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        基于電力路由器的全橋電路的研究與設(shè)計(jì)

        2016-12-31 00:00:00焦昆陳瀟
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年10期

        摘 要:電力路由器不僅是能源互聯(lián)網(wǎng)的組成部分,也是最終實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章研究了一種可用于電力路由器的全橋整流饋電拓?fù)?,詳?xì)介紹了其工作原理,并分析了所采用的雙閉環(huán)控制策略,通過(guò)仿真驗(yàn)證了其正確性。

        關(guān)鍵詞:電力路由器;全橋電路;能源互聯(lián)網(wǎng)

        1 概述

        隨著化石能源的不斷發(fā)現(xiàn)與開(kāi)采,人們逐步重視化石能源日益枯竭以及環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題,世界各國(guó)也正積極探索各種不同類型的新能源。因此,能源互聯(lián)網(wǎng)這一概念的提出為解決上述問(wèn)題以及作為未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向提供了很好的思路。而電力路由器作為能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分,其能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向傳輸是其區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的要素之一。因此,文章考慮采用全橋電路作為實(shí)現(xiàn)能量饋送功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),雖然全橋開(kāi)關(guān)管較多,但其可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)不低于0.99、輸入電流的諧波THD被限制在5%以下。所以,文章研究了全橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)饋送電能的功能,從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。

        2 基于電力路由器的全橋電路拓?fù)?/p>

        電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理如下:

        文章所采用的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效電路圖如圖1所示,其中,ui為電網(wǎng)側(cè)電壓,L為濾波電感,UL為電感上電壓,iL為流過(guò)電感L的電流,C為濾波電容,ud為直流側(cè)電壓,uAB為A、B兩端的電壓,S1、S2、S3、S4為功率開(kāi)關(guān)管。

        圖1 全橋拓?fù)涞刃щ娐穲D

        當(dāng)電路工作在電網(wǎng)供電狀態(tài)下時(shí),該電路拓?fù)渲绷鱾?cè)可以等效為一個(gè)電阻負(fù)載,當(dāng)電路工作在饋電狀態(tài)下時(shí),直流側(cè)可以等效為一個(gè)電源,綜合以上兩種狀態(tài),可以將負(fù)載等效為一個(gè)帶內(nèi)阻的直流電壓源,其簡(jiǎn)化后的原理圖如圖2所示。其中的Ui為電網(wǎng)電壓忽略諧波分量后的基波向量,UL與IL為電感L上的電壓與電流的基波向量,UAB為直流側(cè)電壓ud經(jīng)過(guò)SPWM調(diào)制后的交流電壓的基波分量。

        圖2 全橋電路簡(jiǎn)化拓?fù)?/p>

        由基爾霍夫電壓定律可得:

        ■i=j?棕L■L+■AB(1)

        由式(1)分析可知,當(dāng)電網(wǎng)電壓Ui幅值和相位恒定以及電網(wǎng)側(cè)電流IL幅值恒定時(shí),電壓UAB在向量圖的軌跡將會(huì)是一個(gè)圓周,如圖3所示。

        從圖3中可以看出,當(dāng)向量UAB的軌跡沿著圓周上的1、2、3、4點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),電網(wǎng)側(cè)電壓Ui和電流IL之間的夾角,即功率因數(shù)角由90°→0°→-90°→-180°依次變化。因此,可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓UAB的幅值和相位來(lái)改變電網(wǎng)側(cè)電流IL的幅值和相位,而IL的大小和方向直接決定了能量傳輸?shù)拇笮『头较?,從而?shí)現(xiàn)了控制能量雙向傳輸?shù)墓δ堋膱D3(b)工作狀態(tài)2中可以看出,電網(wǎng)電壓■i與電流■L的夾角為0°,電網(wǎng)只發(fā)出有功功率,功率因數(shù)為1;從圖3(d)中可以看出,電網(wǎng)電壓■i與電流■L的夾角為-180°,電網(wǎng)只吸收有功功率,功率因數(shù)為-1。由此可知,當(dāng)系統(tǒng)工作于上述兩點(diǎn)時(shí),該系統(tǒng)將以單位功率因數(shù)從電網(wǎng)吸收功率以及發(fā)出功率,即達(dá)到單位功率因數(shù)的整流和逆變。通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗院碗姼蠰的選擇,可以實(shí)現(xiàn)上述功能。

