高低电压穿越能力测试用电压暂升暂降发生装置

姚新阳胡 伟徐 贤顾 文黄学良

（1.东南大学电气工程学院，南京 210096；2.江苏省电力公司，南京 210024；3.江苏方天电力技术有限公司，南京 211102）

高低电压穿越能力测试用电压暂升暂降发生装置

姚新阳1胡 伟2徐 贤2顾 文3黄学良1

（1.东南大学电气工程学院，南京 210096；2.江苏省电力公司，南京 210024；3.江苏方天电力技术有限公司，南京 211102）

国家电网公司近期发布了《大型汽轮发电机组一类辅机变频器高、低电压穿越技术规范（征求意见稿）》，提出了变频器高低电压穿越能力要求，但却缺少相应的检测设备。本文研制了一种 10kW 低压辅机变频器高低电压穿越能力测试用电压暂升暂降发生装置，系统主拓扑为背靠背式三相PWM变换器，可实现各种平衡或不平衡电压暂升暂降，幅值变化范围为0～130%UN。样机测试证明，该装置能准确快速地输出目标电压，满足对火电厂一类低压辅机变频器进行高低电压穿越能力测试的要求。

低压辅机变频器；高低电压穿越能力测试；电压暂升暂降发生装置；背靠背式PWM变换器

鉴于低压辅机变频器高低电压穿越能力的缺失，国家电网公司发布了《大型汽轮发电机组一类辅机变频器高、低电压穿越技术规范（征求意见稿）》，对高低电压穿越区进行了相应的规定，提出了3个低电压穿越区和一个高压穿越区，在穿越区内变频器应能够保障供电对象的安全运行。

许多电厂也陆续按此规范对低压辅机变频器进行了高低电压穿越改造，为了检验低压变频器的高低电压穿越能力，需要对低压变频器及进行高低电压穿越能力改造后的低压变频器进行测试[1]，但却缺少相应的检测设备。

目前，市场上的高低电压穿越试验用电压暂降发生器多采用阻抗型或变压器抽头发生器[2]。该方法只能产生固定幅值的三相平衡电压跌落，但电网中电压故障类型多样，因此有必要研制能模拟电网不平衡故障的电压暂升暂降发生装置。电力电子式电压暂降发生装置因具有精度高、灵活性高、体积小等特点，便于现场试验场合使用，正在成为研究的新方向。

本文设计了一种电压暂升暂降发生装置，采用电力电子积木架构，相比无源阻抗或变压器构成的电压跌落器，更具扩展性及可控性。可实现各种平衡或不平衡电压暂升暂降模拟，幅值变化范围为0～130%UN，充分满足低电压穿越能力测试的要求。

1 拓扑结构及控制原理

主电路采用两个三相PWM变换器构成背靠背结构，拓扑如图1所示。图中左侧为网侧整流器，右侧为故障侧逆变器。

图1 拓扑结构

1.1 网侧整流器

网侧整流器是一个三相PWM电压型整流器，如图2所示，主要用于提高直流母线电压，为后级逆变器实现电压暂升提供足够高的直流电压。

图2 网侧整流器结构图

本装置中的三相PWM整流器主要有两个控制目标：①保证直流侧电压恒定；②实现网侧功率因数为 1。为满足以上两个目标，采用双环控制，即电压外环和电流内环[3]。

三相PWM整流器在dq同步旋转坐标系下的数学模型为

式中，ed、eq为三相电网电压矢量在d、q轴上的分量；id、iq为网侧电流的 d、q轴分量；Sd、Sq为开关函数对应的d、q轴分量；ω为电网基波角频率。

可以看出，三相PWM整流器电流环是一个相互耦合的系统。d轴电流要受q轴电流控制，同时q轴电流也要受d轴电流的控制。为此，采取前馈解耦控制策略，电流调节器采用PI控制器调节，则ud、uq的的控制方程如下：

