电压并联（精选十篇）
电压并联 篇1
低电压电解电源,稀土熔盐钕电解、镀锌线电解脱脂电源,硅钢片生产线电解脱脂电源的特点是输出电压很低,约为10～50 V,而输出电流大,可达3～10 kA。若采用三相桥式整流电路,变压器利用率高,但整流元件数量加倍,而且电流的每条通路都要经过2个整流元件,有2倍的管压降损耗,降低了整流装置的效率。此类电源整流元件的导通压降和线路压降对整流效率的影响极大,在设计时均采用双反星整流电路,即由整流变压器加双反星整流器组成。
2 双反星整流电路
双反星整流电路是整流电路并联的典型联结,它由2组三相零式整流电路并联而成,其原理如图1所示。它与由2组三相半波整流电路串联而成的三相桥式整流电路相比,输出电流可增大一倍。整流桥臂V1,V3,V5为一组三相零式整流电路, 晶闸管阳极分别连到变压器副边a1,b3,c5;整流桥臂V4,V6,V2为另一组三相零式整流电路,晶闸管阳极分别连到变压器副边a4,b6,c2。为了解决两组电流平衡问题,特设平衡电抗器(或三相5柱变压器两侧的铁芯柱),它可作为直流的正(或负)极。
双反星整流电路中6条整流桥臂在一个工频周期里,整流桥臂V1,V3,V5轮流导电和换相,整流桥臂V4,V6,V2也轮流导电和换相,它们是2个独立的换相组。每组提供总负载电流的一半。双反星整流电路由2组三相半波整流电路并联而成,其整流电压平均值等于一组三相半波整流电路的整流电压平均值,在不同控制α角时,
Ud=1.17 U2cos α
式中:U2为变压器副边相电压。
3 整流变压器
在双反星整流电路中多采用双反星形带平衡电抗器变压器和三相5柱变压器。
3.1 双反星形带平衡电抗器变压器
在典型的双反星形带平衡电抗器的整流电源中,整流变压器是常规的三相3柱变压器,二次侧每相有2个匝数相同,相位差180°的绕组,a1 和a4绕在同一个铁芯上, b3和b6绕在同一个铁芯上, c5和 c2绕在同一个铁芯上,故称为双反星形电路。 a1,b3,c5为一组,a4,b6,c2为一组,2组的相电压相位差180°,2组的相电流相位也差180°,每相的相电流平均值相等,而绕组极性相反,因此消除了变压器中的直流磁势。
为了使2组星形电路并联运行,把它们并联连接,连接后就会产生环流,环流会使2组电流分配不均匀,为此在2个星形绕组的中点之间串联平衡电抗器,当电感量足够大时,就可以减少环流,使负载电流的分配比较均匀。平衡电抗器在结构上分为两半,每组整流电路各占一半。电抗器的2个绕组绕在同一个铁芯上,由于2个绕组一起向负载供电,使这2个绕组的极性形成相反方向,直流磁势相互抵消,电抗器铁芯就不会产生直流磁化和饱和问题。实际上,2组电流相等时,磁势相互抵消,铁芯中没有磁通,也就没有电感的作用。只有当2组电流不平衡时,才会产生磁通,并感应电势,使电流的分配趋于相等达到平衡。平衡电抗器是为维持2个换相组并联导通而设置的,利用其产生的感应电势使2组三相零式整流电路中整流元件的导通角保持120°,以提高变压器和整流元件的使用效率。
3.2 三相5柱整流变压器
三相5柱整流变压器是近期在双反星形整流电源中应用较多的一种整流变压器。
5柱变压器是在常规的3柱变压器两侧各增加1个铁芯柱,由整流电路中的3次谐波电流所产生的谐波磁通通过此2柱,产生感应电势维持2组整流桥的电势平衡, 取代了平衡电抗器,这样简化了电路结构和母排联接,所以在双反星整流电源中得到广泛应用。
值得注意的是这种电路结构方式,感应电势是由谐波电流通过磁通耦合产生的;而平衡电抗器方式是由输出直流电流的变化通过平衡电抗器产生平衡电势-Ldi/dt。
在晶闸管整流电路中,由于采用相控技术,3次谐波的相位是不固定的,因而与原设计的工作机理有所不同,在单台电源运行时,如考虑了晶闸管相控技术影响后,设计的5柱变压器仍可正常运行。但是在多台5柱变压器加双反星形整流器的电源直流侧并联供电时,不同的机理就有不同的结果。
4 整流电源并联运行
在多台整流电源并联运行时,为了减少整流器对电网的谐波影响,各台整流变压器输出电压有不同的相移角,形成多脉波的直流输出。由于整流器的输入相电压相位不一样,必然在各整流器之间产生动态环流。这部分动态环流的加入,破坏了原设计的磁路环境,导致5柱变压器两侧柱铁芯饱和,不能产生足够的平衡电势,使双反星形整流电路中的整流元件不能保持120°导通,输出直流电流下降。当铁芯完全饱和时,导通角降为60°,双反星形电路变为六相零式整流电路,因而5柱变压器不能用于多台双反星晶闸管整流电源并联运行。而双反星带平衡电抗器的整流变压器,其平衡电抗器产生的感应电势使2组三相零式整流电路中整流元件的导通角保持120°,可用于多台双反星晶闸管整流电源并联运行 。
5柱变压器与整流器配套时的工况如下。
4.1 多台双反星形二极管整流电源并联供电
由于二极管整流器中二极管的换相角始终为α=0°,各机组之间的动态环流是一个相位固定的分量,它也会增加各台5柱变压器中两侧柱铁芯的饱和度,使之不能产生足够的平衡电势,减小了二极管的导通角,但是导通角的变化是恒定的,电源仍可稳定运行,合理的设计仍可保持120°的导通角; 所以在多台并联低压大电流系统中仍可采用5柱变压器加双反星二极管整流器供电方式。
4.2 多台晶闸管稳流的整流电源并联供电
由于晶闸管整流电源是一个电流闭环自动稳流系统,如前所述,稳流控制是通过晶闸管的相控方式实现的,其触发角α是0～90°的变化量,在不同α时环流的相位是不同的,因而对两侧柱磁通的饱和影响极不稳定,所产生的平衡电势也难以均衡两组运行状态,使晶闸管导通角在120°～60°之间跳动变化,输出电流不能稳定,将出现以下问题。
1)导通角的减小导致输出的直流电流减小,因为电流反馈值UF是整流变压器中电流互感器输出电流IC2整流后的电压值,而IC2与直流输出电流ID的变流系数是晶闸管导通角的函数:导通角为120°时,UF∝ID;导通角为60°时,UF∝1.414ID。对应同样的ID,导通角的减小导致电流反馈值的增加。因而在晶闸管稳流系统中,由于导通角减小,系统输出的直流电流小于给定值。
2)输出的直流电流振荡在电源电流给定值恒定的情况下,若触发角为α1,导通角为120°,输出电流应达到给定的电流值,系统可稳定运行。但是由于上述环流的原因,两侧柱铁芯饱和度增加,不能产生足够的平衡电势,使晶闸管的导通角减小,小于120°,则相应的电流反馈UF立刻增大,电流反馈大于给定值,自动稳流系统误认为输出电流大于给定电流,将α角由α1后移至α2,使输出电压减小,企图稳流 ;但在α2时,由于电流减小,两侧柱铁芯饱和度降低,导通角又立刻增加,使电流反馈值小于给定值,自动稳流系统又误认为输出电流小于给定电流,将α角由α2前移至α1,使输出电压增加,输出电流增大,铁芯饱和度增加,导通角又减小……,如此恶性循环,电流发生剧烈振荡。由于晶闸管稳流系统只能控制触发角,不能控制导通角,所以系统电流无法稳定。
用示波器观察晶闸管的电压波形,可见其导通角的大小几乎在每个周期都在不停的改变,证明此时5柱变压器已无法提供足够的平衡电势,系统不能正常运行,母排剧烈抖动,变压器也发出巨大的噪音。
3)在输出同样直流电流时,整流元件导通角的减小将导致元件负荷的增加,降低了元件的电流余量。
