基于電力路由器的全橋電路的研究與設(shè)計

摘 要：電力路由器不僅是能源互聯(lián)網(wǎng)的組成部分，也是最終實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章研究了一種可用于電力路由器的全橋整流饋電拓?fù)?，詳?xì)介紹了其工作原理，并分析了所采用的雙閉環(huán)控制策略，通過仿真驗證了其正確性。

關(guān)鍵詞：電力路由器；全橋電路；能源互聯(lián)網(wǎng)

1 概述

隨著化石能源的不斷發(fā)現(xiàn)與開采，人們逐步重視化石能源日益枯竭以及環(huán)境保護等問題，世界各國也正積極探索各種不同類型的新能源。因此，能源互聯(lián)網(wǎng)這一概念的提出為解決上述問題以及作為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向提供了很好的思路。而電力路由器作為能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，其能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向傳輸是其區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的要素之一。因此，文章考慮采用全橋電路作為實現(xiàn)能量饋送功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖然全橋開關(guān)管較多，但其可以實現(xiàn)功率因數(shù)不低于0.99、輸入電流的諧波THD被限制在5%以下。所以，文章研究了全橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)向電網(wǎng)饋送電能的功能，從而實現(xiàn)能量的雙向傳輸。

2 基于電力路由器的全橋電路拓?fù)?/p>

電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理如下：

文章所采用的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效電路圖如圖1所示，其中，ui為電網(wǎng)側(cè)電壓，L為濾波電感，UL為電感上電壓，iL為流過電感L的電流，C為濾波電容，ud為直流側(cè)電壓，uAB為A、B兩端的電壓，S1、S2、S3、S4為功率開關(guān)管。

圖1 全橋拓?fù)涞刃щ娐穲D

當(dāng)電路工作在電網(wǎng)供電狀態(tài)下時，該電路拓?fù)渲绷鱾?cè)可以等效為一個電阻負(fù)載，當(dāng)電路工作在饋電狀態(tài)下時，直流側(cè)可以等效為一個電源，綜合以上兩種狀態(tài)，可以將負(fù)載等效為一個帶內(nèi)阻的直流電壓源，其簡化后的原理圖如圖2所示。其中的Ui為電網(wǎng)電壓忽略諧波分量后的基波向量，UL與IL為電感L上的電壓與電流的基波向量，UAB為直流側(cè)電壓ud經(jīng)過SPWM調(diào)制后的交流電壓的基波分量。

圖2 全橋電路簡化拓?fù)?/p>

由基爾霍夫電壓定律可得：

■i=j？棕L■L+■AB（1）

由式（1）分析可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓Ui幅值和相位恒定以及電網(wǎng)側(cè)電流IL幅值恒定時，電壓UAB在向量圖的軌跡將會是一個圓周，如圖3所示。

從圖3中可以看出，當(dāng)向量UAB的軌跡沿著圓周上的1、2、3、4點運動時，電網(wǎng)側(cè)電壓Ui和電流IL之間的夾角，即功率因數(shù)角由90°→0°→-90°→-180°依次變化。因此，可以通過調(diào)節(jié)電壓UAB的幅值和相位來改變電網(wǎng)側(cè)電流IL的幅值和相位，而IL的大小和方向直接決定了能量傳輸?shù)拇笮『头较?，從而實現(xiàn)了控制能量雙向傳輸?shù)墓δ?。從圖3（b）工作狀態(tài)2中可以看出，電網(wǎng)電壓■i與電流■L的夾角為0°，電網(wǎng)只發(fā)出有功功率，功率因數(shù)為1；從圖3（d）中可以看出，電網(wǎng)電壓■i與電流■L的夾角為-180°，電網(wǎng)只吸收有功功率，功率因數(shù)為-1。由此可知，當(dāng)系統(tǒng)工作于上述兩點時，該系統(tǒng)將以單位功率因數(shù)從電網(wǎng)吸收功率以及發(fā)出功率，即達(dá)到單位功率因數(shù)的整流和逆變。通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗院碗姼蠰的選擇，可以實現(xiàn)上述功能。

