基于物理模型的直流用電網(wǎng)電流負(fù)載模擬方法

王德璋

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830021）

對(duì)直流電網(wǎng)進(jìn)行更深入的研究，需要一個(gè)綜合負(fù)載，這使得對(duì)直流電網(wǎng)的測(cè)試更加方便和精確[1]。所以，在直流電網(wǎng)的研究中應(yīng)用模擬負(fù)載，不僅可以滿足直流電網(wǎng)的測(cè)試要求，而且可以將測(cè)試需要的能量回饋給直流電網(wǎng)。因此，對(duì)直流電網(wǎng)電流負(fù)載仿真的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值[2]。針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法存在的諸多不足，國內(nèi)外學(xué)者一直在努力研究更好的功率測(cè)試設(shè)備，主要是針對(duì)負(fù)載的柔性調(diào)節(jié)和測(cè)試功率的反饋[3]。為了克服上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，研制了模擬電子負(fù)載的電力電子器件。以往采用傳統(tǒng)的線性負(fù)載模擬法和耗能電流負(fù)載模擬法，用電力電子器件構(gòu)成饋能電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在直流電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中用控制方法模擬電流負(fù)載[4]。在直流電網(wǎng)設(shè)備上建立模擬電子負(fù)載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在測(cè)試過程中，不能通過功率反饋單元將大量的能量反饋給電網(wǎng)，從而消耗大量的能量?；谖锢砟Ｐ?，提出了一種直流電網(wǎng)電流負(fù)載仿真的新方法。所建物理模型能滿足仿真條件，適應(yīng)實(shí)際負(fù)載，達(dá)到精確仿真的目的。

1 直流用電網(wǎng)電流負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

1.1 用工頻變壓器隔離負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

負(fù)載模擬裝置跟隨一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，控制輸入電流，進(jìn)行負(fù)載模擬，并提供相應(yīng)的母線電壓供后續(xù)階段使用[5]。后級(jí)采用全橋逆變器，使前級(jí)輸出電流變?yōu)檎医涣麟?，為防止直流并網(wǎng)時(shí)其他電流元件進(jìn)入并網(wǎng)對(duì)周圍設(shè)備產(chǎn)生干擾，變頻器與電網(wǎng)隔離[6]。

1.2 隔離負(fù)載拓?fù)渑c高頻轉(zhuǎn)換器

因?yàn)楦哳l變壓器能在高頻率條件下工作，所以在相同功率下，高頻變壓器比工頻變壓器體積小得多[7]。采用直流/直流高頻變流器實(shí)現(xiàn)直流電子負(fù)載仿真功能，并通過全橋并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量反饋和交流并網(wǎng)。用高頻DC/DC 變換器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行隔離，消除了工頻變壓器，極大地縮小了大功率電子負(fù)載設(shè)備的體積[8]。

1.3 負(fù)載拓?fù)浜拓?fù)載模擬轉(zhuǎn)換器

前級(jí)采用移相全橋DC/DC 變換器作為模擬電子負(fù)載轉(zhuǎn)換器，后級(jí)采用單相全橋DC/AC 變換器作為直流并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器[9]。

2 基于物理模型的負(fù)載模擬控制方法研究

負(fù)載模擬部分的控制系統(tǒng)主要通過控制被測(cè)直流用電網(wǎng)的輸出電流和輸出電壓來精確顯示需要測(cè)試的各種負(fù)載特性，為了解決這一控制難題，研究了在負(fù)載模擬部分生成命令值的方法，以及跟蹤命令值控制策略的動(dòng)態(tài)性能和精度。

2.1 參考值生成

用模擬負(fù)荷代替直流電網(wǎng)所需的負(fù)載，要對(duì)直流電網(wǎng)進(jìn)行精確的測(cè)試，就必須對(duì)負(fù)載進(jìn)行高精度的仿真，在這些參數(shù)中，模擬負(fù)載參考值的生成方法至關(guān)重要[10]。不但要準(zhǔn)確地產(chǎn)生模擬負(fù)載的參考值，而且要保證整個(gè)直流網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性。采用數(shù)值計(jì)算的參考值生成法生成直流電網(wǎng)電流負(fù)載的參考值，不僅滿足參考值生成的精度，而且具有良好的動(dòng)態(tài)特性，而且原理簡單[11]。