发生上述问题的根本原因是5柱变压器产生平衡电势的机理是依靠柱内谐波磁通,而多台并联时的动态环流破坏了其磁通的分布,使其不能产生足够的平衡电势。在阿尔斯通2003年国际年会上,就此问题进行了专题讨论,认为这是由于附加2柱的铁芯饱和所致,可在附加柱铁芯上增设气隙的措施予以解决,这需要国内变压器行业的专家作进一步研究,作为整流器本体是无法解决的。
在国内也曾有2例采用5柱变压器加晶闸管整流器多台并联配置的系统,均不能正常工作,最终还是重新配置平衡电抗器得到初步解决。由于现场施工困难,这种解决方法既未拆除5柱变压器的2个附加柱,也未在两附加柱上增加气隙,只是可以维持运行。在运行中发现由于2柱的存在,在大负荷运行时,变压器输出电压的正负半波出现宽度不对称状态。
5 结论
综上所述,对于此类低压大电流整流电源,在要求多台电源并联供电系统中,目前在设计时应避免采用双反星形晶闸管整流器加5柱变压器的配置方案。
参考文献
串、并联电路电压探究教学设计 篇2
柳州市羊角山中学 贾 立
一、教材分析
本节课是一节实验探究课，是在探究串、并联电路电流、电压和电压表的使用之后，在知识和方法上已有一定的能力和基础，在电阻和探究欧姆定律之前的一堂课。本节课的内容主要是：通过学生自行设计实验、猜想、进行实验、观察记录、分析论证、最后归纳出串、并联电路中的电压规律。串、并联电路中的电压规律对后面欧姆定律探究实验的分析理解与串、并联电路中的电流规律一样重要。也就是说，这节课学生如果没有通过自己动手实验或者如果没有理解并记住串、并联电路中的电压规律，后面的欧姆定律的探究各将来电路的相关计算将会相当困难甚至无法进行。因此，此课时内容是相当重要的电学基础内容。
二、学情分析
由于学生一直以来，对电有着比较强的神秘感，所以渴望获得与电相关的知识。通过对前面电学的课堂学习、课后练习和实验操作中可以看出，学生对电学的知识特别是电学实验还是非常感兴趣的。虽然学生各基础科目基础都较差，但是绝大部分学生都很喜欢课堂上的自主探究实验，从实验现象和数据中讨论分析出规律，对于他们来说是很有成就感的一件事。
三、教学目标（1）学生会使用电压表测量串、并联电路中的电压，训练连接电路的基本技能。
（2）了解串、并联电路中电压的特点，并能根据此特点解决一些基础习题。
四、教法及策略
通过实验，探究串、并联电路中电压的规律，让学生进一步熟悉用控制变量法定量研究物理问题的科学方法，在探究串、并联电路中电压关系的活动中，培养探究物理问题的好奇心，养成合作交流的习惯和实事求是的科学态度。
五、媒体选择与设计
因为本课以学生分组实验为主，所以多媒体的使用更偏向于代替板书，节约时间的作用，也方便进行课堂测评，及时反馈出学生的学习情况。用PPT事先设计好：
1、创设情境，提出问题；
2、提出猜想；
3、实验设计图（先让学生进行设计，再以动画的形式进行对比）；
4、实验表格；
5、总结出的规律；
6、课堂测评题。
六、教学过程
（一）复习探究串、并联电路中电流规律的过程和方法，复习电压表的使用方法（利用投影仪投出相应的习题）,从而引入新课，提出问题：串、并联电路中的电压有何特点？
（二）创设情境
（1）先连接好用两节干电池，一个小灯泡L1组成的简单电路，让学生观察灯泡L1的亮度。然后串联接入另一个小灯泡L2，再观察对比灯泡L1的亮度。学生们会发现L1变暗了。提出问题：L1为什么会变暗？是不是一部分电压分给了L2呢？让学生进行猜想。（2）把L2与L1的联接方式改成并联的方法，比较单接L1和L1与L2并联时的亮度有无变化。提出问题：L1的亮度为什么基本上没变化？是不是因为并联时各支路电压相等并等于总电压呢？
（三）让学生设计实验一：串联电路中电压的规律
让其它学生对上讲台的学生设计的实验进行点评，如不合理，进行修改。
（四）让学生对实验可能出现的结果进行猜想进行板书
（五）让学生进行实验，并把数据记录在实验表格中，分别让多组学生把数据板书到黑板上来。
（六）对实验数据进行分析论证（如U1+U2稍大于或稍小于U总的，U1=U2的，甚至U1+U2完全不等于U总的），对误差和错误与实验数据的偶然性相关知识进行复习与强化，得出经验，实验中应选用不同的小灯泡避免得出一些错误的结论。
（七）得出结论：串联电路中U总=U1+U2，从而证明了一些同学的正确猜想，激发他们的学习热情，培养他们的竞争意识。
（八）完成导学案上4～5道相应的课堂习题
（九）让学生设计实验二：并联电路中电压的规律
让其它学生对上讲台的学生设计的实验进行点评，如不合理，进行修改。
（十）让学生对实验可能出现的结果进行猜想进行板书
（十一）让学生进行实验，并把数据记录在实验表格中，分别让多组学生把数据板书到黑板上来。
（十二）对实验数据进行分析论证（从实验一中总结出来的经验，实验二中也应选用不同规格的小灯泡）
（十三）得出结论：串联电路中U总=U1=U2，从而证明了一些同学的正确猜想，激发他们的学习热情，培养他们的竞争意识。
（十四）完成导学案上4～5道相应的课堂习题
（十五）课堂小结，布置作业
电压并联 篇3
【关键词】MOSFET；大电压大电流；逆变器；并联均流
【中图分类号】TN91 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0129-01
基于逆变技术的逆变器是一种高效节能装置，最典型的应用是利用逆变器的电动机调速节能，而现在应用到伺服系统中的逆变器主要是由GTR、MOSFET、IGBT及IPM组成，考虑到本文设计的低电压大电流逆变器是应用在低压范围，因此选择用MOSFET作为伺服驱动器的功率器件。
1、低电压大电流逆变器的关键技术
（1）逆变器的主回路，采用导通压降小的功率管来搭建系统各桥臂，如果采用导通压降大的功率管来搭建系统各桥臂，将使逆变器输出电压等级变低。
（2）逆变器系统的控制方法，现有逆变器系统大多采用恒压频比控制或采用电流直接控制方法，这些系统主要有直流母线电压利用率低，逆变器输出电压谐波含量大等缺点。而低压大电流逆变器采用矢量控制策略，可以很好控制电机运行，电压利用率高，逆变器调速平稳，矢量控制能够更好的控制电流大小，从而避免逆变器过流现象。矢量控制策略将被广泛应用于低压大电流逆变器中。
2、低电压大电流逆变器系统的整体结构
系统整体结构图如图1所示，系统由主电路、驱动电路、控制电路、电流检测、电压检测、速度采样、DC/DC电源模块、键盘显示、蓄电池组成。主电路为主回路电路和缓冲电路，驱动电路由IR2214驱动芯片加推拉式电路组成，由集成运放放大器构成的电流和电压检测电路。控制电路以TMS320F28335和CPLD为核心实现逆变器系统的控制功能。系统采用48V蓄电池供电。
3、低电压大电流逆变器的软硬件设计
3.1 逆变器主电路的设计
（1）逆变器主回路的设计
逆变器主回路由功率器件MOSFET并联组成，在Up、Un、Vp、Vn、Wp、Wn六路信号的驱动下，输出交流电流或电压。本文要求设计的逆变器额定输出电流达到270A，最大输出电流500A。本文选用IR公司的大功率MOSFET管搭建逆变器的各桥臂，单管最大电流可达180A。为了满足课题对逆变器输出电流的指标要求，采用并联MOSFET的方式构造逆变器的各桥臂，逆变器每一桥臂由四路MOSFET并联实现。由于电流大的原因，逆变器主回路发热量大，所以主回路应具有很好的散热陛，因主回路中存在寄生电容或电感，采用缓冲电路来减小寄生电容电感。
