一种火电机组用电力电子式电压扰动发生器研究.pdf

第4 4 卷 第3 期 电力 系统 保 护 与 控制 鱼 生兰 旦 墨 堡 旦 竺 堡 坐 D0I 1 0． 7 667 ／ PS PC1 5 05 39 V0 1 ． 4 4 No ． 3 F e b ．1 ． 2 01 6 一 种火电机组用电力电子式电压扰动发生器研究 殷 骏 ，李 刚 ，汤 伟 ，刘路登 1 ． 安徽立卓智能电网科技有限公司，安徽 合肥 2 3 0 6 0 1 ；2 ． 国网安徽省电力公司调度控制中心，安徽 合肥 2 3 0 0 2 2 摘要为了准确分析火 电机组变频调速系统的高低电压穿越能力，针对市场对电压穿越能力试验设备的需求，提 出一种新型电力电子式的电压扰动发生器的设计。采用不可控整流和 B OO S T升压电路，将不可控整流电路输出 的直流电升压到预定电压后输出，再经过逆变器控制输出任意模拟电压故障波形。所提设计可模拟单相、两相及 三相电压的暂升和暂降，其持续时间、深度、起止相位和类型均可做到持续调节。实验结果证明这种新型电压 扰动发生器设计安全可靠，能够准确 反应 电网故障电压类型 ，可广泛用于火 电机组变频调速系统高低 电压穿越能 力试验研究 。 关键词 低 电压穿越 ；电压暂升 ；电压暂 降；B OO S T升压 电路； 电压扰动发生器 A ki nd o f ．3 o we r e l e c t r o ni c vo l t a ge di s t ur ba nc e g e ne r a t o r us e d i n t he r m a l po we r u ni t s YI N J u n ， LI Ga n g ， T ANG We i ， LI U Lu d e n g 2 1 ． An h u i Li z h u o S ma r t Gr i d T e c h n o l o g y Co mp a n y Li mi t e d ， He f e i 2 3 0 6 01 ， Ch i n a ； 2 ． Di s p a t c h i n g a n d C o n t r o l C e n t e r o f S t a t e Gr i d A n h u i E l e c t r i c P o we r C o r p o r a t i o n ， He f e i 2 3 0 0 2 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a c c u r a t e l y a n a l y z e t h e h i g h - a n d l o w-- v o l t a g e r i d e t h r o u g h c a p a c i t y o f v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d r e g u l a t i o n s y s t e m i n t h e r ma l p o we r u n i t ，t h i s p a p e r p r o p o s e s a n e w d e s i g n o f p o we r e l e c t r o n i c v o l t a g e d i s t u r b a n c e g e n e r a t o r ，a c c o r d i n g t o t h e ma r k e t d e ma n d o n t h e v o l t a g e r i d e t h r o u g h c a p a c i ty t e s t i n g e q u i p me n t ．I t a d o p t s u n c o n t r o l l a b l e r e c t i fi e r an d b o o s t e r c i r c u i t ， wh i c h b o o s t s the d i r e c t c u r r e n t v o l t a g e g e n e r a t e d b y u n c o n t r o l l a b l e r e c t i fi e r c i r c u i t t o t h e s c h e d u l e d v o l t a g e ， a n d t h e n c o n t r o l s o u t p u t ana l o g v o l t a g e f a u l t w a v e f o r m t h r o u gh the i n v e r t e r ． I t C an s i mu l a t e s i n g l e - ， b i - ，and t r i p h a s e v o l t a g e s we l l an d s a g ，a n d i t s d u r a t i o n ，d e p th，s t a r t s