三相全橋電壓型PWM 負(fù)載模擬變換器可設(shè)計(jì)其中一相的控制結(jié)構(gòu)，其他階段的控制結(jié)構(gòu)與之相同，圖1 顯示了其中一個(gè)階段的控制結(jié)構(gòu)。

圖1 負(fù)載模擬變換器控制框圖

在測(cè)試系統(tǒng)中，由于輸出電流的幅值和相位僅取決于模擬負(fù)載特性參數(shù)，而與其他參數(shù)無關(guān)，所以采用了單電流環(huán)控制策略。

在測(cè)試系統(tǒng)中產(chǎn)生輸出電流的方法是根據(jù)模擬負(fù)載的特性而改變的[12]。在對(duì)線性負(fù)載特性進(jìn)行模擬時(shí)，采用數(shù)值計(jì)算方法產(chǎn)生參考值，系統(tǒng)輸出電流可表示為：

式（1）中，A表示振幅；t表示周期；ω表示函數(shù)在Y軸方向上的壓縮程度；θ表示初相位[13]。

將輸出電壓作為基準(zhǔn)向量，計(jì)算各相所需的模擬負(fù)載阻抗：

式（2）中，R表示電阻；j表示電阻率；L表示線圈；C表示電容。

由此可推導(dǎo)出電流參考值振幅和相位計(jì)算公式：

式（3）中，Umax表示最大輸出電壓值。對(duì)逆變器輸出電流參考值生成過程進(jìn)行非線性負(fù)載特性仿真，利用物理模型進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，或者用傅里葉分析方法得到所需的波形，得到每個(gè)子波形的參數(shù)，然后將其疊加，得到參考值[14-16]。圖2 中顯示了基于該物理模型的直流電網(wǎng)電流負(fù)載電路。

圖2 直流用電網(wǎng)電流負(fù)載電路

為方便研究，參考非線性負(fù)載模擬模型，直接生成非線性負(fù)載命令信號(hào)。

2.2 電流電壓波動(dòng)影響直流用電網(wǎng)質(zhì)量原因

中間直流電壓控制方法采用一臺(tái)電壓調(diào)節(jié)器，以保證輸入電流與輸出電流在中間直流環(huán)節(jié)中相等，達(dá)到有功功率平衡，維持直流側(cè)電壓均值不變。在模擬非線性負(fù)載時(shí)，采用調(diào)壓方法可保證有功功率平衡和直流側(cè)電壓恒定，但由于前、后兩級(jí)有功功率平衡系統(tǒng)饋線電流失真，因此不能滿足電網(wǎng)連接的質(zhì)量要求。在模擬負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行下，通過調(diào)壓器，中間直流鏈路電壓保持恒定均值，但不能消除兩電容電壓VC1 和VC2 的波動(dòng)。要抑制中間直流鏈路的電壓穩(wěn)定性對(duì)饋線網(wǎng)電流的影響是不可能的。電容器的電壓波動(dòng)可通過增加直流側(cè)電容和增加濾波器來抑制，但不能完全消除直流側(cè)電壓波動(dòng)的影響。這就需要改進(jìn)整個(gè)雙閉環(huán)控制，使變換器對(duì)直流中間電壓波動(dòng)不敏感，并能正常工作，保證電流質(zhì)量。

直流側(cè)電壓V1與變換器橋路增益k的關(guān)系式為：

式（4）中，V2表示三角載波峰值，在變換器調(diào)制過程中，可將變換器視為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，從中可看出電壓波動(dòng)變化。

2.3 直流用電網(wǎng)電流負(fù)載模擬結(jié)構(gòu)

相對(duì)于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)整體拓?fù)鋵?duì)負(fù)載模擬轉(zhuǎn)換器有更好的控制靈活性，便于模擬不平衡負(fù)載，采用較低的中間直流電壓，有效地降低了開關(guān)管的成本。為避免電饋模擬負(fù)載直接連接配電網(wǎng)絡(luò)與直流電網(wǎng)，給設(shè)備和人員帶來安全隱患，在輸入輸出端增設(shè)了變壓器隔離。圖3 顯示了直流電網(wǎng)電流負(fù)載模擬結(jié)構(gòu)。

