變頻器測試用模擬電子負載設計研究及仿真驗證

吳跨宇，蔡慧，盧岑岑，閻晗

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.中國計量學院機電工程學院，杭州310018）

發電技術

變頻器測試用模擬電子負載設計研究及仿真驗證

吳跨宇1，蔡慧2，盧岑岑1，閻晗2

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.中國計量學院機電工程學院，杭州310018）

為了進行變頻器高低電壓穿越能力等相關測試，在簡單闡述一種基于電力電子全控器件、用于模擬負載電動機特性的變頻器電子負載設計方法及控制策略的基礎上，通過理論分析給出了最低輸出頻率和后置變壓器變比之間的關系，通過仿真驗證了該電子負載在不小于最低輸出頻率的情況下，能夠實現在變頻器變頻時保持輸出電流基本不變的特性。對高、低電壓穿越過程中的變頻器模擬負載適用性進行了研究，針對低壓穿越問題給出了一種合理的有功電流給定策略，通過仿真驗證了電子負載能滿足高低壓穿越測試的負載要求。

并網逆變器；變頻器；電子負載；電壓穿越

0 引言

隨著生產工藝的需要和節能環保觀念的不斷加強，交流變頻器在火力發電廠汽輪發電機組的輔機上得到了大量的應用。在實驗室中對變頻器進行各種試驗時，從經濟和節能的角度考慮，往往不可能讓變頻器直接帶上真正的負載，于是便出現了變頻器負載模擬試驗系統的概念[1]。所謂變頻器負載模擬試驗系統，是指在實驗條件下構造與真實環境相同的半實物仿真系統。負載模擬系統對變頻器的測試而言，具有節約研發成本、縮短研發周期、減少實驗次數、提高工作效率等優點[2]。

為檢驗變頻器及其附加電壓支撐裝置后的高、低壓穿越能力等運行性能是否符合相關規范要求，需要開展相應的特性測試。在此背景下，設計了一種以并網逆變器為核心部件的變頻器測試用電子負載模擬系統，該電子負載可以提供可調的工作電流來模擬電動機及其機械負載的特性，可以連續加載且易于控制，具有較好的實用性。本文對其適用性進行了驗證，尤其是對適用于變頻器高低電壓穿越能力測試要求的關鍵技術問題進行了仿真驗證。

1 電子負載設計

1.1 基于并網逆變器的電子負載

設計的基于并網逆變器的變頻器電子負載，如圖1所示。該電子負載的主電路結構依次是前置變壓器、不控整流器、中間直流電容、逆變器、濾波器和后置變壓器。其中2個變壓器具有隔離功能，變頻器、逆變器、電網三者之間的隔離使系統的安全性得到提高并簡化了設計。圖1中三相并網逆變器的輸出電流與電網電壓同頻同相，以實現功率因數為1。核心部件是三相并網逆變器，因此可稱之為變頻器的并網逆變器負載[3－4]。

圖1 變頻器電子負載結構

由于電力電子裝置的時間常數小，響應速度快，所以并網逆變器負載能快速模擬變頻器的負載特性。另外，并網逆變器負載也很容易提高功率等級，滿足大功率變頻器的測試要求。

1.2 門檻電壓

如圖1所示，一般三相并網逆變器由全橋IGBT電路構成，輸出接濾波器，通過隔離變壓器并網[5]。

如果并網逆變器要輸出確定數值的線電壓，要求其輸入直流電壓需大于某個門檻值UdT，否則逆變器無法向電網輸出期望功率。

考慮功率器件的損耗和電感的壓降（輸出功率越大，電感上的壓降越大），可取門檻電壓

UT2l是后置變壓器的二次側線電壓，k一般大于1。例如k=1.15，UT2l=380 V時，UdT≈618 V。

一般變頻器輸出線電壓最大值Usm=380 V，經不控整流以后，直流電容C2兩端最大電壓為Udm≈510 V，這顯然小于使逆變器輸出380 V線電壓的輸入門檻電壓UdT。為此有2種解決方法：一是前置變壓器升壓，升高變頻器的輸出電壓，這要提高后續器件的耐壓要求；二是后置變壓器降壓，降低并網逆變器的輸出電壓。顯然，第二種方法比較合理。

