型风电机组与电网“解耦”,通过分别控制机侧和网侧变流器,实现机组在电压跌落过程中的不间断运行与动态无功支撑。本文对该种方案的各个部分进行了详细介绍与分析,提出了一种不以转速和磁链为控制目标的电机控制策略,设计了电压电流双闭环来抑制机侧滤波电路带来的振荡,并通过电网三相对称电压跌落下的仿真与实验结果验证了该方案的有效性与控制策略的正确性。对于电网三相电压不对称跌落,通过精确锁定电网正序分量的相位,仍能保证机侧变流器良好的补偿性能;但对于网侧变流器在电网三相电压不对称情况下的运行,则需采用瞬时功率理论等作进一步的分析与研究。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：提出了一种基于变流器的失速型风电机组低电压穿越改造方案。该方案采用全功率背靠背变流器,机侧变流器稳定定子电压,网侧变流器稳定直流母线电压并发出无功电流,实现了机组在电压跌落期间的有功平衡和无功补偿。结合失速型风电机组的特点,提出了一种以稳定定子电压为控制目标的机侧控制策略,并设计了电压电流双闭环控制来抑制机侧滤波电路带来的振荡。在MATLAB/Simulink中建立了780kW失速型风电机组仿真模型,并在110kW电机平台上进行了实验,验证了方案的可行性。

关键词：失速型风电机组,全功率变流器,低电压穿越,定子电压控制,双闭环控制

低电压大功率 篇2

1、前言

总体来说，电力系统有效和可靠的运行，电压和无功功率的控制应满足以下目标：

1.1系统中有所有装置的在端电压应在可接受的限制内。

1.2为保证最大限度利用输电系统，应加强系统稳定性。

1.3应使无功功率传输最小，以使得RI2和XI2损耗减小到最小。

当负荷变化时，输电系统的无功功率的要求也要变化。由于无功功率不能长距离传输，电压只能通过遍布整个系统的具体装置来进行有效控制。

2、无功功率的产生和吸收

同步发电机可以产生或吸收无功功率，这取决于其励磁情况。当过励时产生无功功率，当欠励时吸收无功功率。

架空线路产生或吸收无功功率取决于负荷电流。当负荷低于自然负荷（波阻抗），线路产生纯无功功率；当高于自然负荷时，线路吸收无功功率。

地下电缆，由于它们对地电容较大，因此具有较高的自然负荷。它们通常工作在低于自然负荷情形下，因此在所有运行条件下总发生无功功率。

变压器不管其负载如何，总是吸收无功功率。空载时，起主要作用的是并联激励电抗；满载时，起主要作用的是串联漏抗。

负荷通常吸收无功功率。由电力系统的供电的典型负荷节点由许多装置所组成。这种组成随日期、随季节和气候的变化而不同。通常负荷节点的负荷特性是吸收无功功率的，复合负荷的有功功率和无功功率都是电压幅值的函数。具有低的滞后功率因数的负荷使传输网络有大的电压降落，因而供电也不经济，对于工业用户，无功功率通常和有功功率一样要计费，这就鼓励企业通过使用并联电容器来提高负荷功率因数。

3、无功功率的补偿

3.1无功功率不足的危害：交流电力系统需要电源供给两部分能量：一部分将用于做功而被消耗掉，这部分称为“有功功率”；另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有做功，称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立磁场，电动机，变压器等设备就不能运转。其物理意义是：电路中电感元件与电容元件正常工作所需要的功率交换。无功功率不足，无功电源和无功负荷将处于低电压的平衡状态，将给电力系统带来诸如出力不足，电力系统损耗增加，设备损坏等一系列的损害，甚至可能引起电压崩溃事故，造成电网大面积停电。

3.2无功补偿原理：在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流之后电压九十度，纯电容负载中电流超前电压九十度，也就是说纯电容中电流和纯电感中的电流相位差为180度，可以互相抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由荣幸负荷储存起来；当感性负载需要能量时，再由荣幸负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷间相互交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。

3.3无功补偿的三种形式：

3.3.1集中补偿

集中补偿就是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上，这种补偿方式，安装简便，运行可靠，利用率高，但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压升高，电压质量变坏。季节性用电较强，空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。

3.3.2分散补偿

分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所个分路的出线上，形成抵押电网内部的多组分散补偿方式，它能与工厂部分负荷的变动同时投切，适合负荷比较分散的补偿场合，这种补偿方式效果较好，且补偿方式灵活，易于控制。

3.3.3个别补偿

个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的方法，把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开，俗称随机补偿。这种补偿方法的效果最好，它能实现就地平衡无功电流，又能避免无负荷时的过补偿，是农网中队异步电动机进行补偿的常用方法。

3.4无功补偿设备

根据补偿的效果而言，电容器可以补偿负荷侧的无功功率，提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。电抗器可以吸收电网多余的线路充电功率，改善电网低谷负荷时的运行电压，减少发电机的进相运行深度，提高电网运行性能。

3.4.1无源补偿设备装置

并联电抗器，并联电容器和串联电容器。这些装置可以是固定连接式的或开闭式的，无源补偿设备仅用于特性阻抗补偿和线路的阻抗补偿，如并联电抗器用于输电线路分布电容的补偿以防空载长线路末端电压升高，并联电容器用来产生无功以减小线路无功输送，减小电压损失；串聯电容器可用于长线路补偿等。电力系统变电站内广泛安装了无功补偿电容器，用来就地无功平衡，减少线损，提高电压水平。

3.4.2有源补偿装置

通常为并联连接式的，用于维持末端电压恒定，能对连接处的微小电压偏移做出反应，准确地发出或吸收无功功率的修正量。如用饱和电抗器作为内在固有控制，用同步补偿器和可控硅控制的补偿器作为外部控制的方式。

4、结束语

无功补偿对提高功率因数，改善电压质量，降损节能、提高供电设备的出力都有很好的作用。只要依靠科技进步，加大资金投入，优化无功补偿配置，实现无功的动态平衡是完全可能的。

参考文献：

[1] PRABHA KUNDUR 著.电力系统的稳定与控制[M]．中国电力出版社．

[2]刘娅.变电站无功补偿分析 [M]．行业透视．

低电压大功率 篇3

大功率电流源型变频器[1,2,3]在应用中存在共模干扰问题,如不解决,将影响电机绝缘和使用寿命。目前,常采用隔离变压器或使用增加绝缘强度的定制电动机来抑制共模电压,但是引入隔离变压器会增加制造成本,也给运输带来麻烦。而定制电动机不适用于对原有电动机改造的工程项目[4,5]。采用共模扼流器是一种简单实用的方法,尤其是在电流源型变频器中。因为电流源型变频器直流环节采用差模电感平波,可以在直流侧增加共模电感,与差模电感一起组成一体化直流电抗器[6,7],既可以起到抑制共模干扰的作用,又减小了采用隔离变压器的制造和运行成本。下面对采用差-共模一体化直流电抗器的电流源型变频器的共模电压进行详细分析。

