直流污穢試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)電源控制策略的研究

王黎明 袁法培 陳 堅(jiān) 傅正財(cái)

（1.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200030；2.杭州市電力局，杭州 310009）

1 引言

超高壓直流輸電由于具有穩(wěn)定性高，調(diào)節(jié)迅速靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1]。人工直流污穢試驗(yàn)可在短期內(nèi)獲得污穢地區(qū)直流輸電外絕緣設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)，對線路的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[2-3]。在進(jìn)行人工直流污穢試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電源的輸出電壓自始至終要保持不變。但是，染污絕緣子的泄漏電流具有持續(xù)時(shí)間長、波動(dòng)和幅值大等特點(diǎn)，泄漏電流勢必造成電源輸出電壓的大幅度波動(dòng)，考驗(yàn)控制系統(tǒng)的跟隨性和抗擾性。特別是由于絕緣子表面放電熄滅引起負(fù)荷釋放造成的相對電壓過沖，若控制不迅速，則可能造成閃絡(luò)，影響試驗(yàn)結(jié)果。

目前，國內(nèi)外對以晶閘管為主要調(diào)壓器件的直流污穢試驗(yàn)電源的研究已取得一些成果。文獻(xiàn)[4]提出采用晶閘管反饋控制對減小直流電源的動(dòng)態(tài)壓降有明顯效果，并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)電源，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)的局限，控制系統(tǒng)采用純硬件構(gòu)成，與現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的數(shù)字化控制系統(tǒng)相比，不便于操作和維護(hù)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一套基于晶閘管的污穢試驗(yàn)電源并進(jìn)行了開環(huán)仿真研究。但與閉環(huán)控制相比較，開環(huán)控制不能自動(dòng)修正被控量的偏離，抗擾動(dòng)性能較差。已見文獻(xiàn)中也沒有對試驗(yàn)電源的控制策略進(jìn)行詳細(xì)討論。

本文基于仿真分析，提出了直流污穢試驗(yàn)電源的控制策略，并將仿真與模擬試驗(yàn)相結(jié)合，引入高速單片機(jī)對晶閘管進(jìn)行反饋控制，對所提策略的控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)電源的基本結(jié)構(gòu)及性能要求

圖1為人工直流污穢試驗(yàn)系統(tǒng)基本回路示意圖，試驗(yàn)所用直流電源由交流電源經(jīng)整流、升壓、倍壓和濾波后獲得。圖1中AC為輸入電源，K為斷路器，T1為調(diào)壓器，KP1、KP2為單相晶閘管，T2為升壓變壓器，C1為倍壓電容，C2為濾波電容，D1、D2為硅堆，R0、Ra為保護(hù)電阻，R、r分別為電阻分壓器的高壓臂與低壓臂[6]。

圖1 人工直流污穢試驗(yàn)系統(tǒng)基本回路示意圖

根據(jù)人工直流污穢試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即IEC標(biāo)準(zhǔn)[7]和GB/T 22707-2008[8]的要求：前者要求在持續(xù)時(shí)間為500ms、峰值500mA、頻率1Hz的電流脈沖負(fù)載下，直流電源的相對電壓降和紋波因數(shù)均＜5%；后者要求在100mA阻性電流負(fù)載時(shí)電源的紋波因數(shù)＜3%，電源的相對電壓降和相對電壓過沖不應(yīng)超過10%。標(biāo)準(zhǔn)中的相對電壓降指的是試驗(yàn)中電壓的跌落值與試驗(yàn)額定電壓之比；而相對電壓過沖則指試驗(yàn)中超過試驗(yàn)額定電壓的那部分與試驗(yàn)額定電壓之比。

標(biāo)準(zhǔn)中衡量電源輸出性能參數(shù)的主要為3個(gè)指標(biāo)，即紋波因數(shù)、相對電壓降和相對電壓過沖。IEC標(biāo)準(zhǔn)給出了檢測電源性能的具體方法，即用持續(xù)時(shí)間為500ms、峰值500mA、頻率1Hz的電流脈沖負(fù)載去驗(yàn)證電源的性能。由倍壓電路的紋波因數(shù)公式[9]

式中，Id為流過負(fù)載的平均電流，A；Ud為負(fù)載兩端平均電壓，V；C為濾波電容，F(xiàn)；f為電源頻率，Hz。

當(dāng)回路參數(shù)及輸出電壓不變時(shí)，由公式（1）可知，輸出電壓的紋波因數(shù)S與負(fù)載電流Id成正比。如果負(fù)載電流為500m A時(shí)紋波因數(shù)＜3%，那么負(fù)載電流為100mA時(shí)紋波因數(shù)也一定＜3%。由此結(jié)論，后文將通過電流持續(xù)時(shí)間為500ms、峰值為500m A、頻率為1Hz的模擬負(fù)載去驗(yàn)證電源的輸出性能。

