变频器测试用模拟电子负载设计研究及仿真验证

吴跨宇，蔡慧，卢岑岑，阎晗

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2.中国计量学院机电工程学院，杭州310018）

发电技术

变频器测试用模拟电子负载设计研究及仿真验证

吴跨宇1，蔡慧2，卢岑岑1，阎晗2

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2.中国计量学院机电工程学院，杭州310018）

为了进行变频器高低电压穿越能力等相关测试，在简单阐述一种基于电力电子全控器件、用于模拟负载电动机特性的变频器电子负载设计方法及控制策略的基础上，通过理论分析给出了最低输出频率和后置变压器变比之间的关系，通过仿真验证了该电子负载在不小于最低输出频率的情况下，能够实现在变频器变频时保持输出电流基本不变的特性。对高、低电压穿越过程中的变频器模拟负载适用性进行了研究，针对低压穿越问题给出了一种合理的有功电流给定策略，通过仿真验证了电子负载能满足高低压穿越测试的负载要求。

并网逆变器；变频器；电子负载；电压穿越

0 引言

随着生产工艺的需要和节能环保观念的不断加强，交流变频器在火力发电厂汽轮发电机组的辅机上得到了大量的应用。在实验室中对变频器进行各种试验时，从经济和节能的角度考虑，往往不可能让变频器直接带上真正的负载，于是便出现了变频器负载模拟试验系统的概念[1]。所谓变频器负载模拟试验系统，是指在实验条件下构造与真实环境相同的半实物仿真系统。负载模拟系统对变频器的测试而言，具有节约研发成本、缩短研发周期、减少实验次数、提高工作效率等优点[2]。

为检验变频器及其附加电压支撑装置后的高、低压穿越能力等运行性能是否符合相关规范要求，需要开展相应的特性测试。在此背景下，设计了一种以并网逆变器为核心部件的变频器测试用电子负载模拟系统，该电子负载可以提供可调的工作电流来模拟电动机及其机械负载的特性，可以连续加载且易于控制，具有较好的实用性。本文对其适用性进行了验证，尤其是对适用于变频器高低电压穿越能力测试要求的关键技术问题进行了仿真验证。

1 电子负载设计

1.1 基于并网逆变器的电子负载

设计的基于并网逆变器的变频器电子负载，如图1所示。该电子负载的主电路结构依次是前置变压器、不控整流器、中间直流电容、逆变器、滤波器和后置变压器。其中2个变压器具有隔离功能，变频器、逆变器、电网三者之间的隔离使系统的安全性得到提高并简化了设计。图1中三相并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相，以实现功率因数为1。核心部件是三相并网逆变器，因此可称之为变频器的并网逆变器负载[3－4]。

图1 变频器电子负载结构

由于电力电子装置的时间常数小，响应速度快，所以并网逆变器负载能快速模拟变频器的负载特性。另外，并网逆变器负载也很容易提高功率等级，满足大功率变频器的测试要求。

1.2 门槛电压

如图1所示，一般三相并网逆变器由全桥IGBT电路构成，输出接滤波器，通过隔离变压器并网[5]。

如果并网逆变器要输出确定数值的线电压，要求其输入直流电压需大于某个门槛值UdT，否则逆变器无法向电网输出期望功率。

考虑功率器件的损耗和电感的压降（输出功率越大，电感上的压降越大），可取门槛电压

UT2l是后置变压器的二次侧线电压，k一般大于1。例如k=1.15，UT2l=380 V时，UdT≈618 V。

一般变频器输出线电压最大值Usm=380 V，经不控整流以后，直流电容C2两端最大电压为Udm≈510 V，这显然小于使逆变器输出380 V线电压的输入门槛电压UdT。为此有2种解决方法：一是前置变压器升压，升高变频器的输出电压，这要提高后续器件的耐压要求；二是后置变压器降压，降低并网逆变器的输出电压。显然，第二种方法比较合理。

取前置变压器的变比KT1=1。设后置变压器的变比为KT2，电网线电压是Us=380 V，则有：

因此C2电压允许的变化范围：

由于变频器输出电压与C2电压的关系成正比，与频率设定指令基本上成正比，所以频率的变化范围：

因此可以得到最小给定频率：

以上分析结果表明，变频器频率在fmin和fN之间变化时，并网逆变器调制系数m＜1，能输出期望功率。

如果取fmin=30 Hz，那么由式（6）可算得KT2≈0.5，此时UT2l=190 V，UdT≈310 V。在式（6）其它参数不变的情况下，fmin和KT2成正比。这种设计可降低并网逆变器的电压承受能力，节省成本。

2 并网逆变器的控制策略

并网逆变器有不同的控制策略，如直接功率控制、预测控制等[6]。图2给出了一种三相并网逆变器的控制策略，采用两相旋转坐标系中基于PI调节器的电流单闭环控制策略。可直接设置有功电流和无功电流并分别采用PI调节，为使功率因数为1，一般无功电流给定设为0。将通过电流PI调节器，最后得到Vd和Vq信号，经dq－abc反坐标变换。这样的目的是使外部的输入信号与内部的振荡信号同步，准确地控制逆变器[7]。

