趙國亮,楊 進,楊曉東,趙小英,李奇睿

(1.中國電力科學研究院 電力電子所 北京 100192;2.華北電力大學 電氣與電子工程學院,北京 102206)

可控電壓質(zhì)量擾動檢測平臺裝置的原理研究及實現(xiàn)

趙國亮1,2,楊 進1,楊曉東2,趙小英1,李奇睿1

(1.中國電力科學研究院 電力電子所 北京 100192;2.華北電力大學 電氣與電子工程學院,北京 102206)

介紹了可控電壓質(zhì)量擾動檢測平臺裝置的研究情況,重點研究了差異化配置無變壓器接入系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)和基于EtherCat的控制器設(shè)計,推導了基于功角控制的直流電壓平衡策略公式,并通過低壓模型,驗證了其有效性和可行性。

可控電壓質(zhì)量擾動檢測平臺;差異化;Ethercat功角控制

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,一方面大量非線性負荷、大型沖擊性用電設(shè)備等設(shè)備的投入惡化了配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量,另一方面各種復雜、精密、對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷增加[1]。而且,電能質(zhì)量問題對電網(wǎng)和用電系統(tǒng)造成的直接危害和對人類生產(chǎn)和生活造成的損失也越來越大。某液晶加工廠僅 2007年就因電壓暫降和短時斷電造成的直接經(jīng)濟損失就高達 4 200多萬元。因此,為了有效解決這些電能質(zhì)量問題,工程上提出了定制電力技術(shù)概念[2],與此相關(guān)的 SSTS,DVR,UPQC,APF,DSTATCO M等裝置在國內(nèi)外陸續(xù)投運,并取得了良好效果。但與其相配套的試驗能力建設(shè)研究還較少,僅有韓國和美國等國家具備相關(guān)實驗設(shè)備,而國內(nèi)僅有華北電力大學等高校進行了低壓模型的研制,因此,國內(nèi)缺乏相應的檢測試驗手段,尤其是在高壓大容量方面。一方面,造成定制電力設(shè)備的性能難以驗證,嚴重影響了用戶對定制電力設(shè)備的信心;另一方面,目前,國內(nèi)缺乏各類生產(chǎn)設(shè)備對電能質(zhì)量的耐受能力方面的評測數(shù)據(jù)和評測手段,從而導致用戶很難對定制電力設(shè)備的性能參數(shù)提出明確需求。這些因素都嚴重影響了定制電力技術(shù)在我國的推廣應用。

基于上述情況,國家科技部 “十一五”科技支撐計劃,將 10 kV復合電能質(zhì)量控制器的研制列入其重大裝備研制的項目中,其中對可控電壓擾動檢測平臺裝置提出了以下指標。電壓暫降范圍：下降深度 90%～50%的額定電壓,持續(xù)時間10 ms～1min。三相不平衡度：20%。電壓諧波：最大諧波次數(shù)不小于 25次。本文將對可控電壓擾動檢測平臺裝置的拓撲結(jié)構(gòu)、控制策略和控制器等方面進行研究。

1 差異化無變壓器接入的拓撲結(jié)構(gòu)

韓國定制電力中心 (KCPP)研制了一臺電壓暫升暫降和諧波發(fā)生裝置 (SSHG),其拓撲結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 SSHG拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Topo logical structure of SSHG

該拓撲結(jié)構(gòu)采用變壓器接入系統(tǒng),采用大容量模塊并聯(lián),避免了模塊級聯(lián),并實現(xiàn)了模塊與系統(tǒng)之間的隔離,增強了裝置的可靠性,但是由于變壓器鐵心磁通不能突變和漏抗限制,頻率較高的電壓波動與閃變和高頻電壓諧波時,對變壓器設(shè)計和裝置的控制策略提出了較高要求。而風電機組等設(shè)備對電壓諧波的限制在 25～75次,甚至有更高頻率的要求。同時,由于高頻諧波對功率器件的開關(guān)頻率提出了近似苛刻的要求,加大了設(shè)備運行的損耗,增大了冷卻設(shè)備投資。為了解決上述問題,本文針對該課題要求提出了差異化無變壓器接入的拓撲結(jié)構(gòu),其拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示。

圖2 可控電壓擾動發(fā)生裝置拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Topological structure of controlled voltage-perturbation device

該拓撲結(jié)構(gòu)采用 H橋級聯(lián)的方法實現(xiàn)基波擾動的發(fā)生,而采用專用高頻模塊與之串聯(lián)。基波模塊產(chǎn)生電壓暫降/暫升、電壓波動與閃變和電壓不平衡等基頻電壓擾動,而諧波等高頻電壓擾動由高頻模塊產(chǎn)生;這樣實現(xiàn)了高頻電壓擾動與低頻電壓擾動的解耦控制,降低了基波模塊的開關(guān)頻率要求,同時降低了諧波模塊的基波電氣應力,減小了設(shè)備的損耗,節(jié)省了設(shè)備造價。采用 H橋級聯(lián),同時避免了采用變壓器接入系統(tǒng),簡化了控制和一次設(shè)備設(shè)計難度。