3 仿真模型及試驗(yàn)電源的控制策略

3.1 仿真模型的建立

為研究試驗(yàn)電源的控制策略，在M atlab 7.0的Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，回路結(jié)構(gòu)與圖1相似，由此基本回路搭建的仿真模型見圖2。圖中R3為晶閘管阻容保護(hù)元件；R1、R2為模擬負(fù)載電阻；Pulse為脈沖發(fā)生器[10]，產(chǎn)生占空比為50%、頻率為1Hz的方波；Sw itch為受控開關(guān)，與脈沖發(fā)生器共同控制負(fù)載電阻；Control system為控制系統(tǒng)，編程后實(shí)現(xiàn)控制策略；其他元件的含義同圖1。R1、R2、Pulse和Sw itch模塊組成模擬負(fù)載以驗(yàn)證電源的輸出性能。

圖2 仿真模型圖

3.2 試驗(yàn)電源的控制策略

調(diào)節(jié)交流電源對電容的充電電壓可以有效保持電源裝置輸出電壓的穩(wěn)定性，而調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角就調(diào)節(jié)了電源對電容的充電電壓[5]?；谝陨辖Y(jié)論，控制系統(tǒng)將根據(jù)采樣所得的反饋電壓Uf與整定電壓Ug之間的差值Uz，控制晶閘管的觸發(fā)角及導(dǎo)通狀態(tài)。此觸發(fā)角是指從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度[11]。

為了探索晶閘管觸發(fā)角每次提前或延遲的角度與電源輸出性能的關(guān)系，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。仿真模型如圖2，在其他參數(shù)不變的情況下，只改變觸發(fā)角α每次提前或延遲的角度δ，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 觸發(fā)角對電源輸出性能的影響

仿真表明，隨著δ的增大，電源的相對電壓過沖也增大，但當(dāng)δ＞7°時(shí)，增大的趨勢減緩；然而隨著δ的增大，紋波因數(shù)和相對電壓降則隨著減小，并在δ＞5°后減小的趨勢減緩。由于相對電壓過沖在δ＞5°時(shí)高于2%，綜合考慮三個(gè)參數(shù)和國標(biāo)的要求，晶閘管每次提前或延遲的度數(shù)在5°較為適宜。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的結(jié)論，當(dāng)晶閘管的觸發(fā)角α在93°～109°的小范圍調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)的效果最為有效。圖4為觸發(fā)角α在90°～110°時(shí)，觸發(fā)角提前或推遲5°所帶來的輸出電壓的變化值與原輸出電壓的百分比。

圖4 觸發(fā)角每次移動(dòng)5°時(shí)電壓變化的百分?jǐn)?shù)

在此范圍內(nèi)，電壓最多變化3.5%，即當(dāng)相對電壓降或相對電壓過沖高于3.5%時(shí)，通過觸發(fā)角的一次提前或推遲不能完全使輸出電壓調(diào)整到位?？紤]到多次調(diào)整耗時(shí)過多，影響電源的輸出性能，控制過程中，若遇到此種情況，應(yīng)將晶閘管的觸發(fā)角將直接調(diào)整到0°或180°，即晶閘管將全導(dǎo)通或全截止。

基于以上分析，對控制系統(tǒng)提出流程圖如圖5所示的如下控制策略。

（1）Uz＞0，電源實(shí)際輸出電壓低于整定電壓，即出現(xiàn)相對電壓降，若電壓降高于3.5%，則晶閘管全部導(dǎo)通，否則晶閘管的觸發(fā)角提前5°。

圖5 控制策略流程圖

（2）Uz＜0，電源實(shí)際輸出電壓高于整定電壓，即出現(xiàn)相對電壓過沖，若電壓過沖高于3.5%，則晶閘管不觸發(fā)，否則晶閘管的觸發(fā)角延遲5°。

4 仿真研究

4.1 仿真及仿真參數(shù)的選取

受試驗(yàn)條件所限，無法直接在10kV高壓回路中對所提策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，所以采用仿真與低壓模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行驗(yàn)證。仿真及低壓模擬試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，表1中的實(shí)際高壓系統(tǒng)參數(shù)按實(shí)際高壓試驗(yàn)系統(tǒng)的要求設(shè)置。

表1 實(shí)際高壓系統(tǒng)及模擬低壓系統(tǒng)參數(shù)

低壓系統(tǒng)參數(shù)由高壓系統(tǒng)參數(shù)折算得到，低壓系統(tǒng)參數(shù)中輸入電壓及相關(guān)電阻的選取為高壓系統(tǒng)的千分之一，以保持由高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)為低壓系統(tǒng)后流過負(fù)載的平均電流Id不變；高壓系統(tǒng)中采用10kV電源和1：10的升壓變壓器來獲得100kV的電源，而高壓系統(tǒng)中10kV的電源折算到低壓系統(tǒng)后應(yīng)為10V，考慮輸入電源的穩(wěn)定性，低壓系統(tǒng)中舍去1:10的升壓變壓器，直接用100V的交流電源作為輸入電源。

