电能质量扰动发生器控制策略及其实现.pdf

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电能质量扰动发生器控制策略及其实现1 电能质量扰动发生器控制策略及其实现2 电能质量扰动发生器控制策略及其实现3 电能质量扰动发生器控制策略及其实现4 电能质量扰动发生器控制策略及其实现5 电能质量扰动发生器控制策略及其实现6 电能质量扰动发生器控制策略及其实现7
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第42卷第23期2014年12月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVb1.42NO.23Dec.1.2014电能质量扰动发生器控制策略及其实现戴喜良,李尚盛,孙建军,杨泽洲,吴楠(武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072)摘要:为了测试电力变压器、CVT、电力电容器、无功与谐波补偿装置等试验设备在电能质量扰动下的工况,设计了一种电能质量扰动发生器,能模拟实际电网输出各种形式电压与电流扰动。采用电压外环与电流内环的PWM整流控制实现了直流电压的稳定;利用电压前馈与重复学习相结合的控制策略实现了发生器较高精度输出;利用DSP+FPGA构建控制系统具有较好的实时性与可靠性。通过10kV、2MVA工业样机实验,证明了设计的正确性。关键词:电能质量扰动发生器;电压扰动;电流扰动;控制策略;DSP+FPGAControlstrategiesandimplementationofpowerqualitydisturbancegenerator——DAIXi-liang,LIShangsheng,SUNJian-jun,YANGZezhou,wUNan(SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:Inordertotestthetheworkingconditionofdevicessuchaspowertransformer,CVT,powercapacitor,reactiveandharmoniccompensatorinpowerqualitydisturbanceenvironment,apowerqualitydisturbancegeneratorisdeveloped,whichCansimulatetheactualpowersystemtooutputvariousformsofpowerqualitsvoltageandcurrentdisturbance.ThestabilityoftheDCvoltageisrealizedbyuseofvol ̄geouter-loopandcurrentinner-loopPWMrectifiercontrol;bYuseofacontrolstrategywhichcombinesvoltagefeed-forwardandrepetitivelearning,thehighaccuracyoutputisachieved;thecontrolsystemconstructedbyDSP+FPGAhasgoodreal-timeandreliability;thecorrectnessofthedesignisprovedthroughthetestson10kV,2MVAindustrialprototype.Keywords:powerqualitydisturbancegenerator;voltagedisturbance;currentdisturbance;controlstrategy;DSP+FPGA中图分类号:TM714文献标识码:A—文章编号:16743415(2014)23.0131-070引言近年来,我国电力系统飞速发展,为国民经济的快速发展提供了强有力的电力保障。以特高压交直流输电网络为骨架、多级电网协调补充的智能化坚强电网逐步形成,很好地解决了输供电容量问题【lJ。与此同时,随着工业技术的发展、高科技的应用,特别是由此带来的电力电子负荷大量投入,电能质量和供电可靠性等问题得到越来越多的关注。考虑到电力系统负荷的多样性和复杂性,现代电力系统负荷的典型特性可以归结为谐波含量大(整流设备)、功率因数低(三相感应电机)、功率波动剧烈(电弧炉)、冲击性强(电气化铁道和城市轨道交通)等几类。当前电网电能质量问题非常突出,这不仅会缩短设备使用寿命、增加电网损耗、降低成品率等,严重时甚至会危及电力系统的正常运行[_。