1 采用差-共模一体化直流电抗器的电流源型变频器共模电压分析

根据整流侧电容中性点N与逆变侧电容中性点N′的不同连接方式,可知电流源型变频器的拓扑结构有3种。图1为N与N′不连接时的拓扑结构,其中,Ld为差模电感;Lcm为共模电感。

为保证电路的对称性,通常将直流环节的差模电感分置上下母线[8],如图1所示。由于差模电感的作用在于抑制直流电流脉动,共模电感作用在于抑制共模电流,从而减小共模电压,因此将差模电感分置上下母线不会对共模电压产生影响。下面分别对3种不同拓扑的系统共模电压进行分析。

a.拓扑1:N与N′不连接(见图1)。

假定电机输入平衡,根据共模电压定义,可以得到共模电压为[9,10,11,12]

假定电机中性点O对地阻抗为ZO,经过O点流入大地的共模电流为icm,则共模电压还可以表示为

此时共模电流的流通路径为整流器、逆变器、大地、电网。由于共模电流经过N′和O点流入大地,会对电网正常运行产生一定影响。

b.拓扑2:N与N′不连接,且N′接地(即在图1拓扑的基础上将N′接地)。

假定电网输出平衡,由式(1)得:

式(2)同样成立。此时共模电流的流通路径为整流器、逆变器、大地、电网,共模电流会对电网正常运行产生一定影响。由于N′直接接地,共模电流会经过N′点流入大地,流经电机中性点的共模电流icm基本为0,根据式(2),此时的共模电压ucm很小。

c.拓扑3:N与N′连接(即在图1拓扑的基础上连接N与N′点)。

共模电压为

首先按电机、逆变侧电容、中性线、整流侧电容和电网这条线路分析。电机中点O对电容中性点N′电位为

电容中性点N对地G点电位为

综合式(4)—(6),可得:

此时式(2)同样成立,此外输入、输出电容中性点连接在一起时的共模电流在整流器、逆变器、中性线之间流动,不会对电网造成干扰。流经O点的共模电流较小,易知此时的共模电压不大,再比较式(3)和式(7),可知拓扑1的系统共模电压最大。各种拓扑下共模电压、电流的比较如表1所示。

综合考虑各方面因素,拓扑3最好。

2 一体化直流电抗器参数设计

在逆变侧电容中性点不接地时共模电压最大,此时中性点与大地近似等电位,考虑到每一时刻只有2个功率管导通,此时的共模通路如图2所示(逆变侧三相电容通常取值相同,均以C′f表示)。

对图2(a)列写电路方程[13,14]:

其中,Zm为电机单相等效阻抗,um为共模噪声叠加在电机每相上的电压,LM为共模互感。假定LM与Lcm/2相等,则

对图2(b)列写电路方程:

则

通常Zm值不大,比较式(9)和式(11),令共模电压对电机相电压影响不超过5%,可得:

则共模电感

由于电流源型变频器中间直流环节的差模电感的主要作用是滤除纹波,本文主要讨论共模电压和共模电流的抑制,因此对于直流差模电感的选择在此不做讨论。

3 仿真结果

对一个2 MV·A、4 160 V的传动系统进行仿真[15],仿真参数如下:输入滤波电感Ls=5.54 m H,输入滤波电容Cf=41.87μF,共模电感Lcm=259.6 m H,差模电感Ld=59.49 m H,输出滤波电容C′f=54.88μF,开关频率f=550 Hz。

图3为电容中性点断开、且无共模电感时的传动系统仿真波形,图4为拓扑3传动系统的仿真波形。可以看出,电容中性点断开且无共模电感时传动系统的共模电压峰值达到2500~3000V,流入大地的共模电流峰值达到4.5 A,电机相电压受共模电压影响,畸变严重;将整流侧电容中性点和逆变侧电容中性点连接起来,并加入共模电感后,传动系统的共模电压峰值降到约150~200V,流入大地的共模电流峰值降至0.002 A,共模电压对电机相电压基本无影响。由此可知,采用差-共模一体化直流电抗器能够有效抑制共模电压,减小流入大地的共模电流,降低共模电压对电机的影响。

4 结论

Matlab仿真结果表明:电流源型高压变频器与电压源型高压变频器一样存在共模噪声。采用一体化电抗器的拓扑结构3可以有效地抑制共模电压,同时使得共模电流在整流器与逆变器之间流动,减少了共模电流对电网的污染,并且相对于采用隔离变压器来抑制共模电压更加简单经济。

摘要：为了解决电流源型变频器中存在共模电压的问题,提出了一种采用一体化直流电抗器的方法。该方法在传统电流型变频器的直流环节加入共模电感,以减小系统的共模电流和共模电压。对采用一体化电抗器的3种电流源型变频器的共模电压进行了系统分析,并对一体化直流电抗器的共模电感值进行选择。其中将整流器侧电容中性点与逆变器侧电容中性点连接在一起时,共模电压和共模电流都得到了明显抑制,降低了共模噪声对电机的影响。由于省去了用于抑制共模电压的隔离变压器,这种结构使得变频调速系统结构简单,运输方便,成本降低。仿真结果说明了分析的正确性。

风机低电压穿越的作用 篇4

1.风机低电压穿越概述

风力发电在我国现今电力生产中占有非常重要的地位，经过多年的研究和探索，风电能源建设项目的数量不断增加，规模不断扩大，以其可再生、能源利用率高、效能好、环保性的优势特点受到国家的重点关注和扶持。风电机组容量的增加，为电能生产提供了有力的补偿，为缓解传统能源发电的紧迫性起到重要作用。但是在实践中我们也清楚的看到，风电机组在运行的过程总，一旦电网有故障发生，电网中的输出电压频率会发生大幅度的变化，对电网系统运行的稳定性造成严重的影响。为了有效解决这一矛盾，各国在风力发电的过程中中都非常注重低电压穿越技术的应用，在对低电压穿越技术方面的研究也不断的加大投入力度，力求使其更加具有规范性、有效性和安全性。

