單相電力電子負(fù)載關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著社會的進(jìn)步,各種電氣化產(chǎn)品的大量應(yīng)用,各種電源設(shè)備廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)、生活中,電源性能的好壞將直接影響到人們的生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量。因此,各種電源設(shè)備在出廠時需要進(jìn)行嚴(yán)格的出廠試驗。傳統(tǒng)的電源考核設(shè)備是由電阻、電感和電容等無源器件組合成的能耗型設(shè)備,不符合當(dāng)今社會的節(jié)能、環(huán)保理念,因此,由電力電子電路組成的綠色節(jié)能試驗系統(tǒng)應(yīng)運而生。
　　本文以電源設(shè)備的檢測標(biāo)準(zhǔn)(GB/T7260.3-2003)和并網(wǎng)要求(GB12325-19

2、90、GB/T14549-1993、GB/T15945-1995)為依據(jù)設(shè)計了一套基于背靠背結(jié)構(gòu)的單相交流電力電子負(fù)載模擬裝置。該裝置前級負(fù)載模擬變換器(Load Simulation Convertor,LSC)模擬各種負(fù)載特性(包括純阻性、阻容、阻感等線性負(fù)載和非線性負(fù)載),后級并網(wǎng)變換器(Grid-connected Convertor,GCC)將被試電源輸出的電能高效、快速地回饋給電網(wǎng),從而達(dá)到綠色節(jié)能的目的。
　　由于背

3、靠背結(jié)構(gòu)的基本組成單元是PWM變換器,本文首先建立了單相PWM變換器的數(shù)學(xué)模型,從單相電力電子負(fù)載(Single-phase Power Electronics Load, SPEL)的整體結(jié)構(gòu)出發(fā),給出了在經(jīng)典PI控制下的SPEL整體控制框圖以及主電路硬件參數(shù)和PI控制參數(shù)的設(shè)計依據(jù),使得系統(tǒng)能夠在各種工況下穩(wěn)定運行。通過仿真實驗分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在模擬非純阻性負(fù)載時無法滿足準(zhǔn)確模擬負(fù)載特性的目標(biāo)和并網(wǎng)要求,因此,本文提出了改進(jìn)方案。前級L

4、SC采用P控制+重復(fù)控制的復(fù)合控制,可無靜差跟蹤給定模擬負(fù)載電流指令靈活模擬各種負(fù)載特性;后級GCC采用電壓外環(huán)PI控制、電流內(nèi)環(huán)準(zhǔn)PR(比例+諧振)控制的雙環(huán)控制策略,實現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定和并網(wǎng)電流高功率因數(shù)回饋電網(wǎng)。
　　要實現(xiàn)LSC靈活準(zhǔn)確模擬負(fù)載特性的目標(biāo),涉及到兩個關(guān)鍵技術(shù):負(fù)載模擬電流指令的生成方法和負(fù)載模擬電流指令的無靜差跟蹤精確實現(xiàn)方法。負(fù)載模擬電流指令分為線性電流指令和非線性電流指令。線性電流指令的給定主要采用

5、恒流模式和恒阻抗模式,通過對比分析兩種模式的優(yōu)缺點后,提出一種改進(jìn)的恒阻抗負(fù)載電流指令生成方法;非線性負(fù)載電流指令的獲取討論了四種可行方法,并給出了數(shù)字化波形實現(xiàn)方法。由于單P控制器的帶寬有限,LSC側(cè)在模擬非線性負(fù)載時,穩(wěn)態(tài)輸出中高頻段存在幅值上的衰減和相位上的滯后,單P控制無法同時滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和無靜差跟蹤需要,為了提高LSC模擬側(cè)輸入電流的穩(wěn)態(tài)精度,達(dá)到系統(tǒng)在較高帶寬內(nèi)實現(xiàn)“零增益、零相移”的目的,特引入 P控制+重復(fù)控制的復(fù)合控

6、制策略,研究了串、并聯(lián)復(fù)合控制的特性和實現(xiàn)方法,詳細(xì)給出了復(fù)合控制的設(shè)計要領(lǐng)。仿真和實驗證明,復(fù)合控制相比單P控制,不僅拓寬了系統(tǒng)帶寬,還在帶寬內(nèi)實現(xiàn)了系統(tǒng)零增益、零相移,達(dá)到了負(fù)載模擬電流的無靜差跟蹤目的。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),串聯(lián)復(fù)合控制與并聯(lián)復(fù)合控制在重復(fù)控制對象上有所不同,由于串聯(lián)復(fù)合控制的被控對象比并聯(lián)復(fù)合控制多了一個比例環(huán)節(jié),使得串聯(lián)復(fù)合控制重復(fù)控制器負(fù)擔(dān)較輕,設(shè)計步驟相對簡單,通過重復(fù)校正后系統(tǒng)的特征方程趨于一致。通過對兩種結(jié)構(gòu)

7、的系統(tǒng)閉環(huán)傳函波特圖分析得出兩者的控制效果一致的結(jié)論。鑒于串聯(lián)復(fù)合控制與并聯(lián)復(fù)合控制的控制效果類似,串聯(lián)復(fù)合控制中重復(fù)控制器的負(fù)擔(dān)較輕,將串聯(lián)復(fù)合控制應(yīng)用于實驗中,取得了比較滿意的控制效果。
　　根據(jù)國家《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波(GB/T14549-1993)》入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),并網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流需滿足 THD<5％,且從綠色節(jié)能的角度出發(fā),需要實現(xiàn)并網(wǎng)側(cè)變換器的單位功率因數(shù)控制。針對并網(wǎng)電流質(zhì)量問題,根據(jù)有功功率平衡原理,分析了在雙環(huán)

8、控制系統(tǒng)中并網(wǎng)電流畸變的主要原因:單相系統(tǒng)瞬時輸入功率中存在的二倍頻脈動導(dǎo)致母線電壓存在二次諧波,進(jìn)而通過電壓環(huán)將二次諧波引入到控制系統(tǒng)中,造成并網(wǎng)電流指令中三次諧波含量較多,從而導(dǎo)致并網(wǎng)電流畸變。鑒于此,對并網(wǎng)側(cè)變換器電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行濾波處理,從對系統(tǒng)零極點分布影響的角度出發(fā),對低通濾波器、陷波器、帶通濾波器和均值濾波器進(jìn)行了詳細(xì)的分析,對它們在SPEL控制系統(tǒng)中出現(xiàn)不同的濾波效果分析比較,選擇其中兩種濾波器針對不同的負(fù)載模擬工況

9、使用。為了將被試電源輸出的電能高效、快速地回饋給電網(wǎng),引入PR(比例+諧振)控制,在不影響系統(tǒng)動態(tài)特性的前提下,實現(xiàn)并網(wǎng)電流指令在基波處的零增益、零相移跟蹤。
　　為了進(jìn)一步優(yōu)化控制,克服由于串聯(lián)復(fù)合控制和均值濾波器的引入造成系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)時間過長的不足,提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度,同時抑制輸入電壓、輸入電流和并網(wǎng)電壓擾動和故障對系統(tǒng)的影響,引入基于有功功率平衡的前饋控制策略。通過對并網(wǎng)電流指令前饋、輸入電壓前饋和并網(wǎng)電壓前饋進(jìn)行分析和