鏈?zhǔn)絊TATCOM物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白云飛，萬萌

（1.西安西電自動(dòng)化控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，陜西西安710049；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710049）

鏈?zhǔn)絊TATCOM物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白云飛1，萬萌2

（1.西安西電自動(dòng)化控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，陜西西安710049；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710049）

物理模擬實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代電力設(shè)備制造及電力系統(tǒng)研究的重要方法，該方法與仿真實(shí)驗(yàn)以及數(shù)字動(dòng)模實(shí)驗(yàn)相比，能夠更好地模擬實(shí)際電路系統(tǒng)的真實(shí)工況。針對(duì)鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用于進(jìn)行鏈?zhǔn)絊TATCOM物理模擬實(shí)驗(yàn)的物模系統(tǒng)，提出了主電路計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了基本的電路模塊，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

物理模擬實(shí)驗(yàn)；鏈?zhǔn)絊TATCOM；IGBT；研究系統(tǒng)

物理模擬實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代電力設(shè)備制造及電力系統(tǒng)研究的重要方法。該方法是通過建立與原型電力設(shè)備或電力系統(tǒng)中某個(gè)子系統(tǒng)的在物理特性上相似的實(shí)體模型，然后在特定的環(huán)境下組成等效系統(tǒng)來驗(yàn)證控制保護(hù)系統(tǒng)功能正確性或系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性的實(shí)驗(yàn)測試方法。物理模擬實(shí)驗(yàn)與一般仿真實(shí)驗(yàn)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（簡稱“物模系統(tǒng)”）可以反映物理模擬的原型的實(shí)際工作過程，且實(shí)體現(xiàn)象直觀、豐富。與數(shù)字動(dòng)模實(shí)驗(yàn)相比，物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)控制器系統(tǒng)的檢驗(yàn)更加全面，在物理模擬中所使用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與真實(shí)控制系統(tǒng)完全相同，既包含了控制系統(tǒng)中的核心控制單元，又包含控制系統(tǒng)中除了控制單元以外的輔助單元，而在數(shù)字動(dòng)模中通常只對(duì)核心控制器進(jìn)行模擬。鏈?zhǔn)絊TATCOM（Cascaded Static Synchronous Compensator，STATCOM）物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是根據(jù)模擬理論及相似原理將實(shí)際中的原型系統(tǒng)各部分按同比例縮小構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要參數(shù)的選擇

1.1 物模系統(tǒng)中鏈?zhǔn)絊TATCOM主電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)鏈?zhǔn)絊TATCOM中鏈?zhǔn)诫娐啡嗨捎玫慕泳€方式劃分，鏈?zhǔn)絊TATCOM可以分為“Y”形接線和“△”形接線2種電路結(jié)構(gòu)。在設(shè)備容量和接入的系統(tǒng)電壓相同的情況下，這2種不同的電路結(jié)構(gòu)對(duì)組成鏈?zhǔn)絊TATCOM中電力電子開關(guān)器件參數(shù)的選擇區(qū)別較大。本文在設(shè)計(jì)物模系統(tǒng)時(shí)按照實(shí)際工程選擇了“Y”形接線的鏈?zhǔn)絊TATCOM。

1.2 物模系統(tǒng)主電路參數(shù)的計(jì)算

本文所設(shè)計(jì)鏈?zhǔn)絊TATCOM物模系統(tǒng)所接入的電網(wǎng)電壓US為380 V，鏈?zhǔn)絊TATCOM電路結(jié)構(gòu)采用“Y”形接線。鏈?zhǔn)絊TATCOM物模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)補(bǔ)償容量為S為±3 kVar，則其最大相電流IcY－max為：

鏈?zhǔn)絊TATCOM接入系統(tǒng)的相電壓有效值USP為：

接入系統(tǒng)的相電壓有效值USP、鏈?zhǔn)絊TATCOM中電壓源型換流器輸出的最大電壓有效值UcY－max與電抗器的端電壓有效值URe之間滿足公式：UpY－max=USP+URe.

鏈?zhǔn)絊TATCOM中電抗器的電抗率η通常選擇11%～15%，本文設(shè)計(jì)所的物模系統(tǒng)中，電抗器的電抗率選取14%，則電抗器的端電壓有效值URe可由以下公式得出：URe=ηUSP.

