影響不平衡電網(wǎng)條件下PWM整流器控制的因素分析

1、影響不平衡電網(wǎng)條件下PW M 整流器控制的因素分析毛韶華(西昌學(xué)院,四川西昌615000摘要:目前,PW M 整流器在電力系統(tǒng)運(yùn)用日益廣泛并占據(jù)重要地位,其控制系統(tǒng)的研究是當(dāng)前的熱門課題,在實(shí)際存在的不平衡電網(wǎng)中的控制系統(tǒng)研究越發(fā)顯示出其重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。通過對三相VSR 在電網(wǎng)不平衡條件下影響其控制的因素分析,為設(shè)計(jì)三相VSR 在電網(wǎng)不平衡條件下的控制策略提供理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:不平衡電網(wǎng),PW M 整流器,控制Abstract :F or the m oment ,PW M rectifier is quite important and used widely in the pow

2、er system increasingly ,and its control system becomes the research hotspot in the field of power electronics.It is of great significance in the research of the control scheme of PW M rectifier in unbalanced power grid.The factors in fluencing the control system based on three -phase VSR are analyze

3、d ,and s ome theory strategies for the control system design in unbalanced power grid are provided.K ey w ords :unbalanced power grid ;PWM rectifier ;control strategy中圖分類號:T M762文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-6954(200606-0037-03 在三相PW M 整流器控制策略的研究過程中,通常都是假設(shè)三相電網(wǎng)是平衡的,但事實(shí)上,三相電網(wǎng)常處于不平衡狀態(tài)。電網(wǎng)一旦出現(xiàn)不平衡,以三相電網(wǎng)平衡為約束條件設(shè)計(jì)的PW M

4、 整流器就會出現(xiàn)不正常的運(yùn)行狀態(tài),這種狀態(tài)主要表現(xiàn)在:PW M 整流器直流側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流的低次諧波幅值增大,且產(chǎn)生非特征諧波,并加大損耗;PW M 整流器網(wǎng)側(cè)電流也不平衡,嚴(yán)重時會損傷或損壞PW M 整流器?，F(xiàn)實(shí)中,控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是很多的,無論采取那種設(shè)計(jì)思路,都應(yīng)該根據(jù)其產(chǎn)生不平衡的原因來構(gòu)建設(shè)計(jì)思路的基本思想。為了保證PW M 整流器在電網(wǎng)不平衡時仍能使用,根據(jù)影響不平衡電網(wǎng)條件下PW M 整流器控制的因素分析來設(shè)計(jì)不平衡電網(wǎng)條件下的相應(yīng)控制系統(tǒng)就具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。1電網(wǎng)不平衡的原因三相VSR (簡化電路模型如圖1在運(yùn)行時,不平衡狀態(tài)通常表現(xiàn)在兩個方面:三相VSR 本身參

5、數(shù)不對稱導(dǎo)致運(yùn)行不平衡;三相電網(wǎng)不平衡。三相VSR 本身參數(shù)不對稱始終存在,但并不嚴(yán)重,如設(shè)計(jì)合理,選擇開關(guān)器件好,不會出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象,甚至影響VSR 的正常運(yùn)行。而電網(wǎng)的不平衡不僅難以預(yù)測,而且不平衡的嚴(yán)重性也是不可預(yù)見的,對VSR的影響程度也就很難估計(jì)。所以,文章假設(shè)三相VSR 本身參數(shù)對稱,僅考慮電網(wǎng)不平衡的影響來分析控制系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中,造成電網(wǎng)不平衡的主要因素有:三相電網(wǎng)配電時,三相負(fù)載不平衡;大容量單相負(fù)載使用;不對稱故障和非全相運(yùn)行造成系統(tǒng)三相不對稱;非全換位輸電線或緊湊型輸電線造成系統(tǒng)不對稱。圖1三相VSR 簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2影響不平衡電網(wǎng)條件下PW M 整流器控制的因素2.