低电压穿越（以下简称LVRT），指的是当风电机组在并网的过程中会出现点电压大幅度降低的现象，通过低电压穿越技术来保持风机并网的同时还能提供一定程度的无功功率用以对电网持续运行提供支持直至电网能够恢复正常的运行，最终实现在低电压时间段或者区域的“穿越”。电压的大幅度跌落会造成电机出现转速升高、过电流、过电压等一系列暂态。通畅如果电网在运行过程中突然产生故障，风机处于自我保护会立即解列，从而保证风机不被损坏。但是需要注意的是风力发电在电网中所占的比重较低的状态下，此种情况是能够接受的，如果风力发电在电网中占的比重较大，如果突然采取被动自我保护，会对整个系统造成严重的影响，恢复起来比较困难，严重的还可能使故障扩大，造成其他机组乃至整个系统全部发送解列。由此可见，为了维护风电场电网整体的安全性和稳定性，应用LVRT技术是非常必要的。

世界各国对于风力发电机组在低压穿越方面都十分重视，通过各国的不同的保护模式进行总结，我们可以归纳为以下几点：第一，风电场内包括的全部风电机组在实施并网发电的整个过程中都需要对电压降压进行处理，一般在降压20%的范围内，发电机组仍然可以正常的运行并网，在至少625ms甚至更长时间状态下不切机进行降压处理；第二，风电场电网线路发生故障3S后，电压控制能够达到额定值的90%并且保持恒定时，风电机组不会发生断网切机的自保护动作。随着低压穿越技术的不断发展，如今风电机组的低压穿越能力已经有了显著的提高，应用范围十分广泛。

2.電压跌落对不同风机的影响

现今主要有三种类型的风机占据市场主体，即直接并网的定速异步机（以下简称FSIG），同步直驱式风机（以下简称PMSG），双馈异步式风机（以下简称DFIG），如图1所示为三种主要风机类型的拓扑结构。

2.1FSIG和DFIG的暂态现象

FSIG和DFIG两种风机都是在定子侧与电网直接进行联接，这种直接连接的方式使得其对电网中电压的变化非常敏感，电压的起伏升降直接造成电机定子端的电压随之发生变化，从而使定子磁链中由产生直流成分，如果有部队称故障发生时会有负序分量存在。电子的转子在运转的过程中，转速是很高的，当定子磁链中存在直流量和负序分量时，相对于转子而言就会产生大的转差，由此会造成转子产生较大的电势和电流，从而使得转子电路中，原有的电路和电压值都会显著加大。FSIG是鼠笼式转子，从电网内电压开始跌落，直至恢复到正常的期间内，短时过电流处于转子所能承受电流最大值的范围之内，转子不会因此而受到损坏。而在DIFG的转子侧加装有AC/DC/AC变换器，而变换器等元器件在对过电压和过电流的承受能力相对比较薄弱，倘若不对电压跌落采取有效的措施加以控制，承受能力薄弱的底子期间会受到过高转子电流的破坏，从而发生故障或者毁损；但是对转子电流加以控制势必会造成变流器电压大幅度升高，过电压同样会对变流器造成损坏，同时变流器在功率的输入与输出方面可能会存在不匹配性，这就很有可能造成直流电线的电压发生升降变化。由此可见，相对来说DFIG较之FSIG来说，在LVRT方面更为复杂。电网故障，特别是不对称故障，在从故障到恢复的过度期间，电机的电磁转矩会发生频繁的波动，对其它机械部件会造成一定的冲击，从而对风机运行的稳定性及其使用寿命造成不利的影响。定子电压发生跌落，直接对电机输出功率造成不利的影响，因此必须对捕获到的功率进行必要的控制，否则会造成电机转数不断上升，在如果风速过高，就算故障已经被切除，电磁转矩已经增加，也很快对电机不断上升的转速加以控制。转速的不断升高必然会造成无功功率的增加，则定子端的电压随之进一步降低，使电网电压恢复正常变得困难，甚至会造成无法恢复的局面，整个系统瘫痪。

2.2PMSG的暂态现象

PMSG在定子侧加置有AC/DC/AC变流器，与电网之间呈间接连接的的状态。电网电压的突然降低使得输出功率随之降低，但是对于发电机组来说，在瞬时情况下输出功率没有受到影响，功率之间的差值使得直流母线电压瞬间提高，很容易造成电子器件的故障或者损坏。但是如果采取措施对直流母线的电压进行控制，又势必会造成向电网输出的电流值升高，过电流对变流器同样具有安全威胁。如果变流器直流侧的电压波动保持在允许的范围内，位于电机侧的变流器通常都会具有可控性，即使电压跌落，直到恢复的整个期间内，电机的电磁控制都能够保持基本平稳的状态，这相对于DFIG来说，在LVRT方面要简单得多。

3.风机主动式保护设计

在国内现今采用最多的用于风机线路保护的模式为Crowbar电网保护模式。在电路中采用新型强迫换流的电子组元件GTO、IGCT等对任意电流回路进行切断保护。Crowbar电网保护模式可变值电阻由通用二极管整流桥和旁路电阻组成，在风电机组并网运行期间，能够在断线不脱网期间根据故障情况主动进行保护动作，很好的满足了风力发电机组低压穿越技术的关键要求，见下图2所示：

在电路设计的过程中，保护电阻选择特点功率，对于DFIG来说，电阻取值需要充分考虑到位于转子侧变流器安全范围的最高电压值所带来的影响作用。如果风电机组在并网运行期间有故障发生，短路电流会受到电阻转子的控制作用，当转子动力减弱或者失去时，短路转子不会因短路电流的影响而受到损坏，相应的变流器定值保持稳定状态。同时，电阻值因受到Crowbar的抑制作用不会发生放大。需要注意的是，Crowbar在激活状态下，如果控制组策略操作不当，DFIG不能有效实现电流感应的稳定效果，电流感应的振荡可能或导致机械传感的不稳定，对风电机组内部构件的安全运行造成影响。

4、结语

在风力发电技术的核心方面，低压穿越始终影响着风电供应的全过程，双馈式风力发电机的广泛应用减少了供电网络故障问题的出现，同时解决了低压电路保障的问题。由于目前风电电网故障恢复能力还处于研究阶段，风电机感应穿越的理论基础也不够成熟，因此，在通过对电压采取降压处理的方法下，对于低压穿越的研究是一个新型课题。

低电压大功率 篇5

大型异步电动机是指功率在几百甚至上千千瓦的电动机,其配电装置一般采用3~10 k V电压等级。在工业应用上,这类电机一般采用全压起动的方式。大型异步电动机的运行一般会对电网和容量有限的发电厂厂用电系统的安全运行造成一定的影响。本文通过对二滩水电厂检修排水泵和渗漏排水泵电机的起动计算,分析了大功率电机起动对二滩厂用电系统电压的影响。

