10kV电压扰动装置主电路设计及稳态运行特性

周 静，叶卫华，庞腊成，李富鹏

（1.国网电力科学研究院，北京 100220；2.国网智能电网研究院，北京 100220；3.江苏省电力公司，江苏 苏州 215000）

1 引言

生产生活中不断涌现各种高科技产品，如数控机床、高精度测量仪器、精密医疗设备、变频调速设备和各种自动化生产线等。这些以微处理器或计算机为核心的先进设备对供电质量和供电可靠性提出了比传统设备更高的要求，其对电网中的谐波、过电压、短时断电、电压暂降、电压骤升等干扰十分敏感，任何一种电能质量问题都可能引起生产作业过程的中断或设备故障，造成巨大的经济或政治损失[1]。

在对电能质量进行研究和治理的过程中，必然会涉及到检验电能质量分析理论正确性的问题。目前供电公司电网电压稳定要求都有相应的考核指标，一般不具备在线检验的条件，所以要想验证理论，需要有专门装置来模拟这些电网的故障[2～5]。在此，我们设计一种新型的电力扰动发生装置并研究其稳态工作性能，主要内容包括以下几个方面[6～7]：（1）主电路结构设计：本文将对多功能电压扰动发生器的主电路结构进行详细设计，该装置采用多绕组变压器加H桥级联的结构，使装置的电压等级达到10 kV；（2）电压扰动装置稳态特性分析：重点分析装置在产生电压暂降扰动、电压不平衡扰动和电压谐波扰动时的稳态工作性能。

2 10kV电压扰动装置原理

电压扰动发生装置的工作原理如图1所示，电压扰动装置放于系统电源与被测试设备之间[2～5]。扰动装置产生的电压与系统电压叠加得到需要检验的各种工况电压。其中图1中给出的是发生电压暂降时实现的电网工况。

图1 10kV电压扰动装置原理

3 主电路拓扑

本文研究的电压扰动发生装置主电路拓扑如图2所示。5个级联基波模块用以产生暂降、暂升、过压、欠压、不平衡、波动与闪变电压。1个谐波模块产生要求的谐波电压。整流器采用单相电压型PWM可控整流，完成从系统吸收有功能量或向系统倒灌能量的功能，实现直流电容电压稳定。

4 主电路参数设计

针对技术指标，主电路参数计算如下所示。

4.1 直流母线电容

直流电容值根据允许的电压纹波系数设计，主要与交流侧容量有关，一般由式（1）决定：

式中，Sac为功率模块交流侧容量，Ud0为直流电压平均值，ΔU为电容电压波动峰值。按照电压纹波峰值50V、交流侧容量100kVA来设计，则：

直流电容取8200μF。电容串联后额定电压为1.35kV，留有一定裕量控制直流电压在1kV。

图2 10kV电压扰动装置主电路拓扑结构

4.2 功率开关器件

目前，逆变器主电路所采用的开关器件主要有功率场效应晶体管(MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。IGBT具有MOSFET电压驱动、开关频率高、无二次击穿问题等优点，又具有电力晶体管(GTR)通态电流大、反向阻断电压高等优点，因此在中等容量中应用最广泛。

IGBT电压的选择决定于直流母线电压，一般取IGBT耐压为直流母线电压Udc的2倍左右。由于IGBT位于逆变桥上，其CE端与电力电容并联，同时电力电容器容量较大，起到了缓冲波动和干扰的作用，因此安全系数不必取得很大。

本文取IGBT选用1700V/450A。采用单相结构时，开关管能够承受1kV直流电压，需要控制交流电流有效值不超过280A。

4.3 变压器

变压器一方面将逆变器和电网隔离，另一方面当采用的是升压变压器时，可以降低逆变器直流侧电压等级。这有利于提高装置的可靠性，同时可以更加灵活地选择开关器件。

扰动装置带调节装置负载时，不论发生何种扰动，扰动装置的有功负载恒定，有功大小取决于负载有功功率。根据设计指标，负载最大有功功率不超过1MW。当发生50%三相电压暂降扰动时（无相位跳变），扰动装置逆变侧需要吸收1MW有功功率，此时变压器需要传送最大功率1MW。需要传送最大功率一般为短时工况，变压器可短时2倍过载，变压器容量可选0.5MVA。考虑谐波绕组容量，变压器容量最终选择0.6MVA。

从基波模块PWM整流侧看，当调制度取0.85时，交流电压有效值为0.6kV。为了在正常工况下PWM整流器交流侧流过最小电流，变压器二次侧基波绕组额定电压取为0.6kV。

根据设计指标，谐波模块逆变侧注入谐波电压幅值为系统额定电压的10%。调制度为0.95时直流电压的最小值为0.858kV，取谐波模块直流电压为0.86kV。从谐波模块PWM整流侧看，当调制度取0.83，交流电压有效值为0.5kV。变压器二次侧谐波绕组额定电压取为0.5kV。

故选择变压器额定容量0.6MVA，一次侧D接，二次侧每相6个绕组，其中5个基波绕组、1个谐波绕组。基波绕组变比为10.5kV/0.6kV，谐波绕组变比为10.5kV/0.5kV。变压器一次侧绕组额定电流0.019kA，二次侧基波绕组额定电流0.0556kA、谐波绕组额定电流0.0667kA。变压器原边对副边单绕组阻抗电压8.7%（副边单个绕组短路且达到额定电流），原边对副边所有绕组阻抗电压11.25%（副边所有绕组短路且达到短路电流）。

