適用于非線性負(fù)載的試驗(yàn)電源

陳國(guó)棟, 王偉岸, 方彬鵬

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 輸配電分公司 上海 200042

1 設(shè)計(jì)背景

在電氣設(shè)備研發(fā)過(guò)程中,為了滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求,需要進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。一些試驗(yàn)需要特殊的電壓等級(jí)[1-2],而由于電網(wǎng)電壓是固定的,因此需要電壓可調(diào)的電源作為試驗(yàn)電源。背靠背電源由脈寬調(diào)制整流器替換常規(guī)逆變器前端的二極管不控整流橋變形而來(lái),使電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)具有相同的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3-4]。非線性負(fù)載直接接入電網(wǎng),會(huì)給電網(wǎng)注入大量諧波電流,污染電網(wǎng)。通過(guò)背靠背電源接入非線性負(fù)載,可以大大減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。另一方面,背靠背電源具有功率因數(shù)可調(diào)功能,支持能量雙向流動(dòng),相比傳統(tǒng)單向電源更加靈活,適用的場(chǎng)合更廣泛。筆者設(shè)計(jì)了一套適用于非線性負(fù)載的試驗(yàn)電源,屬于背靠背電源,具有帶非線性負(fù)載和輸出電壓可調(diào)節(jié)功能。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

適用于非線性負(fù)載的試驗(yàn)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。和電網(wǎng)連接的是三相脈寬調(diào)制整流器,與負(fù)載連接的是三相脈寬調(diào)制逆變器,兩者之間通過(guò)直流側(cè)連接在一起。脈寬調(diào)制整流器通過(guò)可控整流,為逆變器提供穩(wěn)定的直流源,實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)之間的能量交換。脈寬調(diào)制逆變器能夠輸出頻率和電壓幅值可調(diào)的交流電壓,進(jìn)而為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓源。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)能量從電網(wǎng)到負(fù)載的流動(dòng),同時(shí)還能夠保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量不受負(fù)載類型的影響。

圖1 試驗(yàn)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 建模分析

由于脈寬調(diào)制整流器和脈寬調(diào)制逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致,因此對(duì)其中之一進(jìn)行建模就能夠得到適用于非線性負(fù)載的試驗(yàn)電源的數(shù)學(xué)模型。筆者對(duì)脈寬調(diào)制逆變器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,Lf為逆變器基側(cè)電感,r電感電流的寄生電阻,Cf為濾波電容,Lc為網(wǎng)側(cè)電感,T為功率開(kāi)關(guān)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(dǎo)出脈寬調(diào)制逆變器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

(1)

三相靜止坐標(biāo)系下,系統(tǒng)的狀態(tài)變量較多,并且都是交流量。根據(jù)自動(dòng)控制理論可知,使用比例積分控制器對(duì)交流量進(jìn)行控制會(huì)有一定的靜差無(wú)法消除[5]。為了減少系統(tǒng)變量,消除靜差,將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型變換到兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,得:

(2)

式中:iLd、iLq分別為電感電流坐標(biāo)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(biāo)系變換后的d軸分量和q軸分量;Uod、Uoq分別為電網(wǎng)電壓坐標(biāo)系變換后的d軸分量和q軸分量;iod、ioq分別為電網(wǎng)電流坐標(biāo)系變換后的d軸分量和q軸分量;ω為電網(wǎng)頻率。

三相脈寬調(diào)制逆變器在兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電感電流微分方程為:

(3)

三相脈寬調(diào)制逆變器在兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電容電壓微分方程為:

(4)

4 控制策略

脈寬調(diào)制整流器和脈寬調(diào)制逆變器均采用電壓電流雙環(huán)控制,內(nèi)環(huán)為電感電流環(huán),可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。脈寬調(diào)制外環(huán)為直流電壓環(huán),控制直流電壓跟隨給定參考電壓。脈寬調(diào)制逆變器外環(huán)為電容電壓環(huán),控制逆變器輸出電壓為給定電壓。

4.1 電流內(nèi)環(huán)

由式(3)可知,經(jīng)過(guò)坐標(biāo)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(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)有一定難度,因此需要進(jìn)行解耦控制。Ud、Uq的控制方程為:

(5)

式中:Kip為電流環(huán)比例積分控制器比例因子;Kii為電流環(huán)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(huán)解耦控制方程,可以得到電流內(nèi)環(huán)解耦控制框圖,如圖2所示。

圖2 電流內(nèi)環(huán)解耦控制框圖

4.2 脈寬調(diào)制整流器電壓外環(huán)

脈寬調(diào)制整流器交流側(cè)與電網(wǎng)連接,交流電壓由電網(wǎng)提供,直流側(cè)需要為脈寬調(diào)制逆變器提供穩(wěn)定的直流電壓,因此控制目標(biāo)為直流電壓。根據(jù)瞬時(shí)功率理論,脈寬調(diào)制整流器的功率為:

(6)

式中:p為瞬時(shí)有功功率;q為瞬時(shí)無(wú)功功率。

在坐標(biāo)變換中,脈寬調(diào)制整流器是基于電網(wǎng)電壓定向的,因此Uq為零。在不考慮脈寬調(diào)制逆變器損耗的情況下,根據(jù)功率守恒可知,直流側(cè)瞬時(shí)功率與脈寬調(diào)制逆變器瞬時(shí)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(wǎng)電壓一般都保持固定,因此直流電壓Ud是一個(gè)固定值。根據(jù)式(7)可知,通過(guò)控制直流電流iLd就可以控制直流電壓。使直流電壓反饋經(jīng)過(guò)一個(gè)比例積分控制器,可以實(shí)現(xiàn)直流電壓的無(wú)靜差控制,直流電壓外環(huán)比例積分控制器的輸出即為有功電流內(nèi)環(huán)的電流參考值。

