三相可逆平衡電子負(fù)載裝置的設(shè)計(jì)與仿真

王語(yǔ)園 徐志偉

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 渭南 714000）（2.西安交通大學(xué) 西安 710049）

1 引言

在電力系統(tǒng)中，實(shí)際負(fù)載有很多類型，各種類型有著不同的特點(diǎn)，不同負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)的影響也各不一樣。研究不同類型負(fù)載與電力系統(tǒng)的相互作用對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)具有重要意義［1～4］。但是，采用實(shí)際各種類型負(fù)載作為研究對(duì)象很不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。設(shè)計(jì)一種可以代替實(shí)際負(fù)載的模擬裝置，通過(guò)對(duì)模擬裝置的研究來(lái)分析各種實(shí)際負(fù)載與電力系統(tǒng)的相互影響。

本文研究的三相平衡是指三相對(duì)稱，即電量三相幅值相等，相位互相差120°。三相可逆電子負(fù)載模擬裝置主電路結(jié)構(gòu)采用雙PWM變流器，控制電路使用閉環(huán)控制，輸出功率的控制是通過(guò)控制逆變器輸出電流的幅值和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)與負(fù)載之間功率雙向流動(dòng)的模擬。

2 三相可逆平衡電子負(fù)載裝置主電路

采用雙PWM變流器結(jié)構(gòu)的三相可逆平衡電子負(fù)載裝置主電路如圖1所示，可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。

圖1 三相可逆平衡電子負(fù)載裝置主電路

3 三相可逆平衡電子負(fù)載裝置的控制電路

三相可逆平衡電子負(fù)載裝置主電路如圖1所示，控制電路是其核心［2，6～9］?？刂齐娐芬怨β士刂茷槟繕?biāo)，達(dá)到功率雙向流動(dòng)的目的。三相PWM輸出電流為控制參數(shù)，輸出電流與輸出功率的關(guān)系為

式（1）中，Pn為有功功率，Qn為無(wú)功功率，E為電網(wǎng)電壓有效值，θn為初相位，n為u、v、w相數(shù)。

在圖2中，P*，Q*為指令功率，i*作為指令電流。φ為同步角速度，由鎖相環(huán)PLL可以得出。

4 PI環(huán)設(shè)計(jì)

根據(jù)式（1），控制功率的控制電路可轉(zhuǎn)換為控制電流的控制電路［3］。電網(wǎng)電壓已知，只要控制三相可逆平衡電子負(fù)載模擬裝置的輸出電流即可控制該負(fù)載裝置的輸出功率。顯然，圖2即以電流控制為核心建立的控制模型。

圖2 三相可逆平衡電子負(fù)載裝置的控制電路

控制環(huán)節(jié)核心部分是PI環(huán)，電流調(diào)節(jié)器通過(guò)id電流環(huán)來(lái)說(shuō)明，已解耦的id電流環(huán)結(jié)構(gòu)［4］如圖3所示。

圖3 電流環(huán)id的PI簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

其中，R為線路阻抗；L為輸出濾波電感；KiP為比例常數(shù)；KiI為積分常數(shù)。

根據(jù)圖3給出的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)寫(xiě)出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)

閉環(huán)傳遞函數(shù)為

則PI參數(shù)有

5 控制電路參數(shù)的計(jì)算

5.1 三相可逆平衡負(fù)載模擬裝置控制電路參數(shù)的計(jì)算

三相平衡負(fù)載模擬裝置已知參數(shù)為模擬電子負(fù)載容量取6kVA，電網(wǎng)輸出220V相電壓，工頻50Hz，且為三相正弦交流電。取電感參數(shù)為4mH，IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，線路阻抗R取0.05Ω，控制電路參數(shù)主要是PI參數(shù)：KiP，KiI。

對(duì)于閉環(huán)傳遞函數(shù)為一個(gè)含有濾波參數(shù)的系統(tǒng)，采用SPWM調(diào)制方式［5～6］，轉(zhuǎn)折頻率選擇為開(kāi)關(guān)頻率的 1/10［7～8，10～13］，則系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)函數(shù)及其倍頻附近的諧波具有明顯的衰減作用［9～10］。本文開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，則轉(zhuǎn)折頻率為 fc=1000Hz，則閉環(huán)時(shí)間常數(shù)為 Tc=1 ωc=1 2πfc。

