唐 旗

（溫州大學(xué) 蒼南研究院，浙江 蒼南 325800）

0 引 言

近年來(lái)，直流系統(tǒng)受到了廣泛重視，得到了廣泛應(yīng)用。與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)具有輸電線路建設(shè)費(fèi)用低、功率調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、不存在穩(wěn)定性問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)。目前，中國(guó)直流輸電技術(shù)電壓等級(jí)最高、規(guī)模最大。2016年，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)與中國(guó)南方電網(wǎng)分別在世界500強(qiáng)中名列第2位和第95位，分別建成“八交八直”和“八交九直”（特）高壓交直流輸電骨干網(wǎng)，妥善解決了我國(guó)“源荷割離”的難題。直流斷路器作為直流系統(tǒng)中起控制和保護(hù)作用的開(kāi)關(guān)電器，其性能對(duì)直流系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。因此，測(cè)試直流斷路器的保護(hù)特性，對(duì)防止直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障、事故擴(kuò)大、保證直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外的直流斷路器保護(hù)特性測(cè)試裝置大多采用電源+負(fù)載系統(tǒng)或交流電源整流成直流系統(tǒng)的方式。前者由于外加負(fù)載系統(tǒng)，體積龐大、質(zhì)量大、操作繁瑣，不利于移動(dòng)測(cè)試；后者輸出電流不穩(wěn)定、難控制，且電流紋波大[2]，且由于存在輸出整流管，造成整流和濾波困難，大電流下整流二極管的功耗過(guò)大。

本文提出了一種無(wú)輸出整流二極管的脈沖電源作為直流斷路器短路瞬動(dòng)保護(hù)特性的測(cè)試電源。該電源可以提供恒定連續(xù)可調(diào)大電流，持續(xù)時(shí)間200 ms。

1 無(wú)輸出整流二極管的脈沖電源

脈沖電源是按照一定時(shí)間反復(fù)通斷得到脈沖形狀輸出的電源。實(shí)現(xiàn)脈沖電源常用的有3種方法：一是利用儲(chǔ)能元件，二是采用逆變的原理將直流電直接變成脈沖，三是采用直流斬波原理得到脈沖[3-7]。本文采用直流斬波的原理實(shí)現(xiàn)脈沖電源。

本文提出一種無(wú)輸出整流二極管的脈沖電源，并將其應(yīng)用在直流斷路器短路瞬動(dòng)保護(hù)特性測(cè)試裝置中，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，V、Q1、D1、L1、C1構(gòu)成Buck拓?fù)涞某跫?jí)電源，初級(jí)電源主要是為脈沖電源提供能源。MC1為直流升流器，Rload為負(fù)載，即直流斷路器。工作過(guò)程為：使用PWM波控制初級(jí)電源的開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通與關(guān)斷得到輸出電壓，從而在L3上得到一個(gè)變化的電壓，在直流升流器MC1上形成一個(gè)變化的磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)耦合到L4上產(chǎn)生感應(yīng)電壓；由于L4與負(fù)載Rload相連，且L4與負(fù)載Rload組成的回路阻抗極小，負(fù)載Rload上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電壓、大電流；合理控制初級(jí)電源輸出電壓的變化，可以使L4上得到的感應(yīng)電流為指定的恒定電流值。由D2、L2磁復(fù)位繞組完成續(xù)流與磁復(fù)位，將能量回饋到電源端，等待下一次的控制信號(hào)與測(cè)試。

本文提出的無(wú)輸出整流二極管的測(cè)試電源在負(fù)載端不需要輸出整流二極管與濾波電容，因此不需要考慮輸出整流二極管在大電流下的功耗問(wèn)題，不需要使用電解電容濾波，極大地延長(zhǎng)了測(cè)試電源的使用壽命，易通過(guò)擴(kuò)展輸出更大的電流，擁有電路簡(jiǎn)單、電源體積小、易于控制以及工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2 直流升流器磁特性測(cè)量

直流升流器的實(shí)質(zhì)是變壓器，利用直流勵(lì)磁在變壓器繞組上得到感應(yīng)電壓加載在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)電流變換。

圖1 無(wú)輸出整流二極管的脈沖電源

使用長(zhǎng)沙天恒測(cè)控技術(shù)有限公司的軟磁直流測(cè)試系統(tǒng)TD8220測(cè)量樣品。測(cè)試原理為使用掃描法測(cè)量樣品的磁滯回線，即先確定若干個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)先給一個(gè)足夠大的電流使樣品磁場(chǎng)飽和，之后加一個(gè)反向電流使之反向飽和，再加一個(gè)反向電流使磁場(chǎng)反向飽和，最后電流慢慢降為零，記錄中間的值。加電流時(shí)，電流從零慢慢加到足夠大后慢慢歸零，之后慢慢加反向電流至最大后歸零。注意每次測(cè)試前都要進(jìn)行退磁處理，消除環(huán)狀樣品中的剩磁，保證磁感應(yīng)強(qiáng)度是從零開(kāi)始測(cè)量的，分別測(cè)量不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下得到的磁滯回線。記錄各磁滯回線的頂點(diǎn)的B、H值得到表1，則基本磁化曲線如圖2所示。