3 全橋電路的仿真分析

3.1 控制策略

電壓型PWM整流控制策略有幅相控制、滯環(huán)控制和雙閉環(huán)控制等方式。幅相控制策略對參數(shù)的變化敏感，穩(wěn)定性差；滯環(huán)控制策略則會導(dǎo)致開關(guān)周期不固定，諧波隨機分布，將會給濾波器的設(shè)計帶來困難，而且其波形在參考波形過零點的附近效果差。因此，文章將采用雙閉環(huán)控制方式，其控制策略框圖如圖4所示。

圖4所示的雙閉環(huán)控制方式，即電壓外環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)控制，首先將直流側(cè)電壓ud采集回來與設(shè)定的直流側(cè)電壓參考值udref進行比較，再經(jīng)過PI控制器得到電流幅值的參考量，再通過采集電網(wǎng)側(cè)電壓的相位信息，從而得到電流參考量，將其與實際的電流值比較后經(jīng)過一個P控制器，再與電網(wǎng)側(cè)電壓ui取差值，最終經(jīng)過脈寬調(diào)制得到四個開關(guān)管的驅(qū)動信號。

3.2 仿真分析

文章設(shè)計的全橋整流饋電拓?fù)?，其工作過程主要為整流時可以為不同負(fù)載供電以及滿載時的饋電，仿真也是針對這兩方面進行分析。為了驗證全橋電路的可行性，將從以下兩方面對全橋整流饋電電路的工作過程進行仿真分析：工作于整流狀態(tài)時，負(fù)載的變化對電路的影響；全橋電路在從整流狀態(tài)切換到饋電狀態(tài)下時的系統(tǒng)性能。

3.2.1 全橋電路工作于整流狀態(tài)

仿真過程中選取的參數(shù)如下：由于文章所設(shè)計的電力路由器容量為5kVA，因此，將整流饋電環(huán)節(jié)容量設(shè)定在5kW。選取濾波電感L=0.005H，電容C=2200uF，直流側(cè)電壓E=300V，通過改變直流源的等效電阻R的大小來改變整流狀態(tài)下的輸出功率。在0-0.3S時，加入限流電阻，電網(wǎng)對電容C進行不控整流充電；0.3S-1.0S時，系統(tǒng)運行于空載狀態(tài)下；1.0S-1.5S時，系統(tǒng)半載輸出，負(fù)載R=16Ω；1.5S-3.0S時，系統(tǒng)滿載輸出，R=8Ω。根據(jù)上述參數(shù)在PSCAD中搭建仿真電路，得到如下波形圖。

a）空載到半載轉(zhuǎn)換時電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

b）半載工作時的電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

c）半載到滿載轉(zhuǎn)換時電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

d）滿載運行時的電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

e）工作于所有過程中的直流側(cè)電壓

f）電網(wǎng)側(cè)電流的THD

從以上仿真波形可以看出，在負(fù)載突變的過程中，電路具有良好的動態(tài)響應(yīng)，電流在兩個周波之內(nèi)就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)電流的THD在穩(wěn)定狀態(tài)下保持在1.5%以內(nèi)，直流側(cè)電壓在穩(wěn)態(tài)過程中的紋波保持在±2.5%以內(nèi)。

3.2.2 全橋電路工作于饋電狀態(tài)

接著上述仿真過程，在3.0s時，將直流等效電壓設(shè)為500V，使電路工作于饋電狀態(tài)，其仿真波形如下所示。

g）整流與饋電模式轉(zhuǎn)換時電網(wǎng)側(cè)電壓與電流h）饋電模式下的電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

從以上仿真波形可以看出，全橋電路在整流模式與饋電模式的切換過程中，具有良好的動態(tài)響應(yīng)速度，電網(wǎng)側(cè)電流在三個周波左右就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

以上仿真表明，在雙閉環(huán)控制策略下，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)電力路由器的整流與饋電功能。

4 結(jié)束語

文章基于電力路由器研究和設(shè)計了全橋整流饋電電路，實現(xiàn)了能量的雙向流動。首先介紹了電路的工作原理，然后分析給出了雙閉環(huán)控制策略，通過仿真驗證了其在整流模式與饋電模式下的正確性以及有效性，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)工作于整流狀態(tài)和饋電狀態(tài)。為電力路由器的設(shè)計提供了保障。

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