一种测试直流断路器短路瞬动保护特性的脉冲电源

唐 旗

（温州大学 苍南研究院，浙江 苍南 325800）

0 引 言

近年来，直流系统受到了广泛重视，得到了广泛应用。与交流系统相比，直流系统具有输电线路建设费用低、功率调节简单、不存在稳定性问题等优势。目前，中国直流输电技术电压等级最高、规模最大。2016年，中国国家电网与中国南方电网分别在世界500强中名列第2位和第95位，分别建成“八交八直”和“八交九直”（特）高压交直流输电骨干网，妥善解决了我国“源荷割离”的难题。直流断路器作为直流系统中起控制和保护作用的开关电器，其性能对直流系统的安全可靠运行至关重要。因此，测试直流断路器的保护特性，对防止直流系统出现故障、事故扩大、保证直流系统的稳定运行具有重要意义[1]。

目前，国内外的直流断路器保护特性测试装置大多采用电源+负载系统或交流电源整流成直流系统的方式。前者由于外加负载系统，体积庞大、质量大、操作繁琐，不利于移动测试；后者输出电流不稳定、难控制，且电流纹波大[2]，且由于存在输出整流管，造成整流和滤波困难，大电流下整流二极管的功耗过大。

本文提出了一种无输出整流二极管的脉冲电源作为直流断路器短路瞬动保护特性的测试电源。该电源可以提供恒定连续可调大电流，持续时间200 ms。

1 无输出整流二极管的脉冲电源

脉冲电源是按照一定时间反复通断得到脉冲形状输出的电源。实现脉冲电源常用的有3种方法：一是利用储能元件，二是采用逆变的原理将直流电直接变成脉冲，三是采用直流斩波原理得到脉冲[3-7]。本文采用直流斩波的原理实现脉冲电源。

本文提出一种无输出整流二极管的脉冲电源，并将其应用在直流断路器短路瞬动保护特性测试装置中，电路结构如图1所示。其中，V、Q1、D1、L1、C1构成Buck拓扑的初级电源，初级电源主要是为脉冲电源提供能源。MC1为直流升流器，Rload为负载，即直流断路器。工作过程为：使用PWM波控制初级电源的开关管Q1导通与关断得到输出电压，从而在L3上得到一个变化的电压，在直流升流器MC1上形成一个变化的磁场，通过磁场耦合到L4上产生感应电压；由于L4与负载Rload相连，且L4与负载Rload组成的回路阻抗极小，负载Rload上会产生一个低电压、大电流；合理控制初级电源输出电压的变化，可以使L4上得到的感应电流为指定的恒定电流值。由D2、L2磁复位绕组完成续流与磁复位，将能量回馈到电源端，等待下一次的控制信号与测试。

本文提出的无输出整流二极管的测试电源在负载端不需要输出整流二极管与滤波电容，因此不需要考虑输出整流二极管在大电流下的功耗问题，不需要使用电解电容滤波，极大地延长了测试电源的使用寿命，易通过扩展输出更大的电流，拥有电路简单、电源体积小、易于控制以及工作可靠等优点。

2 直流升流器磁特性测量

直流升流器的实质是变压器，利用直流励磁在变压器绕组上得到感应电压加载在负载上实现电流变换。

图1 无输出整流二极管的脉冲电源

使用长沙天恒测控技术有限公司的软磁直流测试系统TD8220测量样品。测试原理为使用扫描法测量样品的磁滞回线，即先确定若干个测试点，每个测试点先给一个足够大的电流使样品磁场饱和，之后加一个反向电流使之反向饱和，再加一个反向电流使磁场反向饱和，最后电流慢慢降为零，记录中间的值。加电流时，电流从零慢慢加到足够大后慢慢归零，之后慢慢加反向电流至最大后归零。注意每次测试前都要进行退磁处理，消除环状样品中的剩磁，保证磁感应强度是从零开始测量的，分别测量不同磁场强度下得到的磁滞回线。记录各磁滞回线的顶点的B、H值得到表1，则基本磁化曲线如图2所示。