t o p p h a s e a n d typ e c a n a l l b e a d j u s t e d s mo o t h l y ． T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s p r o v e tha t t h e n e w d e s i g n e d v o l t a g e d i s t u r b anc e g e n e r a t o r i s s a f e a n d r e l i a b l e wh i c h C an c o r r e c t l y r e fl e c t the g r i d f a u l t v o l t a g e t y p e ， a n d c a n b e wi d e ly u s e d i n s t u d y i n g the h i g h a n d l o w- v o l tag e r i d e t h r oug h a b i l i t y of f r e q ue nc y s p e ed r e gu l ati o n s ys t e m i n t he r ma l powe r u ni t ． Ke y wo r d s l o w v o l t a g e r i d e t hro u g h ； v o l t a g e s we l l ； v o l t a g e s a g ； BOOS T c i r c u i t ； v o l t a g e d i s t u r b a n c e g e n e r a t o r 0 引言 低电压穿越最早在风力发电中提出，在火力发 电领域国家电网给 出的释义是火电机组辅机变频 器及供 电对象设备外部故障或扰动引起 的暂态、动 态或长时间电源进线电压降低到规定的低 电压穿越 区内时， 能够可靠供 电， 保障供电对象的安全运行⋯。 但是变频器受限于本身的硬件条件，对于 电压的瞬 时波动比较敏感 。变频器在低压 穿越区内，电压瞬 时变化量超过了变频器的允许值 时， 如不采取措施， 变频器将会立即报警停机，并同时触发 MF T 锅炉 主燃料断 保护功能动作 ， 导致锅炉发生熄火停炉事 故【 2 J ，严重影响发电机组的安全运行。 研究表 明，电压暂降是电力系统不可避免的电 能质量问题 ，也是导致电能质量事故的主要因素。 在 电力系统发生三相短路故障、两相短路故障和单 相接地短路故障时，短时的电压扰动 暂升或暂降1 严重影响计算机、交流接触器、可编程逻辑控制器 P L C 、变频调速装置等典型敏感设备的安全运行， 这些敏感负荷 的故障给工厂带来的直接经济损失巨 大【 3 4 J 。鉴于电网故障的不可控性，在研究电力系统 各类负载在电压发生扰动时的工作状态时，就必须 要有专 门的装置用来模拟故障电源，这种设备称为 电压扰动发生器 V DG1 。 目前国内研究火 电厂辅机变频调速系统的低 电 压穿越能力的测试设备，多为采用变压器多抽头方 ． 1 1 0． 电力 系统保护与控制 式实现某一电压暂降深度，用接触器和单片机控制 暂降时间，其输 出电压只能是输入电压值的几档固 定变 比，切换时间一般有近 2 0 ms 的延时，对于电 网故障模拟研究只能起到一定辅助作用，无法做到 控制输出某一精确故障电压值和持续时间[ 5 1 。火电 机组试验环境相对恶劣，空问狭小，且设备搬运不 便。 这就需要试验用 电压扰动发生器具有控制简单、 精度高、灵活性高、体积小、成本低等特点，便于 现场试验场合使用。 1 电力电子式电压扰动发生器的设计 本文研究的一种 电力电子式 电压扰动发生器 ， 通过在不可控整流 电路和逆变电路之间设置升压 电 路，可模拟 电压 中断、暂升、暂降等组合故障情况 。 同时，相对于利用变压器来进行升压的方式，本设 计在直流侧设置升压 电路，在同样输 出容量情况下 占用体积小，电压在量程范 围内可实现无级高精度 变化，电压 由稳态至暂态切换时间可达到微秒级 ， 相对于采用可控整流电路和逆变 电路组成的发生器 来说， 本设计中整流电路采用不可控整流和 BO OS T 升压电路，控制算法简单，发热量低 ，且不可控整 流 电路的硬件成本低 。 1 ． 1电压扰动发生器的拓扑 本文采用的三相 电压扰动发生器主要是由不可 控整流、B 0 OS T升压 电路、电压型 P WM 变流器组 成 ，拓扑电路实现原理图如 图 1 所示 。 图 1三相电压扰动发生器拓扑电路 Fi g．1 To p ol og y ci r c u i t o ft h r e e - ph a s e v ol t a ge d i s t u r b a n c e g e n e r a t o r 电网电压经过 AC ／ D C整流器，BO OS T升压和 D C ／ AC逆变器 的变换后为负载提供故障模拟 电源 。 其中，整流器采用三相不可控全桥整流 ，然后经过 B O OS T 升压 电路 ，始终保持直流侧电压的稳定。 