CN101887074A - 三相电压暂降发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三相电压暂降发生器，采用两个三相PWM电压型变流器(VSC)，通过“背靠背”(Back to Back)连接方式构成三相电压暂降发生器的主电路，模拟无穷大电网在正常和各种故障情形下的电源特性。该方法生成的三相故障暂降电压自动满足相与相之间的相位关系和幅值关系，真实反映了电力系统的故障情形。

Description

三相电压暂降发生器

技术领域

本发明属于自动化技术领域，尤其涉及三相系统电压暂降发生装置及其电压暂降类型、跌落幅度、持续时间的形成方法，以及精确产生三相对称和不对称电压暂降的实现方法。

背景技术

电压暂降是指电压有效值在短时间、大幅度突然下降的事件。电网中某一处电力设施发生故障或负荷突然出现大的变化，都将导致整个电网出现大面积不同程度的电压暂降，并对用电设备以及电网本身造成不同程度的危害。

故障引起的电压暂降类型可以分为A、B、C、D、E、F、G共七类，其中A为三相短路故障引起的对称性电压暂降，C、D、F、G为短路故障引起的不对称性电压暂降，B和E为含有零序分量的不对称性电压暂降。电压暂降类型在电网中的传递主要受故障发生位置、故障类型、电网结构以及电力变压器的联结方式(例如星接或角接)等四方面因素的影响。电网故障传递到公共连接点(PCC)的不同类型、不同跌落深度以及不同持续时间的电压暂降事件，对同公共连接点(PCC)相连的电气设备的影响程度是完全不同的。

例如，当电压低于81％U_N时，可变程序控制器(PLC)停止工作；当电压低于60％U_N且持续时间超过240ms时，计算机的计算工作将会受到影响，造成损坏磁盘或数据丢失。根据美国电科院的统计，90％U_N以上的电能质量问题是由电压暂降(Voltage Sag)和电压凸起(Voltage Swel1)造成的，其中电压暂降为主要事故原因。

电压暂降问题日益尖锐和复杂，已引起各国专家和学者的广泛关注。国际电气与电子工程师协会和国际电工委员会权威机构相继制定了电压暂降相关国际标准：国际电工委员会电磁兼容(EMC)标准IEC 61000电磁环境部分(即：IEC 61000-2-8)描述了电压暂降、短时中断等电磁干扰现象，讨论了供电系统电压暂降、短时中断现象对接入系统的电气设备的影响；并制定了电气和电子设备的电压暂降、短时中断以及电压变化抗扰度等级、抗扰度试验和测量方法(即：IEC 61000-4-11：2004)。国际电气与电子工程师协会制订的IEEE Std1159-1995标准则根据电压扰动的频谱、持续时间、幅值变化等特征，对供电系统典型的电磁干扰现象进行了特征分类，为准确区分电压暂态现象提供了依据。我国现行的电气设备电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度等级、抗扰度试验和测量方法的标准为GB-17626.11-2008，等同采用IEC 61000-4-11：2004。

目前国际标准和我国国家标准对电压暂降、短时中断的试验发生器的要求主要侧重点是：①试验发生器电压暂降输出能力；例如，80％U_N下输出20A，持续时间达到5s；70％U_N下输出23A，持续时间达到3s；40％U_N下输出40A，持续时间达到3s；②峰值冲击电流驱动能力；例如，发生器最大峰值电流驱动能力不必超过1000A(相对250V-600V电源)等；③相位角的设定从0-360°，即电压暂降可以在电源电压的任意相位角上开始和停止。而对于三相系统的电压暂降试验的要求较简单，例如，对于具有中线的三相系统，只要求模拟和测试各相对中线的电压暂降和相与相之间的电压暂降，每次相线对中线的试验只对其中的一相进行；每次相线对相线的试验只对其中的一相进行；而对于不具有中线的三相系统，只要求模拟和测试相与相之间的电压暂降，每次相线对相线的试验只对其中的一相进行，其结果是：目前电压暂降试验发生器普遍只具有上述B、C两类电压暂降类型的模拟能力，从而忽视了对A、D、E、F、G等其它五类电压暂降类型的模拟生成及其对同公共连接点(PCC)相连的电气设备的影响的试验分析。

