一种无变压器无储能电容的串联型电压跌落补偿装置实验研究

一种无变压器无储能电容的串联型电压跌落补偿装置实验研究 一种无变压器无储能电容的串联型电压跌 落补偿装置实验研究 第32卷第4期 2008年2月 电网技术 PowerSystemTechnology Vo1.32NO.4 Feb.2008 文章编号:1000—3673(2008)04—0046—06中图分类号:TM714文献标识码:A学科 代码:470.405l 一 种无变压器无储能电容的 串联型电压跌落补偿装置实验研究 詹佩,陈增禄,姚伟鹏,陈佩,宋'健 (西安工程大学电子信息学院,陕西省西安市710048) AnExperimentResearchonTransformerlessSeriesVoltageSagCompensators withoutEnergy-StorageCapacitor ZHANPei,CHENZeng—lu,YAOWei—peng,CHENPei,SONGJian (CollegeofElectronicsandInformation,Xi'anPolytechnicUniversity,Xi'an710048,Shaan xiProvince,China) ABSTRACITheauthorsproposeatransformerlessserial voltagesagcompensationschemeinwhichtheenemy—storage componentisnotequipped.Comparingwithtraditionalvoltage sagcompensationmethods,intheproposedschemetheDC capacitorischargedbylinevoltage,thusthevoltage compensationrangeisextendedandthecompensationcanbe realizedwhilethevoltageofeachphasesagsdownby37%of ratedvalueorthevoltageofonephasekeepsitsratedvalue andthevoltagesofothertwophasessagsdowntozero.Based ontheproposedschemeanexperimentalresearchonthe controlofinverterinthree?-phasefour?-wiresystemisperformed inwhichthecontrolstrategyoftrianglewavetrackingandis used,andtheresultvalidatesthecorrectnessandeffectiveness oftheproposedscheme. KEYWORDS:voltagesag;powerquality;series;tracking control;energy—storageelement 摘要:钳对电刚电压跌落问题,提出了一种无变压器,无储 能元件的串联型电压跌落补偿.与传统方案相比,该方 案利用线电压对直流电容充电,扩大了补偿电压的范围,能 在_三相电压同时跌落至正常值的37%或..相电压保持额定 而其余两相电压跌至0时实现补偿.往卜述新型补偿电路拓 扑的基础_卜对j相四线制系统进行了实验研究,采用三角波 跟踪控制策略得到了相实验结果,验证了该方案的正确性 和有效性. 关键词:电压跌落;电能质量;串联型;跟踪控制;储能 元件 O引言 电网电压瞬时跌落是电能质量最常见的问题 之一l】.引,它是由输电系统短路故障,过负荷,开关 操作,大型电机启动等原因造成的.电网电压瞬时 跌落具有不可预见性,影响范围较大J,会造成相 当大的经济损失】.因此,利用补偿装置消除电网 瞬时跌落电压,提高电能质量非常必要. 常见的串联型电压跌落补偿装置是动态电压 恢复~(dynarnicvoltagerestorter,DVR),它通常有 一 个储能单元,通过注入变压器向电网注入补偿电 压"..1.因此,储能单元容量的大小和变压器的效 率决定了DVR补偿性能的优劣.近年来,人们对 电压跌落补偿装置的研究主要集中在装置的补偿 能力和效率上.文献[121提出了一种无变压器的串 联型电压跌落补偿装置.该装置采用级联式多电平 逆变器,提高了补偿深度.文献[131提出了一种动 态电压校正器.该装置省略了储能电容,利用相电 压对直流侧电容充电. 本文将主要分析研究一种新型的无变压器,无 储能元件的串联型电压跌落补偿装置lI.利用线电 压对直流侧电容充电,以扩大该装置补偿电压的范 围,并在这种电压跌落补偿装置的拓扑进行实 验,结果明,选用本文的滤波电容时,在三相对 称跌落深度为45%或两相电压跌落到12%而另一 相电压额定时,该装置仍能使负载电压维持在额定 值附近. 1补偿电路的结构 本文实验补偿方案所采用的主电路拓扑如图1 所示.图中:B,C相的拓扑与A相相同;每相由 2个双半波整流电路与1个半桥逆变电路构成,半 桥逆变电路串联在电网中;C】和为A相直流侧 电容;N,No和N为接地点.