CN107332250A - 一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源，本发明由升压变压器将普通市电升高至大于暂升需要的最高电压，通过三相不控整流桥整流，为三相逆变器提供直流电源；直流母线分裂电容接在不控整流桥与三相桥式逆变电路之间；分裂电容中点引出，作为输出中性线使用，组成三相四线制拓扑结构，实现输出各相之间完全解耦。通过逆变器SPWM控制策略，产生各门极信号来控制各开关管的导通/关断时间，实现各相电压的独立控制以及直流环节分裂电容电压偏差的控制，将直流电转化为SPWM波，最后经过LC正弦滤波器滤除高频谐波，输出满足指定幅值、相位以及频率的正弦波，实现暂态电压的持续时间、任意相的电压相位与幅值精确可调。

Description

一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源
技术领域
本发明涉及一种低压电源发生装置，具体是一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源。
背景技术
在实际电网中，特高压交直流线路故障、电网低频振荡、大型电机启动和供电网路的短路故障等会引起电压暂降；大规模负载的突减、大容量电容补偿器的投入等又会引起电网电压暂升。研究的需求背景首先涉及大型火电厂辅机系统变频器的高低电压穿越问题，当发电厂厂用电电压暂降情况下，这些辅机变频器会自我保护并停机，而当遭遇瞬时过电压时，除停机外，还会造成变频器的损坏，种种情况可能导致整个发电机组的跳机。关于这一严重威胁电力系统稳定运行的安全隐患，已引起了业内的高度重视，为了解决此类辅机变频器高低电压穿越能力的问题，需要研制能精确模拟电网电压暂升/暂降的电源，它是研发变频器高低压穿越支持设备的基础和验证手段。同样此类电源也可以应用于其他电气、电子产品的性能测试和研究。
目前，国内外的研究主要集中于对电网电压暂降的模拟，即电压跌落发生器(Voltage Sag Generator,简称VSG)。其实现方式可分为4种：主回路并联阻抗、输出侧变压器匝数变换、同步发电机方式以及基于电力电子变换的方法。主回路并联阻抗的实现方法，其具体是在设备中增加串并联补偿器件，串联在电路中的阻抗主要用于抑制电流的冲击影响，并联在电路中的阻抗用以产生电压跌落，通过控制并联阻抗接入电路时间与阻抗值的大小，可控制电压跌落的深度与时间。该方案改变了原有线路的参数，存在能量损耗大以及跌落精度不高，输出不能任意设置的缺陷；输出侧变压器匝数变换的方法，其具体实现方式是构造以自耦变压器和全控型交流电子开关为主的拓扑结构，以模拟出实际电网电压暂升/暂降状况，响应速度较快，但其无法产生任意频率的波形，电压也无法自动调节；同步发电机方式是通过改变同步发电机的励磁电流，以模拟负载侧电压跌落，该方案存在响应速度慢以及设备本身体积较大等问题；基于电力电子变换的方法一般以三相逆变电路为基础，通过对其进行拓扑结构的进一步改良，将来自电网正常稳定的电压进行转化，转化后的电压用于模拟电网电压暂升/暂降现象。该方案技术先进、调节连续、响应速度快、功能趋向于智能化等优势，具有明显的经济价值与实际应用价值。本发明即采用电力电子变换形式，并在技术上有了创新。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源。
一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源，由升压变压器将普通市电升高至大于暂升需要的最高电压Uh，通过三相不控整流桥整流，为三相逆变器提供直流电源；直流母线分裂电容接在不控整流桥与三相逆变电路之间，除用于减小直流电压波动外，从分裂电容中点引出一线作为输出中性线，组成三相四线制拓扑结构，实现输出各相之间完全解耦。通过逆变器的SPWM控制策略，产生各门极信号来控制开关管的导通/关断时间，实现各相电压的独立控制以及直流环节分裂电容电压偏差的控制，将直流电转化为SPWM波，最后经过LC正弦滤波器滤除高频谐波，输出满足指定幅值(0-Uh)、相位以及频率的正弦波，实现暂态电压的持续时间、任意相的电压相位与幅值精确可调。
