大功率电能质量信号发生装置的交-直-交拓扑

大功率电能质量信号发生装置的交-直-交拓扑

0用电质量信号发生装置研究随着现代科学技术的发展，在我国长距离制造、信息、计算机、通信等行业存在着大量的智能、精细、复杂的电子设备和控制设备，如服务器、数据机床、直线等。这些设备对于电能质量问题比传统的机电设备更加敏感。当电源电压发生畸变,如跌落、闪变、谐波等问题时会给这些行业带来巨大的经济损失。据统计,美国因为电能质量问题所带来的损失一年超过500亿美元。因此,国内外学者对电能质量问题进行了大量的研究。然而,目前的研究主要集中在对电能质量问题的检测、分析、评估、治理方面,对用电设备的电能质量敏感度研究还没有引起足够的重视,这方面的研究成果较少。如能对其进行深入研究,并改善用电设备的电能质量敏感度,将可以大量减少电能质量问题所带来的经济损失。开展用电设备的电能质量敏感度研究需要能够产生各类电能质量问题的大功率电能质量信号发生装置。现有设备存在结构笨重、功能单一、输出精度不高、输出功率小、缺乏智能化、通用性差的缺点,因此,缺乏合适的实验设备也制约了当前的研究工作。目前,对电能质量信号发生装置的研究主要包括以下内容:1)大多用线性功放产生电能质量信号,采用电力电子技术实现的较少;2)主要研究控制技术方面,功率电路设计涉及较少;3)逆变输出的信号主要以正弦波为研究对象,涉及具有突变特点的信号较少;4)三相AC-DC-AC电路直流特点研究较多,单相AC-DC-AC电路直流侧电压特点研究较少。计算机技术和电力电子技术的发展为研制新型的电能质量信号发生装置提供了技术基础。本文针对电能质量信号发生装置的特点,结合控制策略,进行了软件、功率电路设计,推导了直流电压的数学模型用于指导直流侧电容设计,在此基础上采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心,大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为开关器件研制了试验样机,并进行了相关实验研究。1特性硬件设计如图1所示,样机采用双脉宽调制(PWM)结构,以DSP作为控制核心,由辅助电路、触发电路、采样电路、功率器件、直流电容、滤波器等构成电路硬件。整流侧控制实现单位功率因数控制和保持直流电压恒定的功能,采用电流滞环控制。逆变侧采用正弦脉宽调制(SPWM)控制,用来产生各类电能质量信号。2硬件设计2.1压电下限值的确定整流侧采用电流滞环控制,电感设计按照以下方法确定:电流过零附近的开关频率最高,电感大小必须能够保证跟随参考电流的需要,从而确定电感的上限值,图2为电流过零处一个开关周期内的波形;在电流峰值附近的开关频率较低,电流的谐波成分增多,需要依靠电感来抑制谐波,从而得到电感的下限值。图3为电流峰值处一个开关周期内的波形。其中,i*为参考电流。电感上限值确定如下。根据图1写出如下方程:式中:T为开关周期;Ed为直流电压。电流过零附近,要使一个开关周期内实际电流i能够跟随参考电流i*的变化,即要求直线ab的斜率不小于直线oc的斜率,即经推导可得,整流侧为单位功率因数控制时,输人电感值的上限为:电感下限值确定如下。为使电流脉动最小,在电流峰值附近应当有|△i1|=|△i2|,单位功率因数控制使得此时电压也在峰值附近,有为抑制电流脉动,使最大脉动幅值为△imax,将以上条件代入式(1),电感必须满足下式:电感取值在介于式(4)和式(6)决定的值之间可以满足要求。2.2信号覆盖物电能质量信号范围不局限于简单正弦波,还包括许多非正弦信号。普通正弦信号变化率相对而言不大,按照余弦规律变化,没有变化率突变的点。而有些电能质量信号会出现陡峭的上升或下降沿,如形成电压凹陷、尖峰等信号;电能质量信号包括很多不规则的信号,这些信号含有很多的谐波成分,要求很宽的频域才能满足要求,输出滤波器参数的设计必须与之适应,因此可以根据输出频率特性采用低通滤波器。