由图1可知,该主 第32卷第4期电网技术47 A B C 图1主电路拓扑 Fig.1Topologyofthemaincircuit 电路利用本相与其它两相构成的幅值较大的线电 压给直流侧电容充电,使相电压跌落到较低的幅值 时仍然有相对较高的直流母线电压,提高了电压跌 落的补偿范围.与动态电压校正器电路相比,由于 采用了线电压充电方式,该主电路拓扑可同时适用 于三相三线和三相四线制系统.由一种全控型交流 电子开关构成的旁路开关与逆变电路并联. 在电网电压正常时,旁路开关导通,电网直接 与负载连接,逆变电路不工作,这样减少了逆变器的 开关损耗和滤波器上的损耗.同时,线电压给直流侧 电容充电.当电网电压发生跌落时,旁路开关断开, 逆变器的驱动信号解封锁,逆变器输出电压与电网电 压迭加后共同给负载供电,以维持负载电压恒定.在 逆变器进行电压补偿期间,直流侧电容释放能量的同 时由线电压对其充电.因此,该拓扑中的电容不作储 能用,而主要起滤波作用.与传统装置中作为储能装 置的电容相比,该拓扑结构需要的电容更小,同时线 电压充电方式使电路的补偿深度增大. 2电压跌落深度的理论分析 为分析可补偿的三相电压最大跌落深度,三相 电压跌落补偿的相量图见图2. 图2三相电压跌落补偿相量图 Fig.2Vectordiagramofthreephase voltagesagcompensation 图中:i,,和k分别代表A相,B相和C相且 f;,,,,,是跌落的三相输入电压;f2 是i,7相之间跌落的线电压幅值,该线电压为变压 器中的电容充电;R是i相的额定电压幅值;?是 理论中性点;D为圆心.假设三相电压中,i相为 幅值跌落最大的一相,,相为幅值跌落最小的一相, 设P,p日P分别是i,和k相的跌落因数,则 IU2=PU垠 {U2=P,U(1) 【U2=P 从图2可以得出 U2=?【2cos(n/6)]+[2sin(n/6)+f2】(2) 电容并不是无穷大,因此在跌落补偿期间,电 容上的电压保持动态平衡.设电压衰减系数 印?(0,1),它是在动态补偿过程中,滤波电容上电 压达到动态平衡时,其最小电压和最大电压的比 值,则P,PJ和q的关系为 UiR=Ui2+qU2(3) 假设UiR=浓=UkR,则 qz:(4) p-i-pipi七P 由式(4)可以看出滤波系数和补偿深度的关系.设电 容容量足够大,即q=l,则式(4)可等效为 P+PP-I-2p一1:0(5) 由式(4)(5)绘出的P,Pj和q的关系曲线见图3. PJ 图3Pi,厅和q的关系 Fig.3Therelationship0f,pjandq 对于特殊情况,可假设只有,相电压跌落而其 余两相电压额定或两相电压跌落的幅度相同而另 一 相电压保持额定,跌落因子定义为P..l,而对于 三相对称跌落,跌落因子定义为P..2.根据式(4) 可以求出P.和P..2与q的关系,如图4所示. 另外,文献【8】将动态电压校正器电路的跌落因数定 义为P..,该跌落因数也绘于图4中.从图4可明 显看出,上述电路拓扑能在三相电压对称跌落至正 常电压的37%或一至两相电压跌落至0而其余相保 持额定时,将三相负载电压补偿至额定值. 詹佩等:一'种无变压器无储能电容的串联型电压跌落补偿装置实验研究 Vo1.32No.4 图4q与P,P2和P3的关系 Fig.4TherelationshipbetweenqandPcaseI,Pn2,Pcase3 3控制策略 PWM逆变电路的控制方法有计算法,调制法, 跟踪控制方法,矢量控制法,滑模变结构控制法以 及一些新型的控制方法,其中跟踪控制方法包括滞 环比较方式,定时比较方式,三角波比较跟踪控制 方式,双重?跟踪控制方式c】I等.|三角波比较跟 踪控制方式的优点在|f功率开关器件的开关频率 保持恒定,这为设计滤波器带来了方便,同时采用 这种控制技术得到的输出电压谐波较少. 本文设计的装置采用三角波跟踪控制策略,给 定的三角载波频率为10kHz.下面介绍实现控制策 略过中的几个关键环节. (1)控制系统框图. 本文采用电压环反馈跟踪控制.二三角波比较方 式的控制结构见图5.图中具体给出了A相控制结 构,B,c相结构与A相相同;",":和"分别为 A,B和C相的指令电压信号;"‰和"分别为 二相反馈电压信号;e.,eb和e分别为三相误差信 号;e:为A相误差经调节器输}}{的信号;".与 #Agatea2,"叫ebl与"叫eb2,"叫ecl与"州ec2为3组半 桥逆变电路驱动信号,每组驱动信号驱动一相半桥 逆变电路I,下管;".,".b,"..分别为A,B,C 相逆变器输}}|电压的基波分量. 图5三角波比较方式的控制结构 Fig.5Controlstructureinthewayof trianglewavecomparison 以图5中的a相电路为例,指令信号"与反馈 信号"比较后得到的误差信号e经调节器输出.调 节器输出信号e与兰角载波进行比较,得到两路互 补的驱动信号,分别驱动半桥逆变电路的上,下管. B,C相的控制原理与A相相同. (2)输出侧滤波器设计. 滤波器是电压补偿装置的重要环节.该滤波器 必须保证能够有效滤除开关谐波,不失真地传递基 波幅值和相位,滤波器电压损失足够小等. 输出侧的滤波器原理见图6.图中:虚线框内 电感L和电容C组成一个逆变器输出滤波器; 为逆变器输出电压的基波分量;为负载电压为 纯电阻负载. 