（2）缓冲电路的设计
由于本文设计的低电压大电流逆变器，考虑到MOSFET管在开关过程中有电压或电流的突变，将引起器件上电压或电流的尖峰，严重情况下可导致功率管因过流或过压损坏，通常采用缓冲吸收电路抑制开关过程的突变；由于缓冲电路中缓冲电容、缓冲电阻选择不当也会引起功率管损坏，缓冲电路各参数的优化选取是非常必要的。器件开关时，只要尖峰电压或电流不超过功率管的工作范围就能够安全工作。相对于电流过载而言，MOSFET管的电压过载能力较低，缓冲电路主要是抑制器件的电压突变。经分析MOSFET管在导通过程中，不会引起过流和过压，而在关断过程中，由于电路中存在寄生电感，会使器件产生很高的尖峰电压，导致击穿MOSFET管。RCD缓冲电路如图2所示。Ds为缓冲二级管、Rs为缓冲电路中放电电阻、cs为电容。
（3）改善MOSFET并联均流的方法
改善MOSFET并联均流的方法主要有以下几种：①器件参数的选择。影响MOSFET均流的参数为：跨导Gm、阈值电压VGs（th）、输入电容Cm和通态电阻Rds（on）。在选择并联元件时，尽量选取上述参数一致的元件并联。②电路布局和热耦合。电路布局的对称，加强各并联器件之间热耦合，将并联器件放置在同一块散热装置上。③寄生振荡。防止引线电感和输入电容之间产生高频振荡，主回路上加缓冲电路。
3.2 驱动电路的设计
IR2214是半桥式栅极驱动Ic，具有完整的软停机电机驱动保护，能够探测欠饱和状态或电源欠压，并向控制器发送故障信息，软关断电流关闭避免了功率节点过高或过低，保护开关器件免遭损伤，还有专用引脚来设置开通、关断和软关闭开关时间，可以对MOSFET起到很好的保护功能，具有较高的栅极驱动能力（输出电流2A，吸收电流3A）。但是其输出电流为2A驱动能力不够，不能驱动4个MOSFET并联，要进行功率扩展，所以在输出极接由三极管组成的推挽电路，其输出电流可达6A。
3.3 驱动电路的设计
3.3.1 DSP及其外围电路
（1）TMS320F28335 DSP处理器主要负责控制策略的执行，同时还实现了电流采样、电压检测、欠压保护、过压保护、过流保护、过热保护以及对RS232、CAN总线及JTAG等接口的通信功能。
（2）电源电路。TPS767D301为电源稳压芯片，输入电压5V，输出双路电压，分别为DSP提供1.9V和3.3V电压，1.9V用于DSP核心电压，3.3V用于DSP的I/O端口电压。5V电压由DC/DC隔离电源模块提供。
（3）JTAG仿真口电路。JTAG端口可以对TMS320F28335进行仿真分析、DSP芯片的调试工作、通过PC机将应用程序下载控制板。
3.3.2 检测电路及输入输出电路
（1）速度采样电路。电机自带增量式光电编码器，能够输出一个两相相位差是90°的正交编码脉冲。两相脉冲输出接速度采样电路，后接DSP的正交编码脉冲电路，分别用来检测牵引电机和提升电机的光电编码盘产生的正交编码脉冲，可以对正交编码脉冲进行解码和计数，测出电机的正反转；通过对脉冲序列计数，利用所得的计数值，计算得到电机的角位移和速度。
（2）温度检测电路。采用贴片式的温度传感器，直接检测功率板上的温度。
（3）开关量输入电路。输入开关动作通过开关输入电路给CPLD开关信号，共有4路开关输入信号。
（4）主线圈驱动接触器输出。驱动接触器输出电路采用OC门电路。
3.4 低电压大电流逆变器的软件程序流程
并联APF直流侧电压选择新方法 篇4
现实生活中大量非线性电力电子设备的广泛应用, 使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重, 谐波水平不断上升。尤其是传统的相控整流器, 向电网中注入了大量的谐波电流, 其后果相当严重, 可能会引起继电保护装置和自动装置的误动作、增加设备的附加损耗和发热造成设备故障、对通信设备造成干扰降低通信质量等问题[1,2,3,4]。
有源电力滤波器具有补偿谐波电流、电压、无功功率等功能, 按其结构和连接方式可分为并联型和串联型。并联型APF主要是补偿谐波电流而串联型APF主要是补偿谐波电压。在并联型APF中, 直流侧一般采用直流电容器而不是直流电源作为储能环节, 按照PWM控制规律, 逆变器的直流侧电容电压就必须保持恒定, 从而提供一个电压基准。但是由于有源电力滤波器本身存在由于线路电阻和开关损耗带来的有功损耗以及在工作状态变化时有时需从系统吸收一定的有功功率, 可能引起直流侧电容电压的波动或出现欠压, 以至于影响APF的正常工作[1,3,4]。直流侧电容电压与电容的容量、输出侧电感选取等有关, 因此它的选取至关重要。
1 改进的基于矢量分析的直流侧电容电压选取方法
并联型APF具有结构简单、质量轻、损耗小、价格便宜以及容易多重化从而降低开关器件频率等优点, 因此一直是人们研究的重点[1,2]。它的拓扑如图1。
根据上述拓扑可以得出下例表达式[5]:
IC为实际补偿电流矢量;U为逆变器交流侧输出相电压矢量;E为电网电压矢量, 故式 (1) 简化为
三相全桥逆变器共有八种开关组合:其中六个为非零矢量即U軑i (i=1, 2, 3, 4, 5, 6) , 两个零矢量。由于六个非零矢量具有相同的幅值, 可以任选一个矢量求取:
2 实例计算
假设非线性负载为三相桥式整流电路, 对a相电流ia进行傅立叶分解并假设只对23次以下谐波进行补偿[7,8]:
由式 (12) 可得补偿电流及其变化率:
取λ=0.4, tc=1/15000s, 通过Matlab编程得到, y-ωt在一个周期的曲线如图2所示。
由图可得到ymax=0.4037
同理可计算得当补偿谐波次数达到25次时电容电压需满足
在实际工程当中考虑到并联有源电力滤波器的并网并能够产生补偿电流, 逆变器的输出相电压要不小于网侧的相电压, 而三相电压型逆变器输出电压基波幅值的大小与调制度和直流侧电压有关[9]。文献[9]给出三相电压型逆变器输出相电压的基波幅值在不同调制方式下的计算公式。
其中UAO1m为a相相电压基波幅值, MI为调制度, Udc为直流侧电压即直流侧电容电压值。
综上所述并考虑电网电压的波动, 在选取直流侧电压参数时留有一定的裕量即可。
在本例中选择SPWM调制方式, 补偿23次谐波时选择Udc为750V, 补偿25次谐波时选择Udc为820V。
3 MATLAB/SIMULINK仿真
图3为补偿前a相源电流波形及频谱分析。
当udc=820V, L=2m H, C=6800μF时, 补偿后a相源电流及其频谱分析如图4所示:
4 结论
仿真的结果表明, 在基于矢量分析的方法上考虑电感与电压的关系, 由此得出电容电压的参考值, 再根据电压值选取电感和电容, 可以得到更好的补偿效果。
参考文献
[1]姜齐荣, 赵东元, 陈建业.有源电力滤波器——结构.原理.控制[M].北京:科技出版社, 2005.
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[8]张崇巍, 张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社, 2003-10.
[9]丁凯, 陈允平等.并联型有源电力滤波器直流侧电压的相关问题探讨[J].电工技术杂志.2002.第10期:27-29.