二滩水电厂是20世纪我国建成的最大水力发电站,共6台机组,总装机3 300 MW,单机550 MW,出口电压为18 k V,采用发变组单元接线,6段厂用电母线分别取自厂用高压变压器(以下简称“厂高变”)低压侧。厂用系统电压采用6.3 k V等级,全厂共设有5台检修排水泵和3台渗漏排水泵,分别用于机组检修排水和地下厂房渗漏排水,其电机额定电压等级为6 k V,电源直接取自6 k V母线,电机型号为Y3552-4,主要参数:6 k V/260 k W/30.4 A/cosφ=0.889/94.6%。6 k V电机采用全压起动方式。在起动瞬间,电机的起动电流可以达到额定电流的6~10倍,6 k V母线出现比较明显的电压暂降现象,并且有的机组故障录波器会在电机起动的瞬间触发。电压暂降必须满足国家有关标准,国家标准《电能质量电压允许波动和闪变》(GB12326-2000)和中华人民共和国电力行业标准《水力发电厂厂用电设计规程》(DL/T 5164—2002)中的规定:电动机正常起动时,所连接母线电压降应满足:电动机经常起动,不大于10%;不经常起动不大于15%。本文参考《水力发电厂厂用电设计规程》(DL/T 5164—2002)中电机起动计算公式,以二滩水电厂6 k V II段为例,对渗漏排水泵进行了电机起动计算,以分析母线电压暂降情况。

6 k V II段接线如图1所示。

1 起动计算(以6 kV II段母线为例)

1.1 主要设备参数

发电机:Sn=612 MVA Un=18 kV

厂高变:Sn=3150 kVA Un=18 kV Ud=8%

母线PT:6.3/0.1 kV

6 k V II段母线上有#1渗漏排水泵,其他主要负荷(包括607M上负荷)有:

机组自用电32B:Sn=800 kVA Un=6 kV

进厂交通洞照明电源81B、82B:Sn=200 kVA

闸门配电61B、63B、65B、67B:Sn=315 kVA

进水口闸门电源69B:Sn=250 kVA

厂外公用电源71B:Sn=630 kVA

主变竖井风机电源73B:Sn=400 kVA

1.2 起动计算

1)根据二滩电厂厂用电系统接线,考虑到厂用电容量只占机组容量的0.5%,所以将机组和系统等效为无穷大网络考虑。另外不考虑母线到电动机之间的电缆阻抗。

2)起动计算公式

式中:

Ud*为电动机起动时端电压标幺值;

Sqd为电动机的起动容量,kVA;

Und为电动机的额定电压,kV;

Iqd为电动机的起动电流,A;

Kqd为电动机的起动电流倍数,一般取6~10;

Pd为电动机的额定功率,k W;

ηdcosφd为电动机额定效率和额定功率因数的乘积;

Ind为电动机的额定电流,A;

S1为起动前厂用电高压母线上已带负荷,S1=0.72ΣPO,k VA(ΣPO:所有同时参加最大负荷运行时负荷的额定功率的总和,k W。),本文计算时,以各变压器容量Sn代替PO。

Snb1为高压厂用电变压器额定容量,k VA;

UZ1为高压厂用电变压器的阻抗电压。

依据上面公式,取最严重的情况Kqd=10。

2 计算结果和影响分析

1)由上面计算结果可知二滩电厂在检修排水泵或者渗漏排水泵电机起动瞬间,厂用电系统电压确实存在较大幅度的下降,计算结果与监盘人员长期观察的结果相吻合,突变量约为0.3~0.5 k V,相应二次侧电压突变量为4.76~8.19 V。

2)由检修排水泵或渗漏排水泵起动引起的厂用电母线降低满足国家标准《电能质量—电压允许波动和闪变》(GB12326-2000)和中华人民共和国电力行业标准《水力发电厂厂用电设计规程》(DL/T5164—2002)中的规定。因此电机采用全压起动的方式是合理的。

3)对于二滩电厂检修排水泵或渗漏排水泵起动瞬间,伴随发变组故障录波器触发的现象,从以上计算结果分析可以得出,发变组故障录波器中厂高变低压侧突变量起动整定值(10 V)是合适的。由于排水泵起动电流一般会达到额定电流的6~10倍,所以厂高变低压侧电流就存在很大的突变量,厂用电IV段和VI段上负荷均较重,排水泵电机起动对厂高变低压侧电流突变量影响较大,造成IV段和VI段母线上的排水泵起动瞬间,故障录波器触发。下面是两台机组故障录波器在排水泵电机起动瞬间记录波形的波形:

由计算结果和故障录波装置记录的波形综合判断,可知造成故障录波装置触发的原因是排水泵电机起动瞬间电流突变量超过了触发定值,而电压突变量在触发定值以内,电机起动对厂用电系统电压波动的影响有限,因此原6台机组使用的同一触发定值可根据不同母线的实际情况重新整定机组故障录波装置中厂高变低压侧电流突变量整定值。

4)电动机起动引起的电压波动对发电厂自动化元件的电源也会造成很大影响,甚至使设备元件发生损坏,电压瞬时下降也可能造成失压脱扣负荷掉电,影响设备的正常运行。

3 改进建议

大功率电机全压起动是造成二滩电厂厂用电系统电压波动主要原因,为保证厂用电系统电压稳定性,降低厂用电系统电压波动影响,提高自动化设备元件的可靠性,建议可以采取以下做法:

1)合理选择厂高变分接头以保证厂用电系统在合理的电压水平。尤其在枯水期电压较低期间,应尽量调低厂高变电压比,以满足厂用电系统电压要求。

2)采用稳压电源装置,随着自动化水平和电力电子技术的发展,稳压电源装置的稳压能力有很大提高。对电压波动敏感的设备采用稳压装置,对发电厂的安全稳定运行有着至关重要的作用。

3)对于母线上有多台大功率电机时,应避免多台同时起动。

4 结论

大功率电机起动造成的发电厂厂用电系统电压波动一个重要原因。电压波动可能造成设备故障,可能使对电压波动敏感的电子设备的硬件和软件的运行发生故障或错误,也可能使设备的低电压保护或快速过流保护动作而使设备跳闸失电,因此选择电机合理的起动方式,对重要设备采取必要的防范电压波动的措施,对发电厂的安全稳定运行是至关重要的,同时大型异步电动机起动引起的电压暂降,也是引起电力系统电压波动的主要原因,因此选择合理的电机起动方式,采取适当的防电压波动措施同样对电网的安全稳定运行也是至关重要的。

参考文献

[1]GB12326-2000,电能质量—电压允许波动和闪变[S].

[2]DL/T5164—2002,水力发电厂厂用电设计规程[M].北京:中国电力出版社,2002.

[3]孙元章,李莲子,陈永亭.大型电动机起动特性的研究[J].实验技术与管理,2001,(3).