6、1正、負(fù)、零序電量當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡的時候,通常用正序電動勢E p、負(fù)序電動勢E N、零序電動勢E 0來共同描述電網(wǎng)的基波電動勢E ,即E =E p +E N +E 0。用相序表達(dá)如下: e a e b ec=E mpcos (t +p cos (t +p -120°cos (t +p +120°+E mNcos (t +N cos (t +N -120°cos (t +N +120°+E m 0cos (t +0cos (t +0cos (t +0(1e a eb e c=C 23R (e d p e qp+C 23R (-e d Ne qN(2公式(1

7、中:E m p、E m N、E m 0分別表示正序、負(fù)序、零序基波電動勢峰值;p 、N 、0分別表示正序、負(fù)序、零序電動勢的初相角。對于三相三線制連接的三相VSR ,通常不考慮零序電動勢E 0的影響,令E 0=0。為了控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方便,將三相靜止坐標(biāo)系(a ,b ,c 轉(zhuǎn)化為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d ,q ,同時,從簡化分析的角度出發(fā),假設(shè)三相VSR 交流輸出端電壓只含正序基波分量。于是,用相序表達(dá)的基波電動勢E 就可以描述為下面的表達(dá)式,并且三相VSR 交流側(cè)電路可以分解為正序、負(fù)序電路來簡化分析。公式(2中:C 23是靜止坐標(biāo)變換矩陣;R (是正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換矩陣;R (-是負(fù)序旋轉(zhuǎn)

8、坐標(biāo)變換矩陣;e d p 、e q p 、e d N 、e q N分別表示三相電網(wǎng)基波電動勢的正序、負(fù)序電動勢的d 、q 分量,并且它們的值滿足下面的關(guān)系:C 23=10 -1232-12-32;R (=cos -sin sin cos ;R (-=cos sin -cos -sin V =V p +V N =v a p ,v b p ,v c p T +v a N ,v b N ,v c N T=v a ,v b ,v c T(3 I =i a ,i b ,i c T=m =1C 23R (mi d p (m i q p(m +C 23R (-m i d p (m i q p (m =m =

9、-m 0C 23R (mi d (m i q (m (4i dc (t =E TIv dc=n =-n 0C 23R (ne d (n e q (n Tn =-n 0C 23R (mi d (m i q (m v dc(5=n =-n 0n =-n 032v dc e d (n e q (n TR(m -n i d (m i q (m 對于圖1,當(dāng)三相VSR 交流輸出端電壓只含正序分量時,電網(wǎng)的正序電動勢e a p 、e b p 、e c p將與正序交流電壓v a p 、v b p 、v c p 共同作用產(chǎn)生正序電流i a p 、i b p 、i c p;當(dāng)R 、L 較小時,電網(wǎng)的負(fù)序電動勢e

10、 a N、e b N、e cN幾乎被短路,從而使負(fù)序電流i a N 、i b N 、i c N很大,嚴(yán)重時,將導(dǎo)致三相VSR 交流側(cè)過電流,甚至燒壞VSR 裝置。實(shí)際上,三相電網(wǎng)不平衡時,由于同步信號的不對稱,三相VSR 交流端電壓v a 、v b 、v c 本身就含有負(fù)序分量,如公式(3,所以,三相交流側(cè)電流就含有公式(4描述的正序、負(fù)序電流分量的各次諧波表達(dá)式,從而導(dǎo)致三相交流側(cè)電流含有大量諧波。如果不計(jì)算VSR 交流側(cè)阻抗(R 、L 的損耗,并令其直流電壓恒定,根據(jù)VSR 交流側(cè)、直流側(cè)功率平衡原理,當(dāng)電網(wǎng)不平衡時,三相VSR 直流輸出電流i dc 的時域表達(dá)式為公式(5。很明顯,當(dāng)電網(wǎng)

11、不平衡時,三相VSR 直流側(cè)電流也含有諧波成分。所以,如果只考慮電動勢正序、負(fù)序基波分量,三相VSR 直流側(cè)電流就會出現(xiàn)2次諧波電流。從分析方便的角度出發(fā),將公式(5分解為平均電流與諧波電流之和的表達(dá)如公式(6。i dc (t =i dc +n =-n 0V dc (n cosn t +i (n (6同樣的道理,也可以將電壓的時域表達(dá)式分解為平均電壓與諧波電壓之和,如公式(7所示。v dc (t =v dc +n =-n 0V dc (n cosn t +v (n (7公式(6和(7中:I dc (n 、V dc (n 表示n 次直流諧波電流、電壓的幅值;i (n 、v (n 表示n 次直流諧

12、波電流、電壓的初始相角。通過這兩個公式說明:當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡時,三相VSR 直流側(cè)電流會產(chǎn)生6、12、18等次6的整數(shù)倍的特征諧波和2、4、8、10等次非特征諧波。然而,直流電流諧波又會導(dǎo)致產(chǎn)生三相VSR 直流電壓諧波,直流電壓諧波又通過PW M 反過來影響三相VSR 交流電流波形,最終降低三相VSR 的工作效果,甚至損壞三相VSR 裝置。而且,通過計(jì)算可以明顯看到,n 次諧波會產(chǎn)生n +1次諧波,并一直循環(huán)下去。所以,對于不平衡電網(wǎng)來說,抑制直流側(cè)的諧波電壓和電流是非常重要的。2.2三相VSR 主電路的參數(shù)通過分析不平衡電網(wǎng)的正序、負(fù)序、零序電壓的關(guān)系可以知道:在電網(wǎng)不平衡的條件下,三相VS