电压并联 篇5
1.教学目标
1．探究串联、并联电路中电压的规律 2．练习连接电路和使用电压表的技能 3．会利用串联、并联电路电压规律解题
2.教学重点/难点
1．使用电压表测电压操作能力的训练
2．通过实验数据以及合作交流得出串、并联电路中电压规律。知道电压的单位，学会使用电压表测量电路两端的电压，会读电压表的读数。
3.教学用具
多媒体、板书
4.标签
教学过程
一、导入环节
（一）导入新课，板书课题 教师提出问题
1．串联电路中的电流有什么特点？（处处相等。）
2．那串联电路中的电压有什么样的特点呢？也和电流一样，处处相等吗？ 同学们希不希望知道串、并联中电压有什么样的规律呢？
今天我们就来探究一下串、并联电路中电压的规律。前面我们已经知道了电荷的定向移动形成电流，电源能够提供电能，电路中有了电源形成通路就可以让电荷在电路中做定向移动，开成电流。但同学们再深入思考一下，为什么电荷可以做定向移动呢？
（二）出示学习目标
课件展示学习目标，指导学生观看。过渡语：了解了学习目标，请根据自学指导认真自学课本，时间约7分钟
二、先学环节
（一）出示自学指导
课件展示自学指导，请同学们看课本P60-62文字内容与插图，将基本的实验步骤画上记号。结合学过的串、并联电路电流的特点，做出猜想，可查资料但要独立完成：
1．串联电路中电流的规律是_____________________________________________________ 串联电路中电压的规律是________________________________________________________ 2．并联电路中电流的规律是_____________________________________________________ 并联电路中电压的规律是________________________________________________________ 7分钟后比谁能正确完成检测题。
（二）学生自学教材，师巡视
（三）自学检测反馈
要求：7分钟完成自学检测题，让5个小组的的同学到黑板前展示，书写成绩和题目成绩记入小组量化，要求书写认真、规范，下面同学交换学案，小组长组织成员用红笔将错误画出，准备更正。
1．电压表的使用方法：
①电压表与被测电路________，要测哪部分电路的电压，电压表就和哪部分________。
②电压表接进电路时，应当使电流从其________接线柱流入，从________接线柱流出。
③注意观察电压表的量程，被测电压不要超过电压表的量程。在不知电路电压的时候，先接________，再进行________，如果指针摆动低于小量程，则改为小量程测量。
三、后教环节
（一）展示交流，统一答案
先交换学案，然后更正。选取4个小组同学分别展1个题目，下面同学提出修改和补充建议，老师要做出及时评价，2分钟时间让学生用红笔更正，提出先学中未解决的疑惑，小组或全班讨论解决。
（二）合作探究
1．请同学们讨论，做这个实验我们需要哪些实验器材 ？它们的作用各什么？然后再画出实验电路图。
2．实验时要测出哪些数据 ？怎样正确使用电压表？ 3．实验时还应该注意哪些事项？
4．教师提醒学生将实验数据填在自己设计的表格中。
5．教师示范操作，让学生认真观察，准确读数，正确记录实验数据。教师巡视，指导学生做实验。
教师将实物连接画在黑板上供实验连接有困难的小组参考。
教师让学生将自己的实验记录写在黑板的表格里，对实验的进行点评，表扬实验中学生的闪光点。
6．教师提问。表格中记录的数据有什么规律？你能得到什么结论？ 同学们还有什么发现？
下面同学们自己进行科学探究，研究并联电路中电压的规律。师对实验有困难的小组进行指导。
实验完毕，请同学们将实验数据填写在黑板的表格中，师生共同分析总结得出并联电路电压的规律。
四、当堂训练
过渡语：请同学们合上课本，完成学案上当堂检测题。10分钟完成。
（一）学生练习，教师巡视。
1．将灯泡L1、L2串联，用电压表测量L1两端的电压是8 V，L1、L2串联后的总电压是12 V，那么L2两端的电压是____ V。
2．如图，电源电压6 V，对于V1 V2 V3 三只电压表的示数，正确的是
A．6V 6V 6V B．0V 6V 4V C．2V 4V 6V D．6V 4V 2V 3．下列实物图中，能测出L2两端的电压的是 ____，能测量两灯串联电压的是 ____.4．四个完全相同的灯泡并联在一起后，接在某一电源上都正常发光。用电压表测量出一只灯泡两端的电压是4 V，则电源电压是
5．如图，电源电压不变，闭合开关S时，电压表示数变化情况是____（变大、变小、不变）
（二）学生展示，反馈矫正。
（调查学情，统计疑难问题，先让其他小组补充矫正，教师更正或点拨）
板书
16.2串并联电路电压的规律
1．在串联电路中，各用电器两端的电压之和等于串联电路两端的总电压。表达式为：U=U1+U2
电压并联 篇6
逆变器并联具有容错性、大容量、模块化等性能,成为近几年的热点。并联控制方法主要有:集中控制方式、主从控制方式、分布逻辑控制方式和无连接线控制方式等。集中控制结构简单,但公共控制电路若失效,整个并联系统瘫痪,不能实现冗余性[1,2]。主从控制法亦受限于主模块的可靠性,冗余性差[3]。文献[4]提出了环链控制法,下级逆变器的电流参考信号由上级逆变单元提供,第一级信号则由最后一级提供,由此组成链状结构。显然,链环的存在使得该方法不能实现热插拔。无线控制基于外特性下垂法[5,6],由于省略了各并联模块的联络线,适用于相隔较远的分布式电源,但系统参数变化时不能较好地解决环流问题[7,8],文献[9]针对环流进行了改进,效果显著。文献[10]引入均流外环以获得均流效果,但与前述方法都局限于负载电流均分场合。
某些场合采用发电机形式的输入电压源,若按照平均电流模式输出负载电流[11,12,13],则所有电压源均不能工作在额定点,效率较差。本文据此提出了一种电压源逆变器控制策略,即多模块并联系统除最后一个模块外其余均工作在额定电流处,使得整个并联系统效率达到最优。
1 逆变侧并联控制策略
图1为该控制策略的主电路图,输入电压源经整流后输出稳定直流400 V,逆变输出工频交流电。逆变器控制框图如图2所示,电流内环采用电感电流反馈。电容电流能够直接反映负载电流的变化,块均输出额定电流,最后并联模块提供剩余的总负载电流,使得输入电压源工作在额定点处,效率最优。并联系统根据负载的变化,决定并联模块的投并和切除,系统响应速度快,输出电压稳定性高,具有较好的热插拔性。
3 结论
电压并联 篇7
逆变电源应用范围不断扩大[1,2], 其中, 逆变电源的相移控制一般应用在单个逆变器中[3,4]。目前, 提高逆变电源容量常采用逆变器桥臂上金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET) 的多管并联、逆变器并联且负载侧用高频变压器合成功率等方法[5,6]。由于器件额定容量及制作工艺的限制, 以及高频变压器磁通突变、直通现象等的影响[7], 这2种方法的应用都受到一定程度的限制。电感-电感-电容 (LLC) 负载谐振电路以其自身特有的拓扑结构, 不仅使得逆变模块可以直接并联, 而且取消了效率较低的负载匹配变压器, 因此近年来得到广泛应用[8,9,10]。但多相并联LLC电压型谐振逆变电源多采用同时控制的方法[11,12], 虽然文献[13]提出了一种多相并联LLC电压型谐振逆变电源相移控制方法, 但只是对单一逆变器的不同桥臂进行相移控制。
本文提出了一种多相并联LLC逆变电源相移控制方法, 并通过仿真和样机实验进行了验证。
1 多相并联LLC电压型谐振逆变电源基本原理
多相并联LLC电压型谐振逆变电源电路如图1所示。图中:Ud为各相逆变器共同的输入直流电压;Cd为直流电容;L1k为各相逆变器的串联电感;k=1, 2, …, N;N为并联逆变器个数;i1k为各相逆变器的输出电流;r和L2分别为负载等效电阻和电感;C为补偿电容;R为等效MOSFET导通电阻和线路电阻之和; i2为负载电流;