式中，Kip、Kil分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益，分别为id、iq电流参考值。

由式（2）可得网侧整流器的控制框图，如图3所示。在电压外环中，反馈的直流电压udc与参考值比较后形成的偏差经电压环 PI控制器后得到 d轴电流的参考值。为了保证三相 PWM整流器能够在单位功率因数下运行，此处q轴电流的参考值设为0。在电流内环中，三相输入电流经坐标变换后转换为输入电流的dq轴分量id和iq，分别与其参考值作比较，得到的偏差信号再经过电流环PI控制器后通过与前馈信号和交叉反馈信号综合，形成dq轴的参考电压。经坐标转换后，送到SVPWM发生器形成开关控制信号。坐标变换的基准角度由锁相环测量电网电压相角所得。

图3 网侧整流器控制框图

考虑到需要模拟 130%UN电压暂升，将母线电压控制为700V。

1.2 故障侧逆变器

电压暂降有A～F共7种类型[4]，但由于变频器为三角形负载，且前级无隔离变压器，因此，装置只需生成A（三相接地短路）、B（单相接地短路）、C（两相相间短路）、E（两相接地短路）4种电压暂降，这4种电压暂降的幅值和相角见表1。

表1 四种电压暂降类型的幅值和相角

表中 X为电压变化比例，在直流母线电压为700V，X=1时，逆变器输出电压为130%UN，因此，若要输出60%UN，则X=0.462。

本装置的故障侧采用开环控制，按照表1中的电压幅值和相角设定调制波，即可逆变产生目标电压。

2 主电路参数设计

2.1 功率器件选型

装置功率P=10kW，三相电网线电压Uin=380V，则输入电流有效值I为

输入电流的峰值Im为：

考虑到有些低电压穿越改造方案会造成变频器输入侧5倍的过电流[5]，即，则IGBT的额定电流ICEM(S)选为

直流侧输出电压udc=700V，增加一定的裕量，最终选择了西门康公司的SKM300GB12E4型IGBT模块，其耐压值为1200V，额定电流为300A。

IGBT模块的开关频率需要综合考虑整流器的系统参数。频率太低不但会增加滤波器的体积和重量，还会增大输入电流的谐波含量；频率太高则开关损耗增加。因此，本文输入环节三相PWM整流器采用的开关频率为4.8kHz。

2.2 直流侧电容设计

直流侧电容容量的计算式为

2.3 输入滤波电感设计

在整流器中，输入滤波电感的主要作用是储存能量，滤除高频谐波，减小高频电流纹波等。其值不但影响着电流内环的动静态响应速度，而且还制约着整流器的输出功率、直流母线电压以及功率因数等。

滤波电感值的选取既要考虑到电流快速跟踪性能，又要考虑如何减小谐波畸变率。通过对电流的瞬态分析可得

综合考虑，滤波电感的值取0.6mH。

3 控制系统设计

3.1 控制系统硬件设计

本装置采用两块DSP2808来分别作为PWM整流器、逆变器的控制器。DSP2808的主频最大为100MHz，3.3V供电，采用 100个引脚封装，所有产品引脚兼容，具有高达64k的Flash。片上集成：12位模数转换模块（ADC），支持16路信号采样；增强型捕获比较单元（CAP）可捕获脉冲信号；增强型脉宽调制器（ePWM），可同时输出16路PWM信号；4个同步串行通信接口（SPI），两个异步串行通信接口（SCI），可以实现与DSP及外设的通信。

控制板硬件框图如图4所示，系统以DSP为核心，对输入电压和电流、直流母线电压实时采样，产生PWM波控制IGBT的通断，使输出达到的设定值。同时DSP2808可实时保持人机通信，方便用户控制。

图4 控制板硬件框图

电源模块采用 TI公司的高精度电源芯片TPS70351，这是一款双路输出低压降的集成电路稳压器，输入电压5V，输出两组稳定的电压3.3V和1.8V供DSP使用。

系统时钟采用外接一个20M晶振的方式来提供时钟脉冲信号。晶振产生的时钟脉冲信号经DSP内部锁相环PLL模块倍频至100MHz后送至CPU。

驱动板的核心采用西门康公司的高性能驱动芯片SKYPER32 PRO。SKYPER32 PRO最大开关频率可达 50kHz，内部综合集成了短路、过流以及欠电压监测电路等各种保护电路，是一款高可靠性的，功能强大的IGBT驱动元件。