关于电压暂降问题理论研究的状况是：目前，国内外科技者研究了电压暂降分类以及变压器间的传递规律、电压暂降分析方法和检测方法、感应电机起动、负荷变化引起的电压暂降对电能质量的影响、抑制电压暂降的方法、模拟电压暂降过程试验的方法、电子设备电源电压暂降、短时中断抗扰性标准测试与改进等方面，但针对三相系统电压暂降的形成方法，以及精确产生三相对称和不对称电压暂降的实现方法的研究未见报道。

综上所述，现有的三相电压暂降发生器，也被称为三相电压暂降模拟器或电压暂降试验发生器，在电压暂降形成方法，生成电压暂降事件的准确程度以及试验测试的适用范围等方面还存在不足，具体表现为：

1.缺乏系统性的、针对三相故障电压暂降事件的形成方法，以及精确产生三相对称和不对称电压暂降事件的实现方法。

2.现有的三相电压暂降发生器技术功能存在局限性，不能全面、准确地反映三相系统可能发生的各种电压暂降类型；尤其是所生成的暂降电压难以满足三相故障电压内在的相与相之间的相位关系和幅值关系。

3.现有的三相电压暂降发生器能量一般只能是单向的从电网到负载传递，只适用于“用电设备”入网电气性能测试和试验时使用，并未考虑有源设备(例如新能源发电设备，动态电压恢复器(DVR)、静止无功发生器(SVG)、静止同步补偿器(STATCOM)等电能质量调节控制设备)接入电网时的电气性能测试和试验使用要求，其能量是从有源设备传递到电网，因此，在综合考虑时，还需要电压暂降模拟器或发生器具有双相传递能量的能力。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种三相电压暂降发生器，模拟三相系统可能发生的各种电压暂降事件。

本发明所述技术问题是通过以下技术方案实现的：

所述的三相电压暂降发生器采用两个三相脉宽调制(PWM)电压型变流器(VSC)，通过“背靠背”(Back to Back)连接方式构成主电路。

所述三相电压暂降发生器的网侧变换器为PWM电压型变流器，由空间矢量脉宽调制(SVPWM)进行控制，在其直流侧产生一个恒定的直流电压，交流侧实现单位功率因数和正弦波电流，模拟等效无穷大系统。

所述三相电压暂降发生器的故障生成侧变换器为PWM电压型变流器，利用对称分量法将电网故障电压分解为正序电压、负序电压和零序电压，将A、B、C、D、E、F、G七类典型的电压暂降事件，通过abc三相静止坐标系到dq0同步旋转坐标系(abc-dq0)变换，在dq0同步旋转坐标系下完成复合运算，再经dq0-abc变换形成空间矢量脉宽调制控制信号，在功率放大后驱动故障生成侧变换器生成任意的三相电压暂降波形，包括任意电压跌落深度、持续时间以及故障期间三相电压之间的复杂相位、幅值关系的精确自动生成。

1.由“背靠背”变流器实现能量在电网侧和故障侧的双向流动。

2.在dq0同步旋转坐标系下应用对称分量法，生成电压暂降的空间矢量脉宽调制控制信号，在功率放大后驱动故障生成侧变换器生成任意的三相电压暂降波形，使得故障时自动满足相与相之间的相位关系和相与相之间幅值的关系，更真实地反映了电力系统故障情形。

3.任意设定对称、不对称含零序以及不对称不含零序三种情形下所有的电压暂降类型，全范围的电压跌落深度以及任意的故障持续时间，精确生成电网故障时公共连接点(PCC)电压。

本发明采用两个三相PWM电压型变流器，通过“背靠背”(Back to Back)连接方式构成三相电压暂降发生器的主电路，模拟无穷大电网在正常和各种故障情形下的电源特性，可用来试验、检测接入电网的负荷的电气性能。该拓扑结构可使能量双向流动，故障生成侧变流器既可以连接无源负荷，例如各种待测试和试验的用电负荷；也可以连接有源负荷，例如各种待接入电网的新能源发电机组等有源负荷。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为本发明实施例中三相电压暂降发生器的主电路；

