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        交流電子負(fù)載中電感參數(shù)的選取

        2014-07-26 05:46:24嚴(yán)雪飛朱長(zhǎng)青趙月飛安巧靜侯立健
        電網(wǎng)與清潔能源 2014年6期
        關(guān)鍵詞:指令交流

        嚴(yán)雪飛,朱長(zhǎng)青,趙月飛,安巧靜,侯立健

        (軍械工程學(xué)院電力工程教研室,河北石家莊 050003)

        交流電子負(fù)載通過對(duì)電力電子裝置的控制,可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載模擬的功能,使其能夠模擬一個(gè)固定或變化的負(fù)載。相比傳統(tǒng)負(fù)載其具有能耗低、噪音小、設(shè)定簡(jiǎn)單靈活、大小連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[1]。在交流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)中,網(wǎng)側(cè)電感參數(shù)的選取至關(guān)重要。電感值增大,雖然可以起到抑制諧波的作用,但無法快速跟蹤指令電流。電子負(fù)載交流側(cè)電感值的選取是一個(gè)重要的環(huán)節(jié),文獻(xiàn)[2]在這方面進(jìn)行了一定的計(jì)算和研究,但其分析過于簡(jiǎn)單,導(dǎo)致選取的誤差較大。文獻(xiàn)[3]通過對(duì)電子負(fù)載建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行傅里葉分析,但沒有考慮到開關(guān)頻率的限制,得出的數(shù)據(jù)同樣不夠精確。本文通過對(duì)電感電流的分析以及其時(shí)域表達(dá)式的建立,從快速跟蹤指令電流、開關(guān)管開關(guān)頻率的限制以及抑制諧波3方面綜合分析,得到了電感參數(shù)的范圍,并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

        1 交流電子負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        交流電子負(fù)載的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是電壓型PWM變換器(PWM voltage source converter,PWM VSC),電子負(fù)載的主電路如圖1所示,其中LS為等值電感,起傳遞能量、抑制高次諧波的作用;VT1~VT4為全控型開關(guān)器件;直流側(cè)母線電壓Udc控制在電源電壓峰值大小之上,以實(shí)現(xiàn)滯環(huán)控制[4]。負(fù)載模擬器是交流電子負(fù)載的核心部分,通過采用適當(dāng)?shù)目刂品绞秸{(diào)節(jié)通過電感Ls的電流is來實(shí)現(xiàn)各種負(fù)載的模擬。

        電子負(fù)載的控制方法為:將指令電流信號(hào)Iref與實(shí)際電流I進(jìn)行比較,所得到的差值ΔI作為滯環(huán)比較器的輸入信號(hào),通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)來控制VT1、VT2、VT3、VT4的開通和關(guān)斷,從而達(dá)到電流控制的目的[5]

        圖1 交流電子負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of AC electronic load

        電子負(fù)載的主要目標(biāo)是控制放電電流為設(shè)定值,從而使其模擬各種類型的負(fù)載。為了提高負(fù)載模擬的真實(shí)性,本文采用滯環(huán)電流控制技術(shù),它具有硬件電路簡(jiǎn)單、電流相應(yīng)速度快且不需要載波等優(yōu)點(diǎn)[6]。圖2給出了控制原理圖。

        圖2 滯環(huán)電流控制原理圖Fig.2 Hysteresis current control

        2 電感L的選取

        以雙極性滯環(huán)電流控制為例,電感大小直接決定著電流跟蹤的效果。為了讓電流實(shí)現(xiàn)更快的跟蹤,要求電感值足夠小,而為了滿足抑制諧波的作用,電感值要求足夠大。另外,由于開關(guān)頻率存在上限值,當(dāng)電感值很小時(shí),會(huì)引起開關(guān)頻率過高。

        2.1 快速跟蹤電流

        圖3為一段放大的指令電流,設(shè)iref=Imsin ωt,T為開關(guān)管的工作周期,t0為工作起始點(diǎn),由于T很小,所以在t0~t0+T這段時(shí)間內(nèi),可以近似認(rèn)為其波形為一條直線。所以指令電流的變化斜率P為

        圖3 指令電流放大圖Fig.3 The instruction current

        實(shí)際輸出電流i的變化率是由直流側(cè)電壓和待測(cè)交流側(cè)電壓共同決定的,電壓大小為us±Udc,故電感L上的電流變化率為要滿足跟蹤要求,實(shí)際電流變化率的最小值要大于指令電流的最大值,通過式(1)可以得到最大指令電流變化率為Imω,最小實(shí)際電流變化率為(Um-Udc)/L。其中,Um為交流側(cè)電壓峰值;Udc為直流側(cè)電壓。綜合以上可以得到

