孫傳杰，田凱，楚子林，楊敬然，張中磊

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

交流恒流源被廣泛應(yīng)用于低壓電氣設(shè)備的型式試驗(yàn)，當(dāng)前市場(chǎng)份額基本被國(guó)內(nèi)產(chǎn)品占據(jù)。應(yīng)用較廣泛的電工電源主要有兩種方式[1-2]：一種是通過(guò)多級(jí)變壓器和補(bǔ)償器的方式；另一種是利用粗調(diào)調(diào)壓器、微調(diào)調(diào)壓器以及相應(yīng)的傳動(dòng)控制單元的方式。其控制精度受調(diào)壓器以及變壓器的制作工藝精度影響很大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)熱嚴(yán)重，故障率高。

在數(shù)字化電流源方面，文獻(xiàn)[3]利用微控制器LPC1768對(duì)單個(gè)逆變系統(tǒng)進(jìn)行控制，濾波回路設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，輸出電流諧波含量較大。文獻(xiàn)[4]采用三電平電路結(jié)構(gòu)，理論上三電平電路結(jié)構(gòu)可以提高輸出電壓的質(zhì)量，但其濾波器連接在升流變壓器的次級(jí)，當(dāng)電流較大時(shí)，不利于濾波器的設(shè)計(jì)，并且三電平電路結(jié)構(gòu)成本較高，不利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。文獻(xiàn)[5]對(duì)三相電流源逆變器進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與分析，推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模型，對(duì)逆變器相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)提出了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)LCL濾波器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)諧振抑制效果和動(dòng)、靜態(tài)性能進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8-9]介紹了不同逆變器并聯(lián)均流方法的概況，并對(duì)并聯(lián)均流方法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

針對(duì)恒流源市場(chǎng)的實(shí)際需求，為了提高恒流源的技術(shù)指標(biāo)和各類試驗(yàn)的測(cè)試效率，本文采用逆變H橋進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，利用矢量變換核心算法實(shí)現(xiàn)精確控制，LCL濾波回路降低電流諧波，主從控制法提高并聯(lián)運(yùn)行可靠性，設(shè)計(jì)了一款具有多種運(yùn)行模式的高精度數(shù)字化恒流源。

1 電路原理

該恒流源電路原理如圖1所示，包括二極管整流器、直流母線電容、逆變H橋、濾波回路以及降壓升流變壓器。其中3組逆變H橋采用共直流母線連接，3組逆變H橋輸出經(jīng)過(guò)降壓升流變壓器后，作為恒流源的輸出端。

圖1 電路原理圖Fig.1 Diagram of the circuit

1.1 鎖相環(huán)

鎖相環(huán)PLL[10]原理框圖如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)Fig.2 Phase-locked loop

圖2中，3/2變換指三相靜止abc坐標(biāo)系到兩相靜止α-β坐標(biāo)系的變換，變換公式為

式中：Ua，Ub分別為三相靜止坐標(biāo)系下的a相、b相電網(wǎng)電壓；Uα，Uβ分別為電網(wǎng)電壓在兩相靜止α-β坐標(biāo)系下的α，β軸電壓。

Park變換將兩相靜止α-β坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的直流量，其矢量變換關(guān)系如圖3所示。

圖3 矢量變換Fig.3 Vector transformation

由圖3可得Park變換公式為

式中：Ud，Uq分別為電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下d，q軸分量。

實(shí)際電網(wǎng)電壓矢量以同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸定向，顯然，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)使Uq=0，則矢量U與Ud重合，即可完成鎖相。

1.2 無(wú)源阻尼法與有源阻尼法

圖1所示電路原理圖中，LC濾波回路與升流降壓變壓器的漏感Lσ組成LCL濾波器，LCL濾波器具有非常好的低通濾波特性，并且相對(duì)于L濾波器來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)較小的電感就可以滿足輸出諧波的要求。但由于LCL自身的諧振特性有可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定特性[11-12]，特別是當(dāng)多組逆變H橋并聯(lián)輸出時(shí)，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要。本文將采用無(wú)源阻尼法和有源阻尼法來(lái)增加系統(tǒng)阻尼，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度。