[4]程浩忠.电能质量概论[M].北京:中国电力出版社,2008.

低电压大功率 篇6

1 故障现象描述及初步原因分析:

太阳升输油站启动供电线路I段6kV高压电机 (2850kW) 瞬间, 出现运行的热媒炉 (1#、2#、3#) 停运的现象, 增加了运行操作人员的工作量, 需要反复点炉, 严重影响正常输油生产运行。1#、2#、3#热媒炉均属I段负荷, 所以当启动大电机的瞬间, 启动电流大、系统电压降低, 不能满足热媒炉低电压保护的要求, 导致停炉。

2 分工况进行测试、对测量的电压值进行分析:

测试工况一:启动II段2850kW电动机, 是否引起低压变频器停运。

测试现象:启动高压电机不影响低压设备运行。

测试工况二:启动I段2850kW电动机, 是否引起低压变频器停运。

测试现象:低压变频器保护动作, 热媒炉停运。

测试工况三:将1#、2#、3#热媒炉负荷切换至II段, 启动II段2850kW电动机, 是否引起低压变频器停运。

测试现象:低压变频器保护动作, 热媒炉停运。

测试数据:

通过分别在35kV、6 kV、380V的二次侧用日置HIOKI3169-21钳式电力计进行测量, 采样周期为0.1秒/次。测量电压变化范围如下:

I段电压测试

380V变化范围 (1.563%至-28.492%)

6 kV变化范围 (4.593%至-24.982%)

35 kV变化范围 (4.474%至-13.080%)

II段电压测试

380V变化范围 (3.392%至-17.961%)

6kV变化范围 (5.533%至-15.550%)

35 kV变化范围 (4.362%至-3.620%)

3 测试结论:

35kV供电质量符合要求、6kV电机启动过程压降符合要求, 380V电压降低幅度超过低压设备变频器的允许电压范围, 导致变频器停运, 引起热媒炉停炉, 具体原因分析如下:

停炉直接原因:

热媒炉停炉的直接原因是2850kW电机启动过程中, 380V电压降低幅度大, I段最低降幅为28.492%, II段最低降幅为17.961%。西门子MICROMASTER 430变频器的技术规格中标明:输入电压范围3AC 380 V-480V±10%, 所以电压最低值已超出范围, 导致停机。

只有当启动的高压电机和热媒炉、热水泵是同一段负荷时, 才发生低电压停炉, 这同我们I、II段分列运行的运行方式是符合的。

电压测试的结论:

压降时间:测试采样周期精确到0.1S的精度, 经测试确定2850kW电机启动电压降低的时间是9-10S。

I段、II段电压降低幅度不同原因分析:I段35kV供电线路和II段35kV供电线路长度不同造成的 (I段5.2km、II段26.6km) , 并且I段线路上T接双鱼变电所。

电压降幅是否合格:根据GB/T12325-2003《电能质量供电电压允许偏差》第4条:35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称系统电压的10%;10kV及以下供电电压允许偏差为标称系统电压的±7%;220V单相供电电压允许偏差为标称系统电压的+7%———10%。

测试过程中电压降低超过标准要求, 但GB/T12325-2003中范围里说明:本标准不适用于瞬态和非正常运行情况 (启动属于瞬态) 。所以, 依据现有标准, 在正常运行情况下, 电能质量合格。

高压电机启动压降是否合格:电机启动过程中6k V电压最低降到4.47kV, 参考《湖北电力》发表的《电机启动对厂用电系统电压的影响分析》中, 对6kV水泵电机仿真模型得出的数据6kV电压启动时最小为4.520kV, 与我分公司实测数据接近, 因此可判断高压电机的启动电压降符合要求。

4 处理办法和建议:

4.1 改变高压电机的启动方式, 变为软启动, 此种资金投入较大, 不便实施。

4.2 咨询变频器厂家, 针对此现象对变频器本身进行改进处理。更改参数如下:P1210-4, P1200-3。保证电机电压恢复后低转速自启。此方案可进行试用。

4.3 建议增装UPS电源对变频器进行供电, 保证供电稳定性, 此方案可从本质上解决问题, 推荐使用。

摘要：在工矿企业电力系统中, 高低压设备同时存在, 由于高压电机启动瞬间会产生大幅度的电压降低, 导致低压设备低电压保护动作, 引起设备停运, 影响正常的生产运行。本文主要从此类问题现象入手, 通过对启动过程中, 各电压等级电压变化情况进行分析, 并提供解决此类问题的基本方法。

低电压大功率 篇7

随着科技和经济发展,以计算机、可编程控制器、嵌入式系统为核心的精密设备等敏感负荷大量接入电网,这些设备对电压质量的要求非常高,主要由系统故障引起的电压暂降,往往会导致敏感设备异常工作甚至死机,因而造成巨大的损失[1,2]。因此,电压暂降造成对用电设备特别是敏感设备造成的影响已成为电能质量领域研究的热点课题[3,4,5]。在研究电压暂降对用电设备产生的影响时,有时需要测试用电设备在电压暂降条件下的工作情况。然而,在实际过程中,要电网产生特定持续时间与波形的电压代价很大且很难达到。 因此,研制可产生特定电压波形的装置就显得尤为重要。

目前,电压暂降发生仪(电压暂降仪)、电能质量信号发生器、电能质量干扰发生器等装置均可产生所需的电压波形,为测试用电设备的实验提供条件[6,7,8,9,10,11,12]。文献[6,7]研制的电压暂降发生仪虽然采用数字信号处理器(DSP)控制电子器件的开断,但由于其原理的限制,控制存在不够精确、不够灵活等不足。文献采用单片机作为控制器,同样由于原理限制,缺乏精确性和灵活性。文献[9,10,11,12]基于逆变器结构,采用DSP控制,具有快速、精确、灵活等优点,但受限于DSP性能,单DSP控制器如要同时兼顾运算、输出、故障检测、人机交互等功能要求,必然导致控制周期延长和控制精度降低。

因此,为了进一步提升电压暂降仪的性能,实现多功能、智能化控制等设计要求,本文设计了基于双数字信号处理器(DSP)和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)架构控制器的电压暂降仪,其控制器采用“双DSP(F2812)+FPGA”架构,一个DSP(称为DSPA) 负责处理数据显示与数据输入,一个DSP (称为DSPB)负责产生参考波形并对输出波形进行控制,现场可编程逻辑门阵列(FPGA)负责控制模数(A/D)转换芯片工作、逆变器IGBT驱动信号的生成与全系统的故障检测,一旦有故障可瞬时执行保护程序,不受DSP工作状态影响。三者分工明确, 使全系统的运行效率明显提高。

