适用于非线性负载的试验电源

陈国栋, 王伟岸, 方彬鹏

上海电气集团股份有限公司 输配电分公司 上海 200042

1 设计背景

在电气设备研发过程中,为了满足国家标准的要求,需要进行相应试验。一些试验需要特殊的电压等级[1-2],而由于电网电压是固定的,因此需要电压可调的电源作为试验电源。背靠背电源由脉宽调制整流器替换常规逆变器前端的二极管不控整流桥变形而来,使电网侧和负载侧具有相同的变流器拓扑结构[3-4]。非线性负载直接接入电网,会给电网注入大量谐波电流,污染电网。通过背靠背电源接入非线性负载,可以大大减少对电网的谐波污染。另一方面,背靠背电源具有功率因数可调功能,支持能量双向流动,相比传统单向电源更加灵活,适用的场合更广泛。笔者设计了一套适用于非线性负载的试验电源,属于背靠背电源,具有带非线性负载和输出电压可调节功能。

2 拓扑结构

适用于非线性负载的试验电源拓扑结构如图1所示。和电网连接的是三相脉宽调制整流器,与负载连接的是三相脉宽调制逆变器,两者之间通过直流侧连接在一起。脉宽调制整流器通过可控整流,为逆变器提供稳定的直流源,实现与电网之间的能量交换。脉宽调制逆变器能够输出频率和电压幅值可调的交流电压,进而为负载提供稳定的电压源。这种拓扑结构可以实现能量从电网到负载的流动,同时还能够保证电网的电能质量不受负载类型的影响。

图1 试验电源拓扑结构

3 建模分析

由于脉宽调制整流器和脉宽调制逆变器拓扑结构一致,因此对其中之一进行建模就能够得到适用于非线性负载的试验电源的数学模型。笔者对脉宽调制逆变器进行数学建模,Lf为逆变器基侧电感,r电感电流的寄生电阻,Cf为滤波电容,Lc为网侧电感,T为功率开关管,Ua、Ub、Uc为桥臂三相电压,Uoa、Uob、Uoc为电容三相电压,iLa、iLb、iLc为电感三相电流,ioa、iob、ioc为逆变器三相输出电流。由基尔霍夫电压定律和电流定律,可以推导出脉宽调制逆变器在三相静止坐标系下的数学模型:

(1)

三相静止坐标系下,系统的状态变量较多,并且都是交流量。根据自动控制理论可知,使用比例积分控制器对交流量进行控制会有一定的静差无法消除[5]。为了减少系统变量,消除静差,将三相静止坐标系下的数学模型变换到两相dq旋转坐标系下,得:

(2)

式中:iLd、iLq分别为电感电流坐标系变换后的d轴分量和q轴分量;Ud、Uq分别为桥臂电压坐标系变换后的d轴分量和q轴分量;Uod、Uoq分别为电网电压坐标系变换后的d轴分量和q轴分量;iod、ioq分别为电网电流坐标系变换后的d轴分量和q轴分量;ω为电网频率。

三相脉宽调制逆变器在两相dq旋转坐标系下的电感电流微分方程为:

(3)

三相脉宽调制逆变器在两相dq旋转坐标系下的电容电压微分方程为:

(4)

4 控制策略

脉宽调制整流器和脉宽调制逆变器均采用电压电流双环控制,内环为电感电流环,可以提高系统的响应速度。脉宽调制外环为直流电压环,控制直流电压跟随给定参考电压。脉宽调制逆变器外环为电容电压环,控制逆变器输出电压为给定电压。

4.1 电流内环

由式(3)可知,经过坐标系变换后,电感电流的d轴分量和q轴分量之间是相互耦合的,这样造成对控制器进行设计有一定难度,因此需要进行解耦控制。Ud、Uq的控制方程为:

(5)

式中:Kip为电流环比例积分控制器比例因子;Kii为电流环比例积分控制器积分因子;iLdref、iLqref分别为d轴和q轴电流参考值。

基于电感电流微分方程和电流环解耦控制方程,可以得到电流内环解耦控制框图,如图2所示。

图2 电流内环解耦控制框图

4.2 脉宽调制整流器电压外环

脉宽调制整流器交流侧与电网连接,交流电压由电网提供,直流侧需要为脉宽调制逆变器提供稳定的直流电压,因此控制目标为直流电压。根据瞬时功率理论,脉宽调制整流器的功率为:

(6)