图6输出侧的滤波器原理 Fig.6Principleofoutputfilter 由图6可知,有滤波器输入输出的传递函数为 "r— l uoS.|+2芎s|mn+, 式中:自然振荡角频率,=1/?Lc;阻尼比 1/-7- ?,为使滤波器不放大谐波,也不对基波 信号衰减,通常取=0.5.给定角载波频率 10kHz,基波频率fo=50Hz,截止频率I厂n选在I厂与 的几何中点处,则 =,/iof(6) 考虑到滤波器损耗要尽可能的小,有 joJL<<R(7) 根据R=370Q,由式(6)8)计算得到的滤波器参数 为上67mH,C=752nF. (3)逆变器模型. 在整个闭环系统中,逆变单元是一个非线性环 节.为建立闭环系统模型,首先需要将逆变单元线 性化.对图5虚线框内的部分建立图7所示的动态 平均模型.图7中:E为三三角载波峰值;为逆变 器输出脉宽调~lJ(pulsewidthmodulation,PWM)电 压的幅值:丁为三角波周期. 由于三角载波频率远大于基波频率,在一个载 波周期内,可近似认为正弦调制信号幅值不变.令bl ??? 第32卷第4期电网技术49 正 .歹……—…….-厂-F-v 一一l一/;i:\7r一 ::整: 图7三角波比较方式的动态平均模型 Fig.7Dynamicaveragemodelin thewayoftrianglewavecomparison 表示1个载波周期内正弦调制信号的平均幅值, 表示1个载波周期内逆变器输出脉宽调制电压基波 分量的平均值,则 = (27/一1)E2(8) = (27/一1)El(9) 式中系数77=/丁,比较环节的输入与输出的传递 函数近似为一个常数,即 )==鲁Mw (4)反馈电路设计. 如果反馈信号取自图6中的负载电压(,r,用 G()表示调节器环节,则系统闭环结构框图见图8, 其中变量的下标i表示A,B,C三相. 为获得一定的相角裕度,将G()设计成一个积 分环节,使截止频率落在一20dB/dec的斜率上.系 统对应的对数幅频特性如图9所示. L LCs+ [二= Ls/R+1I'l 图8系统闭环结构框图 Fig.8Structurediagramoftheclosedloopsystem dB 卣 ,1 O :. \ 2兀.14o 图9系统对数幅频特性 Fig.9Characteristicoflogarithmmagnitude-frequence 设基波频率为50Hz,为截止频率,为转 折频率,滤波器的谐振峰点在1.4kHz处为使闭 环系统有较快的响应速度,截止频率应尽可能 高.随着的增大,阻尼系数减小.当较小 I>>27c'50{ >>oJc(10) 1<<27c'1400 图10反馈信号采样电路 Fig.10Samplecircuitoffeedbacksignal 为保证反馈电压信号能较好地复现负载电压 信号,必须要求电阻上的电压远小于电容c0上 的电压,且反馈电压U的相位与逆变器输出电压基 波分量(,n的相位尽可能接近. (5)调节器设计. 根据上述分析,建立的系统闭环控制结构如图 11所示,此时将逆变电路等效成一个线性环节,用 系数PwM表示,将调节器设计成一个纯积分环节, 使控制系统成为一个典型的I型系统,只需根据需 要设计相应的PwM. 图11系统闭环控制结构 Fig.11Structurediagramoftheclosedloopsystem 4实验研究 4.1实验参数 本文的实验参数如下:半桥逆变器中开关器件 选取MOSFET_IRF460;开关管最大耐压为500V; 考虑到器件特性和主电路结构,实验中的模拟正常 相电压有效值为67V,模拟电压跌落时间为800ms; 50詹佩等:一种无变压器无储能电容的串联型电压跌落补偿装置实验研究 Vo1.32No.4 L=37mH;C=330nF;R=370'2;R0=300'2;Co: 350nF;逆变桥滤波电容参数为450V/100gF. 4.2实验结果与分析 (1)三相电压对称跌落. 三相电压对称跌落的实验结果见图12.实验中 正常电压有效值为67V,跌落电压有效值为30V, 电压跌落深度约为45%.由图12可知,采用本文 的实验装置可将负载电压迅速补偿至额定值附近. 之 200 l00 > 0 一 100 - 200 (b)补偿后的=相电压波形 图12三相电压对称跌落的实验结果 Fig.12Experimentresultswhen threephasevoltagesagsymetricaily 根据上述理论分析可知,在理想情况下,本文 的实验装置可将三相电压对称跌落补偿到额定值 的37%.但由于电容为非理想情况,实验中三相电 压对称跌落的最大深度为45%.此时直流侧电容电 压的衰减系数为75%. (2)两相电压跌落很深而另一相电压保持额定. 模拟的三相电压跌落波形见图13.实验中正常 电压有效值为67V,两相跌落电压有效值为8V.由 图13可知,负载电压补偿响应快,补偿后的负载电 之 (b)补偿后的三相电压波形 图l3两相电压跌落很深而另一相电压保持额定的实验结果 Fig?13Experimentresultswhentwophasevoltage sagdeeplyandotheroneisrated 压波形良好.