每相LLC电压型谐振逆变电源电路均采用单相H桥逆变形式。利用LLC负载谐振电路的特点, 适当选取支路串联电感L1k与负载槽路电感L2之比β, 便可使流过主开关器件 (如MOSFET或绝缘栅双极晶体管 (IGBT) ) 的电流小, 流过负载的电流大, 从而使负载获得很大功率。这样不仅有利于选取主开关器件, 降低器件损耗, 而且不需要输出变压器便可方便地进行负载匹配。
LLC负载谐振电路一般工作在谐振状态, 电路只对基波产生谐振。相量形式的多相并联LLC电压型谐振逆变电源等效电路如图2所示。
设各相逆变器的输入电压分量有如下形式:
式中:φ0=0°;φi (i=1, 2, …, N-1) 为各相逆变器电压间的相移。
各相逆变器电压及相互间相移关系如图3所示。
2 多相并联LLC电压型谐振逆变电源相移控制分析
2.1 逆变电源各相逆变器输出稳态电流及负载电流
采用稳态分析法对图2所示电路进行分析, 并设各相逆变器电压幅值、串联电感、等效电阻相同, 即
可得逆变电源各相逆变器稳态输出电流如下:
式中:
ωn=ω/ω0;β=L1/L2;
负载电流如下:
由式 (3) 、式 (4) 可以看出, 当φi=0° (i=1, 2, …, N-1) 时, 各相逆变器输出电流最大, 负载获得的电流也最大, 而且流过每相逆变器的电流大约为总负载电流的1/β, 这样就可以在保证一定负载功率的前提下, 使得流过各相逆变器主功率器件的电流减小, 从而器件损耗减小, 有利于选取各相标准功率器件, 构成模块化的各相逆变器功率调节单元, 简化系统主回路的设计。
2.2 逆变电源各相逆变器输出有功功率
逆变电源各相逆变器的输出有功功率与各相逆变器间相移的关系如下:
当ωn=1, Qp=4, N=2, 3, 4时, 逆变电源输出有功功率P、无功功率Q以及负载功率PL的极坐标波形如图4所示。从图中可以看出, φi=0° (i=1, 2, …, N-1) 时, 电源输出的有功功率P、无功功率Q和负载功率PL最大, 随着φi从0°到180°增加, P逐渐减小, 在φi=180°时达到最小。反方向时, φi从180°到360°逐渐增加, P逐渐增大。负载功率PL与P具有相同的变化规律, 因此, 通过控制各相逆变器间的相移φi, 可以方便有效地控制、调节PL的大小, 达到功率调节的目的。而且由于采用了多相并联LLC电压型谐振逆变电源结构, 负载侧不用高频变压器合成就可以提高电源的输出容量。
2.3 逆变电源效率
在得到逆变电源的多相逆变器输出功率和负载功率的基础上, 多相并联LLC逆变电源的效率为:
式 (6) 中, R的大小会影响效率的高低, 增大R, 则相应的效率将下降。在满功率 (即φi=0° (i=1, 2, …, N-1) ) 时效率最大。取R=0.5, 当N=2时, ηmax=0.896 6;N=3时, ηmax=0.868 4;N=4时, ηmax=0.839 5。可见, 采用相移控制的多相并联LLC电压型谐振逆变电源, 其电源效率比较高。即使在较恶劣的情况下 (ωn和R均较大) , 电源效率也能达到80%以上。
3 实验验证
为验证本文所提出的控制方法和所推导的计算公式的正确性, 以EP2C5T144C8N 现场可编程门阵列 (FPGA) 为控制芯片搭建了两相并联LLC电压型谐振逆变电源的实验样机。主要参数如下:P=2×200 W, L11=7.57 μH, L2=1.79 μH, r=0.65 Ω, C=0.22 μF。
实验中采用电流比例积分 (PI) 闭环控制相移的方法, 使输出功率随给定值的变化而变化。测得一组实验波形如图5和图6所示。
图5 (a) 和图5 (b) 分别为φ1=0°时, 逆变器1和2输出的电压、电流波形和槽路电压及负载电流波形;图6 (a) 和图6 (b) 分别为2个逆变器间的相移为75° (即φ1=75°) 时, 实验所得的一组逆变器1和2的输出电压、电流波形和槽路电压及负载电流波形。由于电流取样, 图中所标电流刻度和实测值有所误差。
从图5 (a) 的2个逆变器的输出电压、电流波形可以看出, 2个电压波形几乎完全重合, 2个电流波形也几乎完全重合, 表明2个逆变器所串联电感L11与L12差异性较小, 电感值可认为相同。从图5 (b) 的槽路电压和负载电流波形可以看出, 负载电流非常平滑, 几乎为标准的正弦波, 系统处于谐振状态, 此时电源输出功率最大, 负载功率也最大。
图6 (a) 与图5 (a) 相比, 逆变器1的输出电流有所减小, 而其电压与电流间的相角有所增大, 造成逆变器1的输出功率随之下降, 而逆变器2的输出电流降低较大, 其电压与电流间的相角较小, 逆变器2的输出功率也下降。图6 (b) 与图5 (b) 相比, 槽路电压和负载电流均有所降低, 负载功率减小。
表1给出了2个逆变器间的相移φ1取不同值时, 对应的样机负载功率的实验测量值和由式 (5) 所得的理论计算值及两者间的相对误差。
由表1可见, 负载功率的实验测量值与理论计算值比较接近, 其相对误差在允许误差范围内。高频状态下的线路寄生电感和线路损耗是产生误差的一个原因, 且当2个逆变器间的相移较大时, 输出波形有一定的畸变, 其所包含的谐波分量增大, 导致误差增加。误差产生的另一原因是, 在计算负载功率理论值时, 主功率器件与各线路损耗电阻之和按照R=0.5 Ω取值, 该值与实际电阻值可能存在一定偏差, 从而造成负载功率理论计算值与实际测量值之间的偏差。
4 结语
本文利用相移控制实现了对多相并联LLC电压型谐振逆变电源输出功率的调节, 并对其进行了理论分析。选定一组参数进行了两相并联LLC电压型谐振逆变电源样机实验, 结果表明, 对于多相并联LLC电压型谐振逆变电源, 相移控制是一种有效调节、控制、提高逆变电源输出功率的方法。
电压并联 篇8
“西电东送”和全国联网将是中国今后几十年内电网发展的2个主要趋势,高压直流输电(HVDC)系统以其独特的优点,在远距离输电和大型互联电网中起着越来越重要的作用。实际的HVDC系统往往与交流输电系统相互连接,从而形成交直流混合电网。交直流系统之间的相互作用,尤其是与弱交流系统连接时,会带来电压不稳定、暂态不稳定、动态过电压和谐波不稳定等一系列问题。
目前,国内外关于交直流系统的研究已取得了不少成果[1,2,3,4]。就电压稳定而言,基本上沿用了纯交流系统相关的静态分析方法[5,6,7,8]。如文献[8]提出最大功率曲线(MPC)是基于最大可用功率(MAP),以此作为系统电压稳定的临界点,同时用短路比(SCR)或者有效短路比(ESCR)来衡量单直流换流母线的稳定性能。文献[9,10]利用电压稳定性因子(VSF)分析受端交流系统的电压/功率静态稳定特性。文献[11]采用特征值方法分析单馈入直流系统的电压稳定性,文献[12]将其扩展到多馈入直流系统中。文献[13,14]讨论了负荷静态特性对3种典型HVDC系统的功率/电压稳定边界指标的影响。文献[15,16]则将崩溃点法用于交直流系统电压稳定性的研究,而文献[17]在此基础上提出了防止电压崩溃发生的交流系统和直流系统措施。文献[18]则应用非线性规划法求解交直流系统的电压稳定临界点。
直流输电系统运行中,换流器需要消耗大量的无功功率,大约占直流输送功率的40%～60%。通常情况下,电压不稳定往往是由于系统无功支撑不足引起的,所以换流母线的电压稳定问题最为突出。而交直流并联系统的电压稳定性研究不同于纯交流和单馈入直流电网,由于直流控制方式和运行方式的多样性及交直流系统之间的相互作用,增加了研究的复杂性。因此,深入探讨系统强度和直流稳态控制方式对换流母线电压稳定性的影响具有很重要的现实意义。
1 交直流并联系统的静态电压稳定性研究模型
采用如图1所示的单条HVDC线路与交流线路并联的交直流系统模型,相对送端而言,系统更容易在受端发生电压失稳,本文选择逆变站换流母线作为研究对象。
基于图1所示系统,其潮流方程如下。
整流侧交流母线:
逆变侧交流母线:
2 并联交流系统强度指标