典型LCL濾波器電路如圖4所示。根據(jù)圖4可獲得輸出電流與逆變側(cè)電壓的傳遞函數(shù)為

圖4 典型LCL濾波器Fig.4 Typical LCL filter

本文采用的無(wú)源阻尼法為電容支路串聯(lián)電阻的方式，電路原理圖如圖5所示。

圖5 無(wú)源阻尼法Fig.5 Passive damping

根據(jù)圖5可獲得輸出電流與逆變側(cè)電壓的傳遞函數(shù)為

根據(jù)式（3）和式（4）繪制伯德圖，分別如圖6和圖7所示。

圖6 典型LCL濾波器的伯德圖Fig.6 Bode diagram of typical LCL filter

圖7 無(wú)源阻尼LCL濾波器的伯德圖Fig.7 Bode diagram of passive damping LCL filter

對(duì)比圖6和圖7可知，LCL濾波器存在諧振點(diǎn)處系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況，無(wú)源阻尼法可以對(duì)系統(tǒng)中的諧振進(jìn)行衰減或抵消，使系統(tǒng)在諧振頻率處的增益處于0 dB以下，改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性。并且由于阻尼電阻的存在，濾波器表現(xiàn)出更好的高頻濾波特性，能夠使輸出電流高頻分量大大衰減。但由于阻尼電阻帶來(lái)一定的損耗，所以采用較小的阻尼電阻即可。

有源阻尼法的控制思想是利用霍耳傳感器檢測(cè)LCL濾波器中電容支路上的電流Ic，反饋到電流環(huán)的輸入電流指令上，從而模擬阻尼電阻的效果，在無(wú)源阻尼法中電阻損壞不大的前提下，進(jìn)一步利用有源阻尼法使系統(tǒng)在諧振頻率處的增益降低，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.3 控制策略

在上文所述阻尼控制的基礎(chǔ)上，以矢量控制為核心，并采用負(fù)載電流前饋的控制方法組成該恒流源裝置的整體控制思路。以其中一組逆變H橋的控制為例進(jìn)行分析，邏輯框圖如圖8所示。

圖8 控制邏輯圖Fig.8 Diagram of control logic

有源阻尼法獲得Iα后，經(jīng)過(guò)延時(shí)1/4個(gè)電流周期（電流周期設(shè)為T），構(gòu)建兩相靜止α-β坐標(biāo)系下的電流 Iα和 Iβ，對(duì)Iα和 Iβ進(jìn)行 Park 變換得到同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的直流量，并進(jìn)行相互獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流環(huán)的解耦，再經(jīng)過(guò)Park逆變換，獲得兩相靜止α-β坐標(biāo)系下的電壓Uα和Uβ，以Uα作為給定電壓經(jīng)過(guò)SPWM調(diào)制，最終控制逆變H橋中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷。與此同時(shí)，輸出電流的給定Id_ref采用負(fù)載電流前饋的控制方法[13]，通過(guò)將負(fù)載電流疊加到電流給定，加快逆變電壓對(duì)負(fù)載突變的響應(yīng)速度。利用恒流源當(dāng)前輸出電流Io1的峰值作為給定電流的前饋量，并與輸出電流設(shè)定值Iset進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，當(dāng)改變輸出電流設(shè)定時(shí)，由于負(fù)載電流響應(yīng)滯后，此時(shí)PI調(diào)節(jié)器提高給定電流的響應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)輸出電流恒定時(shí)，該P(yáng)I調(diào)節(jié)器輸出為0。

2 不同輸出模式的連接方式

2.1 單相獨(dú)立模式輸出

單相獨(dú)立模式輸出時(shí)，3組交流輸出之間互不影響，可任意運(yùn)行其中1組、2組或者3組獨(dú)立輸出，采用上文所述控制方法分別獨(dú)立控制，恒流源輸出端與負(fù)載的電氣連接如圖9所示。其中，Zload表示負(fù)載，可以是阻性負(fù)載、感性負(fù)載或容性負(fù)載。

圖9 單相獨(dú)立輸出模庿電氣連接圖Fig.9 Electrical connection diagram of single-phase independent output mode

2.2 并聯(lián)輸出連接方式

當(dāng)單相輸出電流較小而不能滿足某負(fù)載的測(cè)試需求時(shí)，可3組并聯(lián)輸出更大的測(cè)試電流，其連接方式如圖10所示。

圖10 并聯(lián)輸出模庿電氣連接圖Fig.10 Electrical connection diagram of parallel output mode

當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于主回路參數(shù)的差異性會(huì)引起三相輸出電流不平衡問(wèn)題。并聯(lián)均流技術(shù)中的主從控制法在整流器和逆變器并聯(lián)中使用非常廣泛，本文所設(shè)計(jì)的3組逆變輸出共用1塊控制板同時(shí)生成驅(qū)動(dòng)脈沖，軟件程序即可實(shí)現(xiàn)各組逆變H橋之間通訊，省略常規(guī)光纖通訊成本，更有利于主從控制法的運(yùn)用，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