由于电容衰减系数的存在,当一相电压 保持额定时,另外两相电压的最大跌落深度为12%. 5结论 (1)与传统方案相比,本文的串联型电压跌 落补偿方案利用线电压给直流侧电容充电,提高了 电压补偿的深度,同时,该方案无需变压器串联在 电网中,降低了补偿装置的体积和成本. (2)本文在三相四线制系统下对该方案进行 了实验研究,结果表明该方案具有较深的电压跌 落补偿深度.同时,本文采用三角波比较跟踪控 制方式使负载输出波形能较好地跟踪指令正弦 波,且系统动态响应较快,能满足补偿动态电压 跌落的要求. (3)由于开关器件限制,实验中模拟的正常 相电压幅值偏低,实验装置输出的功率较小,这是 该装置的一个不足之处.另外,当上述装置接非线 性负载或在三相四线制系统下运行时,可将其控制 策略和实验效果作为今后研究的重点. 参考文献 [1]袁川,杨洪耕.动态电压恢复器的改进最小能量控制[J】.电力系 统自动化,2004,28(21):49.53. YuanChuan,YangHonggeng.Advancedminimumenergycontrolof dynamicvoltagerestorer[J].AutomationofElectricPowerSystems, 2004,28(211:49—53(inChinese). [2]张迪,姜齐荣,张秀娟.动态电压恢复器的能量稳定控制[J】.电 网技术,2006,30(1):14—18. ZhangDi,JiangQirong,ZhangXiujuan.Energysteadycontrolfor dynamicvoltagerestorer[J].PowerSystemTechnology,2006,30(1: 14—18(inChinese). [3]朱桂萍,王树民.电能质量控制技术综述【J】.电力系统自动化, 2002,26(191:28—31. ZhuGulping,WangShumin.Asurveyonpowerqualitycontrol technology[J].AutomationofElectricPowerSystems,2002,26(19,: 28—31(inChinese). [41HyosungK.Minimalenergycontrolforadynamicvoltagerestorer [C].ProceedingsofthePowerConversionConference,Osaka,2002. [5J王宾,潘贞存,董新洲.电压跌落的配电线路全线速切治理方案 『J].电网技术,2006,30(21):84—88. WangBin,PanZhencun,DongXinzhou.Aschemeofthefasttripping currentprotectionfordistributionlinesbasedonthevoltagesag mitigation[J].PowerSystemTechnology,2006,30(21:84—88(in Chinese). 【6]袁佳歆,陈柏超,万黎,等.利用配电网静止无功补偿器改善配 电网电能质量的方法【J].电网技术,2004,28(19):81—84. YuanJiaxin,ChenBaichao,WanLi,eta1.Themethodtoimprovepower qualityofdistributionsystembydistributionstaticcompensator ….PowerSystemTechnology,2004,28(19):81—84(inChinese). [7]黄瀚,杨潮,韩英铎,等.配电网动态电压调节器控制策略的研 究[川.电网技术,2002,26(1):l一4. HuangHan,YangChao,HanYingduo,eta1.Studyoncontrolstrategy ofdynamicvoltagerestorerfordistributionnetwork[J].PowerSystem 第32卷第4期电网技术5I (上接第39页continuedfr0mpage39) 参考文献 [1]石晶,邹积岩,何俊佳,等.故障电流限制技术及研究进展[J1.电 网技术,1999,23(12):63.66. ShiJing,ZouJiyan,HeJunjia,eta1.Developmentoffaultcurrent limitingtechnologyanditsprogress[J].PowerSystemTechnology, 1999,23rl2):63—66(inChinese). [2]SteurerM,HolausW,KalteneggerK.Anovelhybridcurrent—limiting circuitbreakerformediumvoltage:principleandtestresults[J].IEEE TransonPowerDelivery,2003,18f2):460—468. [3J叶林,林良真.超导故障限流器在电力系统中的应用研究[J1.中国 电机工程,2000,20(7):1-5. Yeljn,LjnLalngzhen.Superconductingfaultcurrentlimiterapplications inelectricpowersystems[J].ProceedingsoftheCSEE,2000,20(7): 1-5(inChinese). 