图2 三相逆变器的控制策略

在变频器接实际电动机拖动恒转矩负载的情况下，变频时电压和频率基本同比例变化（不考虑低频情况），电动机转矩不变，电动机的功率：

式中：Te为转矩；ω1为电源频率；np为电动机极对数。

功率也与频率同比例变化，当模拟电子负载设定为恒转矩的情况下，其核心部件并网逆变器的输出功率：

逆变器输出电压为Uinv，电流为Iinv；Uinv=UT2l是不变的，cosφ=1。假设实际电流Iinv能很快跟随有功电流的变化，则有：

对比变频器分别拖动异步电动机和电子负载，可知变频时电子负载的这种控制策略能够模拟实际电动机的功率变化。变频器的输出功率即并网逆变器负载的输入功率，输入功率和输出功率保持准同步变化，能够维持变频时变频器的输出电流基本不变。

3 仿真验证

3.1 恒转矩负载仿真

仿真验证电子负载能否模拟实际电动机。仿真中取电网线电压380 V，并网逆变器C2=12 000 μF。变频器上电限流电路Rst1=5 Ω，Tr1=0.2 s；逆变器上电限流电路Rst2=12.5 Ω，Tr2=0.35 s。LC滤波器电感500 μH，电容30 μF，电容串联1 Ω电阻。并网逆变器功率50 kW，输出电压即UT2l=190 V。后置变压器0.5；PI调节器1参数：KP1=0.5，KI1=2，PI调节器2参数：KP2=0.01，KI2=3。

变频器频率从50 Hz变化到30 Hz时仿真结果如图3所示，逆变器的电流随频率变化而变小；变频器的电流（幅值）在变频结束后维持不变，和稳态值相比略有减少，中间过渡过程变化较大。图4是采用实际电动机（功率等级和逆变器负载不同）拖动负载的仿真，对比两图可以发现，两图的变化趋势一致，证明采用上文的控制策略是正确的。

图3 变频器接电子负载变频时的波形

图4 变频器接电动机变频时的波形

对频率在基频以上变化的情况也分别进行了2种负载的仿真对比，同样证明了上文结论的正确性。

在负载波动而不需要变频的情况下，直接输入相应的波动给定信号给即可；如果需要过载过流信号，也直接通过设置。对这些情况也进行了仿真验证，结果证明是可行的。

3.2 减转矩负载仿真

除了以上提到的恒转矩负载，风机与泵类二次方减转矩负载也是比较常见的，这类负载具有良好的节能效果。其转矩TL与转速N成二次方的关系，即TL∝N2；功率P与转速N成三次方关系即P∝N3。

由N=60 f/p，可得功率P与频率的关系：

假设变频器输出至电子负载过程中功率损耗为0，则有：

因此，取82kf3作为的给定信号，取k= 1/（82×503），转速在2 s时由1 500 r/min变为900 r/min，即：频率由50 Hz变为30 Hz，仿真波形如图5所示。

图5 变频器拖动减转矩电子负载时的仿真波形

从图5可见，逆变器电流与变频器频率保持同样的下降趋势，数值上始终保持关系，即TL∝N2，说明电子负载可以模拟风机、泵类减转矩负载。

4 变频器高低压穿越时并网逆变器的运行研究

4.1 变频器高低压穿越测试要求

为了保障电网故障和厂用电内部故障时一类辅机变频器的持续在线稳定运行能力，提升发电机组及所在电网安全稳定水平，对发电厂的一类辅机变频器高、低电压运行能力提出了要求。

相应开展的检测测试工作也主要围绕变频器在高低电压下的运行特性开展，变频器的电子负载在变频器高低电压2种特殊运行工况下应能稳定运行，并提供相应的可控模拟负载能力。限于篇幅，此处只以恒转矩负载为例，讨论电子负载在变频器高低压穿越情况下的运行情况。

4.2 变频器高压运行

在模拟变频器高压故障的仿真时，设置变频器功率为50 kW，频率保持50 Hz，输入电压在2 s时突升1.3倍。当其拖动恒转矩异步电动机时，仿真波形如图6所示，由于输出转矩不变，直流母线电压随输入电压的升高而升高，鉴于变频器自身具有调节能力，其电流输出基本不变。同理，用本文设计的电子负载代替电动机进行仿真，波形如图7所示，拖动电子负载的变频器输出电流基本恒定，总功率变化不大，直流母线电压变化趋势与电动机作为负载时的变化趋势一致，说明电子负载可以满足变频器电压突然增大的测试要求。