对逆变器 的精确控制，可以模拟电网电压的各类短 路故障，生成所需要的任意 电压波形，包括 电压的 扰动和闪变、三相不平衡度、电网谐波等故障 J 。 其中针对 电压扰动，还可 以方便地控制电压扰动的 幅度 、持续时间、相位角和扰动类型【 o J 。 1 ． 2 电压扰动发生器的数学模型 1 电压扰动类型 电压扰动中，电压暂升是指在 电力系统某点工 频电压均方根值暂时升高至 1 ． 1 ～ 1 ． 8 P ．U ． ，并在短暂 持续 1 0 ms ～ 1 mi n后恢复正常的现象 。电压暂升又 分为工频过 电压和谐振过 电压。一般是由于线路空 载，接地故障、甩负荷和因操作或故障引起的系统 元件出现的不利组合造成的。 电压暂降是指在 电力系统某点工频电压均方根 值 暂 时 降 低 至0 ． 0 1 ～ 0 ． 9 P - u | ， 并 在 短 暂 持 续 1 0 ms ～ 1 mi n 后恢复正常的现象。 电压暂降最常见的 原因是短路故障，大功率感应电机的启动和雷击事 故。占主要事故原因的短路故障分为单相，两相 ， 三相接地短路和相 间短路I6 ] 。 其暂降类型大体有 A、 B、C、D、E、F、G七种，向量图如表 1 所示 ，其 中 、 、 为 电压暂降后的三相 电压向量。 表 1故障电压暂降的典型类型 T a b l e 1 T y p i c a l typ e s o f f a u l t v o l t a g e s a g 市场上使用的大部分 电压扰动发生器均不能完 全模拟出这七种暂降类型。利用 中心抽头在变压器 副边相互切换实现 电压暂降的发生器在 电压暂降和 恢复瞬问可能由于开关过程存在 电压中断，且暂降 深度不能连续无极调节；阻抗形式的电压扰动发生 器除了以上问题外，暂降深度也难以有效控制 。 2 砌0 ． a b c 坐标系变换 三相 电压扰动发生器系统的设计基础是扰动 电 压的快速检测技术 ，常见的电压快速检测方法有很 殷 骏 ，等 一种火 电机 组用 电力 电子式电压扰动发生器研究 -1 1 1一 多种 。其 中有效值计算法需要至少半个基波周期的 时间 1 0 ms 才能实现对电压扰动的准确判断，且无 法区分电压中的正序，负序和零序分量；基波分量 法 ，对采样 电压的对称性要求很高，延时较长 ，实 时性较差；基于瞬时电压的 d - q变换方法 ，可以快 速 的检测 出电压变换值 ⋯ 。首先，我们根据 电压 扰动发生器 的拓扑结构， 利用 电路理论基本的定律 ， 在三相静止坐标系中建立三相 电压扰动发生器的一 般数学模型。出0坐标系是一种与转子一起旋转的 两相坐标系和零序系统的组合 。若转子为凸极，则 d轴通常与凸极的中心轴线重合，q轴则超前于 d 轴 9 0 ，如图 2所示 。 图 2 d q O坐标 变换 F i g ． 2 T r a n s f o r ma t i o n o f d q 0 c o o r d i n a t e s 目标扰动电压在 由 同步旋转坐标系上投影， 经 由0分解得到相应的 d轴 ， g轴和 0轴 电压分量 。 完成复合运算后再经 内0 - a b c逆变换得到三相故障 电压调制信号，而对于不含零序分量的电压扰动故 障，由0 一 a b c 变换时采用传统变换模式，如式 1 所示。 C OS c o s 一 c 。 s o x 耐一 _ s i n 耐 j 式中 、 、“ 为电压幅值 ； 为角频率 ； 为 、 “ 、 为三相 电压在 d 、q和 0轴电压分量；f 为时 间变量。 而对于含有零序分量的电压扰动故障， d q 0 a b c 变换矩阵式修正为式 2 。 C OS 一s i n ca C OS0 1 c 。 s c a一 一 s i n ca 一 。 。 ． j c 。 s c a 一 s i n ca c 。 ． j 本方法在三相 电压扰动产生方案中的 由0 ． a b c 环节采用变换矩 阵式，从而生成对称、不对称含零 序以及不对称不含零序三种情形下 的所有故障电压 波形[ 。 3 电压扰动发生器的控制原理 根据电压扰动的数学模型， 使用 DS P 2 8 1 2作为 核心处理器 ，快速进行电压扰动波形的调制输出， 其原理框图如图 3所示。 图 3空间矢量控 制原理框 图 Fi g ． 3 P r i n c i p l e d i a g r a m o f s p a c e v e c t o r c o n t r o l 各相序故障电压特征值经过 a b c 三相静止坐标 系到 砌0同步旋转坐标系进行坐标投影变换 ， 在 幽0 坐标系下完成复合运算 ，再经 砌0 ． a b e 逆变换生成 空间矢量脉宽调制信号 S V P WM ，控制逆变器工 作，在功率放大以后驱动逆变器输出侧产生需要的 目标故障电压，并且可以做到 自动满足故障期间三 相 电压之 问复杂的相位和幅值关系。 2 电压扰动发生器实现的主要保护电路 2 ． 1过流保护电路 如图 4所示，电流实际值经过霍尔传感器及采 样 电阻，滤波后经过运算放大器 的电压并联负反馈 将 电流信号转换成一 3 ． 3 3 - 3 V的弱电压信号， 此 电 压信号经过信号处理得到 0 ～ 3 ． 