电压采样选用LEM公司的LV25-P型电压霍尔传感器，电流采样选用LT208-S7。霍尔传感器的输出为电流信号，通过外接的采样电阻转换为电压信号。

3.2 控制系统软件设计

软件程序的开发环境采用 TI公司的集成开发环境CCS3.3，控制系统的软件程序由主程序以及中断程序组成，如图5所示。软件设计采用模块设计的方法，整个系统是通过调用子程序和接收中断处理来实现的。在TMS320F2808上电开始运行后，主程序首先对DSP各单元进行初始化配置，初始化完毕后，开全局中断，进入循环函数，使系统处于等待状态，以便在中断到来时能快速响应中断，并进入相关中断服务程序。软件流程图如图5所示。

图5 软件流程图

软件程序中的中断主要包括通用定时器ePWM中断和不可屏蔽（TZ）中断。ePWM中断主要用来产生PWM信号，在整流器中，该模块执行AD采样/转换、双闭环控制、PWM波产生等子程序；在逆变器中，该模块执行读取触控板指令、SPWM波产生等子程序。不可屏蔽（TZ）中断主要用于交流侧过流保护，同时也接受 IGBT驱动板发来的保护触发信号。通过DSP内部的逻辑电路实现输出PWM驱动信号的全关闭，从而实现保护功能。当系统开始工作时，TZ中断使能，此时若有触发信号，即可立刻进入该中断。

4 实验结果及结论

对经过以上设计制作的样机进行实验室带载实验，装置输出侧接入10kVA阻感性负载，功率因数为0.8。对电压暂降发生器的A、B两相进行录波，设置60%A类电压暂降，装置输出电压波形如图6所示，两相电压幅值均下降至60%UN。设置60%B类电压暂降，装置输出电压波形如图7所示，A相幅值降低至60%UN，B相幅值不变。设置120%电压暂升，装置输出电压波形如图8所示，两相电压幅值均上升至120%UN。

图6 60%A类电压暂降

图7 60%B类电压暂降

图8 120%平衡电压暂升

实验结果表明，该装置能够实现指定电压幅值和电压类型的电压暂升暂降，精度高，响应快，为火电厂低压辅机变频器高低电压穿越能力测试提供了测试电源。

[1]张彦凯,智勇,拜润卿,等.火电厂辅机变频器低电压穿越能力的研究[J].电气传动,2014(11): 55-58.

[2]汤伟,刘路登,殷骏,等.火电机组辅机变频调速系统低电压穿越测试[J].中国电力,2016(2): 26-30.

[3]郑忠玖.三相电压型 PWM 整流器控制策略及应用研究[D].大连: 大连理工大学,2011.

[4](意)Angelo Baggini,肖湘宁,陶顺,等.电能质量手册[M].北京: 中国电力出版社,2010: 51-198.

[5]王晓宇,张涛,刘树,等.火电厂辅机变频器低电压穿越电源[J].电力自动化设备,2015(5): 152-159.

Voltage Sag&Swell Generator Used in High & Low Voltage Ride Through Ability Test

Yao Xinyang1Hu Wei2Xu Xian2Gu Wen3Huang Xueliang1
(1.School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096; 2.State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024; 3.Jiangsu Frontier Electric Technology Co.,Ltd,Nanjing 211102)

State grid company recently released the "Technical Manual Related to High&Low Voltage Ride Through of A Class of Auxiliary Inverter in Large Steam Turbine-Generator (draft)" and put forward the requirement of high & low voltage ride through ability.But there is a lack of the testing equipment.This paper proposes a 10kW voltage sag & swell generator used in high & low voltage ride through ability test for low-voltage auxiliary inverter.Its main topology is a back-to-back three-phase PWM converter.The generator can realize balanced or unbalanced voltage sag & swell from 0 to 130%UN.Experiment shows that this device can output target voltage accurately and rapidly and meet the requirements of high&low voltage ride through ability test for low-voltage auxiliary inverter in thermal power plant.

low-voltage auxiliary inverter; high&low voltage ride through ability test; Voltage Sag&Swell Generator; back-to-back PWM converter

江苏省电力公司科技项目（J2015007）

姚新阳（1991-），女，江苏南京人，硕士在读，研究方向为电力电子在电力系统中的应用。