CN104980044A - 一种具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置。目前基于逆变器的VSG控制先进、灵活、能模拟多种电压故障，但见诸报道的只有实现电压的暂降。本发明包括升压变压器、整流单元、逆变单元、LC正弦波滤波器、IGBT驱动与保护电路、采样电路及控制单元，所述的逆变单元为三相PWM逆变器，所述的整流单元为三相不控整流桥。本发明具有可灵活调节、输出精确以及动态响应快的优点，能模拟IEEEll59-1995标准规定的电网电压暂升/暂降现象，可满足变频器高低电压穿越支持装置的试验要求，也可以用于其它电气和电子产品在电网电压异常情况下的性能测试和研究。

Description

一种具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置

技术领域

本发明涉及一种同时具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置，可以模拟电网电压的异常情况，能模拟IEEEll59-1995标准规定的电网电压暂升/暂降现象，可用于变频器高低电压穿越支持装置的试验要求，也可以用于其它电气和电子产品在电网电压异常情况下的性能测试和研究。

背景技术

实际电网中，特高压交直流线路故障、电网低频振荡、大型电机启动和电网短路故障等会引起较大的电压暂降；而大规模负载的突减、大容量电容补偿器的投入等又会引起电网电压的暂升。这类电网电压暂升/暂降的情况，经常会导致发电厂变频器的停机，如果停机发生在一些关键设备上，进而会使整个发电机组跳机，对电力系统的稳定运行造成严重的威胁。这个安全隐患已引起业内的高度重视，为了解决此类大型汽轮发电机组一类辅机变频器高低电压穿越能力的问题，需要研制模拟电网电压暂升/暂降的电源，它是研发变频器高低压穿越支持设备的基础和验证手段。

目前，国内外的研究主要集中于对电网电压暂降的模拟，即电压跌落发生器(Voltage Sag Generator，VSG)，其实现方式可分为4种：基于放大器、基于开关阻抗、基于自耦变压器及基于逆变器。基于放大器的VSG主要由工作在线性放大区的功率器件来实现，主要结构是由信号发生器、A/D转换和功率放大器组成，它具有波形较丰富，动态特性好的特点，但其输出功率受功率放大器的限制；基于开关阻抗形式的VSG结构，简单来说就是设备中增加串并联补偿部分，通过控制电抗器接入电路的时间，改变电路的阻抗，进而实现输出电压的暂变，其控制简单，便于实现，但其能量损耗大，输出精度不够高；基于自耦变压器与全控型交流电子开关的VSG，主要结构是自耦变压器、不同位置引出端子连接电力电子开关、输出回路，具有响应速度快、效率高、能量可双向流动等特点，并能实现任意时刻的电压暂升/暂降、不规则波形的输出，但其无法产生任意频率与谐波的波形，电压无法自动调节。目前为止研究比较多的VSG，是基于各类电子开关的技术，并产生了诸多的技术方案。基于逆变器的VSG控制先进、灵活、能模拟多种电压故障，但目前研究较少，见诸报道的只有实现电压的暂降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于三相PWM逆变器的同时具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置，其特征在于，它包括升压变压器、整流单元、逆变单元、LC正弦波滤波器、IGBT驱动与保护电路、采样电路和控制单元；

所述整流单元的交流侧与升压变压器的副边相连；所述逆变单元的直流侧与整流单元的直流侧相连；所述LC正弦波滤波器的输入侧与逆变单元的交流侧相连，LC正弦波滤波器的输出侧用于与负载端相连；

所述的采样电路包括电压霍尔传感器和电流霍尔传感器，电压霍尔传感器安装在LC正弦波滤波器的输出侧，电流霍尔传感器安装在逆变单元的输出侧；电压霍尔传感器的信号输出端与控制单元相连，电流霍尔传感器的信号输出端也与控制单元相连；所述的控制单元是以微机为核心的控制电路，其信号输出端与IGBT驱动与保护电路相连；

所述的逆变单元为三相PWM逆变器，所述的整流单元为三相不控整流桥。

本发明的工作原理是：由升压变压器将380V电压升高至660V，通过三相不控整流桥进行整流输出，为三相PWM逆变器提供直流电压。三相PWM逆变器输出额定电压为50Hz/400V。通过控制单元对逆变器的PWM控制采用矢量控制策略，可调节输出电压幅值，理论上范围最高可达0-660V，实际根据需要设定在0-560V左右(高电压值约为额定电压的1.4倍)，期间保持频率不变，符合实际电网电压暂升/暂降的现象，装置发生暂态电压的持续时间和相位任意可调。