图6 变频器拖动电动机高压运行时的仿真波形

图7 变频器拖动电子负载高压运行时的仿真波形

显然，随着电压升高，变频器调节能力有限性将导致输出电压也随之升高，这时负载将处于过压运行状态，实际电子负载设计时需要考虑负载功率器件的耐压问题，此外，电子负载的输出电流是根据测试负载大小设定的，若突然电压升高，而给定的输出转矩不变，将导致电子负载直流母线上的电压也升高，若超过规定值则需要进行卸荷处理[8]。

4.3 变频器低压运行

为模拟变频器的低压运行情况，令变频器的输入电压在2 s时突降为原电压的0.6倍。当变频器拖动电动机时，仿真波形如图8所示，对于电压突然降低的变频器系统，电压越低，磁通减小，变频器输出电流将越大[9]。

图8 变频器拖动电动机低压运行时的仿真波形

现用电子负载代替电动机进行仿真，波形如图9所示，变频器直流母线电压随输入电压减小而减小，同时，输出功率不变，电流随之增大。但是，此电流只是从功率角度考虑，并没有模拟出由于磁通减小引起定子电流增大的那部分电流。为解决这个问题，给出一种新的有功电流给定策略：根据电动机低压穿越时，磁通减小引起输出电流增大的特性，将变频器的输出电压取反比再标幺化处理，作为电子负载的参考电流。通过这样的控制方式进行仿真，波形如图10所示，随着电压减小，变频器和逆变器的电流均成倍增大，符合变频器测试要求。

图9 变频器拖动电子负载低压运行时的仿真波形（a）

图10 变频器拖动电子负载低压运行时的仿真波形（b）

同理，在稳态穿越区时，让变频器输入电压突降至0.9倍额定电压，电子负载也能代替电动机，达到预期效果。在实际的电子负载设计时，由于低压穿越电流成倍增长，电子负载的器件流过最大电流要求要与变频器测试相对应。

4.4 变频器电压短时骤降运行

令变频器的输入电压在2 s时突降为原电压的0.2倍，持续0.5 s再恢复原值，模拟变频器暂态穿越情况。在电压突降期间同样将变频器的输出电压标幺化后处理，作为电子负载的参考电流；突降结束后，参考电流恢复为原来的设定值。比较变频器分别接电动机和电子负载的仿真波形，如图11、图12所示。可知，2种情况下直流母线电压都会降低到原来的20%左右。当变频器检测到母线电压值低于某个阈值后，变频器就会因母线欠压故障自动保护停机。变频器低压穿越测试的主要目的是检测在电压穿越过程中，变频器是否会保护停机，对于这个要求，电子负载和电动机情形基本一致。

图11 变频器拖动电动机电压骤降时的仿真波形

图12 变频器拖动电子负载电压骤降时的仿真波形

在输入电压恢复为额定值后，两者都有冲击电流的产生，虽然电子负载产生冲击电流的时间略滞后，但两者对变频器运行影响相同。

综上，设计的变频器电子负载可以模拟电动机负载，有效运用于变频器高低压穿越等各种工况测试中。同时，能够承载变频器在高低压穿越时带来的影响，在实现基本功能的同时保护自身安全。

5 结论

针对以并网逆变器为核心的变频器测试用电子负载方案，分析了并网逆变器负载的门槛电压问题，在一定频率变化范围内可以模拟不同类型的负载特性。并网逆变器负载采用两相旋转坐标系中基于PI调节器的电流单闭环控制策略，通过大量仿真验证了电子负载的可行性，具备模拟电动机负载的能力。针对低压穿越问题，为使电子负载更加接近实际电动机的效果，给出了一种合理的有功电流给定策略。

相比传统变频器测试装置，并网逆变器负载能有效地将变频器测试的剩余能量回馈给电网，具有控制灵活、设备简单、成本较低等诸多优点，适用于变频器各种运行特性的测试。

[1]马志伟.基于直驱电机的电动负载模拟系统研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[2]王斌.变频器模拟负载试验系统的设计[J].变频器世界，2013（1）∶101－102.

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（本文编辑：杨勇）

参考文献的作用

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编辑部摘编

Design and Simulation Verification of Electronic Analog Load for Frequency Converter Test System

WU Kuayu1，CAI Hui2，LU Cencen1，YAN Han2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

In order for tests such as high and low voltage ride through capabilities of frequency converter,the paper elaborates on a design method and control strategy of electronic analog load for frequency converter used for simulating load motor characteristics based on full control type power electronic device.By theoretical analysis，the paper presents the relationship between minimum output power and transformation ratio of rear transformer；through simulation,it demonstrates that the output current almost keeps unchanged during frequency conversion with the electronic load not lower than the minimum output power.The paper conducts applicability research of analog load for frequency converter during high and low voltage ride through，according to which it presents a reasonable given strategy of active current.It is demonstrated through simulation that electronic load can meet the load requirement of low voltage ride through test.

grid-connected inverter；frequency converter；electronic load；voltage ride through

TM344.6

：A

：1007-1881（2016）04-0035-06

2016-01-08

吴跨宇（1979），男，高级工程师，从事发电机励磁、网源协调和电力系统分析工作。