張繼華，田 浩，陳忠華，王珂珂

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

線電壓調(diào)節(jié)器LVR（line voltage regulator）是通過(guò)大量串聯(lián)變壓器來(lái)向線路接入額外的控制電壓，這使得電路的電壓出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，電壓的傳輸效率和穩(wěn)定性受到影響，因此針對(duì)該問(wèn)題的研究具有現(xiàn)實(shí)意義[1-2]?；诳稍偕茉吹姆植际桨l(fā)電是我國(guó)能源利用可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)的重要組成部分，大力發(fā)展分布式能源的同時(shí)，關(guān)于如何提高電壓輸送效率和穩(wěn)定性是需要攻克的關(guān)鍵問(wèn)題[3-7]。

關(guān)于電能傳輸線路中電壓調(diào)節(jié)器的研究，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者針對(duì)電壓功率補(bǔ)償以及對(duì)降低諧波失真等做了大量的研究工作，但對(duì)于電壓的無(wú)極調(diào)節(jié)及實(shí)現(xiàn)高魯棒性尚未達(dá)到理想的效果。文獻(xiàn)[8-10]研究了動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器的方法及原理，通過(guò)補(bǔ)償電壓跌落相電壓及補(bǔ)償算法和控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；文獻(xiàn)[11-15]研究了電壓調(diào)節(jié)器對(duì)抑制電壓波動(dòng)、消除諧波畸變的建模與控制方法以及新型的改進(jìn)方法；文獻(xiàn)[16]研究了并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器采用電壓型變流器和雙向直流變換器電路結(jié)構(gòu)，利用超級(jí)電容作為直流側(cè)的儲(chǔ)能單元接入電網(wǎng)中，提高了電壓的穩(wěn)定性。

基于分布式能源供電，為改變控制電壓，本文設(shè)計(jì)一種新型的低壓電網(wǎng)線電壓調(diào)節(jié)器，該器件采用磁控電感MCI（magnetically controlled inductor）元件，省去開(kāi)關(guān)元件及其他運(yùn)動(dòng)部件的消耗，節(jié)約成本，也使得電壓在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)可以自由調(diào)動(dòng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高。并通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出模擬樣機(jī)的性能、工作原理以及對(duì)電壓的影響，可以實(shí)現(xiàn)電壓的無(wú)極調(diào)節(jié)，且具有高魯棒性的特點(diǎn)，使得該器件可以用于低壓電網(wǎng)電路的調(diào)節(jié)。

1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)置

LVR 提供相反的相位電壓以降低線路電壓，圖1 為饋線電壓對(duì)線電壓調(diào)節(jié)器的影響[17-18]。

圖1 LVR 工作原理Fig.1 Operating principle for LVR

基于目前的電網(wǎng)環(huán)境，低壓電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)器的主要目的是分布式能源電壓饋入時(shí)在通過(guò)饋送端升高的時(shí)候降低電壓有效值[19]。LVR 模型如圖2 所示。圖2（a）為該器件簡(jiǎn)化的單相模型。如圖2 所示，電流經(jīng)過(guò)器件模型從饋線側(cè)到變電站，一次繞組和串聯(lián)變壓器的磁控電感構(gòu)成該控制電路，該電路的電壓表達(dá)式為

式中：VF為電流未進(jìn)入電路之前的電流流入側(cè)與接地線之間電壓的差值；VP和VS分別為變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)電壓；VMCI為MCI 器件電壓；VG為電流流入電路后與接地線之間的電壓差值。

基于上述電壓方程的向量如圖2（b）所示，電壓根據(jù)MCI 的不同電感得出。從向量圖可以看出，MCI 的電感與電壓呈反比關(guān)系，電感L 減小，導(dǎo)致電壓VG上升。然而由于MCI 的電壓角變化與飽和效應(yīng)的關(guān)系，其電感的調(diào)整與饋線側(cè)的電壓VF不呈正比關(guān)系。

圖2 LVR 模型Fig.2 LVR model

1.1 磁控器件模型

LVR 器件的MCI 模型是由一個(gè)環(huán)形變壓器組成，匝數(shù)比N1/N2=1，鐵芯內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立的控制繞組，并垂直于主線圈。通過(guò)控制繞組流過(guò)的直流電使變壓器飽和。由于鐵芯飽和程度增加，主線圈電感隨之減小，所以主線圈的電感是通過(guò)改變控制電流的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3 為MCI 的模型及磁通方向。

圖3 MCI 模型建立Fig.3 Establishment of MCI model

1.2 電路模型

MCI 模型的三相電路與圖2（a）不同，原因是MCI 連接在相互連接的星形繞組中。其優(yōu)點(diǎn)是電壓VMCI被平均分配在2 個(gè)MCI 上，這種情況下可以使用一個(gè)更小的鐵芯，減少鐵損耗和材料成本，體現(xiàn)了開(kāi)發(fā)價(jià)值。圖4 為簡(jiǎn)化電路原理，串聯(lián)變壓器的匝數(shù)比為9.8。