图2为本发明实施例中三相电压暂降发生器的工作原理图；

图3为本发明实施例中三相电压暂降发生器的网侧变换器控制逻辑框图；

图4为本发明实施例中三相电压暂降发生器的故障生成侧变换器空间矢量控制原理框图；

图5a为电力系统故障时电网-无源负荷情况下的单相等值电路；

图5b为电力系统故障时电网-有源负荷情况下的单相等值电路；

图6a三相对称分量示意图；

图6b三相负序对称分量示意图；

图6c三相零序对称分量示意图；

图7跌落85％(15％U_N剩余)时A类三相电压暂降波形；

图8为跌落85％(15％U_N剩余)时B类三相电压暂降波形；

图9为跌落85％(15％U_N剩余)时C类三相电压暂降波形；

图10为跌落85％(15％U_N剩余)时D类三相电压暂降波形；

图11为跌落85％(15％U_N剩余)时E类三相电压暂降波形；

图12为跌落85％(15％U_N剩余)时F类三相电压暂降波形；

图13为跌落85％(15％U_N剩余)时G类三相电压暂降波形；

图14为跌落20％(80％U_N剩余)时A类三相电压暂降波形；

图15为跌落20％(80％U_N剩余)时B类三相电压暂降波形；

图16为跌落20％(80％U_N剩余)时C三相电压暂降波形；

图17为跌落20％(80％U_N剩余)时D三相电压暂降波形；

图18为跌落20％(80％U_N剩余)时E三相电压暂降波形；

图19为跌落20％(80％U_N剩余)时F三相电压暂降波形；

图20为跌落20％(80％U_N剩余)时G三相电压暂降波形。

附图标记：

1-网侧变换器、2-直流母线、3-故障生成侧变换器、4-LC滤波器、

5-三相电压暂降发生器、6-电网等效电路、7-线路等效阻抗、

8-公共连接点、9-待测无源负荷、10-有源负荷等效电路。

具体实施方式

电网短路故障可分为对称短路故障和不对称短路故障两大类。对称短路故障即为三相短路故障；不对称短路故障最常见的是单相短路故障、两相相间短路故障、两相短路接地故障，而不对称故障中又分为含零序分量和不含零序分量两种情况。通常情况下，短路故障是造成电压跌落的主要原因，其中尤以不对称短路居多。而各种短路故障引起的电压跌落状况相差较大，所以在分析短路故障引起电压跌落产生的影响时，应针对不同故障类型分别进行。

本发明采用电力电子变流技术以及空间矢量控制方法，真实生成由电网短路故障(单相故障、两相故障、两相接地故障和三相故障)产生的各种电压暂降事件，具体包括不同电压跌落深度、持续时间，以及故障时三相电压之间的复杂相位、幅值关系的精确生成。三相电压暂降发生器采用两个三相PWM电压型变流器(VSC)，通过“背靠背”(Back to Back)连接方式构成主电路，如图1所示。

三相电压暂降发生器的工作原理图如图2所示。三相电压暂降发生器的网侧变换器为PWM电压型变流器(VSC)，由空间矢量PWM进行控制，在其直流侧产生一个恒定的直流电压，交流侧实现单位功率因数和正弦波电流，模拟等效无穷大系统，网侧变换器控制逻辑框图如图3所示。故障生成侧变换器为PWM电压型变流器，利用对称分量法将电网故障电压分解为正序电压、负序电压和零序电压，将A、B、C、D、E、F、G七类典型的电压暂降事件，通过abc三相静止坐标系到dq0同步旋转坐标系(abc-dq0)变换，在dq0同步旋转坐标系下完成复合运算，再经dq0-abc变换形成空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制信号，在功率放大后驱动故障生成侧变换器生成任意的三相电压暂降波形，包括任意电压跌落深度、持续时间以及故障期间三相电压之间的复杂相位、幅值关系的精确自动生成，故障生成侧变换器空间矢量控制原理框图如图4所示。