        3 全橋電路的仿真分析

        3.1 控制策略

        電壓型PWM整流控制策略有幅相控制、滯環(huán)控制和雙閉環(huán)控制等方式。幅相控制策略對(duì)參數(shù)的變化敏感,穩(wěn)定性差;滯環(huán)控制策略則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)周期不固定,諧波隨機(jī)分布,將會(huì)給濾波器的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難,而且其波形在參考波形過(guò)零點(diǎn)的附近效果差。因此,文章將采用雙閉環(huán)控制方式,其控制策略框圖如圖4所示。

        圖4所示的雙閉環(huán)控制方式,即電壓外環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)控制,首先將直流側(cè)電壓ud采集回來(lái)與設(shè)定的直流側(cè)電壓參考值udref進(jìn)行比較,再經(jīng)過(guò)PI控制器得到電流幅值的參考量,再通過(guò)采集電網(wǎng)側(cè)電壓的相位信息,從而得到電流參考量,將其與實(shí)際的電流值比較后經(jīng)過(guò)一個(gè)P控制器,再與電網(wǎng)側(cè)電壓ui取差值,最終經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制得到四個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

        3.2 仿真分析

        文章設(shè)計(jì)的全橋整流饋電拓?fù)?,其工作過(guò)程主要為整流時(shí)可以為不同負(fù)載供電以及滿載時(shí)的饋電,仿真也是針對(duì)這兩方面進(jìn)行分析。為了驗(yàn)證全橋電路的可行性,將從以下兩方面對(duì)全橋整流饋電電路的工作過(guò)程進(jìn)行仿真分析:工作于整流狀態(tài)時(shí),負(fù)載的變化對(duì)電路的影響;全橋電路在從整流狀態(tài)切換到饋電狀態(tài)下時(shí)的系統(tǒng)性能。

        3.2.1 全橋電路工作于整流狀態(tài)

        仿真過(guò)程中選取的參數(shù)如下:由于文章所設(shè)計(jì)的電力路由器容量為5kVA,因此,將整流饋電環(huán)節(jié)容量設(shè)定在5kW。選取濾波電感L=0.005H,電容C=2200uF,直流側(cè)電壓E=300V,通過(guò)改變直流源的等效電阻R的大小來(lái)改變整流狀態(tài)下的輸出功率。在0-0.3S時(shí),加入限流電阻,電網(wǎng)對(duì)電容C進(jìn)行不控整流充電;0.3S-1.0S時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行于空載狀態(tài)下;1.0S-1.5S時(shí),系統(tǒng)半載輸出,負(fù)載R=16Ω;1.5S-3.0S時(shí),系統(tǒng)滿載輸出,R=8Ω。根據(jù)上述參數(shù)在PSCAD中搭建仿真電路,得到如下波形圖。

        a)空載到半載轉(zhuǎn)換時(shí)電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

        b)半載工作時(shí)的電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

        c)半載到滿載轉(zhuǎn)換時(shí)電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

        d)滿載運(yùn)行時(shí)的電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

        e)工作于所有過(guò)程中的直流側(cè)電壓

        f)電網(wǎng)側(cè)電流的THD

        從以上仿真波形可以看出,在負(fù)載突變的過(guò)程中,電路具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng),電流在兩個(gè)周波之內(nèi)就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),電網(wǎng)側(cè)電流的THD在穩(wěn)定狀態(tài)下保持在1.5%以內(nèi),直流側(cè)電壓在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的紋波保持在±2.5%以內(nèi)。

        3.2.2 全橋電路工作于饋電狀態(tài)

        接著上述仿真過(guò)程,在3.0s時(shí),將直流等效電壓設(shè)為500V,使電路工作于饋電狀態(tài),其仿真波形如下所示。

        g)整流與饋電模式轉(zhuǎn)換時(shí)電網(wǎng)側(cè)電壓與電流h)饋電模式下的電網(wǎng)側(cè)電壓與電流

        從以上仿真波形可以看出,全橋電路在整流模式與饋電模式的切換過(guò)程中,具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,電網(wǎng)側(cè)電流在三個(gè)周波左右就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

        以上仿真表明,在雙閉環(huán)控制策略下,系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能,能夠?qū)崿F(xiàn)電力路由器的整流與饋電功能。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        文章基于電力路由器研究和設(shè)計(jì)了全橋整流饋電電路,實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)。首先介紹了電路的工作原理,然后分析給出了雙閉環(huán)控制策略,通過(guò)仿真驗(yàn)證了其在整流模式與饋電模式下的正確性以及有效性,實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)工作于整流狀態(tài)和饋電狀態(tài)。為電力路由器的設(shè)計(jì)提供了保障。

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