一般用SCR来定义单直流换流站母线的稳定性能。基于上述交直流系统模型,本文采用等值阻抗Z2来表征受端交流系统的强度:Z2越小,则系统越强。另外,为了计及并联交流输电系统强弱程度对换流母线特性的影响,将定义一个新指标——并联交流系统强度指标IPACSS,以此表示并联交流系统相对于直流系统的强度:
式中:S12为换流母线处并联交流输电系统的短路容量;PdN为换流站的额定功率。
3 静态电压稳定分析
静态分析方法是基于电力系统潮流方程或扩展潮流方程,理论上认为电压稳定是潮流方程是否存在可行解的问题。在电压稳定临界状态研究中,许多学者采用一个朴素的物理观点(最大功率观点):当负荷需求超出电力系统传输能力的极限时,系统就会出现异常,包括电压失稳,因此将系统负荷达到最大值时的运行状态作为静态电压稳定临界点。当系统处于静态稳定极限时,潮流方程的雅可比矩阵奇异,由此可以判断系统的电压稳定情况。
3.1 负荷裕度
在实际中,对于一个给定的运行点,电网运行人员往往关心在保持电压稳定的前提下,系统所能承担的负荷大小。因此,可采用最大负荷能力作为系统的电压稳定裕度。
负荷裕度分析[2]就是从系统的运行状态出发,按照某种模式增长传输功率或者负荷,逐步逼近电压崩溃点,而当前运行点到电压崩溃点之间的距离即称为负荷裕度。通常采用功率裕度指标Kpi来反映节点的强弱:
式中:Pcri为节点i的极限功率;P0i为节点i当前的运行功率。
本文采用负荷导纳模型算法[19,20,21],将重负荷节点的注入功率以一等效导纳表示,按一定增长方式逐步增加节点负荷并进行常规潮流计算,通过判断系统是否达到传输功率极限来准确求取静态电压稳定临界点。
3.2 负荷裕度曲线和电压稳定临界曲线
基于图1所示系统,本文定义一类新曲线——负荷裕度曲线,以此来研究系统负荷裕度与IPACSS的关系。计算方法如下:给定Z2,通过改变Z12来增大或减小并联交流系统强度,然后分别对应求出节点的负荷裕度。对于不同的Z2系统,可得到一簇负荷裕度曲线,如图2(a)所示。
此外,为了分析IPACSS和Z2对换流母线电压的影响,再定义另一类新曲线——电压稳定临界曲线。理论上讲,它是将负荷裕度曲线上的过零点映射到IPACSS-Z2平面上来,可以认为它是系统电压稳定与不稳定区域的分界线,如图2(b)所示。
4 动态电压稳定分析
从本质上而言,电压不稳定的发生是一个动态过程。系统中所有动态元件对电压稳定都起着重要作用,特别是在研究直流输电系统本身的运行特性以及大扰动下交直流系统之间的相互作用时,静态分析方法显然不能满足要求。目前,国内外针对此问题的研究基本是采用时域仿真法。而机电暂态仿真程序使用准稳态模型模拟HVDC系统,但该模型在交流系统不对称故障期间并不适用,难以真实反映系统的动态行为。因此,本文应用具有换流器详细模型的PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件对交直流系统进行时域仿真分析,研究其动态特性。
5 算例分析
为了简化分析,本文将采用如图3所示的四机两区域交直流并联系统[2]进行静态和动态仿真研究。
根据文献[14]提出的ALCI(active load characteristics index),确定恒功率模型为该系统的最不宜负荷特性。下面将选取换流母线9为研究对象,采用负荷导纳模型算法求取节点的功率裕度,通过比较不同并联交流系统强度、受端等值阻抗和直流控制方式下该裕度指标的大小来分析其对电压稳定的影响。其中直流输电系统采用详细模型,控制方式为:整流侧定电流—逆变侧定熄弧角(I-γ),运用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件进行动态仿真,以此表明负荷裕度曲线和电压稳定临界曲线这2种静态分析方法的有效性。
5.1 系统强度对电压稳定的影响
仅考虑直流输电系统定I-γ稳态控制方式,根据前述定义,通过改变并联交流输电线阻抗的大小,计算并绘制出换流母线9的部分负荷裕度曲线和电压稳定临界曲线,分别如图4和图5所示。
由图4可知:保持Z2为常量,母线9的负荷裕度将随着IPACSS的减小而降低,最终趋于0,此时系统将达到静态电压稳定极限;从横向来看,保持IPACSS不变,节点的负荷裕度将随Z2的减小而增大,如图中的x1运行点:它与曲线Z2=0.039 0的距离比曲线Z2=0.039 5的大,另外x1位于其他3条曲线的上方,说明在此负荷水平条件下,曲线Z2=0.039 0的稳定裕度最大,而下方对应的3种运行情况已超出静态稳定极限,系统很可能失稳。
为研究并联交流系统强度和受端等值阻抗对换流母线电压稳定性的影响,将从图5中选取3个不同的运行点进行比较分析,具体参数见表1、表2。
比较表1、表2数据得知:在一定的直流控制方式下,交流系统注入换流站的无功功率Q9将随并联交流系统或受端系统强度的增大而增大,这有助于加强交流系统对直流系统的无功支持,从而提高换流母线的电压稳定性。
另外,为了进一步证实由于相关参数变化而引起系统从电压稳定区域过渡到不稳定区域运行,再从图5中选取4个运行点,分成2组进行时域仿真分析,具体参数见表3。
假设在额定负荷水平的运行条件下,线路L89的首端发生三相瞬时接地短路,0.1 s后切除故障,其换流母线的电压波形分别如图6(a),(b)所示。
比较以上2组电压波形可知:在额定运行条件下,情况2和情况3的换流母线电压稳定性较强,系统发生扰动后,电压波动小,最终能够恢复正常运行;而情况4和情况5则产生电压振荡,系统失稳。这说明在保持系统其他参数不变时,较弱的并联交流系统或受端系统强度将直接影响逆变侧换流母线的电压稳定性,从而威胁到整个系统的正常运行。
5.2 直流稳态控制方式对电压稳定的影响
直流输电工程的稳态控制方式[1,3,4]主要有控制有功功率的定功率控制或定电流控制以及控制无功功率的无功功率控制或交流电压控制方式等。若考虑不同方式的组合以及异常状态下最小触发角与熄弧角的限制,或者低压限流器不同参数的影响,那么直流系统的控制方式将非常复杂。限于篇幅,本文只着重分析稳态下定功率与定直流、定熄弧角与定直流电压控制特性对换流母线电压稳定性的影响。
选取系统基值为100 MVA,直流线路额定功率为200 MW,直流额定电压为56 kV,变压器抽头的调节范围为0.95～1.15。直流系统主要稳态控制方式下,均考虑变压器的抽头变化,换流母线9的功率裕度、临界电压以及交流系统注入换流站的无功功率如表4所示。
由表4中数据分析可知:在稳态情况下,直流系统定P-γ控制方式的功率裕度最小,其次是定I-γ控制;而逆变侧定电压的2种控制方式,换流站无功损耗少,换流母线电压较高,稳定裕度最大。在同等系统强度下,由于控制参数不同,交流系统注入换流站的无功功率Q9肯定存在差异。但随着并联交流系统强度的降低,所有控制方式下换流母线的功率裕度和交流系统注入的无功功率都将减小,再次说明系统强度是维持换流母线电压稳定的重要因素。
变压器抽头切换装置是将换流器控制角α或γ保持在期望范围内,对线路电压进行附加电压控制。表5给出不考虑变压器抽头变化,而采用额定变比的各种直流稳态控制方式下,换流母线的功率裕度、临界电压及交流系统注入换流站的无功功率。
通过表5中的数据再次验证了上述分析结果的正确性。比较表4与表5的第1项数据可知:在同等系统强度条件下,不考虑变压器抽头变化的各种直流控制方式的功率裕度均比考虑变压器抽头变化时有不同程度的减小,由此说明变压器抽头切换控制有利于加强系统的稳定性。另外,注意这2种情况下逆变侧定电压的2种控制方式所得结果的异同。在稳态时,直流系统采用定I-V控制,直流输送功率能够保持恒定,这等同于定P-V控制。但当换流母线电压下降又无变压器抽头控制时,直流电压很难维持在额定水平,对于定I-V控制,直流功率将随直流电压的降低而降低;而对于定P-V控制,直流电流却随直流电压的降低而升高,其换流站无功损耗将比定电流控制方式对应的无功损耗增大得多。因此,当受端为弱交流系统时,直流系统采用定I-V控制将有助于提高换流母线的电压稳定性。
附录A给出了不同直流稳态控制方式下换流母线的部分负荷裕度曲线,更加直观地验证了以上分析结论。由于该算例的容量较小,各种控制方式的差别不是很明显。图7仅给出定I-V控制分别在有无变压器抽头切换条件下的电压稳定临界曲线,由此可以看出2种情况下系统稳定区域的差异。