KiP，KiI根據(jù)式（4），（5）計(jì)算可得

5.2 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)是電路模型仿真的基礎(chǔ)，三相可逆不平衡電子負(fù)載模擬裝置的仿真參數(shù)具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真所需參數(shù)表

6 三相可逆平衡電子負(fù)載裝置的仿真

本文運(yùn)用Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行仿真［14～16］。仿真參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)仿真模型由指令電流模塊、控制系統(tǒng)模塊、電壓有效值模塊、主電路模塊和測(cè)量模塊等組成，如圖4所示。指令電流計(jì)算模塊是按照式（1）來(lái)搭建，控制模塊如圖5所示。該系統(tǒng)分別將指令電流ia*，ib*，ic*和實(shí)測(cè)電流ia，ib，ic以及輸出電壓ea，eb，ec由三相靜止坐標(biāo)系abc轉(zhuǎn)換到三相dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在d，q，0軸分別進(jìn)行PI控制，再進(jìn)行反變換從三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq0轉(zhuǎn)換到三相abc靜止坐標(biāo)系，最后與三角波進(jìn)行比較形成PWM脈沖來(lái)控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。

1）當(dāng)t=0s時(shí)，設(shè)定指令功率為P=6kW，Q=0kvar；在t=0.085s時(shí)，P=-6kW，逆變器輸出波形如圖6所示。由圖6可知，t=0.085s時(shí)，同相位的電壓和電流波形突然改變，突變成反相位，并且有功功率跟隨設(shè)定值的改變同時(shí)發(fā)生改變，但是Q值仍然為0kvar。

圖4 三相平衡負(fù)載模擬裝置系統(tǒng)仿真圖

圖5 三相平衡負(fù)載模擬裝置控制模塊

圖6 有功功率給定突變時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)

2）當(dāng)t=0s時(shí)，設(shè)定指令功率為Q=6kvar，P=0kW；在 t=0.085s時(shí)，Q=-6kvar，逆變器輸出波形如圖7所示。由圖7可知，在t=0.085s時(shí)，電流超前電壓90°，突變?yōu)殡妷撼半娏?0?，并且無(wú)功功率跟隨設(shè)定值的變化而變化，但是P值仍然為0kW。

3）當(dāng)t=0s時(shí)，設(shè)定指令功率為 P=3kW，Q=-3kvar，t=0.085s時(shí)，P=-3kW，t=0.1s時(shí)Q=2kvar，逆變器輸出波形如圖8所示。由圖8可知，在t=0.085s時(shí)，有很短的動(dòng)態(tài)過(guò)程，輸出電流出現(xiàn)改變。在t=0.1s時(shí)，輸出電流相位從超前成為滯后，大小同時(shí)也發(fā)生改變，并且P、Q由于設(shè)定值改變也跟隨改變。

4）當(dāng)t=0s時(shí)，設(shè)定指令功率為 P=3sin(ωt)kW，Q=0kvar，t=0.085s時(shí)，P=3sin(ωt+π)kW，逆變器輸出波形如圖9所示。由圖9可知，在t=0.085s時(shí)，輸出電流與電壓的相位由同相位突然變?yōu)榉聪辔?，并且P由于設(shè)定值改變也跟隨改變，但是Q值仍然為0kvar。

圖7 無(wú)功功率給定突變時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)

圖8 有功功率和無(wú)功功率給定突變時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)

三相可逆平衡電子負(fù)載裝置的電流和功率仿真波形如圖6～圖9所示，圖6～圖9為a相功率與電流波形圖。

由圖6～圖9可知，三相可逆平衡電子負(fù)載模擬裝置輸出電流和輸出功率都跟隨了指令值，在1/4周期內(nèi)都完成了跟蹤任務(wù)。雖然負(fù)載輸出電流與輸出功率超調(diào)量、諧波比較大，但實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)。

圖9 有功功率給定突變時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)

7 結(jié)語(yǔ)

建立基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)的三相電子負(fù)載裝置仿真模型，通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的三相可逆平衡電子負(fù)載裝置的仿真實(shí)驗(yàn)，證明了本設(shè)計(jì)方案的可行性。該設(shè)計(jì)方案可以應(yīng)用于各種平衡負(fù)載的實(shí)驗(yàn)研究，具有廣泛的適應(yīng)性，同時(shí)為不平衡負(fù)載的實(shí)驗(yàn)研究提供了參考。