取前置變壓器的變比KT1=1。設后置變壓器的變比為KT2，電網線電壓是Us=380 V，則有：

因此C2電壓允許的變化范圍：

由于變頻器輸出電壓與C2電壓的關系成正比，與頻率設定指令基本上成正比，所以頻率的變化范圍：

因此可以得到最小給定頻率：

以上分析結果表明，變頻器頻率在fmin和fN之間變化時，并網逆變器調制系數m＜1，能輸出期望功率。

如果取fmin=30 Hz，那么由式（6）可算得KT2≈0.5，此時UT2l=190 V，UdT≈310 V。在式（6）其它參數不變的情況下，fmin和KT2成正比。這種設計可降低并網逆變器的電壓承受能力，節省成本。

2 并網逆變器的控制策略

并網逆變器有不同的控制策略，如直接功率控制、預測控制等[6]。圖2給出了一種三相并網逆變器的控制策略，采用兩相旋轉坐標系中基于PI調節器的電流單閉環控制策略?？芍苯釉O置有功電流和無功電流并分別采用PI調節，為使功率因數為1，一般無功電流給定設為0。將通過電流PI調節器，最后得到Vd和Vq信號，經dq－abc反坐標變換。這樣的目的是使外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步，準確地控制逆變器[7]。

圖2 三相逆變器的控制策略

在變頻器接實際電動機拖動恒轉矩負載的情況下，變頻時電壓和頻率基本同比例變化（不考慮低頻情況），電動機轉矩不變，電動機的功率：

式中：Te為轉矩；ω1為電源頻率；np為電動機極對數。

功率也與頻率同比例變化，當模擬電子負載設定為恒轉矩的情況下，其核心部件并網逆變器的輸出功率：

逆變器輸出電壓為Uinv，電流為Iinv；Uinv=UT2l是不變的，cosφ=1。假設實際電流Iinv能很快跟隨有功電流的變化，則有：

對比變頻器分別拖動異步電動機和電子負載，可知變頻時電子負載的這種控制策略能夠模擬實際電動機的功率變化。變頻器的輸出功率即并網逆變器負載的輸入功率，輸入功率和輸出功率保持準同步變化，能夠維持變頻時變頻器的輸出電流基本不變。

3 仿真驗證

3.1 恒轉矩負載仿真

仿真驗證電子負載能否模擬實際電動機。仿真中取電網線電壓380 V，并網逆變器C2=12 000 μF。變頻器上電限流電路Rst1=5 Ω，Tr1=0.2 s；逆變器上電限流電路Rst2=12.5 Ω，Tr2=0.35 s。LC濾波器電感500 μH，電容30 μF，電容串聯1 Ω電阻。并網逆變器功率50 kW，輸出電壓即UT2l=190 V。后置變壓器0.5；PI調節器1參數：KP1=0.5，KI1=2，PI調節器2參數：KP2=0.01，KI2=3。

變頻器頻率從50 Hz變化到30 Hz時仿真結果如圖3所示，逆變器的電流隨頻率變化而變??；變頻器的電流（幅值）在變頻結束后維持不變，和穩態值相比略有減少，中間過渡過程變化較大。圖4是采用實際電動機（功率等級和逆變器負載不同）拖動負載的仿真，對比兩圖可以發現，兩圖的變化趨勢一致，證明采用上文的控制策略是正確的。

圖3 變頻器接電子負載變頻時的波形

圖4 變頻器接電動機變頻時的波形

對頻率在基頻以上變化的情況也分別進行了2種負載的仿真對比，同樣證明了上文結論的正確性。

在負載波動而不需要變頻的情況下，直接輸入相應的波動給定信號給即可；如果需要過載過流信號，也直接通過設置。對這些情況也進行了仿真驗證，結果證明是可行的。

3.2 減轉矩負載仿真

除了以上提到的恒轉矩負載，風機與泵類二次方減轉矩負載也是比較常見的，這類負載具有良好的節能效果。其轉矩TL與轉速N成二次方的關系，即TL∝N2；功率P與轉速N成三次方關系即P∝N3。