4.3 脈寬調(diào)制逆變器電壓外環(huán)

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(huán)比例積分控制器比例因子;Kvi為電壓環(huán)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(huán)的輸入為電容電壓反饋,通過(guò)一個(gè)比例積分控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電容電壓的無(wú)靜差控制,電壓外環(huán)的輸出為電流內(nèi)環(huán)的參考值。由式(4)和式(8)可以得到脈寬調(diào)制逆變器電壓外環(huán)解耦控制框圖,如圖3所示,其中Gi(s)為電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)。

圖3 電壓外環(huán)解耦控制框圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建一套50 kW試驗(yàn)電源平臺(tái),脈寬調(diào)制整流器交流側(cè)與電網(wǎng)連接,脈寬調(diào)制逆變器直流側(cè)與脈寬調(diào)制整流器直流側(cè)連接,脈寬調(diào)制逆變器交流輸出端接可調(diào)速電機(jī),提供電壓支撐?？烧{(diào)速電機(jī)啟動(dòng)后阻抗是非線性的。人機(jī)接口通過(guò)RS 485總線與脈寬調(diào)制整流器和脈寬調(diào)制逆變器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,包括控制指令的下發(fā)和狀態(tài)量的回傳。脈寬調(diào)制整流器和脈寬調(diào)制逆變器的控制策略均在數(shù)字信號(hào)處理器中實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)處理器采用TMS320F28335芯片,采樣電路測(cè)量電壓和電流后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),送入數(shù)字信號(hào)處理器供電壓電流閉環(huán)控制使用。數(shù)字信號(hào)處理器將計(jì)算得到的調(diào)制波傳輸至現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列進(jìn)行脈寬調(diào)制,得到脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制絕緣柵雙極晶體管的通斷,實(shí)現(xiàn)整流和逆變功能。人機(jī)接口下發(fā)開(kāi)機(jī)指令后,脈寬調(diào)制整流器啟動(dòng)可控整流,將直流母線電壓維持在800 V。脈寬調(diào)制逆變器檢測(cè)到直流電壓為800 V后啟動(dòng),按照人機(jī)接口預(yù)先下發(fā)的指令電壓進(jìn)行逆變,使交流輸出電壓維持在穩(wěn)定值,為負(fù)載供電。

5.2 驗(yàn)證結(jié)果

試驗(yàn)電源不帶負(fù)載時(shí),按照設(shè)定的電壓指令輸出電壓,試驗(yàn)波形如圖4所示。可以看出直流電壓穩(wěn)定在800 V左右,試驗(yàn)電源輸出電壓按照預(yù)設(shè)的電壓指令進(jìn)行調(diào)整,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖4 試驗(yàn)電源不帶負(fù)載試驗(yàn)

試驗(yàn)電源帶非線性負(fù)載時(shí)試驗(yàn)波形如圖5所示?？梢钥闯鼋涣麟娏髦泻写罅恐C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(wěn)定,說(shuō)明試驗(yàn)電源帶非線性負(fù)載能力強(qiáng),受負(fù)載類型影響較小。

圖5 試驗(yàn)電源帶非線性負(fù)載試驗(yàn)波形

負(fù)載突變時(shí)試驗(yàn)波形如圖6所示?？梢钥闯鼋涣麟娏鞅憩F(xiàn)出負(fù)載突加和突減,負(fù)載突加和突減時(shí)輸出電壓與直流電壓稍有波動(dòng),但是很快恢復(fù)到指令值,說(shuō)明試驗(yàn)電源響應(yīng)速度快,穩(wěn)定性好。

圖6 負(fù)載突變時(shí)試驗(yàn)波形

試驗(yàn)電源帶非線性負(fù)載時(shí),輸入電流與輸出電壓波形如圖7所示。可以看出試驗(yàn)電源帶非線性負(fù)載時(shí),輸入電流能夠保持較好的正弦度,說(shuō)明試驗(yàn)電源在將電網(wǎng)能量傳遞至非線性負(fù)載時(shí),不會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量,避免非線性負(fù)載直接接入電網(wǎng)造成諧波污染。

圖7 試驗(yàn)電源帶非線性負(fù)載輸入電流與輸出電壓波形

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一套適用于非線性負(fù)載的試驗(yàn)電源,由脈寬調(diào)制整流器和脈寬調(diào)制逆變器組成。脈寬調(diào)制整流器通過(guò)可控整流為脈寬調(diào)制逆變器提供穩(wěn)定的直流電壓,脈寬調(diào)制逆變器將直流電壓變換為設(shè)定的交流電壓提供給負(fù)載。

通過(guò)對(duì)電流環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì),使脈寬調(diào)制整流器和脈寬調(diào)制逆變器響應(yīng)速度快。通過(guò)對(duì)電壓外環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì),使脈寬調(diào)制整流器和脈寬調(diào)制逆變器能夠?qū)刂颇繕?biāo)進(jìn)行無(wú)靜差跟蹤。

試驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)電源能夠按照給定設(shè)置對(duì)電壓進(jìn)行輸出,對(duì)非線性負(fù)載有很好的適應(yīng)性,而且響應(yīng)速度快,穩(wěn)定性好,可以避免非線性負(fù)載對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。