单相电力电子负载启动冲击问题的研究

辽宁工业大学电子与信息工程学院 李光林 李 凯 赵 凯 熊 辉 蔡坤良

0 引言

伴随节能与能源循环利用的大力推进，采用电力电子技术开发能馈式电力装置具有重要的实际意义。近年来，单相电力电子负载已成为研究热点之一。单相电力电子负载是一种适用于逆变器、UPS、发电机组等研究实验与出厂测试的测试实验设备。它通过模拟变换器模拟各种负载，通过并网变换器将能量回馈于电网，具有能耗低、容量小、产热少、操作灵活简单等优点，具有广阔的应用前景。

单相电力电子负载主电路通常采用两级PWM变换器，中间共用直流母线电容。因为此电容的存在，可对其进行分别控制。前级的负载变换器通过控制模拟侧电流跟随指令电流，实现各种负载的模拟。当模拟线性和峰值因数(PF)值较小的非线性负载时，控制器选用P控制器即可满足要求[1-2]；当峰值因数(PF)值增大到一定程度时，P控制器不能满足要求，需采用P+重复控制器[3-6]。单相PWM波调制方法有滞环调制、单极性调制、双极性调制等，其中滞环调制频率不固定，给选择开关器件的选择及滤波造成一定难度[4]。后级并网变换器一般采用带锁相环的电压外环电流内环双环反馈控制，而如何生成谐波较少的并网指令电流成为关键技术之一[7-8]。文献[7]在并网侧采用一种新型滤波器，这种滤波器先通过工频陷波器将50Hz基波滤去，然后用滤波之前的电流减去滤波之后的电流作为设定电流。这种滤波器的工频陷波器频带越窄，滤波效果越好，缺点是陷波器频带不能无限窄，且容易给并网电流造成相移，影响并网侧的功率因数。文献[8]不仅对比分析了物理滤波器与数字滤波器的优缺点，而且给出各种数字滤波器如低通滤波器、陷波器、均值滤波器、带通滤波器在单相电力电子负载的表现及适用条件。然而，对单相电力电子负载启动时的冲击问题研究较少。

本文采用双级PWM变换器主电路拓扑，前级变换器采用P控制器控制，后级采用带锁相环的双环反馈控制，并采用陷波器减少并网电流的谐波。针对在电容充电期间电容侧电压波动较大、模拟侧和并网侧电流幅值较高的问题，提出了一种用改进后的设定值作为参考电压的方法，并对系统拓扑进行了改进，以改善电容侧电压及模拟、并网两侧的电流在电容充电期间的冲击问题。

1 系统拓扑和控制系统工作原理

单相电力电子负载主电路如图1所示。图中，u1为被试电源，如逆变器，UPS,发电机组等；u2为交流电网；r1、r2为模拟侧、并网侧等效内阻；L1与Ti(i=1,2,3,4)构成模拟PWM变换器；L2与Ti(i=5,6,7,8)构成并网PWM变换器；C为公共母线电容，使前、后级变换器可分别控制。

图1 单相电力电子负载主电路

前级变换器的控制器采用单P环控制器，调制方法采用双极性调制，控制框图如图2所示。iref由u1与需模拟负载特性求得，与i1作差后经P控制器与PWM发生器后生成PWM波，从而控制开关管通、断，完成i1跟踪iref的目的。

图2 负载变换器控制框图

后级变换器采用电压外环、电流内环的双环反馈控制，控制框图如图3所示。图中100Hz陷波器用来滤去并网电流的3次谐波，使并网电流达到并网要求。而虚线框中的改进设定值环节用来改善电容电压的设定值，是本文提出的一种新型控制方法。

图3 并网变换器控制框图

2 改进设定值的提出与实现

在图1所示的单相电力电子负载中，当Udc小于u1、u2的峰值时，模拟变换器、并网变换器不可控，由u1、u2经二极管向电容C充电。当Udc增大到与u1、u2的峰值相等时，功率开关管Ti(i=1,2,…，8)可控。而传统的电容电压设定值Uref为一固定值，且高于u1、u2峰值的20%以上，会造成以下后果：

（1）由于Uref较大，模拟变换器与并网变换器须向公共电容提供更多能量，故i1、i2在一小段区间幅值很高，对功率开关管Ti(i=1,2,…，8)的耐流指标提出了较高要求。

（2）当功率开关管可控时，由于Uref＞Udc，经过图3所示框图后，生成的PWM波使T6、T7导通，u2向电容C充电，此时的i2幅值与谐波均较大，Udc迅速增加，导致对电容C的耐压指标要求较高，且该段并网电流i2畸变较大。