表1 磁滞回线的顶点B、H值

图2 基本磁化曲线

3 动态矩阵控制算法

由于测试电源的工作时间仅为0.2 s，如果采用普通的基于偏差的控制算法，存在的主要问题是需要系统出现偏差时才进行控制，说明控制是滞后的、不及时的。此外，考虑到测试电源的工作时间、直流断路器短路瞬动保护特性测试的特点以及直流升流器的磁特性，系统应在最短的时间内达到稳定输出[8-11]。因此，采用预测控制，通过预测系统未来的输出得到未来的一系列控制量，提前控制系统可能出现的偏差。

采用预测控制中的动态矩阵控制算法（Dynamic Matrix Control）。DMC算法是一种基于被控对象阶跃响应的预测控制算法，通过反馈校正和滚动优化当前和未来时刻的控制量，使得输出响应符合预先设定的轨迹[12-14]。PI控制算法按偏差的比例、积分进行控制，拥有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点[15-17]，最终将PI控制的结果与DMC算法得到的仿真结果进行比较。

3.1 预测模型

预测模型的功能是根据对象历史信息和未来输入对输出进行预测。在k时刻，假定控制作用保持不变，对未来N个时刻的输出有初始预测y0(k+1)，…，y0(k+N)，那么在控制增加量Δu(k)作用后，系统的输出预测值为：

其中，a=[a1a2…aN]T是系统动态系数向量，也就是单位阶跃响应向量。同样的，在M个控制增量序列Δu(k)，Δu(k+1)，…，Δu(k+M-1)作用下，系统未来P个时刻的预测模型输出为：

3.2 滚动优化

通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作用。优化目标函数为：

其中，pi和qi为权系数，w(k+i)为期望输出电流值，Δu(k+j-1)为k时刻和未来时刻的M个控制增量，yM(k+i)是未来P个时刻的输出电流值。

3.3 反馈校正

由于现实中存在的非线性、模型失配、环境干扰等，基于不变模型的预测不可能和实际情况完全相符，因此应该采取其他的手段补充模型预测的不足，或者对基础模型进行在线修正[18]。采用对预测误差加权的方式对预测模型进行修正，修正公式为：

其中，h是修正加权系数；e(k+1)为预测误差，由实际输出电流与预测输出电流相比较得到。

4 仿真结果分析

仿真主要流程使用simulink实现，而DMC算法由matlab函数编写并以matlab Fcn模块的形式加入simulink，从而建立如图3所示的仿真原理框图。其中，直流升流器的磁特性曲线使用测量得到的数据带入变压器模型得到。假定负载为直流断路器，电阻为1 mΩ。取初级电源Buck电路的输入电压V=450 V、R=20 Ω、D=0.5，开关频率为f=10 kHz，纹波电压ΔV小于1%，L=1 800 μH、C=220 μF，并使用DMC算法与PID并联结合和单独使用PID的控制算法的结果进行比较分析。

图3 脉冲电源控制系统框图

取单位阶跃响应的采样周期为Ts=0.002，取建模时域N=300，预测时P=250，控制时域M=4、qi=0.01、rj=0.01、h=0.8。使用动态矩阵控制算法与PID并联的方法进行控制仿真，kp=280、ki=3 000、kd=0.5。图4表示在加入不同控制以及不加控制时10 000 A输出电流的结果。不加入控制时，系统在开始时上升速度快，但是过冲很大，且需要经过多次振荡后进入稳定状态，同时在直流升流器进入饱和后，输出电流出现下降。只加入PID控制时，系统的响应速度变慢，且存在过冲，需要较长的时间才能够回到稳定状态。加入DMC-PID控制后，在开始的十几个毫秒波形上升速度较慢，说明系统的快速性不够好，但在稳定后输出电流稳定，经测量其稳态误差在1%之内，系统稳定性较好。

图4 控制效果比较

5 结 论

本文提出了一种无输出整流二极管的脉冲电源作为直流断路器短路瞬动保护特性的测试电源，拥有结构简单、可扩展性高等优点，并分析了无输出整流二极管的脉冲电源的原理。通过测量直流升流器的磁特性与系统的阶跃响应，使用matlab/simulink建立测试电源模型进行仿真计算，结果输出电流的纹波小于1%，说明系统达到了设计要求。