3 V 的单极性 电压信 号并输入到电压跟随器，最后经过限幅，确保输入 进 MC U 的信号为 0 ～ 3 ． 3 v。 R5． 图 4过流保护电路 Fi g ． 4 Ov e r - c u r r e n t p r o t e c t i o n c i r c u i t 若交流测 电流大于设定阀值，过流保护电路启 动， DS P接收到过流信号，则封锁 I G BT脉冲输出。 2 ． 2过压保护 电路 如图 5所示， 小电流信号经过 R1 l 和 Cl 1 抑制 干扰后，进入 T L 0 8 2的运放构成的射极跟随器 ，然 电力 系统保护与控制 后经过两个 电阻和一个 电压源组成 的电压偏移 电 路，再经过射极跟 随器和筘位限幅电路，保证采样 信号的幅值在 0 - 3 - 3 V 之问，满足 MC U 的输入信 号要求 。 图 5过压保护电路 Fi g．5 Ov e r - v ol t a g e pr o t e c t i o n ci r c ui t 若交流侧电压大于设定阀值 v1 过压值 或者小 于设定阀值 V 2 欠压值 ，MC U 会启动保护 电路 ， DS P发送过压或者欠压信号 ，并同时封锁 P WM 脉 冲 。 2 ． 3 I G B T驱动电路 如图 6所示， I G B T驱动 电路采用 T L P ． 4 5 0 4光 耦隔离，将 D S P发出的 S VP WM 波控制信号转变 为各个桥臂的 I G B T驱动信号，保证 I G B T模块能 正常工作 。I G B T模块的过压、过流 、过热、欠压 等各种保护功能故障，通过 P C 8 1 7光耦隔离，发送 给控制 电路。 图 6 I GB T驱动电路 F i g ． 6 I GBT d r i v i n g c i r c u i t 3 试验波形 N 由上述设计方案制作的电压扰动发生器 ，其输 出三相 电压可 自动满足故障时各相之间的幅值和相 角关系，可真实地反映出电力系统中电压扰动的各 类电压故障特征。 通过使用 I G B T和相关器件制作的电压扰动发 生设备，完成后任意预设电压扰动类型、故障相电 压值 以及故障持续时间，对 由A、B、c 、D、E、F 、 G七类 电压暂降类型和暂升类型进行试验模拟，结 果符合设计要求 ， 部分实测波形如图 7 ～ 图 1 2所示。 故障持续时间t 0 ． 5 ～ 6 0 S ，扰动深度选择 1 3 0 ％ 、 9 0 ％U e 、7 5 ％ 、 6 0 ％ 和 2 0 ％U e ，U e 为额度电压 。 30 0 O 30 0 30 0 O 30 0 30 0 0 3 00 1 O O U a 图 7三相对称电压扰动暂降为 9 0 ％ 的波形 Fi g． 7 Wa ve f o r m figu r e o ft h r e e ph a s e v ol t a g e s a g t o 90 ％ 3 0 0 0 3 00 3 0 0 0 3 00 3 00 0 3 0 0 图 8三相对称 电压扰 动暂降为 6 0 ％ 的波形 Fi g．8 W a v e f or m fig u r e o ft hr e e - p ha s e v ol t ag e s a g t o 6 0％ 3 00 0 3 00 30 0 0 3 00 3 00 O 3 00 图 9三相对称 电压扰动暂降为 2 0 ％ 的波形 Fi g． 9 Wa ve f o r m fig ur e oft h r e e - ph a s e v ol t a ge s a g t o 20 ％ l 0 0 图 1 O仅 A相 电压扰动暂降为 7 5 ％ 的波形 Fi g．1 0 W a v e f o r m figu r e o fA ph a s e vo l t a ge s a g t o 7 5 ％ 忸] 30 0 0 30 0 30 0 0 3 0 0 30 0 0 30 0 l OO U a 图 1 1 A， B相 电压扰动暂降为 9 0 ％ 的波形 Fi g ．1 1 W a ve f or m fig ur e of AB ph a s e v ol t a g e s a g t o 90 ％ 殷 骏，等 一种火电机组用电力电子式电压扰动发生器研究 70 0 0 70 0 70 0 0 7 0 0 7 0 0 0 70 0 0 O1 s ／ d i v l 0 0 t ／ s 图 1 2三相 电压 扰动暂升为 1 3 0 ％ 的波形 F i g ．1 2 Wa v e f o r m fi g u r e o f t h r e e p h a s e v o l t a g e s we l l t o 1 3 0 ％ 4 结语 本文对一种 新型 电力 电子式 电压扰动发生器 的设计与实现理论进行了研究，提出了一种直流侧 采用 BO OS T升压技术的三相 电压扰动发生器 的设 计方法 ， 以精确产生所需要 的各类不对称 电压扰动 ， 实验结果表明，基于此控制策略的电压扰动发生器 具有较好的动态和静态性能，能够满足火电机组辅 机变频调速系统的低 电压穿越能力测试和穿越能力 改造后的验收测试⋯J ，也可以推广应用于其他需要 使用 电压扰动源的试验环境。 