圖4 簡(jiǎn)化電路原理Fig.4 Schematic of simplified circuit

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證該理論的有效性和樣機(jī)的工作原理、性能及其對(duì)電壓的影響，在實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Experimental platform

2 LVR 硬件測(cè)試

基于電路原理，對(duì)LVR 進(jìn)行建模。首先對(duì)串聯(lián)變壓器和MCI 進(jìn)行一般的建模，這樣就可以通過(guò)不同的連接變量以及不同的參數(shù)規(guī)格來(lái)設(shè)置幾種工作模式?；谧儔浩鞯臉?biāo)準(zhǔn)類(lèi)型進(jìn)行建模分析，變壓器模型如圖6 所示。如圖6（a）所示，標(biāo)準(zhǔn)變壓器模型包括初級(jí)線圈和次級(jí)線圈、繞組電阻R1和、漏感X1和以及鐵芯電阻RC和主電感Xm。為了能夠得到部分元件的阻抗，分別進(jìn)行了變壓器的短路和開(kāi)路測(cè)試，其模型如圖6（b）和（c）所示。

圖6 變壓器模型Fig.6 Transformer model

在一般情況下，線電壓調(diào)節(jié)器以及變壓器都工作在線性條件下，因此，標(biāo)準(zhǔn)模型能夠代替實(shí)際樣品。但如果MCI 被設(shè)置在飽和條件下工作，且依賴(lài)于控制電流的改變，則假定的標(biāo)準(zhǔn)模型是不夠的?；贛CI 模型樣機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，繞組電阻以及漏感都是線性的，與控制電流的變化沒(méi)有關(guān)系，所以MCI 的分支電路不能用無(wú)源元件來(lái)設(shè)計(jì)。因而建立了一種具有磁滯磁芯元件的磁路與電路連接，如圖7 所示。對(duì)于磁滯回路，基于Preisach模型使用Plecs 仿真，并由平滑函數(shù)表示?；诔C頑力HC、剩余磁力BR、飽和點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hsat、磁場(chǎng)密度，以及飽和磁導(dǎo)率μsat，生成一條磁滯曲線。圖7（b）為具有相關(guān)定義點(diǎn)的滯回曲線。磁路元件的主線圈和二次線圈的匝數(shù)為N1和N2，截面積為A，電路長(zhǎng)度為L(zhǎng)。

圖7 電路模型Fig.7 Circuit model

將MCI 模型與串聯(lián)變壓器模型連接，在設(shè)置所有參數(shù)之后，連接到三相電路，組成樣機(jī)模型，如圖4 所示。通過(guò)開(kāi)路試驗(yàn)和短路試驗(yàn)確定MCI 以及串聯(lián)變壓器的參數(shù)，并測(cè)量一次繞組和二次繞組的電壓和電流。對(duì)于MCI 模型，由于只有磁性電感MCI DC 端的控制電流這一非線性因素，所以要用不同的控制電流來(lái)測(cè)試。

3 MCI 飽和效應(yīng)研究

對(duì)于MCI 的分支電路，必須要進(jìn)行開(kāi)路測(cè)量?；贛CI 的電流和電壓，確定H-B 滯回曲線的公式為

式中：H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度；N 為匝數(shù)；l 為磁通路徑的平均長(zhǎng)度；I1為一次繞組電流；B 為磁通密度；A 為截面面積；V2為次級(jí)繞組上的電壓。N、l、A 是固定的指定組件參數(shù)，在不同控制電流的情況下需開(kāi)路測(cè)量I1和V2。

圖8 為不同控制電流選擇下的開(kāi)路滯回曲線。由于控制電流的磁效應(yīng)影響，能夠產(chǎn)生額外的磁通，使得磁芯在主繞組中以較低的磁通密度飽和。隨著提高磁路的控制電流，磁滯曲線被壓縮，總電感減小。

圖8 開(kāi)路滯回曲線Fig.8 Open-circuit hysteretic curve

圖8 中，電流由下至上依次為0、0.2、0.5 和0.8 A?；贖C和BR對(duì)應(yīng)的交叉點(diǎn)，確定了滯回曲線的定義點(diǎn)。又通過(guò)觀察曲線的斜率，確定了飽和點(diǎn)的Hsat和Bsat。飽和區(qū)的斜率與μsat相對(duì)應(yīng)，為了模擬不同情況下MCI 的工作性能，可以通過(guò)改變控制電流來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，產(chǎn)生不同的磁通密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓的無(wú)極調(diào)節(jié)，通過(guò)曲線擬合來(lái)計(jì)算控制電流與磁通密度之間的關(guān)系。