        2.2 開關(guān)頻率的限制

        在選取電感時(shí),還要考慮到開關(guān)管的頻率。若電感值過小,導(dǎo)致開關(guān)頻率很大,會(huì)給開關(guān)管和其驅(qū)動(dòng)電路的選擇帶來困難[7]。圖4為滯環(huán)控制電流變化圖。其中,H為滯環(huán)的寬度;T為開關(guān)周期;us=Umsin ωt。在t1時(shí)間段內(nèi),電流從H上升到,電流變化為H,加在電感兩端的電壓為us+Udc,故可得到

        圖4 滯環(huán)控制電流圖Fig.4 Hysteresis current control

        解得:

        在t1~t2段,電流從H下降到H,電流變化為-H,此時(shí)加在電感兩端的電壓為us-Udc。同理可得

        開關(guān)管周期為

        將式(4)和式(6)帶入式(7)得

        則開關(guān)頻率

        可以看到其開關(guān)頻率不是固定值,但可以算出開關(guān)頻率的最大值

        目前所采用的開關(guān)器件,最高頻率可達(dá)到20 kHz[8]。

        得到

        2.3 諧波抑制

        電感具有抑制諧波的作用,在正弦電流峰值處電流脈動(dòng)幅度最大,此時(shí)電感足夠大,才能滿足抑制諧波的要求。圖5為峰值附近電流變化過程。

        當(dāng)0≤t≤T1時(shí),有:

        在穩(wěn)態(tài)時(shí),電流滿足:

        綜合式(13)~(15)可得:

        將式(57)帶入式(16)得:

        圖5 雙極性峰值電流變化Fig.5 Bipolar peak current change

        根據(jù)抑制峰值電流脈動(dòng)幅度的要求,且調(diào)制方式為雙極性調(diào)制,由式(13)、式(18)得[10]:

        為滿足抑制諧波的要求,L應(yīng)大于式(19)右端的最大值,當(dāng)us=0時(shí),(Udc+us)(Udc-us)取到最大值,由式(19)可得:

        2.4 電感的取值

        交流電子負(fù)載采用雙極性調(diào)制時(shí),為滿足快速跟蹤指令電流、開關(guān)頻率以及抑制諧波的要求,電感取值應(yīng)綜合考慮三方面的因素,綜合式(2)、式(12)、式(20),取這3個(gè)式子的交集,可以得到L的取值范圍。

        3 系統(tǒng)仿真

        輸入電源頻率為50 Hz,輸入電壓有效值為220 V,Udc=400 V,開關(guān)頻率20 kHz,滯環(huán)寬度H=4 A,若設(shè)定ΔImax=4 A,Im=50 A,采用雙極性調(diào)制,根據(jù)式(2)、式(12)、式(20)取交集,可以得到L的取值范圍為2.5 mH≤L≤5.6 mH。

        為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的正確性,仿真基于matlab/simulink平臺(tái),以模擬阻感性負(fù)載為例,負(fù)載大小Z=2+2j Ω,圖6為L(zhǎng)=0.5 mH,L=4 mH,L=10 mH時(shí)的仿真波形。

        圖6 電流波形Fig.6 Current wave

        通過仿真可以得到,當(dāng)L取值小于規(guī)定范圍時(shí),電流的諧波很大,當(dāng)取值大于規(guī)定范圍時(shí),實(shí)際電流不能很好地跟蹤指令電流,選取L=4 mH作為負(fù)載模擬時(shí)的電感值,有助于快速跟蹤指令電流和提高波形質(zhì)量。

        4 結(jié)論

        本文對(duì)交流電子負(fù)載的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電流控制方法進(jìn)行了介紹,重點(diǎn)分析了選取電感的方法,通過建立電感電流時(shí)域表達(dá)式,從快速跟蹤指令電流、開關(guān)管頻率限制以及抑制諧波3方面綜合考慮給出了電感參數(shù)范圍。通過實(shí)驗(yàn)仿真,證明了在選取不同電感值時(shí)對(duì)實(shí)際電流的影響,理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,由此證明了所述方法在選取電感時(shí)的有效性和可行性,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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