4.4 PWM整流器交流侧电抗

根据电路理论，变压器向PWM整流器传输的有功功率为

式中， U1为变压器二次电压0.6kV，U2为PWM整流器交流侧电压0.6kV，X为变压器漏抗（原边对副边基波绕组，8.7%），δ为变压器二次侧电压超前角度。每个PWM整流器最大传输功率P≈66.7kW，移相角度δ≈10°，则基波绕组电流为：

可以看出，基波绕组电流刚好达到2倍过载，且远小于280A。

4.5 逆变侧交流滤波器

电压型逆变器在一定程度上可以看成是一个谐波源，会产生一定的谐波，滤波单元是用来消除谐波电压的。一般谐波单元采用无源LC滤波器，基本要求是LC滤波器的固有谐振频率必须远远大于逆变器输出电压的基波频率。

假设逆变侧等效开关频率为10kHz和20kHz两种，需要输出最大次数谐波电压为25次，频率为1.25kHz。采用如图3所示的滤波器结构，谐振频率选为4kHz，阻尼比0.3。

图3 10kV电压扰动装置滤波器结构

滤波器传递函数为：

按照L=4.5mH、C=0.3μF、R=75Ω所设计的滤波器，其滤波特性如图4所示。从滤波特性看，25次谐波幅值增益接近0.85dB，10kHz谐波幅值增益接近-9.5dB，20kHz谐波幅值增益接近-17.5dB。

5 扰动装置稳态运行特性分析

5.1 电压暂降扰动

电压暂降是指在工频下，电压的有效值短时间内下降。典型的电压暂降值为0.1～0.9倍标称值，持续时间为0.5个周期到1min。

试验中，假设扰动前后负载功率不变，容量2.4MVA、功率因数0.5。设置0.55s时，负载侧发生电压暂降50%扰动，负载功率不变。带此负载时，整流侧向系统倒灌的功率最大（1.2MW）。

图4 滤波器滤波特性

PWM整流器相关运行参数随时间变化波形见图5。从图中可以看出，直流电压超调接近30%后趋于稳定。在扰动发生后约5个周波内，PWM整流器交流侧电流超过2.4倍额定电流（最高达3.3倍，有效值182A）。PWM整流器达到稳态时，调制度在设计范围内（0.8～0.85），移相角接近16°，交流侧电流接近2.4倍额定电流（有效值131A），直流电压中含有峰值接近39V的100Hz纹波分量，直流电容电流峰值接近400A。

PWM逆变侧相关运行参数随时间变化波形见图6，在扰动发生后，PWM逆变器很快达到稳态，交流侧电流接近2.2倍额定负载电流（有效值247A），调制度接近0.8。

5.2 电压不平衡扰动

电压不平衡是指三相电压之间在幅值上的差别，或者相对正常电压相位差存在相位偏移，亦或两者兼而有之，不平衡度太大，会造成设备利用率下降、异常发热、负序分量增加等一系列危害。

实验中假设负载为恒阻抗，额定容量2.4MVA，功率因数0.9。设置0.55s，负载侧发生电压不平衡度为20%的扰动，负载阻抗不变。

系统、负荷侧相关运行参数随时间变化波形及负载电压序分量见图7。从图中可以看出，负载电压具有所要求的不平衡特性。

5.3 电压谐波扰动

传统电压谐波是通过有一定内阻的电源驱动非线性负载实现的。这种方法不仅设备占用空间多，功耗大、效率低，且不易控制。本文实现设计的扰动发生装置则通过在调制波中加入各次谐波，且通过对谐波成份及大小的指定，能够高效率地实现所需的谐波扰动。

图5 0.55s发生电压暂降扰动，PWM整流器运行参数

图6 0.55s发生电压暂降扰动，PWM逆变器运行参数

试验中假设恒阻抗负载，额定容量2.4MVA，功率因数0.9。0.55s负载侧发生幅值为额定电压10%的25次谐波，负载阻抗不变。

图7 0.55s发生电压不平衡扰动，系统、负荷侧运行参数

PWM整流器相关运行参数随时间变化波形见图8。

图8 0.55s发生谐波电压扰动，PWM整流器运行参数

从图中可以看出，扰动前后直流母线电压几乎不受影响。稳态时，PWM整流器交流侧基波电流可忽略不计（含有较多高次谐波电流），调制度在设计范围内（0.8～0.85），移相角接近0°。

PWM逆变器相关运行参数随时间变化波形及逆变输出电压频谱分析见图9。稳态时，PWM逆变输出的25次谐波电压有效值接近10.2%（0.589kV），调制度接近0.95。

图9 0.55s发生谐波电压扰动，PWM逆变器运行参数

6 结论

本论文通过详细的理论分析与仿真计算，对装置主回路参数进行了设计，并通过PSCAD/EMTDC仿真对装置的稳态性能进行了校验，结果证明这些参数是可行的，可以供装置设计制造使用，装置实际设计制造时，结构和参数可以根据制造厂要求和现场安装布置需要适当进行一些变化。

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