適用于非線性負載的試驗電源

陳國棟, 王偉岸, 方彬鵬

上海電氣集團股份有限公司 輸配電分公司 上海 200042

1 設計背景

在電氣設備研發過程中,為了滿足國家標準的要求,需要進行相應試驗。一些試驗需要特殊的電壓等級[1-2],而由于電網電壓是固定的,因此需要電壓可調的電源作為試驗電源。背靠背電源由脈寬調制整流器替換常規逆變器前端的二極管不控整流橋變形而來,使電網側和負載側具有相同的變流器拓撲結構[3-4]。非線性負載直接接入電網,會給電網注入大量諧波電流,污染電網。通過背靠背電源接入非線性負載,可以大大減少對電網的諧波污染。另一方面,背靠背電源具有功率因數可調功能,支持能量雙向流動,相比傳統單向電源更加靈活,適用的場合更廣泛。筆者設計了一套適用于非線性負載的試驗電源,屬于背靠背電源,具有帶非線性負載和輸出電壓可調節功能。

2 拓撲結構

適用于非線性負載的試驗電源拓撲結構如圖1所示。和電網連接的是三相脈寬調制整流器,與負載連接的是三相脈寬調制逆變器,兩者之間通過直流側連接在一起。脈寬調制整流器通過可控整流,為逆變器提供穩定的直流源,實現與電網之間的能量交換。脈寬調制逆變器能夠輸出頻率和電壓幅值可調的交流電壓,進而為負載提供穩定的電壓源。這種拓撲結構可以實現能量從電網到負載的流動,同時還能夠保證電網的電能質量不受負載類型的影響。

圖1 試驗電源拓撲結構

3 建模分析

由于脈寬調制整流器和脈寬調制逆變器拓撲結構一致,因此對其中之一進行建模就能夠得到適用于非線性負載的試驗電源的數學模型。筆者對脈寬調制逆變器進行數學建模,Lf為逆變器基側電感,r電感電流的寄生電阻,Cf為濾波電容,Lc為網側電感,T為功率開關管,Ua、Ub、Uc為橋臂三相電壓,Uoa、Uob、Uoc為電容三相電壓,iLa、iLb、iLc為電感三相電流,ioa、iob、ioc為逆變器三相輸出電流。由基爾霍夫電壓定律和電流定律,可以推導出脈寬調制逆變器在三相靜止坐標系下的數學模型:

(1)

三相靜止坐標系下,系統的狀態變量較多,并且都是交流量。根據自動控制理論可知,使用比例積分控制器對交流量進行控制會有一定的靜差無法消除[5]。為了減少系統變量,消除靜差,將三相靜止坐標系下的數學模型變換到兩相dq旋轉坐標系下,得:

(2)

式中:iLd、iLq分別為電感電流坐標系變換后的d軸分量和q軸分量;Ud、Uq分別為橋臂電壓坐標系變換后的d軸分量和q軸分量;Uod、Uoq分別為電網電壓坐標系變換后的d軸分量和q軸分量;iod、ioq分別為電網電流坐標系變換后的d軸分量和q軸分量;ω為電網頻率。

三相脈寬調制逆變器在兩相dq旋轉坐標系下的電感電流微分方程為:

(3)

三相脈寬調制逆變器在兩相dq旋轉坐標系下的電容電壓微分方程為:

(4)

4 控制策略

脈寬調制整流器和脈寬調制逆變器均采用電壓電流雙環控制,內環為電感電流環,可以提高系統的響應速度。脈寬調制外環為直流電壓環,控制直流電壓跟隨給定參考電壓。脈寬調制逆變器外環為電容電壓環,控制逆變器輸出電壓為給定電壓。

4.1 電流內環

由式(3)可知,經過坐標系變換后,電感電流的d軸分量和q軸分量之間是相互耦合的,這樣造成對控制器進行設計有一定難度,因此需要進行解耦控制。Ud、Uq的控制方程為:

(5)

式中:Kip為電流環比例積分控制器比例因子;Kii為電流環比例積分控制器積分因子;iLdref、iLqref分別為d軸和q軸電流參考值。

基于電感電流微分方程和電流環解耦控制方程,可以得到電流內環解耦控制框圖,如圖2所示。

圖2 電流內環解耦控制框圖

4.2 脈寬調制整流器電壓外環

脈寬調制整流器交流側與電網連接,交流電壓由電網提供,直流側需要為脈寬調制逆變器提供穩定的直流電壓,因此控制目標為直流電壓。根據瞬時功率理論,脈寬調制整流器的功率為:

(6)

式中:p為瞬時有功功率;q為瞬時無功功率。

在坐標變換中,脈寬調制整流器是基于電網電壓定向的,因此Uq為零。在不考慮脈寬調制逆變器損耗的情況下,根據功率守恒可知,直流側瞬時功率與脈寬調制逆變器瞬時有功功率相等,由此可得:

Udcidc=3UdiLd/2

(7)

式中:Udc為直流電壓;idc為直流電流。

電網電壓一般都保持固定,因此直流電壓Ud是一個固定值。根據式(7)可知,通過控制直流電流iLd就可以控制直流電壓。使直流電壓反饋經過一個比例積分控制器,可以實現直流電壓的無靜差控制,直流電壓外環比例積分控制器的輸出即為有功電流內環的電流參考值。

4.3 脈寬調制逆變器電壓外環

由式(4)可知,電容電壓的d軸分量和q軸分量相互耦合,因此采用前饋解耦控制,控制方程為:

(8)

式中:Kvp為電壓環比例積分控制器比例因子;Kvi為電壓環比例積分控制器積分因子;Uodref、Uoqref分別為d軸和q軸的電壓參考值。

電壓外環的輸入為電容電壓反饋,通過一個比例積分控制器實現對電容電壓的無靜差控制,電壓外環的輸出為電流內環的參考值。由式(4)和式(8)可以得到脈寬調制逆變器電壓外環解耦控制框圖,如圖3所示,其中Gi(s)為電流環閉環傳遞函數。

圖3 電壓外環解耦控制框圖

5 試驗驗證

5.1 試驗平臺

根據圖1所示拓撲結構搭建一套50 kW試驗電源平臺,脈寬調制整流器交流側與電網連接,脈寬調制逆變器直流側與脈寬調制整流器直流側連接,脈寬調制逆變器交流輸出端接可調速電機,提供電壓支撐。可調速電機啟動后阻抗是非線性的。人機接口通過RS 485總線與脈寬調制整流器和脈寬調制逆變器實現數據交互,包括控制指令的下發和狀態量的回傳。脈寬調制整流器和脈寬調制逆變器的控制策略均在數字信號處理器中實現。數字信號處理器采用TMS320F28335芯片,采樣電路測量電壓和電流后通過模數轉換芯片轉換為數字信號,送入數字信號處理器供電壓電流閉環控制使用。數字信號處理器將計算得到的調制波傳輸至現場可編程門陣列進行脈寬調制,得到脈沖信號。脈沖信號通過驅動電路控制絕緣柵雙極晶體管的通斷,實現整流和逆變功能。人機接口下發開機指令后,脈寬調制整流器啟動可控整流,將直流母線電壓維持在800 V。脈寬調制逆變器檢測到直流電壓為800 V后啟動,按照人機接口預先下發的指令電壓進行逆變,使交流輸出電壓維持在穩定值,為負載供電。

5.2 驗證結果

試驗電源不帶負載時,按照設定的電壓指令輸出電壓,試驗波形如圖4所示。可以看出直流電壓穩定在800 V左右,試驗電源輸出電壓按照預設的電壓指令進行調整,達到了設計要求。

圖4 試驗電源不帶負載試驗

試驗電源帶非線性負載時試驗波形如圖5所示。可以看出交流電流中含有大量諧波分量,輸出電壓能保持較好的正弦度,并且直流電壓保持穩定,說明試驗電源帶非線性負載能力強,受負載類型影響較小。

圖5 試驗電源帶非線性負載試驗波形

負載突變時試驗波形如圖6所示。可以看出交流電流表現出負載突加和突減,負載突加和突減時輸出電壓與直流電壓稍有波動,但是很快恢復到指令值,說明試驗電源響應速度快,穩定性好。

圖6 負載突變時試驗波形

試驗電源帶非線性負載時,輸入電流與輸出電壓波形如圖7所示。可以看出試驗電源帶非線性負載時,輸入電流能夠保持較好的正弦度,說明試驗電源在將電網能量傳遞至非線性負載時,不會影響電網的電能質量,避免非線性負載直接接入電網造成諧波污染。

圖7 試驗電源帶非線性負載輸入電流與輸出電壓波形

6 結束語

筆者設計了一套適用于非線性負載的試驗電源,由脈寬調制整流器和脈寬調制逆變器組成。脈寬調制整流器通過可控整流為脈寬調制逆變器提供穩定的直流電壓,脈寬調制逆變器將直流電壓變換為設定的交流電壓提供給負載。

通過對電流環進行設計,使脈寬調制整流器和脈寬調制逆變器響應速度快。通過對電壓外環進行設計,使脈寬調制整流器和脈寬調制逆變器能夠對控制目標進行無靜差跟蹤。

試驗表明,所設計的試驗電源能夠按照給定設置對電壓進行輸出,對非線性負載有很好的適應性,而且響應速度快,穩定性好,可以避免非線性負載對電網造成諧波污染。