（3）由于Udc升速较快，远大于设定值Uref，Udc回调到Uref需较长的响应时间，且该段时间的电流i2谐波与幅值较大。

上述问题是由于功率开关管Ti(i=1,2,…，8)达到可控条件后，并网变换器侧Uref与Udc做差，经PI控制器后生成较大的并网电流参考值i2ref引起的。要解决上述问题，需减小或避免生成较大且畸变的i2ref，有以下方法：

（1）图3中的改进设定值环节用一阶惯性环节实现，生成的Uref1在一段时间内随指数上升。设一阶惯性环节的时间常数为τ，选择合适的τ值可明显减小i2ref，但是τ值取值不当，会对系统造成不良影响：当τ较小时，改善效果不明显，其中，τ=0时为传统的固定电压设定值；当τ较大时，电容电压增大到一定范围又开始跌落，也不利于系统的动态响应。

（2）使用不可控期间的电路模型，求出Udc在该期间的函数表达式，将其表达式作为在电容充电期间的设定值Uref1。但是，该表达式非常复杂，实现困难。

（3）在电容充电期间，用Udc的实际值作为参考值；在电容电压升高到Uref后，取Uref为参考值。则：

当功率开关管Ti(i=1,2,…，8)达到可控条件后i2ref=0，模拟变换器可模拟工作，并向电容充电，但电容并不向电网回馈，电容电压升高。当Udc升高到Uref后，取Uref为参考值。当Udc继续增加时，电容开始向电网回馈能量。

本文采用第三种方法生成新的设定值Uref1。在Matlab/Simulink中，它由一个switch语句构成，当电容侧电压大于设定值时，取设定值为参考值；否则，取电容侧电压作为参考值。

3 基于改进设定值后的新型拓扑

基于改进设定值后的新型拓扑如图4所示。图中D9为堵塞二级管，防止u2向电容C充电。u3为系统充电时所用电源，当系统达到可控状态时，切换到被测电源进行测试，用于降低充电时i1的幅值。

图4 基于改进设定值后的新型拓扑

4 仿真验证

为了验证上述理论，本文使用Matlab/Simulink软件对系统进行仿真。单相电力电子负载的主电路分别采用图1和图4所示，其中仿真参数为：u1、u2为50Hz、220V交流电，u3为50Hz、55V交流电，r1=r2=0.5Ω，L1=L2=2.5mH，C=2200uF。负载变换器控制电路如图2所示，其中，模拟负载为10Ω。并网变换器控制电路如图3所示，其中，电容电压设定值Uref=400V。

采用基于改进设定值的新型拓扑的单相电力电子负载的仿真波形如图5所示。由图5可知，在电容充电期间，采用新型拓扑的单相电力电子负载的模拟侧电流i1电流峰值很小，在充电电源较小时，其值可以不大于正常工作时的模拟电流；并网侧电流i2只有漏电流，谐波较小；电容电压的最大值很小；综上，采用新方法可较好的解决单相电力电子负载的启动冲击问题。缺点是启动时间相对较长。

图5 采用基于改进设定值的新型拓扑的仿真波形

5 结论

本文首先提出了一种改进设定值的方案，并将其应用在单相电力电子负载中。其次，在采用改进设定值后，对原电路拓扑进行了改进。最后，对上述理论进行了仿真验证。结果表明，与传统方法相比，新型的单相电力电子负载能较好解决启动的冲击问题，且便于工程实践，是一种有效方法。

[1]李芬,邹旭东,王成智,等.基于双PWM变换器的交流电子负载研究[J].高电压技术,2008,34(5):930-934.

[2]黄朝霞,邹云屏,王成智.基于PI控制的电力电子负载[J].高电压技术,2009,35(6):1451-1456.

[3]黄朝霞,邹旭东,童力,等.电能回馈型负载电流模拟器非线性负载模拟研究[J].电工技术学报,2014, 29(10):276-285.

[4]王成智.单相电力电子负载研究与设计[D].武汉: 华中科技大学博士学位论文,2008.

[5]王少坤.一种能量回馈型交流电子负载重复控制策略[J].电工电气,2014(1):7-10.

[6]王成智,邹旭东,许贇,等.采用改进重复控制的大功率电力电子负载[J].中国电机工程学报,2009,29(12):1-9.

[7]李芬.单相背靠背绿色节能试验系统关键技术研究[D].武汉:华中科技大学博士学位论文,2010.

[8]黄朝霞.单相电力电子负载关键技术研究[D].华中科技大学博士学位论文,2012.