2主电路拓扑设计

电压暂降发生仪的主电路由整流升压电路和电压暂降逆变输出电路两部分采用“背靠背”的方式连接组成。前端为整流升压电路,采用三相不可控整流电路进行整流升压。电网通过一个升压变压器接于三相不控整流桥的交流侧,直流侧经一平波电抗接于电容器两端。后端为电压暂降逆变输出电路,控制系统输出的脉冲经驱动电路控制功率开关IGBT的通断,经LC滤波器向负载提供指定电压和电流。

实验电路拓扑如图1所示,本文采用LC滤波器作为输出滤波器,其中La1、Lb1、Lc1均取190μH,RL为输出滤 波器电感 的等效电 阻 ,C取60μF,Rc取0.11Ω,Rc用于停机时消耗直流侧电容能量市电经调压器升压后,通过三相整流桥给逆变器直流侧电容充电,充电完成后由控制器控制逆变器输出电压,输出端接电阻负载。

3双DSP和FPGA控制器设计

3.1控制器硬件系统设计

本文设计的电压暂降发生仪的控制器采用“双DSP+FPGA”架构。其中,DSP是TI公司的TMS320F2812芯片,这是一款针对数字控制所设计的32位定点型DSP,具有强大的数据运算能力,主频最高达150MHz,广泛应用于嵌入式控制领域。FPGA是XILINX公司的XC2S200芯片,是一种可编程使用的信号处理器件,用户可通过改变配置信息对其功能进行定义,以满足设计需求,其内部有丰富的BRAM、GCLK、各种直接可利用的IP核等资源,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点,有效提高了设计的灵活性和效率。

为了提高电压暂降仪控制器的运作效率及实时反应速度,应充分发挥FPGA逻辑判断的优势,应用其进行多种故障逻辑判断和IO输出。同时,应充分发挥DSP强大的数据运算能力,应用其进行精确的输出控制。因此,对FPGA和两块DSP应作功能分配,图2为电压暂降仪控制器架构框图。

FPGA主要有四方面功能:一是控制A/D转换芯片,对外部CT/PT及调理电路后的电压电流信号进行模数转换并读取结果,同时把结果传送给DSPA和DSPB;二是作为DSPA和DSPB之间的数据交换通道;三是逆变器IGBT驱动信号输出;四是进行全系统故障检测及IO控制输出。

DSPA主要负责与人机界面通讯及数据管理。DSPA读取FPGA中的电压电流数据和故障状态等信息在人机界面中显示,并传送人机界面中的命令。

DSPB主要负责控制电压波形的稳定精确输出。DSPB通过FPGA与DSPA进行数据交互,读取触摸屏输入的指令生成指定的电压参考波形,并读取FPGA中的模数转换结果,作为电压外环电流内环双闭环控制器的输入,实时控制输出电压,并把比较值传输到FPGA,和FPGA产生的三角载波进行比较得到PWM信号,PWM波经驱动模块输出驱动信号,控制IGBT的开通与关闭,经LC低通滤波器产生符合要求的三相交流电压,实现所需电压的稳定精确输出。

3.1.1电压电流转换及调理电路

为了把电流信号转换成可作为A/D转换芯片输入的电压信号,需要设计电流调理电路对经过电流传感器后的信号进行处理。图3为逆变器输出电流的调理电路。图中运放采用LM258,1、2、3号管脚分别为运放的输出端、反向输入端、同相输入端。以A相电流为例,逆变器输出电流经过霍尔传感器后得到小电流信号Iin,Iin通过并联于运放同相输入端的3个100Ω电阻转换为电压信号,经过运放构成的电压跟随器后,最终得到适用于A/D转换芯片的电压信号Iout,其范围为-5V~5V。

为了提高实际应用过程中使用的灵活性,对于负荷电流,可采用不同的外接电流互感器进行测量,本文设计要求外接电流互感器二次侧额定输出为5A,互感器二次侧输出电流需经板上CT进行再次转换,本文采用的板上CT变比为5A/2.5m A,负荷电流转换电路如图4所示,Iin1、Iin2分别接外接电流互感器二次侧两端,Iout为变换后的电流信号。

对于输出电压,本文采用图5所示的电压电流转换电路把电压信号转换为电流信号,图中PT变比为2m A/2m A,U+、U-为输出电压信号,Uout为与输出电压等比例的电流信号。图6为负荷电流、输出电压的调理电路。该电路输入为图4的Iout或图5的Uout,输出为-5V~5V的电压信号,作为A/D转换芯片的输入信号,图中运放采用LM258双运放模块,1、2、3、5、6、7均为引脚编号,其中输出引脚为1、 7,同相输入端为3、5,反向输入端为2、6。

3.1.2模数转换电路

基于本文架构设计的控制器为数字控制系统,因此必须把电流、电压信号模拟量转换成数字量。电流、电压的转换用于输出电压的双闭环控制,实现电压波形的精确稳定输出。另外,相关数据用于触摸屏上的显示。本文设计的采样频率为25.6k Hz,对工频电压、电流信号每个周波(20ms) 采样512个点。A/D转换芯片选用AD公司推出的AD7658模数转换芯片。该芯片模拟信号输入范围为-5V~5V,可支持6通道12位的高速采样转换,转换速率达250ksps,可完全满足要求。图7为AD7658的功能框图。

3.1.3驱动电路

FPGA的引脚电压为0或3.3V,不足以驱动IGBT工作,故要把其引脚电压转换后输出到IGBT的驱动电路,从而控制IGBT的开断。

电平转换电路如图8所示,图中In1、Iin2为FPGA输出的同一相的上、下IGBT PWM信号,FDONE为封锁信号,Out1、Out2为经电平转换后的上、下IGBT控制信号FPGA输出的PWM信号,经光耦电路转换成0或15V。Out1、Out2经M57962L集成电路模块产生IGBT的驱动信号,直接控制IGBT的开断。 IGBT的驱动电路如图8所示,图中C1、G1、E1分别接IGBT的集电极、门极、发射极。

3.1.4故障检测电路

FPGA负责检测全系统的故障并作出迅速反应。当出现直流侧过压或欠压、输出电流过流、AD转换芯片工作异常、DSP工作异常等故障时,FPGA经内部逻辑判断将作出故障处理,通过图9所示的FDONE信号封锁IGBT输出的同时并将故障情况显示于触摸屏。其中DSP工作检测和AD转换芯片检测由软件程序完成,过压欠压检测和过流检测需设计一定功能的前置电路,使故障电平信号能转换成可直接输入FPGA的信号,以便FPGA进行实时监测。