参考文献 [ 1 ] 袁小平，李承宪， 谢明， 等． 火电厂变频设备的低 电压 穿越 能力『 J 1 ．能源研究与管理， 2 0 1 4 4 9 9 1 0 0 ． YUAN Xi a o pi ng ，LI Ch e ng xi a n，XI E M i n g，e t a 1 ．Lo w v o l t a g e r i d e t h r o u g h c a p a b i l i t y o f f r e q u e n c y c o n v e r s i o n e q u i p me n t i n t h e r ma l p o we r p l a n t [ J ] ． E n e r g y Re s e a r c h a n d Ma n g e me n t ， 2 0 1 4 4 9 9 1 0 0 ． [ 2 ] 赵建 中． 3 5 0 Mw 机组给煤机变频器 电源 瞬停 时维持 连续运行的方法[ J ] ．中国电力， 2 0 1 0 ， 4 3 3 5 1 ． 5 4 ． Z HAO J i a n z h o n g ． T h e me t h o d f o r ma i n t a i n i n g c o n t in u o u s o p e r a t i o n o f 3 5 0 M W u n i t c o a l f e e d e r i n v e r t e r p o we r s u p p l y t r a n s i e n t s t o p [ J ] ． E l e c t r i c P o we r , 2 0 1 0 ， 4 3 3 5 1 - 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t r a n s f o r m[ J ] ． P o w e r S y s t e m P r o t e c t i o n and C o n t r o l ， 2 0 1 4 ， 4 2 4 2 7 3 3 ． [ 7 ] 张波， 颜湘武，王树岐． 基于 d q变换的三相电压暂降 生成方法[ J ] ．电工技术学报， 2 0 1 1 ， 2 6 1 0 5 5 ． 6 1 ． ZHANG Bo ，YAN Xi an gwu ，WANG Sh uq i ．M e t h od o f t h r e e - p h a s e v o l t a g e s a g f o rm i n g b a s e d o n d q t r a n s f o r ma t i o n [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f C h i n a E l e c t r o t e c h n i c a l S o c i e t y ， 2 0 1 1 ， 2 6 1 0 5 5 - 6 1 ． [ 8 ] 肖助力， 龚仁喜，陈双．-* 4 改进不完全 S 变换的电压 暂降检测方法[ J ] ．电力系统保护与控制，2 0 1 5 ， 4 3 9 6 2 6 8． XI AO Zh u l i ， GONG Re n x i ， C HE N S h u a n g ． De t e c t i o n o f v o l t a g e s a g b y a mo d i fi e d i n c o mp l e t e S - t r a n s f o rm [ J ] ． P o w e r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d C o n t r o l ，2 0 1 5 ，4 3 9 62 68． [ 9 ] 苏刘军，鲁宝春，李昌超，等． 一种改进的无锁相环三 相 电压波动检 测方法[ J ] _电力系统保护与控制，2 0 1 4 ， 4 2 8 1 21 - 1 2 6 ． S U L i u j t m，L U Ba o c h u n ，L I C h a n g c h a o ，e t a 1 ．A n i mp r o v e d d e t e c t i o n me t h o d wi t h o u t p h a s e ． 1 o c k e d l o o p f o r t hre e p h a s e v o l t a g e fl u c t u a t i o n [ J ] ．P o we r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d Co n t r o l ， 2 0 1 4 ， 4 2 8 1 2 1 - 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