式中:p为瞬时有功功率;q为瞬时无功功率。

在坐标变换中,脉宽调制整流器是基于电网电压定向的,因此Uq为零。在不考虑脉宽调制逆变器损耗的情况下,根据功率守恒可知,直流侧瞬时功率与脉宽调制逆变器瞬时有功功率相等,由此可得:

Udcidc=3UdiLd/2

(7)

式中:Udc为直流电压;idc为直流电流。

电网电压一般都保持固定,因此直流电压Ud是一个固定值。根据式(7)可知,通过控制直流电流iLd就可以控制直流电压。使直流电压反馈经过一个比例积分控制器,可以实现直流电压的无静差控制,直流电压外环比例积分控制器的输出即为有功电流内环的电流参考值。

4.3 脉宽调制逆变器电压外环

由式(4)可知,电容电压的d轴分量和q轴分量相互耦合,因此采用前馈解耦控制,控制方程为:

(8)

式中:Kvp为电压环比例积分控制器比例因子;Kvi为电压环比例积分控制器积分因子;Uodref、Uoqref分别为d轴和q轴的电压参考值。

电压外环的输入为电容电压反馈,通过一个比例积分控制器实现对电容电压的无静差控制,电压外环的输出为电流内环的参考值。由式(4)和式(8)可以得到脉宽调制逆变器电压外环解耦控制框图,如图3所示,其中Gi(s)为电流环闭环传递函数。

图3 电压外环解耦控制框图

5 试验验证

5.1 试验平台

根据图1所示拓扑结构搭建一套50 kW试验电源平台,脉宽调制整流器交流侧与电网连接,脉宽调制逆变器直流侧与脉宽调制整流器直流侧连接,脉宽调制逆变器交流输出端接可调速电机,提供电压支撑。可调速电机启动后阻抗是非线性的。人机接口通过RS 485总线与脉宽调制整流器和脉宽调制逆变器实现数据交互,包括控制指令的下发和状态量的回传。脉宽调制整流器和脉宽调制逆变器的控制策略均在数字信号处理器中实现。数字信号处理器采用TMS320F28335芯片,采样电路测量电压和电流后通过模数转换芯片转换为数字信号,送入数字信号处理器供电压电流闭环控制使用。数字信号处理器将计算得到的调制波传输至现场可编程门阵列进行脉宽调制,得到脉冲信号。脉冲信号通过驱动电路控制绝缘栅双极晶体管的通断,实现整流和逆变功能。人机接口下发开机指令后,脉宽调制整流器启动可控整流,将直流母线电压维持在800 V。脉宽调制逆变器检测到直流电压为800 V后启动,按照人机接口预先下发的指令电压进行逆变,使交流输出电压维持在稳定值,为负载供电。

5.2 验证结果

试验电源不带负载时,按照设定的电压指令输出电压,试验波形如图4所示。可以看出直流电压稳定在800 V左右,试验电源输出电压按照预设的电压指令进行调整,达到了设计要求。

图4 试验电源不带负载试验

试验电源带非线性负载时试验波形如图5所示。可以看出交流电流中含有大量谐波分量,输出电压能保持较好的正弦度,并且直流电压保持稳定,说明试验电源带非线性负载能力强,受负载类型影响较小。

图5 试验电源带非线性负载试验波形

负载突变时试验波形如图6所示。可以看出交流电流表现出负载突加和突减,负载突加和突减时输出电压与直流电压稍有波动,但是很快恢复到指令值,说明试验电源响应速度快,稳定性好。

图6 负载突变时试验波形

试验电源带非线性负载时,输入电流与输出电压波形如图7所示。可以看出试验电源带非线性负载时,输入电流能够保持较好的正弦度,说明试验电源在将电网能量传递至非线性负载时,不会影响电网的电能质量,避免非线性负载直接接入电网造成谐波污染。

图7 试验电源带非线性负载输入电流与输出电压波形

6 结束语

笔者设计了一套适用于非线性负载的试验电源,由脉宽调制整流器和脉宽调制逆变器组成。脉宽调制整流器通过可控整流为脉宽调制逆变器提供稳定的直流电压,脉宽调制逆变器将直流电压变换为设定的交流电压提供给负载。

通过对电流环进行设计,使脉宽调制整流器和脉宽调制逆变器响应速度快。通过对电压外环进行设计,使脉宽调制整流器和脉宽调制逆变器能够对控制目标进行无静差跟踪。

试验表明,所设计的试验电源能够按照给定设置对电压进行输出,对非线性负载有很好的适应性,而且响应速度快,稳定性好,可以避免非线性负载对电网造成谐波污染。