13、R 直流側(cè)電壓含有特征和非特征諧波,相關(guān)的2、4 次低次特征諧波電壓幅值相對較大,從而增大了直流側(cè)電壓的波動。同時,電網(wǎng)的不平衡還會使三相VSR 交流側(cè)也產(chǎn)生低次諧波電流,在電流幅值不對稱嚴(yán)重時又將產(chǎn)生過電流。要克服這個問題,可以從兩個方面著手:(1適當(dāng)增大三相VSR 直流側(cè)電容和交流側(cè)電感,抑制直流側(cè)諧波電壓和交流側(cè)諧波電流。(2從控制上抑制三相VSR 直流諧波電壓或交流諧波電流。對于不平衡電網(wǎng),引入三相VSR 交流側(cè)電流總諧波畸變率(THD i 和直流電壓波動因子(v 來分析。三相VSR交流側(cè)電流總諧波畸變率(THD i 和直流電壓波動因子(v 的表達(dá)式公式為(8和(9。(THD i =n

14、 =2I j 2(n 12I j (1(8v =n =2V dc 2(n 12v dc(9公式中:j 表示相別,可以取a 、b 和c ,I j (n 表示三相VSR 交流電流n 次諧波電流的有效值;v dc (n 表示三相VSR 直流電壓n 次諧波電壓的有效值。如果只考慮電網(wǎng)基波電動勢和三相VSR 交流側(cè)諧波電壓的作用,三相VSR 交流側(cè)諧波電流為I j (n =v j (n nX L,從而得到交流側(cè)基波電抗(X L 的表達(dá)式如公式(10。X L =1THD i I j (1n =2V j (n n212(10如果只討論直流側(cè)諧波電壓V dc (n 的作用,且考慮基波容抗為X C ,則有公式(

15、11和(12。V dc (n =X Cn I dc(n (11X C =v dc vn =2I dc (n n212(12這樣一來,就不難根據(jù)電抗、容抗與角頻率的關(guān)系推導(dǎo)出電感、電容的大小關(guān)系。在不平衡電網(wǎng)中,同時還可以借助電網(wǎng)電動勢的不對稱度(v =(E m N /E m p ×100%進(jìn)一步分析電網(wǎng)不平衡時X L 、X C 的選擇對(TH D i 和(v 的影響。因此,在某一不對稱度條件下,三相VSR 交流電感L 越大,交流負(fù)序電流越小,因此(THD i 就越低;當(dāng)電容C 越大時,(v 就越小,直流電壓波動也就越小。所以,對于不平衡電網(wǎng)直流側(cè)的電容設(shè)計(jì),在減小支流電壓波動的同時,

16、可以增大抗擾性能,只是同時要損壞跟隨性能。2.3電動勢的檢測方式無論電網(wǎng)平衡還是不平衡,運(yùn)用電路原理與電子技術(shù)的基礎(chǔ),可以有很多檢測電網(wǎng)電動勢的方法。但是,根據(jù)前面的分析知道,電網(wǎng)不平衡時,產(chǎn)生的諧波主要是2、4次等非特征諧波,所以,這里就只以2次諧波濾除法來分析電網(wǎng)電動勢的檢測, 為不平衡電網(wǎng)中抑制S VPW M 直流電壓諧波的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)鋪墊基礎(chǔ)。首先,假設(shè)三相VSR 電網(wǎng)電動勢只含基波分量,表達(dá)式如公式(13所示。e a e be c=K a E m cos (t +a K b E m cos (t +b -120°K c E m cos (t +c +120°(13

17、公式(13中:K j 0,1,j -, j =a ,b ,c 。通過公式 (2可以求出三相不平衡電網(wǎng)電動勢在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d ,q 中的表達(dá)式如公式(14。e d e q=e d p e qp+R (-2T e dNe qN (14很明顯,在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d ,q 中,原三相靜止坐標(biāo)系(a ,b ,c 中的正序交流電動勢變換成直流電動勢,而負(fù)序交流電動勢則變換成2次諧波電動勢。所以,如果能在坐標(biāo)系(d ,q 中濾除2次諧波電動勢,就可以獲得正序電網(wǎng)電動勢的d 、q 分量e d ,e q T ,再通過兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d ,q 到靜止坐標(biāo)系(a ,b ,c 的轉(zhuǎn)換,就可以獲得三相正序電