进一步，所述的三相PWM逆变器中，若三相进线电抗器的电感和内阻相等，即r＝r_a＝r_b＝r_c，L＝L_a＝L_b＝L_c，则在以输出电压U_abc定向的同步旋转dq坐标系(简称dq坐标系)下，三相PWM逆变器等效数学模型的数学表达式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{dI}}_{Ld}}{dt}=U_d-{\mathrm{rI}}_{Ld}-{\mathrm{\ωLI}}_{Lq}-V_d\\ L\frac{{\mathrm{dI}}_{Lq}}{dt}=U_q-{\mathrm{rI}}_{Lq}+{\mathrm{\ωLI}}_{Ld}-V_q\\ {\mathrm{CV}}_{dc}\frac{{\mathrm{dv}}_{dc}}{dt}=P_o-P_c\end{array}\right.$

其中，U_d、U_q、I_Ld、I_Lq、V_d、V_q分别为输出电压、电感电流、三相交流侧电压在dq坐标系下的d、q轴分量；V_dc为直流母线电压；P_c为不控整流端输入直流侧的有功功率；P_o为逆变器输出有功功率；t为时间；ω为输出电压角频率；C为直流侧母线电容。

进一步，所述的升压变压器将380V电压升高至660V，为电源发生装置提供电压暂升的空间。

进一步，所述的逆变单元通过改变各开关导通/关断的时间，实现输出电压0-540V范围的无级调节，输出频率固定，进而模拟IEEEll59-1995标准规定的电网电压暂升/暂降现象。

进一步，所述的LC正弦波滤波器可滤除来自于逆变单元的高频开关谐波，同时保持基频电压的幅值和相位不变，保证输出电压正弦波形满足实验要求。

进一步，所述的控制单元将来自采样电路的信息进行实时处理，结合相应算法，通过矢量控制，获得控制逆变单元开关导通/关断的脉冲信号，进而实现输出电压的精确控制。

进一步，所述的控制单元是采用TMS320F2812为核心的控制电路，在dq坐标系下采用电压闭环控制策略。

本发明的电源发生装置，基于PWM调制技术，具有可灵活调节、输出精确以及动态响应快等特点。根据实际试验的要求配置全额试验功率，可满足目前电厂一类辅机变频器高低电压穿越支持装置的试验要求，并且适用于其它电气及电子产品在各类电网电压故障下的性能测试与研究。

附图说明

图1为本发明的主电路结构示意图。

图2为本发明在dq坐标系下的逆变器等效数学模型(其中U_dq、I_Ldq、V_dq分别为dq坐标下输出电压、电感电流、三相交流侧电压矢量；V_dc为直流母线电压；P_c为不控整流端输入直流侧的有功功率；P_o为逆变器输出有功功率；ω为输出电压角频率；C为直流侧母线电容；s为拉普拉斯算子，j为复数的虚数单位)。

图3为本发明电压误差传递函数波特图。

图4为本发明逆变器的控制原理图。

图5为本发明在不同带载情况下，交流侧电压到输出电压G_V/U(s)传递函数波特图。

图6-7为本发明电压暂升/暂降波形细部图(图6中，p＝1→1.3；图7中，p＝1→0.2)。

图8为本发明电压暂升波形图(p＝1.3,t＝0.5s)。

图9为本发明电压暂降波形图(p＝0.5,t＝1s)。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明暂升/暂降电源发生装置的组成如下：升压变压器、三相不控整流桥、三相PWM逆变器、LC正弦波滤波器、IGBT驱动与保护电路、由电压霍尔传感器与电流霍尔传感器组成的采样电路及以TMS320F2812为核心的控制电路。

升压变压器将电网380V电压升高到660V,三相不可控整流桥的交流侧与升压变压器的副边相连,将交流电压整流成直流电压约为890V；三相PWM逆变器的直流侧与三相不控整流桥的直流侧相连；LC正弦波滤波器输入侧与三相PWM逆变器的交流侧相连，LC正弦波滤波器输出侧与负载端相连；电压霍尔传感器安装在LC正弦波滤波器的输出侧，电流霍尔传感器安装在三相PWM逆变器的输出侧；电压霍尔传感器的信号输出端与以TMS320F2812为核心的控制电路相连，电流霍尔传感器的信号输出端与以TMS320F2812为核心的控制电路相连；以TMS320F2812为核心的控制电路，在dq坐标系下采用电压闭环控制策略(见图4)，其信号输出端与IGBT驱动与保护电路相连。

