一種雙向功率電力試驗(yàn)電源

范彥琨，毛行奎

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

1 引言

電力試驗(yàn)電源廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站及大中型工業(yè)企業(yè)，為現(xiàn)場(chǎng)繼電保護(hù)試驗(yàn)工作提供了可靠、穩(wěn)定、方便的直流試驗(yàn)電源，為提高繼電保護(hù)試驗(yàn)工作的質(zhì)量，保障人身、設(shè)備安全提供了可靠保證[1]。

本文設(shè)計(jì)的雙向功率電力試驗(yàn)電源既可作為標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)試驗(yàn)電源;又可作為便攜式直流電源屏，為二次設(shè)備提供可靠的直流電源;由于其能量雙向流動(dòng)的特性，還可作為蓄電池充放電儀來(lái)使用，達(dá)到一機(jī)多用的目的。既減少了設(shè)備種類，又節(jié)約了成本;其將能量回饋電網(wǎng)功能，與傳統(tǒng)的耗能式蓄電池放電儀相比，實(shí)現(xiàn)了能源的重復(fù)利用，符合當(dāng)今社會(huì)節(jié)能環(huán)保的需求。仿真研究初步驗(yàn)證了理論分析的正確性和該方法的可行性。

2 電路拓?fù)?/h2>

雙向功率電力試驗(yàn)電源拓?fù)淙鐖D1所示。該拓?fù)錇榍凹?jí)單相可逆PWM整流器、后級(jí)雙向橋式高頻隔離DC/DC變換器的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，其中開(kāi)關(guān)管S1-S12為有反并聯(lián)二極管的IGBT管，L1為交流側(cè)電感，Cd為直流母線支撐電容，Lr為諧振電感，Cr為隔直電容，Lf為輸出濾波電感，Cf為儲(chǔ)能電容，T為高頻隔離變壓器。

3 工作原理及控制策略

本設(shè)計(jì)前后兩級(jí)通過(guò)電容Cd解耦，下文中為了便于說(shuō)明，可對(duì)前后級(jí)拓?fù)鋯为?dú)進(jìn)行分析。下面對(duì)圖1所示雙向功率電力試驗(yàn)電源拓?fù)涞那昂蠹?jí)分別進(jìn)行具體分析。

3.1 單相可逆PWM整流器

前級(jí)單相可逆PWM整流器拓?fù)淙鐖D2所示。其運(yùn)行方式矢量圖如圖3所示?？梢钥闯?，只要調(diào)節(jié)Uab與Uac的相位角，使電網(wǎng)電流基波分量與電網(wǎng)電壓相位相同或相反，即可使變換器工作在整流或者逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)[2]。

圖1 雙向功率電力試驗(yàn)電源拓?fù)?/p>

圖2 單相可逆PWM整流器

圖3 不同運(yùn)行模式矢量圖

單相可逆PWM整流器的控制目標(biāo)為使直流母線電壓穩(wěn)壓，實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，并使網(wǎng)側(cè)電流正弦化且功率因數(shù)可調(diào)。因此采用外環(huán)直流電壓、內(nèi)環(huán)交流電流雙環(huán)控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。直流電壓給定信號(hào)Ud*與實(shí)際直流母線電壓采樣值Ud對(duì)比，其差值經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)后作為直流電流指令信號(hào)Im，與標(biāo)準(zhǔn)正弦波相乘后作為交流電流給定信號(hào)Ia*，與實(shí)際交流電流信號(hào)Ia相比較后經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)，與三角載波比較產(chǎn)生PWM信號(hào)。有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)電流的快速控制，電流內(nèi)環(huán)也可采用比例調(diào)節(jié)器。

圖4 單相可逆PWM整流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 雙向全橋DC/DC變換器

雙向全橋DC/DC變換器的控制目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓110～250V、電流0～10A可調(diào)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)功率逆向流動(dòng)。由圖1可知，當(dāng)能量從一次側(cè)流向二次側(cè)時(shí)，只需驅(qū)動(dòng)全橋DC/DC變換器的S5～S8管，S9～S12管不加驅(qū)動(dòng)，其反并聯(lián)二極管作為整流二極管，電感Lf為濾波電感。通過(guò)改變輸出電壓、電流基準(zhǔn)，即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流平穩(wěn)可調(diào);當(dāng)需要能量逆向流動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)S9～S12管，封鎖S5～S8管，電感Lf為升壓電感。因此，變換器正向工作為電壓型(Buck)全橋電路，逆向工作時(shí)為電流型(Boost)全橋電路[3－5]。

橋式變換器有單極性、雙極性和移相三種控制方式，移相控制易實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通(ZVS)。變換器正向工作時(shí)一次側(cè)全橋采用移相控制方式，如圖5所示。

超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS的條件為:

式中，td為超前橋臂S1和S2之間的死區(qū)時(shí)間;C為開(kāi)關(guān)管DS端電容;Vd為輸入端電壓;ip為變壓器原邊側(cè)電流。

滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS的條件為:

式中，Lr為諧振電感;C為開(kāi)關(guān)管DS端電容;n為變壓器匝比;Ud為輸入端電壓;iLf為變壓器副邊側(cè)流過(guò)濾波電感的電流。

圖5 移相控制主要波形

逆向工作時(shí)二次側(cè)全橋采用雙極性控制[6]，如圖6所示。S9～S12同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電感Lf儲(chǔ)能;S9、S12或者S8、S11同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，能量從二次側(cè)傳遞到一次側(cè)。當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí)候，輸出電壓與輸入電壓比還和負(fù)載電流相關(guān)。為了維持一定的輸入輸出比，占空比系數(shù)改變非常大，導(dǎo)致變換器在低輸入電流時(shí)失控。故應(yīng)以臨界電流作為最小電流來(lái)設(shè)計(jì)電感。

輸入電流連續(xù)時(shí)的最小值(臨界)為:

式中，I2min為逆變工作時(shí)二次側(cè)臨界電流;D為占空比;U2為二次側(cè)電壓;T為開(kāi)關(guān)周期。

可求得電感值應(yīng)大于:

圖6 雙極性控制主要波形

4 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

雙向功率電力試驗(yàn)電源的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為:

輸入電壓:220Vac±20%，50Hz。

輸出電壓:110～250VDC。

輸出電流:0～10A。

4.1 全橋高頻變壓器設(shè)計(jì)

次級(jí)橋式整流的全橋變壓器磁芯雙向磁化，磁芯和線圈利用率高。為了滿足輸入電壓紋波和寬輸出電壓要求，變壓器的變比應(yīng)按照最低輸入電壓和最高輸出電壓來(lái)選擇。

移相控制存在副邊占空比丟失，設(shè)副邊最大占空比為0.85，可求得副邊電壓為:

式中，Usec(min)為副邊電壓;U2(max)為最大輸出電壓;Ud為整流二極管壓降;ULf為輸出電感上的直流壓降;Dsec(max)為副邊最大占空比。

故變壓器原副邊變比為:

其中Ud(min)為最低直流母線電壓。

根據(jù)輸出功率選擇EE55磁芯，兩組并用。選擇開(kāi)關(guān)頻率為30kHz，工作磁通密度為0.15T，則副邊匝數(shù)為:

其中Ae為磁芯有效截面積;Bm為最高工作磁密。

故原邊匝數(shù)為:

4.2 隔直電容設(shè)計(jì)

由于開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不可能完全一致，加在變壓器原邊繞組上的交流電壓含有直流分量，產(chǎn)生直流磁化電流并可能造成磁路飽和。加入隔直電容可以避免變壓器直流磁化。隔直電容Cb和輸出濾波電感Lf串聯(lián)諧振，為了使其充電為線性，取諧振頻率為開(kāi)關(guān)頻率的1/4，則隔直電容大小為:

5 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方案的可行性，用Saber軟件分別對(duì)PWM可逆整流器和雙向橋式DC/DC變換器進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)為:Uac=220Vac/50Hz，Ud=380VDC，fs=30kHz，L1=2mH，R=0.05Ω，Cd=1680μF;Lr=35μH，Cr=0.22μF，Np:Ns=20:15，Lf=500μH，Co=2000μF，Po=2.5kW。

PWM可逆整流器整流狀態(tài)仿真波形如圖7所示，由圖可見(jiàn)輸入電流很好地跟蹤了輸入電壓，功率因數(shù)高。逆變狀態(tài)仿真波形如圖8所示，電流和電網(wǎng)電壓同頻率，相位差180°。電壓型全橋電路仿真波形如圖9所示，可以看出開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS。電流型全橋電路仿真波形如圖10所示，當(dāng)同一橋臂開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)能，電感電流上升;當(dāng)斜對(duì)角開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，一次側(cè)向二次側(cè)傳遞功率，電感電流下降。仿真結(jié)果均與上文分析吻合。

圖7 整流狀態(tài)電網(wǎng)電壓、電感電流波形

圖8 逆變狀態(tài)電網(wǎng)電壓、電感電流波形

圖9 原邊電壓電流、S2管Vgs、Vds波形

圖10 S9、S10管 Vgs、電感電流波形

5 結(jié)論

本文提出了一種雙向功率電力試驗(yàn)電源，并對(duì)其工作原理和控制策略進(jìn)行分析，仿真結(jié)果證明了方案的可行性。該試驗(yàn)電源能夠替代多種設(shè)備，節(jié)省了企業(yè)采購(gòu)成本;具有APFC功能，減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染;并且實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了綠色能源變換。

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