6 结论
本文在交直流并联系统模型的基础上,定义了并联交流系统强度指标,以此表征并联交流输电系统的强弱程度,并且通过比较不同系统相关参数和直流稳态控制方式下换流母线负荷裕度的大小来分析其对电压稳定的影响,研究结果表明:
1)负荷裕度曲线和电压稳定临界曲线能够直观地诠释相关参数对维持系统稳定所起的重要作用。
2)交流系统强度是影响换流母线电压稳定的关键因素。在一定的直流控制方式下,提高交流系统强度,将增大对直流系统的无功支持,有助于加强换流母线的电压稳定性。
3)在相同负荷水平条件下,母线负荷裕度将随并联交流系统强度的增大或者受端等值阻抗的减小而提高。
4)在同等系统强度下,直流输电系统定P-γ控制方式的功率裕度最小;而逆变侧定电压的2种控制方式,换流站无功损耗少,稳定裕度较大;尤其是与弱交流系统连接时,采用带变压器抽头切换控制的定I-V控制方式将有利于系统的稳定运行。
附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：随着中国交直流互联电网的发展,迫切需要研究换流母线的电压稳定问题。文中首先给出了交直流并联系统的简单模型,在此基础上介绍了并联交流系统强度指标以及负荷裕度曲线和电压稳定临界曲线。然后以两区域四机交直流混合系统为例,根据负荷导纳模型算法准确求取节点的功率裕度,采用上述2种曲线分析方法详细讨论并联交流系统强度和受端系统等值阻抗对逆变站换流母线电压稳定性的影响。最后对比分析了不同直流系统稳态控制方式下换流母线的负荷裕度,研究结果表明受端为弱交流系统时,采用整流侧定电流—逆变侧定电压的控制方式将有利于提高系统稳定性。
电压并联 篇9
1故障实例
2012年5月1日08:10, 某220 kV变电站20 kV 1号接地变104开关、2号主变变三侧分支一102开关故障跳闸。 接地变保护装置过流保护、零序过流保护均动作出口跳开104开关, 故障电流约为318 A;2号主变后备保护装置低压分支一复压闭锁过流 Ⅱ段动作出口跳开102开关, 故障电流约为16 000 A;101开关无保护动作跳闸, 跳闸时一次电流为1000 A左右。 故障发生时的系统接线图如图1所示。
在20 kV设备区内检查发现, 开关室内有浓烟冒出。 发现母联A10开关柜烧毁, 柜内保护装置烧毁严重, 柜体已变形无法拉出, 相邻A101隔离开关也无法拉出, 打开A10开关柜后网门发现开关A相与母线间有明显放电灼烧痕迹。 经现场分析, 故障原因为切除6号电抗器时, 在电抗器两端产生较高幅值过电压, 开关发生重燃后, 母线上也出现较高过电压引起20 kV母联A10开关发生故障。 另外某变电站35 kV电抗器采用的真空开关, 在切除该电抗器时, 多次发生接在母线上的站用变相间放电故障。现场实测过电压较高, 超出了设备绝缘水平, 且避雷器未起到防护作用。 后来将真空断路器更换为SF6断路器, 运行正常。
2真空断路器投切电抗器过电压分析
真空断路器切除电抗器操作过电压主要有截流过电压、复燃过电压和重燃过电压等[5，6]。
2.1截流过电压
真空断路器在开断电抗器时, 因真空断路器的灭弧能力强, 会使电流强迫过零而产生截流。 并联电抗器等效回路以电容、电感为主, 这种回路的电压电流是不能突变的, 截流必然引起剧烈的电磁振荡。忽略阻尼作用, 根据能量守恒定律可推导出单相电抗器截流过电压的估计值:
式 (1) 中:L为电抗器电感量;Ich为截流幅值;C为电抗器绕组对铁心、电缆等对地的等效电容;Um为等效电容上的电压最大值;U0为等效电容上的初始电压。
振荡频率为:
由式 (2, 3) 可以看出真空断路器截流值越高、杂散电容越小, 截流过电压越高。三相系统的截流过电压更为复杂, 但其原理基本相同。
2.2复燃过电压
断路器在开断时, 如果被开断的负荷侧暂态恢复电压及其上升率高于断口绝缘强度的恢复能力和恢复速度, 电弧就会在瞬间将断口击穿, 产生复燃, 并在复燃相上产生复燃过电压, 在其他相上产生感应过电压, 随后高频暂态电流出现过零点, 断口再次灭弧, 再次截流。 如果被开断的负荷侧暂态恢复电压及其上升率仍然高于断口绝缘强度的恢复能力和恢复速度, 就会再次重复“击穿—灭弧”的过程, 直到断口的绝缘强度足够大, 不再产生复燃。 在真空断路器开断并联电抗器时, 其暂态恢复电压主要由截流引起, 因此截流过电压的频率直接体现了暂态恢复电压上升率; 很高的频率导致很高的暂态恢复电压上升率, 很高的暂态恢复电压和暂态恢复电压上升率导致很高的复燃几率。
2.3重燃过电压
一般情况下真空断路器的重燃是由于灭弧室制造时没有进行老炼造成的, 在真空灭弧室采取老炼措施后, 真空断路器的重燃几率很低。重燃和多次重燃的过电压产生过程与复燃的过程类似, 多次重燃的过电压水平也是很高的。真空断路器在开断电抗器时, 因真空断路器的灭弧能力强, 会使电流强迫过0而产生截流, 由截流产生较高的过电压可能使触头重燃, 从而会有更高的过电压出现, 必须采取过电压保护措施。在几次故障中, 系统均安装了避雷器, 但未起到防护效果。 常规氧化锌避雷器只能限制过电压幅值, 不能改变频率和陡度, 也不能保护相间绝缘。 为了抑制过电压, 可考虑加装并联电容器 (或阻容吸收装置) , 降低过电压幅度, 也可降低过电压的频率。
3建模计算
以该变电站20 kV侧主接线运行方式 (如图1所示) 为背景进行建模。 电抗器每相电抗为0.318 H, 20 kV码唐2号为一段1 km的电缆线路, 假定6号电抗器的断路器A相发生截流, B相、C相电流过0关断, 对截流过电压进行仿真计算。 母线及系统其他杂散电容考虑2000 pF, 电源、主变、接地变等采用典型参数。
当假设母线上只有6号电抗器投入运行, 在6号电抗器并联1组电容器, 每组电容分别为0.3 μF, 0.5 μF, 1 μF, 2 μF和3 μF。 当切除6号电抗器时, 计算5 A截流值下20 kV的过电压水平。 母线上过电压计算结果如图2、图3所示。
由图2计算结果可知: 并联电容后可明显降低母线的截流过电压水平, 并联电容越大, 过电压水平越低, 加装电容器后, 过电压水平处在2.0 p.u.以内;并联电容分别为0.1 μF, 0.2 μF, 0.3 μF, 0.5 μF, 1 μF, 2 μF和3 μF时, 过电压水平分别降低53.16%, 53.81%, 54.45%, 55.53%, 58.10%, 62.42%和65.92%。 电容值在0.3 μF之后, 过电压的降低程度不明显。 电抗器侧的过电压水平如图4、图5所示。
由图4计算结果可知:电抗器上并联电容器组后, 电抗器的过电压水平明显降低, 电容大于0.1 μF时, 电抗器上过电压水平在1.4 p.u.以内。
4结束语
(1) 真空断路器在开断并联电抗器时, 因真空断路器的灭弧能力强, 会使电流强迫过0而产生截流, 由截流产生较高的过电压可能使触头重燃, 从而会有更高的过电压出现。 所以对于35 kV并联电抗器应采用SF6断路器, 而目前10 kV和20 kV开关柜均采用真空断路器, 必须采取过电压抑制措施。
(2) 常规氧化锌避雷器只能限制过电压幅值, 不能改变频率和陡度, 不能保护相间绝缘。从故障现象和现场实测结果看, 断路器在开断并联电抗器时相间过电压较高, 导致设备相间故障。
(3) 为了抑制过电压, 可考虑加装并联电容器 (或阻容吸收装置) , 降低过电压幅度, 也可降低过电压的频率。 并可加装相间避雷器, 进一步抑制相间过电压。 并联电容器 (或阻容吸收装置) 和避雷器的参数, 应根据系统情况计算确定。
(4) 真空断路器截流是其开断并联电抗器产生过电压的主要原因, 本文建模计算5 A截流值下的过电压水平, 如果截流值超过5 A, 过电压还将大幅升高。 真空断路器制造厂应采取措施, 降低截流值。
参考文献
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电压并联 篇10
关键词：EMTP/ATP,并联电容器,操作过电压,阻尼装置