目前,出现了大量的电能质量治理设备【o引,较常见的有:动态电压恢复器(DVR)、固态切换开关(SSTS)、有源电力滤波器(APF)、静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)、不间断电源(UPs)等。除此之外,还有很多其他定制电力系统装置,解决了特定工况下的电能质量问题。电能质量问题的突出及电能质量治理设备的发展,对电力设备测试手段提出了挑战。这些挑战主要来自两个方面:第一,电能质量对电力设备的影响,包括传统设备及新兴设备。在传统电力设备测试中,由于试验手段及系统需求的限制,往往忽略了电能质量问题的影响,而仅仅针对理想工况下的技术指标进行测试,对于非理想工况,特别是各种暂态过程及谐波对电力设备的影响,无法进行测试。第二,如何测试和评价电能质量分析理论的正确性及设备的治理性能。在进行电能质量研究时,一132一电力系统保护与控制需要对电能质量分析理论的正确性进行校验,对电能质量治理设备的应用效果进行检验。针对目前出现的众多电能质量治理设备,缺乏足够的手段对其治理性能等关键性技术指标进行测试与评价。目前,已有多篇文献涉及电能质量扰动发生装置的研究,文献[11]提出了基于交直交结构的大功率电能质量信号发生装置,但其逆变侧未采用级联型结构,因而限制了装置电压等级与输出容量,且不易输出较高次谐波;文献[12]提出了新型多功能电压扰动发生器的设计,但只是从仿真的角度验证了设计的正确性,并未进行工程实验论证,而且缺少电流扰动模式:华北电力大学对扰动源方面做了相关研究,并且研制出了工业样机,但也只是处于低压、小容量水平L1J。针对上述问题,此处提出了一种基于全控型电力电子器件的电能质量扰动发Ⅳ生器,其每一相由个背靠背功率单元在逆变侧级联而成,能模拟各类常见的电压与电流扰动,且可实现高压、大容量输出,在实际应用中,可针对电力变压器、CVT、电力电容器、无功与谐波补偿装置等试验设备,测试其在谐波、不平衡、频率变化、波动、暂降等扰动下的工况,进而对其建立测试与评价指标。1扰动发生器结构如图1所示,为电能质量扰动发生器单相主回路,主要由输入变压器、扰动发生器与滤波回路等部分组成。扰动发生器可看成三个单相结构在逆变侧采用星形方式连接成三相结构。其中,输入变压器为单相多绕组变压器,主要作用是将系统电压降低到一个额定值,为功率单元提供输入电压,并起到电气上的隔离作用;扰动发生器由JV个背靠背功率单元在逆变侧级联而成,能够有效提高装置输出的等效开关频率,从而精确控制输出高次谐波,生成给定指令的电压与电流扰动;滤波回路采取RLC滤波,能有效消除高次纹波的干扰,主要起平滑输:蔓::]田K;Rs“功率ji“”IIL整流逆变:I..........__jI...........输入变压器扰动发生器滤波路图1电能质量扰动发生器单相主回路Fig.1Single・phasecircuitofthepowerqualitydisturbancegenerator出作用。与此同时,由于整流侧和逆变侧均采用全控型器件,使得背靠背结构两侧变流器均能实现四象限运行。2扰动发生器等效模型2.1电压模式系统等效模型(图2)图2电压模式等效模型Fig.2Equivalentmodelinvoltagemode在电压模式下,被试品通过RLC滤波器与扰动发生器相连。根据电压指令调节电压源的电压输出,即可改变被试品两端电压。若只考虑基波与50次以下谐波输出,且滤波回路能有效滤除开关纹波,则有。Mssin(sCOot+)(1)1s=lⅣ式中:为级联单元数;E为单元直流电压;S为谐波次数;为调制比;为初始相位。2.2电流模式系统等效模型在电流模式下,被试品通过变压器接在电网和可控电压源之间,调节可控电压源即可调节被试品两端电压,从而可以控制流过被试品的电流。图3为电流模式等效模型,其中,£.为滤波电抗,为输出变压器电抗,为被试品电抗,U为扰动源‘输出电压,为电网电压,为输出电流,其中i:竺二f21j・(Ls1。2+Ls3)一式中:zf为定值;/,/可变,通过改变甜。即实现了对电流的调节,从而实现了电流模式。图3电流模式等效模型Fig.3Equivalentmodelincurrentmode3扰动发生器控制策略如图4所示,为扰动发生器其中一个背靠背功率单元主电路。功率单元主要由PWM整流桥与PWM逆变桥组成,其中:厶为输入侧滤波电抗;CTI为直流侧储能电容;R为均压电阻,可以为能量提供释放通道;为直流侧电压;甜。为单元输入电压;为单元输出电压;为单元输入电流;fr为戴喜良,等电能质量扰动发生器控制策略及其实现.133.单元输出电流。+J“d。