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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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在对称电压凹陷期间，谐波减少和穿越可调速度驱动器

S. S. Deswal博士1， Rajveer Mittal博士2， L. P.辛格3.，吉滕德·莱瑟3.
  1. 印度德里罗希尼阿格拉森理工学院EEE系院长(学术)兼副教授
  2. 印度德里罗希尼阿格拉森理工学院EEE系主任兼副教授
  3. 印度德里罗希尼阿格拉森理工学院电子工程学系助理教授
有关文章载于Pubmed,谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

对高质量、可靠电力的需求不断增长，扭曲负载的数量不断增加，可能会导致客户和公用事业公司对电力质量的认识提高。当今最常见的电能质量问题是电压下降、谐波失真和低功率因数。在任何电压跌落穿越系统的重要性、效率、规模和成本之间进行权衡是选择最佳拓扑结构的核心。此外，为任何给定的系统选择最佳拓扑取决于中断的性质。例如，如果主要中断事件是电压跌落;不是完全停机，来自高级硬件修改ASD的类别的贯穿系统是首选。反之亦然，如果主要事件是完全停电，那么来自储能设备类别的具有穿越机制的ASD是最好的，以保持长时间的穿越。本文将研究一种先进硬件改造类ASD的电压跌落贯穿问题。该系统利用升压变换器和超级电容作为储能装置，在对称电压跌落时补偿直流链路电压。升压转换被激活来补偿直流链路的参考电压和实际电压之间的差异，一旦它接收到电压跌落检测系统的信号。 An additional advantage of using boost converter is its ability to improve the shape of the supply currents waveforms during the steady state normal operation. Thus lower total harmonic distortion (THD) can be obtained. Based on the designed topology, simulation model in MATLAB 7.5 (Sim Power Block set) has been developed for voltage unbalance conditions with supercapacitor as an energy storage device. The designed control technique is modeled, simulated and successfully implemented in the laboratory. The extensive simulation results are provided to validate the proposed system.

关键字
电力质量，谐波，可调速驱动器，超级电容器，THD。

介绍
电能质量问题是由于电压、电流、频率不规范而产生的。电力质量对客户、公用事业和电气设备制造商有着严重的经济影响。工业的现代化和自动化包括越来越多地使用计算机、微处理器和电力电子系统，如可调速驱动器。[1 - 2]
燃料电池、风力涡轮机和光伏等非常规发电技术与公用电网的集成通常需要电力电子接口。电力电子系统也会造成电能质量问题(产生谐波)。电子设备对干扰非常敏感，对电压下降、膨胀和谐波等电能质量问题的容忍度降低。电压降被认为是对工业设备最严重的干扰之一。通过在共联轴器负载点注入无功功率可实现负载电压支持。由于谐波在系统中发生，它会引起电机的损耗和发热。(3 - 5)
在现代电力系统中，由于非线性负荷的增加，电能质量已成为人们关注的焦点。非线性荷载在1987年仅占总荷载的15%，到2000年已增加到50%[6-7]。在商业工业中，主要生产线需要高质量的电力，因为它由几个耦合的电机同时工作，并具有精确的速度。这些电能质量的干扰会导致各种工作站停机，需要很长时间才能清理机器并恢复生产。(8 - 9)
瞬态电压变化是由雷击、电力线和电容器组的开关、系统故障和大型电机启动引起的。因此，为了减少停机时间，提高效率，一个良好的电能质量监测系统是商业工业必不可少的。虽然电力驱动对电压畸变很敏感，但它们也是电流谐波产生和电能质量问题的主要来源之一。电力驱动从电力系统中吸取非正弦电流[10,11]。通过电力系统阻抗的电流谐波产生非线性的电压降并引起电压畸变。在谐波存在的情况下，负载损耗、涡流损耗和其他杂散损耗增加。可能的问题包括变压器过热，电机故障，熔断器熔断，电容器故障和控制[12]的错误操作。
THD定义为去除基波后剩余波形的均方根值。一个完美的正弦波是100%的，基本是系统频率在50或60Hz。谐波失真是由引入频率为基频倍数的波形引起的，即:三次谐波是基频的3倍/ 150Hz。总谐波失真是失真波形的总和值的测量。谐波失真是由于大量使用非线性负载设备，如计算机电源、电子镇流器、紧凑型荧光灯和变速驱动器等，产生具有谐波频率成分的大电流而引起的。大多数电路元件的极限额定值是由为避免母线、断路器、中性导体、变压器绕组或发电机交流发电机过热而可以消散的热量决定的。(13 - 20)
今天，没有明确的产品标准来管理谐波。IEEE 519-1992，电力系统谐波控制的推荐实践和要求，在讨论谐波缓解时经常被引用。然而，这一标准是为了解决输电线路和电网中的谐波问题而制定的。IEEE 519-1992是一个系统标准，不能有效地应用于单个产品。[21]

提议的穿越拓扑
本节的目的是研究ASD在三相对称和非对称故障导致PCC的平衡和不平衡电压跌落时的性能。该拓扑结构采用超级电容器作为储能装置，同时采用DC-Link上的升压变换器作为ASD的穿程替代方案。
利用MATLAB Simulink电力系统块集工具箱对ASD在各种故障条件下的性能进行了仿真。功能框图如图1所示。
图像
三相可编程电压源通过串联阻抗(假定线路长度很小，以0.1欧姆为电阻)将电源母线馈送至PCC。两个独立的馈线连接在这个PCC总线上;一个给ASD供电，另一个连接到负载上。在负载馈线处创建故障，以研究电压跌落对连接在同一PCC的ASD的影响。采用并联阻抗法产生电压跌落[22]。在故障时，故障电流流过阻抗导致电压降，从而导致PCC处的电压下降。

buck-boost dc-dc变换器的控制
DC-DC变换器有两种控制方式:电压模式控制和电流模式控制。该方法应用于直流-直流降压升压变换器的电流模式控制。它包含两环系统。在电压回路上加一个额外的内电流回路。电流回路监测电感电流，并将其与参考值进行比较。电感电流的参考值由电压回路产生。
驱动降压-升压变换器的关键原理是电感抵抗电流变化的趋势。充电时，它作为负载吸收能量，放电时，它作为能量源。它在放电阶段产生的电压与电流变化率有关，而与原始充电电压无关，因此允许不同的输入和输出电压。

结果与讨论
对称故障是用三相故障块产生的，其中所有三相都以0.001欧姆的小故障电阻接地28个周期，导致60%的对称电压凹陷。在MATLAB 7.5中，利用simulink模型进行FFT分析，得到三相源电压(Va、Vb、Vc)、三相源电流(IaL、IbL、IcL)、电磁转矩(Tem)、转子转速(Nr)、DC-Link电压(Vdc)、电机定子电压q轴(Vsq)和d轴(Vsd)、电机定子电流(Isa、Isb、Isc)和总谐波失真(THD)的迹线，如图2所示。
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图3至图30所示为对称故障时，有或没有提供通过asd的仿真结果。
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结论
所提出的拓扑结构能够在对称和非对称电压下降期间提供贯穿，并降低总谐波失真(THD)。通过MATLAB仿真验证了该拓扑结构的有效性。从这些结果可以清楚地看出，超级电容器的动态响应足够快，以响应负载的瞬态要求，并避免了各种电能质量扰动对可调速驱动器的影响。升压变换器与超级电容器一起作为储能装置，维持DC-Link电压，从而降低输入涌流。本文的重点是在对称故障情况下，利用超级电容器作为储能器件，避免了ASD的跳闸干扰，降低了总谐波失真(THD)。此外，还可以建立功率因数校正

参考文献






















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