本文介紹了一個(gè)基于靜態(tài)無(wú)功功率轉(zhuǎn)換器原理的電源調(diào)節(jié)器。借助一個(gè)用匯編語(yǔ)言編程的PC機(jī)來(lái)控制脈沖樣式發(fā)生器，可以對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行平衡。在轉(zhuǎn)換器的直流電路中加入諧波可以抵消交流電路中的諧波。

隨著設(shè)備中轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的增加，對(duì)高動(dòng)態(tài)性和脈動(dòng)電源的需求，可再生能源的出現(xiàn)，以及不平衡負(fù)載的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了電流畸變現(xiàn)象越來(lái)越多，傳輸系統(tǒng)中的無(wú)功功率也由此增加了。特別是在脆弱或孤立的電源系統(tǒng)中，其影響可反映為干線電壓的嚴(yán)重畸變。電壓擾動(dòng)包括諧波、電壓衰落和抖動(dòng)以及整流缺陷，并可能導(dǎo)致供電系統(tǒng)失去平衡?，F(xiàn)代控制電子設(shè)備(包括測(cè)量電子設(shè)備和高速處理器)對(duì)這些擾動(dòng)非常敏感，因此需要一個(gè)電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)題。對(duì)于電壓擾動(dòng)問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決辦法是加大設(shè)備的規(guī)模，或使用調(diào)諧無(wú)源濾波器、不間斷電源(UPS)和有源濾波器。

一種更普遍的電源調(diào)節(jié)器是“靜態(tài)同步轉(zhuǎn)換器”，它包括一個(gè)帶有有源能量存儲(chǔ)裝置的交流轉(zhuǎn)換器。它提供了對(duì)基波和諧波中的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，并對(duì)公共耦合點(diǎn)(PCC)有功功率進(jìn)行控制的可能，還可對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行有效平衡。

電源調(diào)節(jié)的原理

如果引入一個(gè)平滑瞬時(shí)功率因子P_Gl(t)，則要定義流經(jīng)對(duì)稱正弦三相系統(tǒng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)最優(yōu)功率就相當(dāng)簡(jiǎn)單。在進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臈l件下，無(wú)功功率可給出為Q(t)=0。平滑的有功功率P_Gl(t)可從瞬時(shí)有功功率P(t)得到，如式(2.2)所示。供電系統(tǒng)的對(duì)稱電流I_N(t)定義為式(2.3)。

平滑時(shí)間常數(shù)T_Gl可自由選擇。它影響有功功率波動(dòng)的幅度，并決定最大功率和有功功率的存儲(chǔ)容量。電源調(diào)節(jié)器必須能夠通過(guò)滿足式2.2和2.3定義的相對(duì)最佳條件來(lái)提高電源的質(zhì)量。另外，為了平衡高壓輸電網(wǎng)和負(fù)載并消除諧波，將變換器作為一個(gè)三相系統(tǒng)而非三個(gè)單相單元來(lái)處理更為恰當(dāng)。這使得將正交功率元件作為空間矢量來(lái)進(jìn)行定義，使控制系統(tǒng)能夠達(dá)到較高的動(dòng)態(tài)性能。

圖1是一個(gè)并聯(lián)電源調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)化原理圖。它基于平行網(wǎng)絡(luò)工作模式的輸電網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)單相等效電路圖之上。電源調(diào)節(jié)器的功能是作為一個(gè)電壓源，其可變的幅度V和相角v是工作阻抗X(p)的函數(shù)。其內(nèi)部阻抗隨著頻率的增加而下降，直到等于次瞬時(shí)阻抗Xd。由于這一特點(diǎn)，在PCC的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，工作阻抗X(p)的作用就象電流諧波的一個(gè)電子“收容器”。在因切換等操作引起瞬時(shí)反應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)的增強(qiáng)使得短路電流容量的動(dòng)態(tài)性增強(qiáng)，從而減小了壓降，而未對(duì)控制電路造成任何不良影響。在穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程中，系統(tǒng)行為只取決于最重要的控制回路(如電壓控制)的動(dòng)態(tài)特性。這種工作原理被用來(lái)開(kāi)發(fā)一種更通用的帶同步轉(zhuǎn)換器的高容量電源調(diào)節(jié)器。

電路設(shè)計(jì)

圖2是電源調(diào)節(jié)器的方框圖。該系統(tǒng)由一個(gè)常規(guī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)變壓器(Ynd5)和組合無(wú)源LC濾波器構(gòu)成。自整流轉(zhuǎn)換器的直流中間電路與電池存儲(chǔ)單元相連，因此它適合在所有四個(gè)電氣象限工作。變壓器次級(jí)的三角形連接減小了零阻抗，并使初級(jí)元件有一個(gè)穩(wěn)定的中性點(diǎn)電勢(shì)，其零電壓足夠低，因而適合于不平衡工作并無(wú)需使用昂貴的五抽頭變壓器。電容C_F和平滑電感L_F有助于保證足夠的端點(diǎn)電壓質(zhì)量，它們的大小基本上取決于所用轉(zhuǎn)換器的脈沖信號(hào)的頻譜。允許使用的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器部件包括額定輸出從10kVA到100MVA，適合于在低、中、高電壓場(chǎng)合下使用的標(biāo)準(zhǔn)化的元器件。

不平衡工作模式

一般而言，不平衡的負(fù)載會(huì)在功耗中導(dǎo)致雙頻脈沖，并干擾對(duì)稱工作，在低壓配電系統(tǒng)中尤其如此。通過(guò)一個(gè)不對(duì)稱調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換器，可以平衡線電流，并將干擾的影響降到最低。對(duì)于這種用途，脈沖圖應(yīng)單獨(dú)產(chǎn)生。

然而，轉(zhuǎn)換器的不對(duì)稱調(diào)節(jié)會(huì)在輸出電壓中產(chǎn)生模數(shù)?3An的諧波，此處n=1,2,3....。這些諧波的幅度取決于不平衡率和它們的模數(shù)。通過(guò)在直流端加入交流電流，將這些諧波降到最小是可能的。轉(zhuǎn)換器的不對(duì)稱工作是通過(guò)使用一臺(tái)用匯編語(yǔ)言編程的PC機(jī)實(shí)現(xiàn)的。脈沖在內(nèi)部通過(guò)一個(gè)正弦脈沖調(diào)制產(chǎn)生，再通過(guò)并行端口和驅(qū)動(dòng)器電路發(fā)送到半導(dǎo)體元件。與一種次振蕩(suboscillation)方法一起使用的PWM以及所獲得的輸出電壓見(jiàn)圖3，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓取決于正弦波和三角波的幅度之比以及它們的頻率之比。

為了將不平衡模式下的輸出諧波降到最小，一個(gè)頻率為100Hz的交變電流被加入到直流電路。這個(gè)電流的幅度和相角通過(guò)由負(fù)載的不平衡所引起的負(fù)相序系統(tǒng)的變量決定。變換器產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)?例如180°)相移負(fù)相序系統(tǒng)，它使得由不平衡工作所產(chǎn)生的諧波最小。模數(shù)?(2An-1)p∨2并且?2AnAp∨1,n =1,2,3...的諧波是由于脈沖圖而產(chǎn)生的(見(jiàn)圖4)，那些模數(shù)?3An,n=1,2,3....的諧波是由于不對(duì)稱而產(chǎn)生的， 小于等于3ApAn的諧波則存在于各種脈沖圖中。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換器直流端的補(bǔ)償，它們可減小至當(dāng)前基波幅度的3%，其效果顯示在圖5的諧波頻譜中。

參考文獻(xiàn)

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