口tI上,一J运图4背靠背功率单元主电路—Fig.4Maincircuitofback-tobackpowerunit—频CPSSPWM调制,再通过级联结构与滤波回路便可输出目标电压。采用重复学习控制能够有效。消除由于周期性扰动带来的周期性误差,从而提高输出的跟踪效果。3.1PWM整流桥控制策略PWM整流桥目的是为了建立直流电压并维持其稳定。如图5所示,为PWM整流阶段的控制框图,主要采用电压外环与电流内环的双环控制算法。控制原理如下:不考虑谐波干扰,b/在实际中包含直流分量与脉动的交流分量,而交流分量幅值较小且不易控制,因此通常将的控制转变为对直流分量瓦的控制,实现方法是将。经过滑窗求平均后得到一个周期的平均值,即直流分量,然后将其△“与指令量进行比较,得到偏差量经过PI调节器再与输入电压,相乘,便可得到与输入电压同相位的指令电流;将实际输入电流与指令电流进行比较,得到的偏差量经过比例环节便可得到调制信号;另外,为了使直流电压控制效果更加稳定,还需加入电压前馈控制,将乘以比“例系数得到调制信号。甜、两者相加,即可得到最终所需的调制信号甜。图5PWM整流桥控制原理Fig.5ControlprincipleofPWMrectifierbridge3.2PWM逆变桥控制策略PWM逆变桥主要作用是生成给定的电压或电流指令信号,实现扰动源的输出。逆变侧采用单极—倍频CPSSPWM调制技术,能大大提高等效开关频率,从而保证输出波形的质量与效果。根据功能分类,逆变器控制策略分为电压模式控制策略与电流模式控制策略,现分别对其进行介绍。1)电压模式下的控制策略如图6所示,为PWM逆变桥电压模式控制策略。扰动发生器根据所需的扰动合成指令电压:,将其与输出电压甜进行比较,所得的偏差量进行重复学习控制,便可得到调制波。经过单极倍图6PWM逆变桥电压模式控制原理Fig.6ControlprincipleofPWMinverterbridgeinvoltagemode2)电流模式下的控制策略如图7所示,为PWM逆变桥电流模式控制策略。电流模式控制的目标量为输出电流,但在高次谐波下,电流会在连接电抗器上产生较大的电压降,从而影响实际输出,因此需加入相应的补偿量;此外电流模式加入了功率因数连续可调的功能。控制原理如下:扰动发生器根据所需扰动合成指令电流,同时根据目标功率因数可得有功与无功指令和,分别将其与实际输出有功量P和无功量9进行比较,经过PI调节后进行砌反变换,可得电流信号,将与ff相加并与输出电流fc进行比较,所得的偏差量进行重复学习控制,便可得到调制波r,;同时,将与连接阻抗相乘可得到补偿m量;加入前馈控制可得,其中前馈量包含两“部分,即与输入电压同相位的分量k・。以及超前。于输入电压90。的分量・。;将、,、三者相加便可得到最终的调制信号,经过单极—倍频CPSSPWM调制,便可输出目标电流。功率因数控制图7PWM逆变桥电流模式控制原理Fig.7ControlprincipleofPWMinverterbridgeincurrentmode3)重复学习控制参数设计如图8所示,为重复学习控制原理图,由图可知,其传递函数G(S)为一簪戴喜良,等电能质量扰动发生器控制策略及其实现.135.三丑撂醐840—4—8堇耄一0独8堇羽纂世抽>1珀辑一群一1510520ms53O540(a)基波10kv时输出波形550260270280290300v'llls(b)基波10kV叠加47次谐波2kV时输出波形fc1暂降幅度为55%、时间1s时电压有效值30040ot/ms(d)正弦波波动模式下,波动范围20%、波动频率1OH[Z时输出波形立、羽蜂幅1050—5101002003004005006O0Vmsfe方波波动模式下,波动范围20%、波动频率10Hz时输出波形立~珀辑掘(O15%不平衡时输出波形图11电压模式下空载输出特性实验波形Fig.11Waveformsofno-loadoutputcharacteristicsexperimentinvoltagemode表1电压模式试验数据Table1Mainparametersofvoltagetest测量值(相值)输出条件(线值)参数实测精度基波10kV基波5.72kV9907%基波10kV+13次2kVl3次1.15kV99.68%基波10kV+47次2kV47次1.08kV93.9O%基波10kV+5次1kV5次0.56kV97.68%+7次1kV7次0.57kV98.O3%基波10kV+2O%波动波峰6.79kV97.99%暂降基波10kV+55%暂降2.56kV98.84%输出不平基波10kV+l5%不平衡14_89%99.27%衡度5.3电流模式输出实验电流模式输出实验主要验证电流模式下的输出特性,将包括基波输出特性、谐波输出特性、波动输出特性以及功率因数输出特性等。