18、動勢e a p ,e b p ,e c p T 。然后,將電網(wǎng)電動勢與正序電網(wǎng)電動勢相減,就可以得到三相負(fù)序電網(wǎng)電動勢e a N ,e b N ,e c N T 。故此,關(guān)鍵是如何濾除2次諧波。低通濾波器的頻帶窄,在濾除2次諧波電動勢的同時要影響控制系統(tǒng)的動態(tài)性能;而陷波器只需要將陷波角頻率設(shè)計(jì)為2(為基波(下轉(zhuǎn)第67頁表17號機(jī)組運(yùn)行相關(guān)參數(shù)對比指標(biāo)名稱設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(目標(biāo)值2002年末級葉片拆除前2003年末級葉片拆除后2005年改造后蒸汽壓力(MPa 17.7517.7518.03517.766蒸汽溫度(540540540540試驗(yàn)出力(MW 330309303303高缸一級后壓力(MPa 1

19、33124(振動值1號軸承(mm 1010182號軸承(mm 1717223號軸承(mm 4035364號軸承(mm 3532745號軸承(mm 6668436號軸承(mm 3038277號軸承(mm 6154558號軸承(mm 353539修正汽耗率(kg/kWh 2.952.9032修正熱耗率(k J/kWh 7750.188070.19288703.357821.4后的低壓缸效率和機(jī)組的熱力性能考核試驗(yàn),試驗(yàn)于2005年9月中旬完成。低壓通流部分改造后的二次試驗(yàn)的低壓缸效率值經(jīng)低壓缸效率與排汽容積流量曲線修正到設(shè)計(jì)額定排汽容積流量下(4297m 3/s 。此時的低壓缸效率值為88.22%

20、;設(shè)計(jì)保證值為88.10%。試驗(yàn)結(jié)果表明,四川巴蜀電力開發(fā)公司江油電廠31號汽輪機(jī)低壓通流部分改造后,低壓缸效率高于設(shè)計(jì)保證值0.12%,改造后的經(jīng)濟(jì)效益顯著。5結(jié)束語A LST OM 公司生產(chǎn)的此類機(jī)組采用該類型的低壓轉(zhuǎn)子末級葉片(Blade 1044A 及拉筋,由于裝配及其設(shè)計(jì)原因,使其末級葉片存在拉筋斷裂可能,巴蜀江油電廠將對同類型的8號機(jī)組加強(qiáng)運(yùn)行中監(jiān)視,同時在機(jī)組停運(yùn)時及時對低壓轉(zhuǎn)子末級葉片及拉筋的檢查,避免同樣的事故發(fā)生。(收稿日期:2006-05-28(上接第39頁角頻率,2次諧波電動勢通過陷波器時將被濾除,并且陷波器對2次諧波頻率以外的信號影響也非常小,有利于系統(tǒng)動態(tài)信號的檢測

21、與控制。所以在這里,通常選用陷波器而不用低通濾波器。在具體設(shè)計(jì)中,為便于實(shí)現(xiàn),常采用非理想的陷波器,其傳遞函數(shù)一般選用公式(15的形式。公式(15中:為陷波角頻率;Q 為電路的品質(zhì)因數(shù)。對應(yīng)的三相不平衡電網(wǎng)電動勢的檢測可以用圖2所示的原理框圖。F (s =s 2+02s 2+0s/Q +02(15 圖22次諧波濾除法檢測不平衡電網(wǎng)電動勢原理框圖3結(jié)論通過對三相VSR 在電網(wǎng)不平衡條件下影響其控制的因素分析,為設(shè)計(jì)三相VSR 在電網(wǎng)不平衡條件下的控制策略提供理論基礎(chǔ)。從而更好抑制諧波,減小電力“污染”,保證電力系統(tǒng)正常工作。參考文獻(xiàn)1林渭勛著.現(xiàn)代電力電子電路M .浙江大學(xué)出版社,200412肖建編著.現(xiàn)代控制系統(tǒng)綜合與設(shè)計(jì)M.中國鐵道出版社,200013沈本蔭主編.現(xiàn)代交流傳動及其控制系統(tǒng)M.中國鐵道出版社,199714張崇巍,張興編著.PW M 整流器及其控制M.機(jī)械工業(yè)出版社,200315Pedro Verdelhe G.D Marques :DC V oltage C ontrole and S tabil 2ity Analysis of PW M -V oltage -T ype R