『4l张绪红,周有庆,吴桂清,等.饱和铁也I型超导限流器的仿真设计 方法tJ].电网技术,2004,28(6):49.53. ZhangXuhong,ZhouYouqing,WuGuiqing,eta1.Anewdesignmethod forsaturatedcoresuperconductorfaultcurrentlimiter『J_.PowerSystem Technology,2004,28(6):49—53(inChinese). [5]AmonJ,FernandezPC,RoseEH,eta1.Braziliansuccessfulexperience intheusageofcurrentlimitingreactorsforshort—circuitlimitation [C].InternationalPowerSystemsTransients,Montreal,Canada,2005. [6]GorV,PovhD,LERCHE,eta1.SCCL—anewtypeofFACTSbased short-circuitcurrentlimiterforapplicationinhigh—voltagesystems [C].CIRGE,Paris,2004. [7]王华昕,习贺勋,汤光福.谐振型故障限流器阻抗特性仿真和参数 优化『J].电力系统自动化,2007,3l(5):6165. WangHuaxin,XiHexun,TangGuangfu.Simulationandparameters optimizationoftheresonancefaultcurrentlimiterresistance [J1_AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(5):61—65(in Chinese). [8]林集民,郑健超,陈葛松,等.伊冯可控串补主要器件的基本工作 条件及总体工作能力探讨[J1.电网技术,1997,21(9):1-6. LinJimin,ZhengJianchao,ChenGesong,eta1.Capabilitiesandstresses onmaincomponentsofYi—FengTCSC[J].PowerSystemTechnology, 1997,21(9):1-6(inChinese). [91林集民,郑健超,陈葛松,等.伊冯可控串补过电压保护控制及主 动绝缘配合研究『J].电网技术,1998,22(6):1-6. LinJimin,ZhengJianchao,ChenGesong,eta1.Overvoltageprotection controlandactiveinsulationcoordinationofYi—FengTCSC[J].Power SystemTechnology,1998,22(6):1-6(inChinese). flO1钟胜.与超高压输电线路加装串补装置有关的系统问题及其解决方 案【J].电网技术,2004,28(6):26.31. ZhongSheng.Problemscausedbyad~ngseriescompensationsEHV transmissionsystemandtheirsolution[J].PowerSystemTechnology, 2004,28f6):26—31(inChinese). fl11陈葛松,林集明,郭剑波,等.500kV串补站过电压保护研究[J1_电 网技术,2001,25(2):2126. ChenGesong,LinJiming,GuoJianbo,eta1.Overvoltageprotection for500kVseriescompensationstation[J].PowerSystemTechnology, 2001,25(2):2l一26(inChinese). [12]曾昭华,蒋卫平,班连庚,等.伊冯500kV可控串补系统中断路器 的工作条件及操作过电压[J1.电网技术,2000,24(5):1-5. ZengZhaohua,JiangWeiping,BanLiangeng,eta1.Workingconditions ofcircuitbreakersandswitchingsurgesinYiI血n—Fengtun500kV TCSCcompensatedsystem[J].PowerSystemTechnology,2000,24(5): 1.5rinChinese). 收稿日期:200710.22. 作者简介: 王华昕(1975,),男,博士研究生,研究方向为FACTS技术的应 用,Email:wanghuaxin@epri.ac.cn; 习贺勋(1978一),男,博士研究生,研究方向为FACTS技术的 应用; 汤广福(1966,),男,教授级高级工程师,长期从事FACTS和HVDC 的开发及其相关试验方法的研究; 郑健超(1939,),男,中国工程院院士,长期从事高电压,FACTS 技术的研究工作. (责任编辑沈杰)