通过Fluke1750可观察到扰动发生器不同特性下的电流输出波形。≤200田蜱0.0醐200:f:+,,:。。曩-';一{f_……・、7_一・……’曩-:;;#,・,…X。。。t矗,…0r・。::』:::::::一:,05101520253O35404550556065707580t/ms(a)基波电流为2OA时A相电流输出波形l…………~’’三。。一;■0_?j—Ill^o。}∥-。#、}l¨ll攥一200[甏一强日JL———————————JLJ————————LL』JJJ————————————▲^JJLL^JJL35404550556065707580t/ms(b)基波15A叠加23次谐波3A时A相电流输出波形稠舞播(c)正弦波波动模式下,波动范围20%、波动频率25}Iz输出电流波形、羽簿蒋魑t/msfd)方波波动模式下,波动范围10%、波动频率25Hz输出电流波形之sooo}/、/_/、__/^\室一o0:\/ll\/\.//jho.o。。tL0上工j—二_L0工__=I_=j--_LLL上工0sooo。一sooooo05lOl520253035404550556065707580t/ms(e)功率因数为1时A相电压与电流输出波形O00510152025303540455055606570758Ogins(f)功率因数为一1时A相电压与电流输出波形图12电流模式下输出特性实验波形Fig.12Waveformsofoutputcharacteristicsexperimentincurrentmode《媛《《。矗0.0一200一136.电力系统保护与控制如图12所示,为电流模式输出特性实验波形,表2为试验数据。由试验结果可知,在不同的输出特性下,逆变侧均能根据给定的指令输出效果较为理想的电流波形,输出精度也较高,但是相比于电压模式而言,电流模式往往达不到额定容量输出,主要是由于在电流模式下,整个回路的等效内阻抗较大,给扰动源造成了很大的内压降,可通过优化线路参数设计来改善系统的等效阻抗或改进控制算法来提高输出波形的效果。表2电流模式试验数据[4]Table2Mainparametersofcurrenttest测量值(相值)输出条件(相值)参数实测精度基波2OA基波19.80A99.O%基波15A+13次5A13次4.91A98.2%基波l5A+23次3A23次2.78A92.67%5次4.70A94.0%基波15A+5次5A+7次2A7次1.98A99.0%基波15A+20%波动波峰l6.95A94.17%功率因数输出为1PF0.9999.O%6结论本文提出了一种基于全控型电力电子器件的电能质量扰动发生器,并对其控制策略与硬件实现进行研究。本文所提出的电能质量扰动发生器最大特点就是能输出各种类型的电能质量扰动,可以模拟Ⅳ现场扰动环境。该扰动发生器每相主拓扑由个背靠背功率单元在逆变侧级联构成,其中单元整流侧采用单相多绕组变压器输入,在电气上起到隔离作用,逆变侧采用级联方式,可有效提高装置输出电压等级以及输出波形质量。在控制方式上,本文采用电压前馈以及重复学习控制,能够保证指令的准确跟踪输出。最后,通过电压与电流模式各种类型的扰动试验,证明了该拓扑结构的良好性以及控制策略的正确性。参考文献[1]李兴源,魏巍,王渝红,等.坚强智能电网发展技术的研究【J】.电力系统保护与控制,2009,37(17):1-7.—LIXingyuan,WEIWei,WANGYu-hong,eta1.Studyonthedevelopmentandtechnologyofstrongsmartgrid[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(17):1-7.[2]刘志刚,张巧革,张杨.电能质量复合扰动分类的研究进展[J].电力系统保护与控制,2013,41(13):146.153.——LIUZhigang,ZHANGQiaoge,ZHANGYang.Review[5][6][7][8][9][10]ofpowerqualitymixeddisturbancesidentification[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,41(13):146.153.徐政,卢强.