低壓系統(tǒng)中輸入倍壓電路的電壓是高壓系統(tǒng)的千分之一，在回路結(jié)構(gòu)不變的前提下，高壓系統(tǒng)的負(fù)載兩端平均電壓Udh為低壓系統(tǒng)負(fù)載兩端平均電壓Udl的1000倍。由公式（1）可知，當(dāng)Id及f不變時(shí)，C與Ud成反比。因此，為保持高壓系統(tǒng)折算到低壓系統(tǒng)后的紋波因數(shù)S不變，則低壓系統(tǒng)的濾波電容Cl為高壓系統(tǒng)Ch的1000倍，即高壓系統(tǒng)為2μF時(shí)，低壓系統(tǒng)為2000μF。

4.2 仿真與分析

為了驗(yàn)證所提出的控制策略，進(jìn)行了三項(xiàng)仿真，分別為對10kV電源輸入且含匝數(shù)比為1:10的升壓變壓器的實(shí)際高壓系統(tǒng)仿真、100kV電源輸入且不含升壓變壓器的實(shí)際高壓系統(tǒng)的仿真以及模擬試驗(yàn)用的低壓系統(tǒng)的仿真。仿真中負(fù)載電流如圖6（a）所示，圖6（b）～（d）分別為含升壓變壓器的實(shí)際高壓系統(tǒng)、不含升壓變壓器的實(shí)際高壓系統(tǒng)和模擬的低壓系統(tǒng)的輸出電壓波形。

輸出電壓的具體參數(shù)見表2。對比仿真參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，仿真所得電源的輸出參數(shù)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對相對電壓降、相對電壓過沖及紋波因數(shù)的要求。

表2 仿真結(jié)果匯總

5 模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證控制策略，在實(shí)驗(yàn)室搭建低壓模擬污穢試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)回路如圖1，參數(shù)見表1，與低壓系統(tǒng)仿真參數(shù)相同。調(diào)壓控制系統(tǒng)采用ATMEL公司的atmega128芯片，該芯片自帶10位高速A/D模塊，經(jīng)電阻分壓器采樣電源實(shí)際輸出電壓，采樣速度最快可達(dá)13μs[12]，可針對反饋電壓，利用晶閘管調(diào)整交流側(cè)每半個(gè)周波的輸入，保持電源輸出的穩(wěn)定。模擬低壓系統(tǒng)中分壓器的分壓比為61:1。模擬負(fù)載由PLC和交流接觸器控制。晶閘管的觸發(fā)部分采用光纖與控制系統(tǒng)隔離，以保障控制系統(tǒng)的安全和減少系統(tǒng)的干擾。

圖6 仿真結(jié)果

試驗(yàn)的控制目標(biāo)為250V，在本文所提出的控制策略的控制下，電源輸出電壓如圖7所示。

圖7 低壓模擬試驗(yàn)結(jié)果

在輸出直流500m A，持續(xù)0.5s時(shí)間的阻性負(fù)載電流下，相對電壓降為1.8%，紋波因數(shù)為1.99%，相對電壓過沖為2.8%。

6 仿真及試驗(yàn)結(jié)果分析

通過仿真及低壓模擬試驗(yàn)結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）對比圖6（b）與圖6（c），在倍壓電路輸入電壓不變的情況下，系統(tǒng)輸入電壓與升壓變壓器的變化不會(huì)對電源的輸出電壓產(chǎn)生大的影響。

（2）對比圖6（c）與圖6（d），實(shí)際高壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果與模擬低壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果基本相同，因此通過4.1節(jié)所述的方法，經(jīng)高壓系統(tǒng)參數(shù)折算出的模擬低壓系統(tǒng)參數(shù)可靠，低壓系統(tǒng)同樣可以驗(yàn)證所提出的控制策略。

（3）對比圖6（d）與圖7，相同回路的仿真及模擬試驗(yàn)結(jié)果相吻合，仿真所得結(jié)果是可靠的。

7 結(jié)論

根據(jù)仿真及低壓模擬試驗(yàn)研究，研究了直流高壓污穢試驗(yàn)系統(tǒng)中晶閘管的控制角變化對系統(tǒng)的輸出性能的影響，找出且量化了相對最優(yōu)的控制角變化大小，并提出了控制策略。搭建了以單片機(jī)為控制機(jī)構(gòu)的快速調(diào)壓控制系統(tǒng)對晶閘管進(jìn)行閉環(huán)控制。本系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，由該快速調(diào)壓控制系統(tǒng)控制的直流高壓污穢試驗(yàn)電源在IEC推薦的負(fù)載電流下，輸出電壓的相對電壓降小于2%、紋波因數(shù)小于3%、相對電壓過沖小于3%，遠(yuǎn)高于IEC及國家標(biāo)準(zhǔn)中對試驗(yàn)電源的要求。

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