一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源，包括升压变压器、三相不控整流桥、直流母线分裂电容、三相逆变电路、LC正弦滤波器以及相应控制的系统。
所述的升压变压器位于电网与三相不控整流桥之间，直流母线分裂电容接在三相不控整流桥与三相逆变电路之间，直流母线分裂电容中点引出，作为输出中性线使用；三相桥式逆变电路后接LC正弦滤波器。
所述的控制系统是以DSP控制单元为核心，包括附属的采样电路和逆变驱动电路。所述的采样电路包括电压和电流传感器，电压传感器安装在LC正弦波滤波器的输出侧；电流传感器有两路，分别安装在逆变单元的输出侧和LC滤波器的电容支路上；电压和电流传感器的信号输出端与DSP控制单元相连；DSP控制单元的输出端与逆变驱动电路相连。
所述的三相逆变电路，结合直流母线分裂电容中点所引出的中性线，组成三相四线制拓扑结构，确保输出各相之间完全解耦，独立可控。
所述的逆变器的SPWM控制策略为采用电压外环电流内环双闭环加直流母线分裂电容电压偏差前馈的控制策略，实现各相独立的控制，确保中性点不偏移，使得电源本身支持任意相电压幅值的暂升/暂降，电压相位的任意改变。
本发明的工作原理是：由升压变压器将普通市电升高至略大于暂升需要的最高电压Uh，通过三相不控整流桥整流，为三相逆变器提供直流电压；直流母线分裂电容接在不控整流桥与三相桥式逆变电路之间，主要作用是为逆变电路输出提供直流电压支持，保证直流侧电压稳定，同时降低开关管周期性关断所产生的冲击电流；分裂电容中点引出，作为输出中性线使用。通过上述的逆变器SPWM控制策略，产生各门极信号来控制各开关管的导通/关断时间，实现各相电压的独立控制以及直流环节分裂电容电压偏差的控制，将直流电转化为SPWM波，最后经过LC正弦滤波器滤除高频谐波，输出指定幅值(0-Uh)、相位以及频率的正弦波，实现暂态电压的持续时间、任意相的电压相位与幅值精确可调。
本发明的有益效果：本发明可实现低电压范围内的无级调节，能模拟各类电力系统故障下的电压变化，支持任意相电压的暂升/暂降能模拟IEEEll59-1995标准规定的电网电压暂升/暂降现象，输出电压连续调节，具备动态响应快，输出精度高等特点，可用于电气和电子产品在电网电压暂升/暂降情况下的性能测试和研究，具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1：本发明电源的电气结构图；
图2：本发明电源的控制策略图；
图3：三相电压对称跌落至20％仿真波形图；
图4：三相电压对称暂升至140％仿真波形图；
图5：单相电压跌落至20％仿真波形图；
图6：单相电压暂升至140％仿真波形图；
图7：A相电压跃变60°且B电压暂降至20％仿真波形。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明的一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源，其功率主回路由升压变压器、三相不控整流桥、直流环节分裂电容、电压源性逆变电路、滤波电抗器以及滤波电容器等组成。控制部分包括采样电路、驱动电路、DSP控制单元。
其中，升压变压器接在电网与不控整流桥之间，主要负责抬升进线电压，为装置提供电压暂升的空间，升压变压器的输出电压根据最高暂升电压Uh确定，考虑整流、逆变和滤波环节的电压损失，一般为105％Uh左右，功率Sn视实际测试负荷PL需求确定。不控整流桥额定电流值由Uh和PL确定，三相逆变桥的额定电流需要按最低试验暂降电压下的最大电流考虑，直流滤波电容要比常规的逆变电路大，LC滤波器按输出电源的频率设计，具体设计在此不再赘述。L1、L2、L3、N为装置的四个输出端子，可根据实际试验设备需要进行连接。