随着社会经济的不断发展, 对电能质量的要求更高, 大量的并联电容器组广泛地应用于电力系统中[1]。为了提高输变电设备的利用率, 维持系统电压的稳定和降低输电环节的电能损耗, 就不可避免地频繁投切并联无功补偿装置, 确保电网安全稳定运行。投切并联无功补偿装置时产生的过电压主要有两种:一种是合闸时产生的过电压;另一种是切除时, 由于开关发生重燃产生的过电压。第二种过电压对并联无功补偿装置的危害更为严重。操作过电压成为电容器运行中的一个危险因素, 对并联电容器组操作过电压的抑制, 是并联电容器组运行的一个重要课题[2,3]。
EMTP/ATP是目前国内外通用的电磁暂态分析程序, 它具有良好的开放性, 算法成熟可靠, 计算精度高。为此, 文章选用EMTP/ATP程序, 对可能产生的操作过电压进行分析研究, 并选定合适的保护措施来抑制过电压。
1 并联电容器操作过电压的种类[4]
并联电容器操作过电压的种类如表1所示。
2 并联电容器操作过电压分析
并联电容器的操作过电压主要指分闸重燃过电压, 合闸时一般不会产生威胁电容器绝缘的过电压。当电容器组分闸时, 如果三相开关同时分闸, 且开关不发生重燃, 那电容器上的极间电压不高, 残余电荷通过放电线圈泄放, 不会产生危害电容器装置的过电压和过电流。但实际系统中, 断路器断开后, 断口电压超过断路器介质恢复强度, 就会发生断路器重燃而使电路接通, 由于电容器初始电压与其稳态电压不同, 回路中会产生暂态振荡过程, 从而出现较高水平的过电压。切除电容器时真空断路器发生重燃产生的过电压主要是由于断路器开断后, 触头一侧为工频电源, 另一侧为高频振荡的电磁能量, 在触头开距小且触头间耐压不充分的情况下将会发生电弧重燃, 电源向回路的电容进行充电, 导致重燃时流过的高频电流达105~106Hz。充放电的振荡过程会导致电容器组产生很高过电压, 可能会达到系统电压3倍以上。开关重燃相当于是一次带初始条件的合闸, 所以假设在重燃时刻, 电容器组通过电弧与系统重新连接, 模型设定为断路器在重燃时刻重合闸[5]。
通常重燃分为单相重燃、两相重燃、三相重燃, 其中单相重燃出现概率较大, 两相重燃和三相重燃出现概率相对较小[6]。在投切电容器组的时候时, 发生的重燃现象往往在电流开断后40ms~100ms之间。单相重燃时, 由电容器、中性点杂散电容及限流电抗器电感构成的高频振荡回路中将产生自由振荡。两相重燃时, 重燃回路将按回路电感与电容器组构成的们振荡回路固有频率充放电, 断路器可能多次重燃。最严重情况下, 每次重燃后电容器上的最高过电压值达到上次重燃时的过电压值与2倍线电压幅值之和, 使得电容器过电压不断升高, 形成“级升”过电压。在实际应用中, 单相重燃出现的几率比较大, 而两相重燃的危害更大, 三相重燃的概率很小, 在此只考虑单相重燃和两相重燃。
3 电磁暂态模型的建立
真空断路器投切并联电容器的等效电路见图1, 其仿真模块见图2。某500k V变电站35KV无功补偿系统, 频率50HZ, 每相等值电容为18.65uf, 每相等值电抗为62.11mh。电源中性点直接接地, 变压器为YN/yn0/dll接线的三绕组变压器, 变比为525/230/36, 单位k V, 中压绕组开路;低压侧负荷采用电阻和电感串联后星形连接模拟并联电容器采用单星形、中性点不接地接线方式。电容器中性点对地杂散电容、母线对地杂散电容、电容器高压端对地电容取经验值, 分别为300uf、0.0001uf和100uf。
A相电压在20ms达到峰值35KV, 设A相在20ms断开, 则电流在0.0233s过零。因为重燃时间一般发生在分闸后40~100ms, 所以重燃发生的时间区间在0.06s~0.12s之间, 不妨假定A相在0.0764s发生重击穿, B相分闸时间为0.0667s, C相分闸时间为0.0745s。为了方便比较, 设定另一组在波谷闸合闸时刻为:以及A相在0.0864s合闸, B相在0.0767s分闸, C相在0.0845s分闸。若发生两相重燃, B相同样在分闸后40ms~100ms之间发生重燃, 我们考虑在电压峰值的时候发生两相重燃时间取0.1197s.计算中所使用的谐振过电压和操作过电压的基准值:1.0p.u.=2Um/3=2×40.5/3=33.07KV, 其中Um为系统最高电压。
由图3可以看出, 在正常分闸的情况下, 电容器组的极间电压在允许范围之内。假如单相重燃发生在电压峰值, 此时A相电容器极间包含了高频震荡分量, 电压最大瞬时值为71.3KV, 71.3/33.07=2.1p.u.其冲击电流最大瞬时值为22.5KA.若单相重燃发生在电压波谷的时候, 此时电压的最大瞬时值为67.2KV, 55.2/33.07=1.6p.u.两相重燃的电压最大瞬时值为82.4KV, 82.4/33.07=2.5p.u.导致电容器极间的过电压以外, 还造成中性点电压偏高, 容易引起电容器极间绝缘的破坏。在最严重情况下 (电容器的残压与电源电压瞬时值极性相反, 断路器断口电压最大时) , 生断路器重燃时振荡过程比较剧烈, 将出现过大的振荡充电电流, 这一电流比电容器投入时的涌流大得多, 虽然其持续时间较短, 但巨大的电流也可能造成电容器及其限流电抗器过电流损坏。
比较分析可以把模型中的并联断路器动作时间设定为:A相0.02s分闸, 0.0764合闸;B相0.0667s分闸, 0.1197s合闸;C相0.0745s分闸。这是根据最严重的过电压情况设定的, 下文引入的阻尼装置进行分析比较, 也就是采用这一模型。
4 过电压保护分析
针对频繁地投切并联电容器组所产生的过电压, 采用了阻尼装置进行限制。
4.1 阻尼装置的结构原理
在投切电容器时, 回路中产生过渡过程, 在此过程中将出现过电压。如果在回路中接有电阻元件, 由于电阻的阻尼作用将使衰减系数增大、过电压幅值降低。阻尼保护装置原理示意见图10。
E为电源电压, 加装的过电压阻尼装置由火花间隙G与阻尼电阻R串联组成, 该装置并联在并联电容器C的串联电抗器L的两端。火花间隙受控于自身的电压电流, 仅在电容器组投入或切除的瞬间接入电路。间隙的动作电压应该大于系统正常运行时电抗器上的电压, 保证在系统正常运行时阻尼电阻上无电流通过, 不参与系统运行;同时, 动作电压应该小于开关合闸或发生重燃时在电抗器上产生的暂态过电压, 确保其尽可能的参与此时系统的暂态过程, 阻尼暂态过程中的过电压和过电流。当K闭合, 相当于在回路加了一个阶跃电压, L中的电流不能发生骤变, 此时G两端会产生一个较高的电压, 超过其整定值, G闭合。随着涌流的迅速衰减, 电抗器两端电压下降, 电流有效值低于间隙整定值, 自动熄弧, 阻尼电阻撤出, 从而避免了阻尼电阻长期通电所引起的损耗。
当阻尼电阻过大时, 它流过的电流很小, 对回路的影响也很小, 相当于未接入阻尼电阻, 不能产生阻尼作用;当阻尼电阻过小时, 又相当于将电感短路, 也不能起到阻尼作用。因此, 在一定的回路条件下, 必定有一个最佳电阻值, 在此阻值下可将电容器组的过电压或过电流降到可能的最低值, 确保系统的稳定正常运行。设根据资料分析, 当阻尼电阻等于时, 为理想的保护参数[7]。
4.2 阻尼装置的仿真分析
由图11, 图12, 图13可以看出, 在投切电容器时, 回路中产生过渡过程, 在此过程中将出现过电压。如果在回路中接有电阻元件, 由于电阻的阻尼作用将使衰减系数增大, 电抗器支路电压、电容器支路电压, 中性点电压幅值降低。仿真表明, 阻尼装置对过电压保护起到一定的作用。
5 结束语
投入和切除并联电容器组时的电磁暂态过程比较复杂, 本文通过分析切除电容器时真空断路器发生重燃产生过电压的机理, 建立了模拟并联电容补偿装置电弧重燃的模型, 通过对并联电容补偿装置进行单相、两相重燃的仿真, 验证了模型的正确性和实用性。并且利用阻尼装置限制其过电压, 仿真计算表明选取合适的电阻参数保护效果明显, 有利于并联电容器的安全运行, 为电网的运行管理提供参考和借鉴。
参考文献
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