(1)过压欠压检测

本文的电压暂降仪为电压源型逆变器,输出指定电压前, 要确保直流侧电容上的电压已经稳定在所需范围,若存在欠压现象,则不能保证有效输出, 若存在过压,则可能导致功率器件的烧坏、电容爆炸等危险。 因此,必须对直流侧电容的电压进行实时检测,迅速处理故障。

图10为过压检测电路。其中,UDC为直流侧电压经霍尔传感器后的值,根据设计,UDC为实际电压的0.00503倍。UDC经电阻R115和R121分压后, 与基准电压VREF=3.3V比较,过压时OV为低电平, 正常时为高电平。经计算可得,过压临界值为835V。

在图11所示的欠压检测电路中,基准电压VREF经电阻R116和R122分压后与UDC进行比较, 由电路原理可知,欠压时UV为低电平,正常时为高电平。经计算可得,欠压临界值为298V。

(2)过流检测

输出电流过大时,可能导致功率开关的烧坏等一系列损坏。因此,为了保证电路的安全可靠,必须实时对输出电流进行检测,以便迅速处理故障并报警。

图12为过流检测电路。图3所示输出电流调理电路的输出信号Iout作为图12电路的输入。检测过流时要检测电流的峰值,要保证电流最大时不出现过流。因此,Iout首先要经过整流环节,然后再与参考电平比较。Iout整流后经电阻R117和R129分压, 然后与基准电压VREF进行比较。过流时OCA为低电平,正常时为高电平。结合CT变比(2000:1)和调理电路,经计算可得输出电流过流临界值为396A(峰值)。

3.2控制器软件系统设计

3.2.1 FPGA程序设计

FPGA将由内部的计数器产生一系列的原始中断脉冲信号,此脉冲频率与采样频率一致,为25.6k Hz,为了保证在每个中断周期内A/D转换芯片的模数转换结束后DSPB和DSPA才工作,此脉冲信号宽度为10μs。

此脉冲信号将控制A/D转换芯片、DSPB和DSPA协调可靠工作。

另外,FPGA还为两个DSP进行数据交互提供数据缓冲区,进行故障检测逻辑判断、PWM信号输出和普通IO输出控制。图13~图16为FPGA的程序设计流程图。

3.2.2 DSPA程序设计

DSPA是进行人机交互的重要环节,来自触摸屏控制指令和控制参数将经过DSPA写进FPGA,从而控制系统的运行,同时,DSPA从FPGA读取数据, 在触摸屏上显示出来。DSPA的程序设计如图17和图18所示,DSPA与触摸屏之间通过一个缓冲数组进行数据传输。

3.2.3 DSPB程序设计

DSPB是电压控制算法的核心执行器件,主要负责输出电压波形的精确控制,控制算法采用电压外环电流内环的双闭环控制算法。图19和图20为DSPB的程序设计流程图。

4实验结果

按照上文的设计,本文搭建了电压暂降仪整体实物图进行测试,如图21所示。实验样机为三相三线制,只能输出线电压,具体参数见表1。其控制器采用正弦脉宽调制(SPWM)控制方法,其中载波频率为12.8k Hz。实现了暂降(暂升) 起始相位、持续时间、幅度均可调的电 压波形输出。

经日置HONKI3196测试,本文设计的电压暂降仪能够产生精度较高的有不同幅值、持续时间及相位的电压暂降信号,可满足各种相关的实验需求。

图22~图25为日置HONKI3196测得的电压暂降波形示例图,其中图22为4周波的电压暂降与恢复波形,暂降幅度为48%,暂降起始相位为270°。图23为连续2次1.5周波的电压暂降与恢复波形,暂降幅度为88%。图24为3周波的电压暂升与恢复波形, 暂升幅度为38%。图25为连续3次1.5周波的电压暂升升与与恢恢复复波波形形,,暂暂升升幅幅度度为为38%。

5结束语

低电压大功率 篇8

1 电压系统无功功率的平衡与调整的必要性

电力系统的电压需要经常调整, 如果电压偏移超过极限值时对电力系统本身及其用电设备都会带来不良影响, 这会在一定程度上使电力系统效率下降, 经济性变差, 当系统电压降低时, 各类负荷中占比重最大的异步电动机的转差率增大, 进而电动机各绕组中的电流将增大, 温升将增加, 效率将降低, 寿命将缩短, 同时同时电压过高, 照明设备寿命就会大大的下降, 影响绝缘, 因此电力系统中无功功率的平衡与电压调整就显得十分重要了。而电力系统中无功功率平衡原则就是按地区并按电压等级对无功电源和无功负荷进行平衡, 避免经长距离线路或多级变压器传送大量无功功率, 以降低电力网损耗, 实现经济运行。

2 无功功率平衡对电压的影响

在正常的情况下, 运行的电力系统, 要求电源的无功出力应时刻都同负荷的无功功率和网络无功损耗之和相等, 也就是说系统中的无功电源对系统中的电压的影响为当无功电源比较充足时, 就能很大程度上满足较高电压水平下的无功平衡需要, 系统就有比较高的运行电压水平, 但是当无功电源不足时就会造成运行电压水平偏低, 因此, 应该在保证额定电压的基础之上保持电力系统无功功率平衡, 然后根据要求选择必要的无功补偿装置。

3 电力系统中无功功率的平衡

电力系统中送电线路不仅仅能产生无功功率, 同时还能能消耗一定的无功功率, 因此只有电力系统中线路所产生的无功功率恰好与线路上所消耗的无功功率相互平衡时, 这是才能保证电力系统供电的质量。

电力系统中无功功率平衡的基本要求就是无功功率电源可能发出的无功功率应该大于或者至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗, 同时为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长, 系统必须配置一定的无功备用容量。同时电力系统中一般要求发电机接近于额定功率因数运行, 可按额定功率因数计算发电机所发出的无功功率, 此时如系统的无功功率能够平衡, 则发电机就保持有一定的无功备用, 其它的无功补偿装置按额定容量来计算其无功功率。在电力系统中当系统的无功功率电源比较充足时系统就能具有较高的运行电压水平, 但是当系统中的无功功率电源不足时就应该采取一些措施进行无功补偿。例如可以设置一些由电力电容器和可调电抗器组成的静止补偿器, 它可以根据母线电压的高低自动控制可调电抗器吸收的感性无功功率的大小, 从而控制装置发出或吸收的感性无功功率的大小, 进而达到稳定电压的目的。同时还可以采用将低压电容器组与电动机并接, 通过控制、保护装置与电机同时投切的方式进行无功补偿, 它具有电力系统中用电设备运行时, 无功补偿就会投入, 但是当用电设备停运时, 补偿设备也跟着退出, 不需频繁调整补偿容量的优点。同时还可以采用以无功补偿投切装置作为控制保护装置, 将低压电容器组补偿在大用户0.4k V母线上的补偿方式, 此种方式可以比较好地跟踪无功负荷变化, 运行方式灵活, 运行维护工作量小。