电力电子技术在电力系统中的应用[JJ_电工技术学报,2004,19(8):23.27.XUZheng,LUQiang.Applicationofpowerelectronictechnologyinpowersystems[J].TransactionsofChina—ElectrotechnicalSociety,2004,19(8):2327.金广厚,李庚银,周明.国内外电能质量控制水平及管理策略[J].电力自动化设备,2005,25(1):1-5.JINGuang-hou,LIGeng-yin,ZHOUMing.Powerqualitymitigationlevelandmanagementpolicyindomesticandforeignelectricutilities[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2005,25(1):1-5.孙辉,魏庆海,邹积岩,等.电能质量调节技术及其应—用[J]_大连理工大学学报,2003,43(2):243247.SUNHui,WEIQing-hai,ZOUJi・yan,eta1.Powerquali够conditionertechnologyanditsapplication[J].JournalofDalianUniversityofTechnology,2003,43(2):243.247.王平,高阳,王林泓,等.基于DSP与FPGA的实时电能质量监测终端系统[JJ.电力系统保护与控制,2012,—40(121:126129.—WANGPing,GAOYang,WANGLinhong,eta1.ResearchofrealtimepowerqualitymonitoringsystembasedonDSPandFPGA[J].PowerSystemProtection—andControl,2012,40(12):126129.JEWEw_Powerqualitylaboratorytesting[C]//IEEEPowerEngineeringReview,Kansas,USA:2002.GIRGISAA,MAKRARNEB,BALDWINTL.Computer-basedharmonicgeneratorfacilitiestostudyharmonicrelatedproblems[J].IEEETransonPowerSystems,1989,4(3):1252・1257.CHUNGYH,KWONGH,PARKTB.Voltagesagandswellgeneratorwiththyristorcontrolled[C]//IntemationalConferenceonPowerSystemTechnology,Kunming,China:2002.王晶,徐爱亲,翁国庆,等.动态电压恢复器控制策略研究综述[J].电力系统保护与控制,2010,38(1):145.150.—WANGJing,XUAi-qin,WENGGuoqing,eta1.AsurveyoncontrolstrategyofDVR[J].PowerSystem戴喜良,等电能质量扰动发生器控制策略及其实现.137.—ProtectionandControl,2010,38(1):145150.[11]赵剑峰,王浔,潘诗峰.大功率电能质量信号发生装置设计及实验研究【J].电力系统自动化,2005,29(20):71.74.——ZHAOJianfeng,WANGXun,PANShifeng.Design—andexperimentalstudyofhighpowerpowerqualitysignalgenerator[J].AutomationofElec 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̄ercontrolstrategyfor—PWMVSIbasedactivepowerfilter[J].Transactionsof—ChinaElectrotechnicalSociety,2005,2O(2):5662.—收稿El期:201402-22;——修回日期:20140606作者简介:戴喜良(1989-),男,硕士研究生,研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用;E-mail:simondai__OlO@163.com李尚盛(1982一),男,博士研究生,研究方向为大功率电力电子装置及其在电力系统中的应用;孙建军(1976-),男,博士,副教授,研究方向为大功率电力电子技术应用。
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