4 仿真驗(yàn)證測(cè)試

基于樣機(jī)的靜態(tài)特性，重點(diǎn)分析了該裝置的功能特性。饋線側(cè)相電壓固定在0.4 kA 之間，電網(wǎng)側(cè)連接2.8 Ω 的電力負(fù)載。模型輸入的這種設(shè)置會(huì)產(chǎn)生從饋線端到電網(wǎng)的電流，該電流取決于樣機(jī)的電壓變化，控制在80～95 A 之間。仿真及性能測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 仿真與測(cè)試結(jié)果Fig.9 Simulation and test result

圖9（a）為饋線電壓與電網(wǎng)側(cè)均方根電壓的變化，電壓的最大差量為19 V，電壓變化與控制不呈線性關(guān)系，所以在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)應(yīng)考慮到出現(xiàn)的電流的影響。圖9（b）為效率，由于MCI 電感降低，隨著控制電路中電流的增長(zhǎng)，效率隨控制電流的增加而減小。最后2 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是離群點(diǎn)，是由于測(cè)量期間饋線電壓的5 V 壓降引起的，最小效率約為98%。圖9（c）為饋線電壓與電網(wǎng)側(cè)電壓的夾角，當(dāng)設(shè)備打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，由于電壓相位之間的關(guān)系，這些電壓之間的電壓角會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能量傳輸效率下降，電壓角的差值隨控制電流的升高而減小。圖9（d）為電網(wǎng)側(cè)電壓的總諧波失真，饋線側(cè)電壓有1%的諧波失真，所以樣機(jī)主要增加了控制電流0.10～0.65 A 之間的失真?？梢宰⒁獾剑诖嬖谳^高的控制電流時(shí)MCI 的飽和效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鐵心完全飽和?？傊?，即使在最壞的情況下，樣機(jī)模型仍然存在1.9%的失真。

圖9 中，將模擬樣機(jī)的性能與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，當(dāng)控制電流大于0.3 A 時(shí)，模擬樣機(jī)中的電壓變化與測(cè)量值的差值約為2 V。仿真模型的效率比樣機(jī)的效率提高了1%以上，電壓偏角約為0.5°。一般情況下，總諧波失真在模擬和測(cè)量中會(huì)表現(xiàn)出相同的情況，建模樣機(jī)主要增加了控制電流在0.10～0.65 A 之間的失真。此外，總諧波失真值比測(cè)量值小1%，是因?yàn)槟M中的電網(wǎng)電壓是一個(gè)無(wú)失真的純正弦波。為了能夠更準(zhǔn)確地表達(dá)該模型，對(duì)圖2 所示的控制電路的電壓和電流進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。圖10 為控制電流0.3 A 的仿真結(jié)果。

由圖10 可得，不同的模擬和測(cè)量MCI 電壓VMCI之間的平均皮爾遜相關(guān)系數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算為0.953，這意味著存在著高度的線性相關(guān)性。由于Preisach 模型不能與MCI 的滯回曲線完全擬合，因而會(huì)出現(xiàn)偏差。由于寄生電路的影響，測(cè)量電壓比模擬電壓平滑得多。串聯(lián)變壓器的一次電壓VP平均皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.973，而模擬VP的峰值平均比測(cè)量值高10%。仿真結(jié)果表明，模擬電壓變化大于實(shí)測(cè)電壓變化，這種偏差產(chǎn)生的原因是MCI 電壓的誤差和對(duì)寄生電路影響的疏忽?；谏鲜鱿嗤脑?，由于控制電路電流IC存在偏差，所以該電路的皮爾遜相關(guān)系數(shù)取0.935。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該仿真模型具備足夠的精度來(lái)表示原型的性能。

圖10 仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results

5 結(jié)語(yǔ)

基于現(xiàn)在分布式能源中控制電壓的問(wèn)題，本文介紹了一種新型基于磁性電感元件的MCI，并根據(jù)該元件設(shè)計(jì)了三相工作電路，分析了其在靜態(tài)工作情況下的性能以及對(duì)電壓的影響。通過(guò)改變控制電流來(lái)改變MCI 磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而產(chǎn)生不同的磁通密度，實(shí)現(xiàn)電壓的無(wú)極調(diào)節(jié)；通過(guò)相關(guān)皮爾遜系數(shù)的計(jì)算結(jié)果及仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其高度穩(wěn)定性，使得該器件可以用于低壓電網(wǎng)電路的調(diào)節(jié)。仿真驗(yàn)證證明了其性能即電壓變化和效率達(dá)到了預(yù)期效果，具有電壓無(wú)極調(diào)節(jié)的功能和高魯棒性。然而其會(huì)對(duì)電壓質(zhì)量產(chǎn)生影響，即電壓夾角和諧波失真，為避免出現(xiàn)故障，在以后的設(shè)計(jì)中應(yīng)加以完善。