表1 磁滯回線的頂點(diǎn)B、H值

圖2 基本磁化曲線

3 動(dòng)態(tài)矩陣控制算法

由于測(cè)試電源的工作時(shí)間僅為0.2 s，如果采用普通的基于偏差的控制算法，存在的主要問(wèn)題是需要系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)才進(jìn)行控制，說(shuō)明控制是滯后的、不及時(shí)的。此外，考慮到測(cè)試電源的工作時(shí)間、直流斷路器短路瞬動(dòng)保護(hù)特性測(cè)試的特點(diǎn)以及直流升流器的磁特性，系統(tǒng)應(yīng)在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定輸出[8-11]。因此，采用預(yù)測(cè)控制，通過(guò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的輸出得到未來(lái)的一系列控制量，提前控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的偏差。

采用預(yù)測(cè)控制中的動(dòng)態(tài)矩陣控制算法（Dynamic Matrix Control）。DMC算法是一種基于被控對(duì)象階躍響應(yīng)的預(yù)測(cè)控制算法，通過(guò)反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化當(dāng)前和未來(lái)時(shí)刻的控制量，使得輸出響應(yīng)符合預(yù)先設(shè)定的軌跡[12-14]。PI控制算法按偏差的比例、積分進(jìn)行控制，擁有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)和適用面廣等優(yōu)點(diǎn)[15-17]，最終將PI控制的結(jié)果與DMC算法得到的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

3.1 預(yù)測(cè)模型

預(yù)測(cè)模型的功能是根據(jù)對(duì)象歷史信息和未來(lái)輸入對(duì)輸出進(jìn)行預(yù)測(cè)。在k時(shí)刻，假定控制作用保持不變，對(duì)未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的輸出有初始預(yù)測(cè)y0(k+1)，…，y0(k+N)，那么在控制增加量Δu(k)作用后，系統(tǒng)的輸出預(yù)測(cè)值為：

其中，a=[a1a2…aN]T是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系數(shù)向量，也就是單位階躍響應(yīng)向量。同樣的，在M個(gè)控制增量序列Δu(k)，Δu(k+1)，…，Δu(k+M-1)作用下，系統(tǒng)未來(lái)P個(gè)時(shí)刻的預(yù)測(cè)模型輸出為：

3.2 滾動(dòng)優(yōu)化

通過(guò)某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來(lái)確定未來(lái)的控制作用。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

其中，pi和qi為權(quán)系數(shù)，w(k+i)為期望輸出電流值，Δu(k+j-1)為k時(shí)刻和未來(lái)時(shí)刻的M個(gè)控制增量，yM(k+i)是未來(lái)P個(gè)時(shí)刻的輸出電流值。

3.3 反饋校正

由于現(xiàn)實(shí)中存在的非線性、模型失配、環(huán)境干擾等，基于不變模型的預(yù)測(cè)不可能和實(shí)際情況完全相符，因此應(yīng)該采取其他的手段補(bǔ)充模型預(yù)測(cè)的不足，或者對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行在線修正[18]。采用對(duì)預(yù)測(cè)誤差加權(quán)的方式對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正，修正公式為：

其中，h是修正加權(quán)系數(shù)；e(k+1)為預(yù)測(cè)誤差，由實(shí)際輸出電流與預(yù)測(cè)輸出電流相比較得到。

4 仿真結(jié)果分析

仿真主要流程使用simulink實(shí)現(xiàn)，而DMC算法由matlab函數(shù)編寫(xiě)并以matlab Fcn模塊的形式加入simulink，從而建立如圖3所示的仿真原理框圖。其中，直流升流器的磁特性曲線使用測(cè)量得到的數(shù)據(jù)帶入變壓器模型得到。假定負(fù)載為直流斷路器，電阻為1 mΩ。取初級(jí)電源Buck電路的輸入電壓V=450 V、R=20 Ω、D=0.5，開(kāi)關(guān)頻率為f=10 kHz，紋波電壓ΔV小于1%，L=1 800 μH、C=220 μF，并使用DMC算法與PID并聯(lián)結(jié)合和單獨(dú)使用PID的控制算法的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

圖3 脈沖電源控制系統(tǒng)框圖

取單位階躍響應(yīng)的采樣周期為T(mén)s=0.002，取建模時(shí)域N=300，預(yù)測(cè)時(shí)P=250，控制時(shí)域M=4、qi=0.01、rj=0.01、h=0.8。使用動(dòng)態(tài)矩陣控制算法與PID并聯(lián)的方法進(jìn)行控制仿真，kp=280、ki=3 000、kd=0.5。圖4表示在加入不同控制以及不加控制時(shí)10 000 A輸出電流的結(jié)果。不加入控制時(shí)，系統(tǒng)在開(kāi)始時(shí)上升速度快，但是過(guò)沖很大，且需要經(jīng)過(guò)多次振蕩后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)在直流升流器進(jìn)入飽和后，輸出電流出現(xiàn)下降。只加入PID控制時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，且存在過(guò)沖，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能夠回到穩(wěn)定狀態(tài)。加入DMC-PID控制后，在開(kāi)始的十幾個(gè)毫秒波形上升速度較慢，說(shuō)明系統(tǒng)的快速性不夠好，但在穩(wěn)定后輸出電流穩(wěn)定，經(jīng)測(cè)量其穩(wěn)態(tài)誤差在1%之內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

圖4 控制效果比較

5 結(jié) 論

本文提出了一種無(wú)輸出整流二極管的脈沖電源作為直流斷路器短路瞬動(dòng)保護(hù)特性的測(cè)試電源，擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn)，并分析了無(wú)輸出整流二極管的脈沖電源的原理。通過(guò)測(cè)量直流升流器的磁特性與系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，使用matlab/simulink建立測(cè)試電源模型進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果輸出電流的紋波小于1%，說(shuō)明系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。