一种新型可控电压暂变发生器研究
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摘 要：针对传统电压暂变发生器测试效率较低、功能单一、电压变化范围窄等问题， 提出一种新颖的电力电子式多功能可控电压暂变发生器。主电路采用三相倍压整流电路和三相三电平逆变电路，逆变器各相采用三电平SPWM调制进行独立控制。所提设计可模拟单相、两相及三相电压的暂升、暂降及电压暂时中断，其暂变持续时间、暂变深度及暂变起止相位和暂变类型均可做到持续调节。实验验证了所提拓扑和控制方案的有效性和可行性。
关键词：电压暂变发生器；倍压整流；三单相逆变；三电平SPWM
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.232
1 引言
随着科技的发展，电能质量问题越来越受关注[1]。为了改善电能质量，动态电压恢复器、有源滤波器、不间断电源、统一电能质量调节器、低压穿越装置等各类治理补偿装置已经在工程上得到广泛的应用。有关企业部门制定了一系列电能质量相关标准，对用电设备的电能质量问题耐受性提出了更高的要求[2]。为了测试和校验上述电能质量问题治理设备的性能，测试并改进敏感电力设备对电能质量问题的耐受性，国内外对电能质量问题发生器也进行了相关研究，为各类电能质量问题的研究提供理想平台。
本文为某企业用户设计了一种新型可控的多功能电压暂变发生器，可根需求实现电压暂降（0～100%Ue），电压暂升（100～140%Ue），电压暂时中断，相位突变（0～360°），电压低频扰动，电压谐波，电压不平衡等功能。
2 电压暂变发生器拓扑结构与工作原理
本文研究为实现电压暂升功能，主电路整流采用新型三相倍压整流电路，以提高直流母线电压等级，增大电压暂升的范围；逆变采用三相三电平逆变器，通过对三相输出电压进行独立控制，可模拟单相、两相及三相电压的暂升和暂降，电压不平衡等电压扰动，其暂变持续时间、深度、起止相位和类型均可做到连续调节，输出电压在量程范围内可实现高精度变化，电压由稳态至暂态切换时间可达到微秒级。既可产生一种特定的扰动电压，又能将几种不同类型的电压扰动进行叠加输出。本文主电路拓扑结构如图1所示。
2.1 工作原理框图
本文研究的三相电压暂变发生器系统工作原理框图如图2所示。
2.2 三相倍压整流电路设计
为了增大电压暂变范围，减小装置体积重量 ，本文设计了±500V非隔离20kW直流电源，采用无升压变压器的新型三相倍压整流电路[3]。主电路拓扑如图1（a）所示。
2.3 三单相三电平逆变器
为了提高逆变器输出波形的正弦性和可控性，逆变电路采用二极管钳位型三电平逆变电路，三相桥臂相互独立控制，便于模拟波形的多样化输出。主电路拓扑结构如图2（c）所示。
对于三相二极管钳位型三电平逆变电路，为了对其三相桥臂进行独立控制，故不能采用SVPWM调制方式，本文对每相桥臂采用单极性SPWM调制方式[4]。各相三电平SPWM驱动信号生成原理如图3所示。
3 控制系统设计
逆变闭环控制框图如图4所示。ur*为基准电压，uf为输出端得到的反馈电压，ur*与uf差值信号经过电压调节器后得到调制信号ur，ur与三角载波信号uc在PWM发生器中利用三电平SPWM生成原理产生PWM脉冲信号，通过驱动电路放大后驱动逆变器[5]。逆变器输出信号经过LCL滤波后，得到所需要的输出电压uo。
数字系统采用ARM主控制器。ARM定时器TIM1和TIM8的中断频率为30kHz，用来产生3相12路SPWM波形。正弦波一个周期由720点数据组成。定时器TIM5的中断频率为36kHz，用来更新正弦波数据指针，通过查表方式输出50Hz正弦波。SysTick定时器的中断频率为1kHz，用来实时改变正弦波的幅值和相位。一个外部中断用于过流保护。基于ARM数字控制系统结构图如图5所示。
三相正弦控制指令信号由一个数字信号合成器生成，该合成器通过串口通信接收上位机发来的“指令”信息，在ARM中实时合成控制指令信号。
4 实验研究
根据上述设计方案，制作电压暂变发生器实验样机，其模拟输出三相电压可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暂变的各类电压故障特征。任意设定电压暂变类型、故障相电压值以及故障持续时间、暂变深度，初始相位，对不同类型电压暂变进行试验模拟，结果符合设计要求。
5 结论
本文研究采用新型三相倍压整流电路和三单相三电平逆变器，三相输出电压独立控制以精确产生所需要的各类对称或不对称电压扰动，解决了传统电压暂变发生器效率较低、功能单―、电压变化范围窄，测试不便等问题。实验结果证明了本方案理论和控制策略的正确性和可行性，为今后重复性测试各种电能质量治理设备、用电设备电能质量问题耐受性和研究各种电压暂变提供了理想可靠的平台。
参考文献：
[1]崔江静，廖辰川，彭显刚等.电压暂降对珠澳电网影响的仿真研究[J].广东电力，2012，29（03）：52-55.
[2]孔祥雨，徐永海，陶顺.基于一种电压暂降新型描述的敏感设备免疫能力评估[J].电工技术学报，2015，30（03）：165-171.
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[4]周党生，谢磊，盛小军.具有谐波输出功能的大容量电压扰动发生装置[J].电力电子技术，2014，48（05）：1-3.
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