如图1，以A相为例，电量满足如下数学表达式：
iL＝iC+io(2)
本发明采用电压外环电流内环双闭环加直流母线分裂电容电压偏差前馈的控制策略，根据状态空间法，设计的控制策略框图如图2所示，其中电流内环旨在提高整个系统的动态特性，以滤波电容电流为控制量，采用比例控制器即可实现预期控制效果，其中Ki为电流调节器中的比例增益。其中电压反馈外环旨在提高整个系统的稳定性，保证装置的输出电压跟随设定参考值进行实时变化，以负载相电压为控制量，采用PI控制器，其中Kvp为该控制器的比例增益，Kvi为该控制器的积分增益。考虑到负载电压反馈外环使用了PI控制器，而PI控制器不能对正弦信号实现无静差跟踪，正常工作期间会产生一定的相差。针对该问题，增加负载电压前馈环来减少相差，进而实现对给定参考值的高精度跟踪。其中直流母线分裂电容电压偏差前馈部分，通过对直流母线分裂电容的端电压进行实时采样，进而获得电压偏差量Δv，将电压偏差量Δv的经电压偏差调节器后获得的信号同电压调节器输出的信号iC *(s)的和作为电流调节器的给定信号，该给定信号与流经滤波电容的电流反馈信号比较后所获得的误差信号经电流调节器运算后，即可获得SPWM调制模块的给定参考信号，该信号通过调制后即可产生控制开关管通断的门极信号。
图3-7分别为三相同步暂升/暂降、单相暂升/暂降以及相位跃变的仿真波形图，电源模拟电压的暂升/暂降故障时均能实现快速响应，模拟故障电压的过渡时间短，输出电压可在极短的时间内完成波形切换，同时任意相电压的幅值与相位可以实现完全独立控制，进而确保电源可精确模拟出任意故障波形。

Claims (4)

1.一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源，其特征在于：由升压变压器将普通市电升高至大于暂升需要的最高电压，通过三相不控整流桥整流，为三相逆变器提供直流电源；直流母线分裂电容接在不控整流桥与三相逆变电路之间，除用于减小直流电压波动外，从分裂电容中点引出一线作为输出中性线，组成三相四线制拓扑结构，实现输出各相之间完全解耦；通过逆变器的SPWM控制策略，产生各门极信号来控制各开关管的导通/关断时间，实现各相电压的独立控制以及直流环节分裂电容电压偏差的控制，将直流电转化为SPWM波，最后经过LC正弦滤波器滤除高频谐波，输出满足指定幅值、相位以及频率的正弦波，实现暂态电压的持续时间、任意相的电压相位与幅值精确可调。
2.根据权利要求1所述的一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源，其特征在于：包括升压变压器、三相不控整流桥、直流母线分裂电容、三相逆变电路、LC正弦滤波器以及相应控制的系统；
所述的升压变压器位于电网与三相不控整流桥之间，直流母线分裂电容接在三相不控整流桥与三相逆变电路之间，直流母线分裂电容中点引出，作为输出中性线使用；三相桥式逆变电路后接LC正弦滤波器；
所述的控制的系统是以DSP控制单元为核心，包括附属的采样电路和逆变驱动电路；所述的采样电路包括电压和电流传感器，电压传感器安装在LC正弦波滤波器的输出侧；电流传感器有两路，分别安装在逆变单元的输出侧和LC滤波器的电容支路上；电压和电流传感器的信号输出端与DSP控制单元相连；DSP控制单元的输出端与逆变驱动电路相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源，其特征在于：所述的三相逆变电路，结合直流母线分裂电容中点所引出的中性线，组成三相四线制拓扑结构，确保输出各相之间完全解耦，独立可控。
4.根据权利要求1所述的一种基于三相逆变器的多模式电压暂升暂降电源，其特征在于：逆变器的SPWM控制策略为采用电压外环电流内环双闭环加直流母线分裂电容电压偏差前馈的控制策略，实现各相独立的控制，确保中性点不偏移，使得电源本身支持任意相电压幅值的暂升/暂降，电压相位的任意改变。
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