在图1所示的逆变器中，若三相进线电抗器的电感和内阻相等，即r＝r_a＝r_b＝r_c，L＝L_a＝L_b＝L_c，则在以输出电压U_abc定向的同步旋转dq坐标系(简称dq坐标系)下，逆变器等效数学模型为图2所示，其数学表达式为式(1)所示。

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{dI}}_{Ld}}{dt}=U_d-{\mathrm{rI}}_{Ld}-{\mathrm{\ωLI}}_{Lq}-V_d\\ L\frac{{\mathrm{dI}}_{Lq}}{dt}=U_q-{\mathrm{rI}}_{Lq}+{\mathrm{\ωLI}}_{Ld}-V_q\\ {\mathrm{CV}}_{dc}\frac{{\mathrm{dv}}_{dc}}{dt}=P_o-P_c\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中U_d、U_q、I_Ld、I_Lq、V_d、V_q分别为输出电压、电感电流、三相交流侧电压在dq坐标下的d、q轴分量；V_dc为直流母线电压；P_c为不控整流端输入直流侧的有功功率；P_o为逆变器输出有功功率；t为时间；ω为输出电压角频率；C为直流侧母线电容。

逆变器输出的有功功率由前端整流桥提供，因此本发明主要考虑逆变器交流侧的控制。为确保系统输出电压的精度，本发明在dq坐标系下采用电压闭环控制策略。在输出电压U_abc定向的dq坐标系中，输出电压d轴分量与输出电压综合矢量幅值相等，q轴分量始终为零。则考虑三相对称暂升/暂降，定义暂升/暂降后电压与额定电压综合矢量的幅值比为p，则输出电压参考值的d、q轴分量为

$\left\{\begin{array}{c}{U}_d^{*}={\mathrm{pU}}_m\\ U_q^{*}=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，U_m为额定输出电压综合矢量的幅值。

在三相对称暂升/暂降故障中，和都为直流量。则采用传统PI控制器即可对电压进行无静差跟踪。PI控制器的传递函数G_pi(s)为：

$G_{pi}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}---\left(3\right)$

其中K_p和K_i分别为控制器的比例增益和积分增益系数；s为拉普拉斯算子。

则根据式(1)，dq坐标系下的交流侧电压指令为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d^{*}=G_{pi}\left(s\right)(U_d^{*}-U_d)-{\mathrm{\ωLI}}_{Lq}\\ V_q^{*}=G_{pi}\left(s\right)(U_q^{*}-U_q)+{\mathrm{\ωLI}}_{Ld}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，ωLI_Ld、ωLI_Lq分别为d、q轴解耦补偿项。则输出电压误差传递函数为

$err\left(s\right)=(U_{dq}^{*}-U_{dq})=\frac{G_{pi}\left(s\right)}{1+G_{pi}\left(s\right)}---\left(5\right)$

从图3所示电压误差传递函数的波特图中可见，稳态时，输出电压误差十分小，约等于零。即基于PI的电压闭环控制，可实现对逆变器输出电压的高精度控制。

图4所示的PWM逆变器系统控制图(图中，I_La、I_Lb、I_Lc为三相相电流，θ为相电压的相位角、θ^*为给定的相电压参考相位角，e为自然对数的底)_。首先，对三相相电压U_a、U_b、U_c进行采样，通过坐标变换得到输出电压d、q分量U _d、U _q。U _d、U _q分别与参考电压相减，得到的误差分别经过PI控制器，得到dq坐标系下的输出电压指令再将通过坐标变换得到两相静止坐标下的电压指令即为SVPWM调制的参考电压，最后得到控制逆变器开关导通/关断的脉冲信号。

由于采用PWM调制技术，逆变器交流侧电压将含有较大的开关频率的谐波。因此，逆变器交流侧电压需经过LC滤波器以滤除高频谐波，提高系统输出电压正弦度。在逆变器交流侧电压作用下系统输出电压的传递函数为