若待测负荷与电网连接构成的电气系统用单相等值电路表示，且将供电电源等效成电压源形式，则故障时的单相等值电路可用图5表示，其中图5a是负载为无源负荷时的情况，对于这种“电网-无源负荷”来说，电网中能量的传输方向是单向的，即由电网向负载传递；图5b为发电机与电网联接的情况。对于这种“电网-有源负荷”来说，电网中能量的传输方向是双向的，即可能由电网向发电机组侧传递，也可能由发电机组向电网侧传递。

通常，《电力系统分析》以及《电能质量分析与控制》在分析三相不对称电压暂降的影响时，做以下假设：

(1)正、负序系统阻抗相等；

(2)用电设备无零序电压，从而可考虑相对中性线电压；

(3)忽略故障发生前、发生期间与发生后的负荷电流。

从而得出七种电压暂降的典型类型，如表1所示。根据电压暂降类型就能确定电压相量的分布情况，其中

为PCC的电压跌落后的三相电压相量，V为故障相电压，

为故障相电压特征值。

表1电压暂降的典型类型

其中类型A为三相短路故障引起的三相对称电压暂降，类型B为单相接地短路故障引起的不对称电压暂降，类型C、D为两相相间短路故障引起的不对称电压暂降，类型E、F、G为两相接地短路故障引起的不对称电压暂降。

由对称分量法将不对称的三相故障电压相量分解为三组对称的分量(即：正序分量、负序分量、零序分量)如图6所示。设

为PCC三相不对称电压，则分解关系式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_a={\stackrel{\·}{U}}_{a1}+{\stackrel{\·}{U}}_{a2}+{\stackrel{\·}{U}}_{a0}\\ {\stackrel{\·}{U}}_b={\stackrel{\·}{U}}_{b1}+{\stackrel{\·}{U}}_{b2}+{\stackrel{\·}{U}}_{b0}\\ {\stackrel{\·}{U}}_c={\stackrel{\·}{U}}_{c1}+{\stackrel{\·}{U}}_{c2}+{\stackrel{\·}{U}}_{c0}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：

${\stackrel{\·}{U}}_{a0}={\stackrel{\·}{U}}_{b0}={\stackrel{\·}{U}}_{c0}.$

将式(1)求逆，得到正、负、零序分量，其矩阵方程形式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1\\ {\stackrel{\·}{U}}_2\\ {\stackrel{\·}{U}}_0\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_a\\ {\stackrel{\·}{U}}_b\\ {\stackrel{\·}{U}}_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

算子a＝e^j120°，

式中

——故障电压正序分量，

——故障电压负序分量，

——故障电压零序分量。

若进一步分别用

表示故障电压的正序分量特征值，表示故障电压的负序分量特征值，

表示故障电压的零序分量特征值，则电网故障在PCC产生的各种电压暂降可用正、负、零序分量特征值表示，如表2所示。

表2用正、负、零序分量特征值表示PCC故障电压暂降

由表2可知，上述七种电压暂降类型中只有B、E两类故障电压中含有零序分量。在三角形接法中，由零序相电压产生的零序相电流在闭合的三角形接线的电路中形成环流；而在无中线的星型接法中，中性点对地无通路，即有因而零序分量为零。由于电压暂降在系统中传播时一般要经过接线形式为三角形或无中线的星型的变压器，因此认为零序分量不会传递到用电设备终端，即三相不对称含零序分量的电压暂降类型B和E不会出现在用电设备端。但为了全面地对电力系统电压故障的影响进行研究，例如，正是在PCC发生单相接地短路故障或两相接地短路故障情形时，PCC或者用电设备端不可避免会出现B，E两类电压暂降类型，故本发明所提及的三相电压暂降发生器生成电压暂降的类型涵盖了所有“对称、不对称含零序以及不对称不含零序”共七种典型电压暂降类型。