4 电力系统中电压的调整

在电力系统中无功功率平衡是电网管理的首要条件, 电压调整只是对变压器传输不同功率时引起电压变化的平衡, 但是当电力系统中的无功补偿和调节能力暂时还达不到理想程度的时候, 就应该采取别的措施进行电压的调整, 只有这样才能保证系统中所有的设备电压保持在容许极限内, 因此电压调整就成为电力系统有效与可靠运行的最重要的条件之一。在电力系统中经常采用的就是利用变压器分接头调压, 因为变压器低压绕组的额定电压是一定的, 因此只要改变高压绕组的分接头, 即可改变变压器的变比, 从而使变压器二次侧的电压得到调整, 但是这种电压调整方式一般仅用于具有停电条件的供给季节性用户的变电所, 或者具有多台变压器并列运行容许经常进行切投操作的变电所。除此之外还可以采用并联静止补偿器的方式进行电压的调整, 它反应比较快、谐波量比较小、准确度也比较高, 同时重量比较轻, 安装简便, 运行与维护费用比较低, 既可以户外布置, 也可置于变电所内, 还有它可以进行平滑无级调压, 因而调节性能好。

5 结语

电压是衡量电能质量的一个重要指标, 但是在电力系统的正常运行中, 用电负荷和系统运行方式是经常变化的, 由此引起电压发生变化, 不可避免地出现电压偏移, 同时无功功率的平衡直接影响到电力系统的稳定性, 因此必须要随地进行无功功率平衡与电压调整, 只有这样才能保证电力系统的稳定运行。

摘要：电压是衡量电能质量的一个非常重要的指标之一, 电压的波动超过允许范围对电力系统的影响很大, 因此保证供给用户的电压与其额定值的偏移不超过规定的数值是电力系统运行调整的基本任务之一。同时由于电力系统中节点比较多, 网络结构也比较复杂, 负荷分布十分的不均匀, 因此各节点的负荷在变动时就会引起各节点电压的波动, 其中电压的波动又是由于系统中无功功率的不平衡引起的, 系统中感性无功过剩就会引起电压升高, 感性无功不足就会使电压降低。所以, 电力系统的无功功率必须保持平衡, 这是维持电力系统电压水平的必要条件。本文重点分析了电力系统无功功率与电压调整方面的问题, 以供有关人士进行参考。

关键词：电力系统,无功功率,平衡,电压调整

参考文献

[1]汪颖翔, 冯炜, 王欣.浅议电力系统的无功功率和电压控制[J].大观周刊, 2011.

[2]张放.电力系统电压控制的原理[J].内江科技, 2006.

[3]纪彦国.无功功率平衡及优化补偿[J].中国科技博览, 2010.

[4]聂国星.基于电力系统无功功率与电压的调整探讨[J].中国科技信息, 2005.

低电压大功率 篇9

1 电压型PWM整流技术

20 世纪80 年代, 随着全控型开关器件的出现和迅速发展, PWM控制技术开始得到应用, PWM控制技术首先是在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的, 随着以IGBT为代表的全控型器件的不断进步, 在逆变电路中采用的PWM控制技术已相当成熟, 把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路, 就形成了PWM整流电路。现已出现了多种PWM控制技术, 其中电压型PWM整流器的结构简单, 易于实现控制, 而且直流侧采用电容进行直流储能, 能够使电压型PWM整流器直流侧呈低阻抗的电压源特性, 得到了广泛应用。

假设三相电网电压为ua、ub、uc, 三相网侧电流分别为ia、ib、ic, 直流侧负载为电阻RL, 直流电动势为udc。根据以上假设, 可以得到三相电压型PWM整流器拓扑结构图, 如图1 所示。

2 直接功率控制系统结构

三相电压型PWM整流器直接功率控制系统有多种解决方案, 根据实际使用情况, 我们采用较传统的系统控制方案, 控制系统如图1 所示, 该控制系统主要包括主电路和控制电路两部分组成。其中主电路从三相交流电源输入后加入电感滤波器, 后经IGBT整流和电容滤波输出;控制电路首先通过功率估算器估算功率, 将估算的功率输入滞环比较器, 由扇形划分器根据滞环比较器的输出得出开关表的数据和PI调节器的数据。

本系统的控制电路主要特点有两个, 一是在控制电路中引入两个迟滞比较器, 分别控制电路的有功功率和无功功率, 通过闭环控制系统, 准确调节有功功率和无功功率;二是有功功率和无功功率采用DPC控制方式, 根据迟滞比较器输出的信号查表, 直接控制有功功率和无功功率的数值, 控制速度快、动态性能良好。

3 实时开关表建立

开关表的建立如表1 所示, 有3 个输入信号:有功增减信号Sp、无功增减信号Sq、电源电压矢量所在扇区号N, 输出信号为控制系统当前所需要的开关函数。

瞬时有功和无功功率根据检测到的电流ia、ib、ic及电压ua、ub、uc进行计算, 得到瞬时有功和无功功率的估算值p、q, 检测到的三相电压ua、ub、uc通过dq变换得到两相静止坐标系下的uα、uβ, p和q与给定的p* 和q*进行比较, 得到的偏差送入滞环比较器输出Sp、Sq功率增减信号。uα、uβ送入扇区选择器输出Nn扇区号。通过Sp、Sq、Nn各自的状态, 在预存的开关表中选取对应的开关函数Sa、Sb、Sc, 然后通过IGBT驱动电路去驱动主电路中的IGBT。

此三相电压型PWM整流器直接功率控制系统控制结构和算法简单, 同时动态响应快、抗干扰性能好, 是一种效果较好的控制方式。利用有功无功功率增减信号和电源电压矢量所在扇区位置共同作用, 在预存的开关表中选择对应的开关函数, 控制PWM整流器中IGBT的导通和关断, 即控制系统的输出功率。通过试验表明, 该三相电压型PWM整流直接功率控制系统各个节点都可获得满意的电气波形, 能够对有功功率和误工功率进行有效的控制, 功率输出稳定, 同时确保网侧功率因数为1。

参考文献

[1]周永鹏, 赵金程.三相电压型PWM整流的新型直接功率控制[J].电气传动, 2011-3-20.

[2]陈伟, 邹旭东等.三相电压型PWM整流器直接功率控制调制机制[J].中国电机工程学报, 2010-1-25.

[3]黄晶晶, 张爱民等.三相电压型PWM整流器双开关表直接功率控制策略[J].电力系统自动化, 2012-7-31.