$G_{V/U}\left(s\right)=\frac{U\left(s\right)}{V\left(s\right)}=\frac{1}{{\mathrm{CLs}}^2+\frac{L}{R}s+1}---\left(6\right)$

其中，C是滤波电容值；R是负载电阻值。图5所示为不同带载情况下，交流侧电压到输出电压G_V/U(s)传递函数波特图。其中LC的参数与实验所用一致，分别为1.7mH和50μF。从图中可见，无论轻载或重载条件，LC滤波电路均能有效滤除开关谐波(4kHz)及其他高次谐波，同时基本保持基频电压的幅值和相位不变。

为了在最低电压下仍然能输出额定功率，需要提高主回路器件的电流额定值，若设计额定电压负载电流为I_N，输出最低电压为P％的额定电压时，则电源输出部分最大输出电流需要：I_N/P％(A)，这里的逆变器和滤波电感需要按此选择元器件参数。输出的最高工作电压额定的140％考虑，即560V。

本发明可以按照微机指令，任意调节输出电压的暂升/暂降值和时间，图6-9为实际搭建装置输出电压波形的实测图。

Claims (7)

1.一种具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置，其特征在于，它包括升压变压器、整流单元、逆变单元、LC正弦波滤波器、IGBT驱动与保护电路、采样电路和控制单元；

所述整流单元的交流侧与升压变压器的副边相连；所述逆变单元的直流侧与整流单元的直流侧相连；所述LC正弦波滤波器的输入侧与逆变单元的交流侧相连，LC正弦波滤波器的输出侧用于与负载端相连；

所述的采样电路包括电压霍尔传感器和电流霍尔传感器，电压霍尔传感器安装在LC正弦波滤波器的输出侧，电流霍尔传感器安装在逆变单元的输出侧；电压霍尔传感器的信号输出端与控制单元相连，电流霍尔传感器的信号输出端也与控制单元相连；所述的控制单元是以微机为核心的控制电路，其信号输出端与IGBT驱动与保护电路相连；

所述的逆变单元为三相PWM逆变器，所述的整流单元为三相不控整流桥。

2.如权利要求1所述的具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置，其特征在于，所述的三相PWM逆变器中，若三相进线电抗器的电感和内阻相等，即r＝r_a＝r_b＝r_c，L＝L_a＝L_b＝L_c，则在以输出电压U_abc定向的同步旋转dq坐标系下，三相PWM逆变器等效数学模型的数学表达式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{dI}}_{Ld}}{dt}=U_d-r{I}_{Ld}-\mathrm{\ω}L{I}_{Lq}-V_d\\ L\frac{{\mathrm{dI}}_{Lq}}{dt}=U_q-{\mathrm{rI}}_{Lq}+{\mathrm{\ωLI}}_{Ld}-V_q\\ {\mathrm{CV}}_{dc}\frac{{\mathrm{dV}}_{dc}}{dt}=P_o-P_c\end{array}\right.$

其中，U_d、U_q、I_Ld、I_Lq、V_d、V_q分别为输出电压、电感电流、三相交流侧电压在dq坐标系下的d、q轴分量；V_dc为直流母线电压；P_c为不控整流端输入直流侧的有功功率；P_o为逆变器输出有功功率；t为时间；ω为输出电压角频率；C为直流侧母线电容。

3.如权利要求1所述的具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置，其特征在于，所述的升压变压器将380V电压升高至660V，为电源发生装置提供电压暂升的空间。

4.如权利要求1所述的具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置，其特征在于，所述的逆变单元通过改变各开关导通/关断的时间，实现输出电压0-540V范围的无级调节，输出频率固定，进而模拟IEEEll59-1995标准规定的电网电压暂升/暂降现象。

5.如权利要求1所述的具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置，其特征在于，所述的LC正弦波滤波器可滤除来自于逆变单元的高频开关谐波，同时保持基频电压的幅值和相位不变，保证输出电压正弦波形满足实验要求。

6.如权利要求1所述的具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置，其特征在于，所述的控制单元将来自采样电路的信息进行实时处理，结合相应算法，通过矢量控制，获得控制逆变单元开关导通/关断的脉冲信号，进而实现输出电压的精确控制。

7.如权利要求6所述的具有电压暂升和暂降功能的电源发生装置，其特征在于，所述的控制单元是采用TMS320F2812为核心的控制电路，在dq坐标系下采用电压闭环控制策略。