则母线PCC端相电压相量在静止坐标系下可表示为：

${\stackrel{\·}{V}}_{\mathrm{PCC}}={\stackrel{\·}{N}}_1{V}_N{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{e}t}+{\stackrel{\·}{N}}_2{V}_N{e}^{-{\mathrm{j\ω}}_{e}t}+{\stackrel{\·}{N}}_0{V}_N{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{e}t}---\left(3\right)$

母线PCC端相电压相量在同步坐标系下可表示为：

$V_{\mathrm{PCC}}^s={\stackrel{\·}{N}}_1{V}_N+{\stackrel{\·}{N}}_2{V}_N{e}^{-{j2\mathrm{\ω}}_{e}t}+{\stackrel{\·}{N}}_0{V}_N---\left(4\right)$

由式(3)可得三相故障电压在dq0同步旋转坐标系下的矢量，进而得到三相故障电压在dq0同步旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量以及0轴分量，在dq0同步旋转坐标系下完成复合运算，再经dq0-abc变换形成空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制信号，在功率放大后驱动故障生成侧变换器生成任意的三相电压暂降波形，包括任意电压跌落深度、持续时间以及故障期间三相电压之间的复杂相位、幅值关系的精确自动生成。本发明可以任意生成电压暂降类型，在dq0-abc反变换时，既考虑了对称故障所产生的A类电压暂降、又考虑了不对称故障所产生的C类、D类、F类、G类不含零序分量的电压暂降，还考虑了B类和E类含有零序分量的不对称故障的电压暂降。

由上述方案可知，任意预设电压暂降类型、故障相电压值以及故障持续时间，可以实现任意电压跌落深度、任意持续时间的电压暂降故障的生成，期间，三相电压自动满足故障时各相之间的相角关系，真实地反映了电力系统中电压暂降故障的特征。

以下为三相电压暂降生成器对不同暂降类型、跌落深度、持续时间的电压暂降的数字仿真实验说明。

图7～13为电压跌落85％(15％U_N剩余)、持续时间100ms时A、B、C、D、E、F、G七类电压暂降的故障仿真波形；

图14～20为电压跌落20％(80％U_N剩余)、持续时间100ms时A、B、C、D、E、F、G七类电压暂降的故障仿真波形。

仿真实验表明：本方案可以生成对全范围电压跌落深度的电压暂降故障，并且各类型电压暂降波形的幅值以及各相之间的相角关系完全与理论分析相吻合。

Claims (5)

1.一种三相电压暂降发生器，其特征在于，所述三相电压暂降发生器的主电路由均为三相PWM电压型变流器的网侧变换器和故障生成侧变换器通过“背靠背”的连接方式构成；

其中，所述网侧变换器，由空间矢量脉宽调制进行控制，在其直流侧产生一个恒定的直流电压，交流侧实现单位功率因数和正弦波电流，模拟等效无穷大系统；

所述故障生成侧变换器，利用对称分量法将电网故障电压分解为正序电压、负序电压和零序电压，将A、B、C、D、E、F、G七类典型的电压暂降事件，通过abc三相静止坐标系变换到dq0同步旋转坐标系，在dq0同步旋转坐标系下完成复合运算，再经dq0-abc变换形成空间矢量脉宽调制控制信号，在功率放大后驱动故障生成侧变换器生成任意的三相电压暂降波形。

2.如权利要求1所述的三相电压暂降发生器，其特征在于，所述三相电压暂降发生器内能量双向流动，其故障生成侧变换器可连接无源负荷或有源负荷。

3.如权利要求1所述的三相电压暂降发生器，其特征在于，所述三相电压暂降发生器通过预设电压暂降类型、故障相电压值以及故障持续时间模拟在电网故障情形下公共连接点的故障电压。

4.如权利要求3所述的三相电压暂降发生器，其特征在于，所述模拟公共连接点的故障电压，包括对称、不对称不含零序以及不对称含零序三种情形下所有的电压暂降类型，全范围的电压跌落深度以及任意的故障持续时间的生成。

5.如权利要求1所述的三相电压暂降发生器，其特征在于，所述三相电压暂降波形包括任意电压跌落深度、持续时间以及故障期间三相电压之间的复杂相位、幅值关系的精确自动生成。

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