滤波器截止频率的设计必须能够保证通过高次谐波频率,并考虑裕度和偏差。如果需要通过15次谐波,截止频率必须大于750Hz,考虑裕度后可以选择1000Hz以上的截止频率。然后,根据截止频率计算相应参数。2.3含谐波时电压波动的仿真分析直流侧电容的取值与直流电压密切相关,通过瞬时功率平衡原理建立方程,可以推导出直流电压与直流电容之间的数学关系模型,该模型可以指导直流电容及电路其他参数的设计。考虑输入输出电压电流都含有谐波的情况,电压电流的表达式如下:对于某次谐波不存在时,可以令其幅值为0。根据瞬时功率平衡的理论,建立瞬时功率平衡方程,参见图4得:式中:限于篇幅,直接给出解此方程的结果如下:Ps-Pu为输入、输出功率之差,为直流电容充电到控制电压目标值所需功率,在控制过程中是变量;当直流电压到达控制目标稳定后,此时ps-pu为0,Ed即为控制目标电压的平方值,此时式(10)可以表示为:当输入和输出均为基波且直流电压到达稳态后:式中:K,λ为常数。通过对式(10)、式(11)的分析可得,输入输出量中含有谐波时,电压脉动特点与只有基波时不同,由于通常基波部分最大,就脉动幅值而言,两者基本相同,谐波主要影响脉动的波形,使之发生畸变。图5为输出电压包含谐波的仿真结果,其中Ut为输出电压。从图中可以看出,谐波主要影响脉动波形,对脉动幅值影响不大,这可以从物理意义上给出解释,因为谐波主要产生无功分量,不会对直流电压的幅值产生过大的影响。基于以上分析和仿真结果,在设计直流电容时可以按照只有基波的情况进行计算,得到的电容值同样满足含谐波时的电路工作要求。对于波动,考虑如下的实际可能情况:在工作时发生电源电压的突然变化,由于输入电感的作用和控制时滞,此时直流侧功率不平衡,导致直流电压迅速上升或下降,因此在控制调节起作用前,直流电容必须能够保证电压波动不超过允许值。设在波动开始时刻直流电压为ue,调节时间为△t,功率差值为△p,则设允许电压波动范围为△u,达到功率平衡所需的调节时间为△t,则电压脉动幅值相对于电压波动很小,满足电压波动的电容值也能满足抑制电压脉动的需要,式(14)表明电压的波动程度与电压调节速度密切相关,选择响应速度快的整流控制策略能有效抑制直流电压的波动。3功率开关器件试验样机容量为4.4kVA,交流侧额定电压为220V。选择TMS3202407ADSP作为控制核心、智能化功率模块(IPM)作为功率开关器件,型号为PM50RSK060,额定电流有效值20A,最高开关频率可达16kHz～20kHz。3.1单位个数回流图6所示为整流侧输入电流和输入电源电压波形,可以看到2个波形相位上基本保持一致,而且输入电流基本为正弦波,实现了单位功率因数整流。为保证实验的安全,交流电源前面经过隔离变压器和调压器2级设备,因此等效电源的阻抗较大,导致实际电源容量不够,电源电压波形受到滞环电流波形影响发生畸变。3.2试验是什么参考波形由程序内部调用函数生成。当选定参考波形的类型和参数后,相应的函数被调用,按照给定的参数生成参考波形数据存放在数组中,用于控制和计算。参考波形实际上是存放在数组中的一系列数字。图7～图10分别为电压产生持续80ms的短时中断、波动频率10Hz及幅值变化15%的闪变、持续2ms及下降幅值为40%的凹陷、叠加了15%和10%的5次、7次谐波的实验波形。从图7～图9可以看到设计的试验样机可以模拟电压的短时中断、闪变和凹陷。图10(a)试验样机输出包含5次、7次电压谐波的波形;图10(b)是输出电压的频谱图,可以看到除了基波电压外,还包含5次、7次电压谐波。因此,从实验波形可见,本文提出的控制策略和电路设计是正确有效的,能够满足输出电能质量信号的要求。4直流侧电压模型电能质量信号发生装置的功率电路设计需要结合实际的控制策略、