圖3 直流用電網(wǎng)電流負(fù)載模擬結(jié)構(gòu)

DC 網(wǎng)電流負(fù)載是專用于測(cè)試通訊電源、蓄電池等直流電源的DC 網(wǎng)電流負(fù)載。一般情況下，直流電網(wǎng)電流負(fù)載直接采用逆變方式將直流電源的電能回饋給直流電網(wǎng)電流負(fù)載仿真。其等壓波形變化也會(huì)產(chǎn)生不同形式的電流。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于物理模型的直流用電網(wǎng)電流負(fù)載模擬方法的合理性，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)

電路各個(gè)部分參數(shù)如表1 所示。

表1 電路各個(gè)部分參數(shù)

3.2 模擬負(fù)載仿真

在進(jìn)行模擬負(fù)載仿真時(shí)，負(fù)載特性的電壓、電流仿真波形如圖4 所示。

圖4 負(fù)載特性的電壓、電流仿真波形

在0～0.45 s 內(nèi)，模擬電路中只存在純電阻負(fù)載情況，設(shè)定電阻值為30 Ω。電流值在時(shí)間為0.025 s、0.125 s、0.225 s 時(shí)，電流波形達(dá)到峰值狀態(tài)，最高為9 A；而電壓分別在時(shí)間為0.025 s、0.125 s、0.225 s、0.325 s、0.425 s 時(shí)，電壓波形達(dá)到峰值狀態(tài)，最高為350 V。從電壓、電流波動(dòng)幅度可看出，基于物理模型的直流用電網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能良好。

直流用電網(wǎng)有功和無功功率輸出結(jié)果如圖5所示。

圖5 直流用電網(wǎng)有功和無功功率輸出結(jié)果

從波形圖中可看出，在時(shí)間為0.15～0.30 s 內(nèi)發(fā)生突變，出現(xiàn)誤差毛刺，但其余時(shí)間誤差均在允許范圍內(nèi)，這也體現(xiàn)了基于物理模型直流用電網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能良好。

基于此，分別使用傳統(tǒng)的帶線性負(fù)載模擬方法和耗能型電流負(fù)載模擬方法和基于物理模型模擬方法，研究在時(shí)間為0.15～0.30 s 內(nèi)直流用電網(wǎng)有功和無功功率輸出結(jié)果，如表2 所示。

表2 不同方法下直流用電網(wǎng)有功和無功功率輸出結(jié)果對(duì)比分析

由表2 可知，基于物理模型模擬方法與實(shí)際負(fù)載特性的電壓、電流仿真結(jié)果基本一致，而其余兩種方法與實(shí)際情況相差較大。由此可知，基于物理模型模擬方法模擬效果較好。

4 結(jié)束語

對(duì)基于物理模型的直流電網(wǎng)電流負(fù)載仿真方法進(jìn)行了研究，它既能對(duì)各種負(fù)載特性進(jìn)行仿真，又能滿足直流電網(wǎng)的試驗(yàn)要求，還能對(duì)直流電網(wǎng)進(jìn)行電流負(fù)載仿真，實(shí)驗(yàn)所需能量可回饋至直流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量再生。盡管該方法基本上達(dá)到了預(yù)期的目的，但仍有很多變流器控制理論和控制方法是第一次嘗試，與此同時(shí)，由于大功率逆變器的控制和設(shè)計(jì)缺乏經(jīng)驗(yàn)，不可避免地存在著一些缺陷：模擬負(fù)載的變化和復(fù)雜性決定了電子負(fù)載的控制算法。如馬達(dá)負(fù)載、焊機(jī)負(fù)載等，這類負(fù)載的運(yùn)行往往十分復(fù)雜，難以找出運(yùn)行規(guī)律，所以，通過計(jì)算電流值來提高跟蹤能力是非常困難的。對(duì)復(fù)雜負(fù)載情況下指令電流的計(jì)算與跟蹤是今后的研究方向，為簡化電子負(fù)載系統(tǒng)，可提供豐富多樣的人機(jī)界面，方便操作者使用。