如圖11所示，以第1組作為主站，另2組作為從站，將主站的輸出電流作為各從站輸出電流的給定，利用電流差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，其輸出作為各組控制邏輯中的電流給定。當(dāng)主站輸出電流變化時(shí)，各從站的電流給定也就隨之變化，最終實(shí)現(xiàn)并聯(lián)均流。與此同時(shí)，平均電流前饋[14]使每一組逆變輸出統(tǒng)一化，降低各組輸出回路參數(shù)差異對(duì)并聯(lián)電壓和電流的影響。

圖11 并聯(lián)輸出模庿控制框圖Fig.11 Control diagram of single-phase operation in parallel

2.3 三相負(fù)載連接方式

恒流源與三相負(fù)載的電氣連接如圖12所示，如果依然按照三相分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，三相給定電壓將有可能逐漸發(fā)生偏移，造成三相電壓不平衡而逐漸失控，這是因?yàn)槿嘭?fù)載的差異性造成的。

圖12 三相輸出模庿電氣連接圖Fig.12 Electrical connection diagram of three-phase output mode

在實(shí)際工況中，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)任意三相負(fù)載均視為不對(duì)稱負(fù)載進(jìn)行控制。根據(jù)三相負(fù)載電流和為零的原則，將C相的電流不做閉環(huán)調(diào)節(jié)，C相電壓給定改為0-UA-UB，并且A相控制環(huán)節(jié)中Park變換的角度取θ，B相控制環(huán)節(jié)中Park變換的角度取θ-120°。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

為驗(yàn)證上文所述技術(shù)方案的有效性，設(shè)計(jì)一臺(tái)總功率60 kW的恒流源裝置，其技術(shù)要求為：?jiǎn)蜗囝~定輸出電流有效值2 000 A（允許輕度過(guò)載，峰值3 000 A）；電流輸出全范圍內(nèi)電流總諧波畸變率≤3%，額定狀態(tài)下電流總諧波畸變率＜1%；額定電流下電流偏差＜0.2%；輸出電流相位控制精度≤1°；具有多種運(yùn)行模式，可滿足不同負(fù)載需求。

硬件參數(shù)如下：每相逆變H橋的直流母線電容值為4 700 μF，IGBT采用英飛凌FF150R12RT4，濾波回路 L=600 μH，C=20 μF，R=0.1 Ω，變壓器漏感5%。

軟件參數(shù)如下：核心算法由數(shù)字控制器DSP完成，軟件算法控制周期125 μs，載波頻率8 kHz，利用SPWM倍頻調(diào)制技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)電流高精度穩(wěn)定輸出。

恒流源裝置實(shí)物如圖13所示，其中液晶屏用于電流設(shè)定、數(shù)據(jù)查看以及故障記錄等，并且具備遠(yuǎn)程通訊功能。

圖13 恒流源裝置實(shí)物圖Fig.13 Physical map of the constant current source

采用三相運(yùn)行方式，輸出最大電流時(shí)，三相輸出電流IA，IB，IC波形如圖14所示。對(duì)不同等級(jí)的輸出電流利用電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行分析，電流總諧波畸變率不高于3%，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示；對(duì)該恒流源裝置的最大輸出電流進(jìn)行各次諧波電流含量分析，分析數(shù)據(jù)如表2所示。

圖14 三相輸出電流波廝Fig.14 Current waveforms of three-phase operation

表1 總諧波電流分析Tab.1 Analysis of total harmonic current

表2 諧波電流分析Tab.2 Analysis of harmonic current

根據(jù)實(shí)際市場(chǎng)需求，結(jié)合先進(jìn)的控制方法，設(shè)計(jì)了一種大功率交流恒流源裝置，其優(yōu)點(diǎn)如下：優(yōu)化LCL濾波器的設(shè)計(jì)，抑制了系統(tǒng)諧振，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且大大降低了輸出電流的諧波含量；利用矢量控制以及電流前饋的方法，提高了裝置的調(diào)節(jié)速度和輸出精度；設(shè)計(jì)并聯(lián)均流方案，提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和帶載能力；可根據(jù)負(fù)載不同，選擇不同的工作模式，且恒流源的輸出特性不受負(fù)載的影響，提高了恒流源裝置的應(yīng)用范圍。

該大功率交流恒流源裝置具備鎖相功能，具有可擴(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)任意多相輸出的冗余設(shè)計(jì)，具有極高的實(shí)用價(jià)值。