2 直流電壓的功角控制策略

對四象限的整流控制器,目前,常見的控制策略為單位功率因數(shù)控制,該方法的好處是減小了四象限整流器對系統(tǒng)的無功損耗;但此時四象限整流器的輸出電壓為：

式中：為 Uz四象限整理器的輸出電壓;Us為系統(tǒng)電壓;X為兩者之間的等效電抗。

由公式 (1)可知,|Uz|＞|Us|,由于四象限整流器的輸出電壓受到可關(guān)斷器件的耐受水平限制,在諸如動態(tài)電壓恢復器 (DVR)等裝置,對四象限整流器的輸出電壓要求過高,而無法采用單位因數(shù)控制策略[3,4]。本裝置采用了動態(tài)電壓恢復器的四象限整流控制器的直流電壓功角控制方法,控制系統(tǒng)的數(shù)學模型如下：

因此,在上述近似條件下,直流電壓的功角控制策略數(shù)學模型為：

該控制策略的控制框圖如圖 3所示。

圖3 PW M整流器直流電壓控制框圖Fig.3 DC voltage contro l diagram PW Mrectifier

各種電壓擾動的波形如圖 4所示。

3 基于串行實時以太網(wǎng)的控制器

EtherCat是由德國自動控制公司 Beckhof開發(fā)的,并在2003年底成立了 ETG(Ethernet Technology Group),目前,已經(jīng)被廣泛應用于風力發(fā)電、自動化生產(chǎn)線和機器人等領(lǐng)域[5]。

一般常規(guī)的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方法都采用先接收通信幀,進行分析 (解密)后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中的各個模塊的通信方法進行的,即采用分時復用以太網(wǎng)總線;而 EtherCat的以太網(wǎng)協(xié)議幀中已包含了網(wǎng)絡(luò)的各個模塊的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的傳輸采用移位同步的方法進行,即采用串行通訊,EtherCat的主站類似于鐵路的總調(diào)度,而 EtherCat總線類似于一列高速行駛的列車,可以根據(jù)調(diào)度的要求與各站之間進行雙向交換;因此,EtherCat具有通訊實時性好、無沖突和傳送速率高等優(yōu)點,此外,EtherCat還具有各子站時鐘同步功能,同步時鐘的時間差小于 15 ns;因此,本裝置控制器采用基于 EtherCat的分層分布式控制器,其中主控制器負責完成人機交互、信息采集、以及擾動量計算;單元控制器負責完成模塊的保護和 PW M波的產(chǎn)生。EtherCat完成兩者之間的信息交換和時鐘同步功能。

4 實驗裝置

為了驗證本拓撲結(jié)構(gòu)、控制策略以及基于EtherCat控制器的性能,研制了可控電壓擾動裝置低壓模型,如圖 5所示。該模型由 9個功率模塊組成,每相 3個功率模塊,1個諧波模塊,2個基波模塊,其中,諧波模塊的開關(guān)頻率為 5 kHz,基波模塊開關(guān)頻率為 2.5 kHz。

圖5 EtherCat低壓模型Fig.5 Low voltagemodel for EtherCat

5 結(jié) 論

隨著電能質(zhì)量治理技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展,電能質(zhì)量擾動平臺技術(shù)必將成為研究的一個重點,本文根據(jù)目前的技術(shù)需要,對可控電壓擾動發(fā)生檢測平臺裝置的拓撲結(jié)構(gòu)、控制策略和控制器進行了研究,提出了差異化配置無變壓器接入系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)和基于 EtherCat的控制器設(shè)計,推導了基于功角控制的直流電壓平衡策略公式,并通過實驗證明該方案是切實可行的。

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Principle and Im plementation of Con trollab le Voltage Quality Disturbance Detection Platform

Zhao Guoliang1,2,Yang Jin1,Yang Xiaodong2,Zhao Xiaoying1,LiQirui1
(1.Power Electronic Technology Department,China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;2.School of Electric and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

In this paper the controllable voltage quality disturbance detection platform device is introduced.Based on the differential access to the system configuration without transformer and the controller design based on Ether-Cat,the power angle control strategy for DC voltagebalance is proposed,which is proved effective and infeasib le by low-pressuremodels.

controllable voltage quality disturbance detection platform;differentiation;power angle control of Ethercat

T M714

A

2009-12-31。

趙國亮 (1978-),男,博士研究生,主要研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用,E-mail：zgliang@epri.ac.cn。