由上述可知，鏈?zhǔn)絊TATCOM中電壓源型換流器輸出的最大電壓有效值UpY－max取值為250.1 V。由于電壓源型逆變器的輸出電壓實(shí)際由各功率單元提供，因此，電壓源型逆變器的輸出電壓的峰值與功率單元直流電容器電壓Udc之間滿足下列關(guān)系：

式（1）中：N為每相功率單元的數(shù)量，出于對(duì)物模系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)規(guī)模的考慮，每相功率單元的數(shù)量為8個(gè)。

為了保證鏈?zhǔn)絊TATCOM輸出波形的諧波含量較低，鏈?zhǔn)絊TATCOM控制系統(tǒng)所采用的調(diào)制比m一般設(shè)定在0.6～0.85之間。因此，電壓源型逆變器的輸出電壓的峰值與功率單元直流電容器電壓Udc之間的實(shí)際關(guān)系應(yīng)為：

1.3 功率單元關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算

功率單元中的關(guān)鍵元件包括電力電子開關(guān)器件即IGBT元件和直流支持電容器，為了確定2個(gè)元件的參數(shù)首先需要確定功率單元直流電容器電壓Udc.

根據(jù)上述計(jì)算公式可計(jì)算得出物模系統(tǒng)中功率單元直流電容器電壓Udc=52 V。IGBT元件的額定電流為3.21 A。直流側(cè)電容電壓的構(gòu)成包含1個(gè)直流分量和頻率交流系統(tǒng)2倍的分量。直流電容器電壓波動(dòng)的峰值即直流電容器電壓的紋波值，由直流支撐電容的電容值決定。直流電容電壓的紋波系數(shù)取5%，因此，直流支撐電容的電容值為1 675 μF。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，IGBT元件時(shí)選取了額定參數(shù)為400 V、25 A的IGBT元件，直流支撐電容器選取了400 V、330 μF的電解電容6個(gè)并聯(lián)的電容器組，等效電容為1 980 μF。

1.4 接入電抗器參數(shù)的計(jì)算

當(dāng)系統(tǒng)吸收無功時(shí)，系統(tǒng)電壓高于鏈?zhǔn)絊TATCOM中電壓源型逆變器的輸出電壓低于系統(tǒng)電壓，電流滯后系統(tǒng)相電壓為90 V。當(dāng)系統(tǒng)吸收無功時(shí)，系統(tǒng)電壓高于鏈?zhǔn)絊TATCOM中電壓源型逆變器的輸出電壓高于系統(tǒng)電壓，電流超前系統(tǒng)相電壓為90 V。接入電抗器基準(zhǔn)阻抗值為：

由上述計(jì)算公式可知，XL=6.6 Ω。另外，由于接入電抗器的電抗率γ=1 4%.則電抗器的基波電抗值XLN=XLγ=0.924 Ω。電抗器電感值L=2.9 mH。

2 物模系統(tǒng)功率單元的硬件設(shè)計(jì)

物模系統(tǒng)的功率單元由IGBT逆變模塊和功率單元控制板兩部分組成。

2.1 IGBT逆變模塊

IGBT逆變模塊的主體結(jié)構(gòu)為單相全橋逆變電路，IGBT逆變模塊采用PCB安裝的結(jié)構(gòu)。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)芯片選取國際整流器公司（International Rectifier，IR）的IR2110S驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，采用DIP14腳封裝，兼有光耦隔離型驅(qū)動(dòng)芯片體積小和電磁隔離型驅(qū)動(dòng)芯片信號(hào)傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率逆變裝置中常用的驅(qū)動(dòng)器件。

2.2 功率單元控制板

功率單元控制板是一種高電位設(shè)備，是功率單元和鏈?zhǔn)絊TATCOM控制保護(hù)系統(tǒng)接口元件。功率單元控制板和鏈?zhǔn)絊TATCOM控制保護(hù)系統(tǒng)之間采用光纖連接以確保高低電位的電氣隔離。功率單元控制板主要功能有IGBT觸發(fā)脈沖分配、直流電壓測量、直流電容器過電壓保護(hù)、低電壓閉鎖和IGBT故障閉鎖等功能。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的物模系統(tǒng)可以模擬鏈?zhǔn)絊TATCOM的實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。鏈?zhǔn)絊TATCOM物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建成為研究鏈?zhǔn)絊TATCOM及其控制保護(hù)系統(tǒng)的性能提供了重要的研究手段，可以加快鏈?zhǔn)絊TATCOM控制保護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)度。

［1］吳國渝.電力系統(tǒng)仿真［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［2］劉正富.鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器主電路及控制策略研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

〔編輯：張思楠〕

TP301.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.104

2095－6835（2017）19－0104－02