單相電力電子負載關鍵技術研究.pdf

1、隨著社會的進步,各種電氣化產品的大量應用,各種電源設備廣泛應用于人們的生產、生活中,電源性能的好壞將直接影響到人們的生產效率和生活質量。因此,各種電源設備在出廠時需要進行嚴格的出廠試驗。傳統(tǒng)的電源考核設備是由電阻、電感和電容等無源器件組合成的能耗型設備,不符合當今社會的節(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)應運而生。
　　本文以電源設備的檢測標準(GB/T7260.3-2003)和并網要求(GB12325-19

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

3、靠背結構的基本組成單元是PWM變換器,本文首先建立了單相PWM變換器的數(shù)學模型,從單相電力電子負載(Single-phase Power Electronics Load, SPEL)的整體結構出發(fā),給出了在經典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)在模擬非純阻性負載時無法滿足準確模擬負載特性的目標和并網要求,因此,本文提出了改進方案。前級L

4、SC采用P控制+重復控制的復合控制,可無靜差跟蹤給定模擬負載電流指令靈活模擬各種負載特性;后級GCC采用電壓外環(huán)PI控制、電流內環(huán)準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)定和并網電流高功率因數(shù)回饋電網。
　　要實現(xiàn)LSC靈活準確模擬負載特性的目標,涉及到兩個關鍵技術:負載模擬電流指令的生成方法和負載模擬電流指令的無靜差跟蹤精確實現(xiàn)方法。負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,提出一種改進的恒阻抗負載電流指令生成方法;非線性負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側在模擬非線性負載時,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模擬側輸入電流的穩(wěn)態(tài)精度,達到系統(tǒng)在較高帶寬內實現(xiàn)“零增益、零相移”的目的,特引入 P控制+重復控制的復合控

6、制策略,研究了串、并聯(lián)復合控制的特性和實現(xiàn)方法,詳細給出了復合控制的設計要領。仿真和實驗證明,復合控制相比單P控制,不僅拓寬了系統(tǒng)帶寬,還在帶寬內實現(xiàn)了系統(tǒng)零增益、零相移,達到了負載模擬電流的無靜差跟蹤目的。進一步研究發(fā)現(xiàn),串聯(lián)復合控制與并聯(lián)復合控制在重復控制對象上有所不同,由于串聯(lián)復合控制的被控對象比并聯(lián)復合控制多了一個比例環(huán)節(jié),使得串聯(lián)復合控制重復控制器負擔較輕,設計步驟相對簡單,通過重復校正后系統(tǒng)的特征方程趨于一致。通過對兩種結構

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論。鑒于串聯(lián)復合控制與并聯(lián)復合控制的控制效果類似,串聯(lián)復合控制中重復控制器的負擔較輕,將串聯(lián)復合控制應用于實驗中,取得了比較滿意的控制效果。
　　根據(jù)國家《電能質量—公用電網諧波(GB/T14549-1993)》入網標準,并網側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)并網側變換器的單位功率因數(shù)控制。針對并網電流質量問題,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致母線電壓存在二次諧波,進而通過電壓環(huán)將二次諧波引入到控制系統(tǒng)中,造成并網電流指令中三次諧波含量較多,從而導致并網電流畸變。鑒于此,對并網側變換器電壓外環(huán)電流內環(huán)進行濾波處理,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行了詳細的分析,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,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)并網電流指令在基波處的零增益、零相移跟蹤。
　　為了進一步優(yōu)化控制,克服由于串聯(lián)復合控制和均值濾波器的引入造成系統(tǒng)動態(tài)調節(jié)時間過長的不足,提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度,同時抑制輸入電壓、輸入電流和并網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。通過對并網電流指令前饋、輸入電壓前饋和并網電壓前饋進行分析和