由N=60 f/p，可得功率P與頻率的關系：

假設變頻器輸出至電子負載過程中功率損耗為0，則有：

因此，取82kf3作為的給定信號，取k= 1/（82×503），轉速在2 s時由1 500 r/min變為900 r/min，即：頻率由50 Hz變為30 Hz，仿真波形如圖5所示。

圖5 變頻器拖動減轉矩電子負載時的仿真波形

從圖5可見，逆變器電流與變頻器頻率保持同樣的下降趨勢，數值上始終保持關系，即TL∝N2，說明電子負載可以模擬風機、泵類減轉矩負載。

4 變頻器高低壓穿越時并網逆變器的運行研究

4.1 變頻器高低壓穿越測試要求

為了保障電網故障和廠用電內部故障時一類輔機變頻器的持續在線穩定運行能力，提升發電機組及所在電網安全穩定水平，對發電廠的一類輔機變頻器高、低電壓運行能力提出了要求。

相應開展的檢測測試工作也主要圍繞變頻器在高低電壓下的運行特性開展，變頻器的電子負載在變頻器高低電壓2種特殊運行工況下應能穩定運行，并提供相應的可控模擬負載能力。限于篇幅，此處只以恒轉矩負載為例，討論電子負載在變頻器高低壓穿越情況下的運行情況。

4.2 變頻器高壓運行

在模擬變頻器高壓故障的仿真時，設置變頻器功率為50 kW，頻率保持50 Hz，輸入電壓在2 s時突升1.3倍。當其拖動恒轉矩異步電動機時，仿真波形如圖6所示，由于輸出轉矩不變，直流母線電壓隨輸入電壓的升高而升高，鑒于變頻器自身具有調節能力，其電流輸出基本不變。同理，用本文設計的電子負載代替電動機進行仿真，波形如圖7所示，拖動電子負載的變頻器輸出電流基本恒定，總功率變化不大，直流母線電壓變化趨勢與電動機作為負載時的變化趨勢一致，說明電子負載可以滿足變頻器電壓突然增大的測試要求。

圖6 變頻器拖動電動機高壓運行時的仿真波形

圖7 變頻器拖動電子負載高壓運行時的仿真波形

顯然，隨著電壓升高，變頻器調節能力有限性將導致輸出電壓也隨之升高，這時負載將處于過壓運行狀態，實際電子負載設計時需要考慮負載功率器件的耐壓問題，此外，電子負載的輸出電流是根據測試負載大小設定的，若突然電壓升高，而給定的輸出轉矩不變，將導致電子負載直流母線上的電壓也升高，若超過規定值則需要進行卸荷處理[8]。

4.3 變頻器低壓運行

為模擬變頻器的低壓運行情況，令變頻器的輸入電壓在2 s時突降為原電壓的0.6倍。當變頻器拖動電動機時，仿真波形如圖8所示，對于電壓突然降低的變頻器系統，電壓越低，磁通減小，變頻器輸出電流將越大[9]。

圖8 變頻器拖動電動機低壓運行時的仿真波形

現用電子負載代替電動機進行仿真，波形如圖9所示，變頻器直流母線電壓隨輸入電壓減小而減小，同時，輸出功率不變，電流隨之增大。但是，此電流只是從功率角度考慮，并沒有模擬出由于磁通減小引起定子電流增大的那部分電流。為解決這個問題，給出一種新的有功電流給定策略：根據電動機低壓穿越時，磁通減小引起輸出電流增大的特性，將變頻器的輸出電壓取反比再標幺化處理，作為電子負載的參考電流。通過這樣的控制方式進行仿真，波形如圖10所示，隨著電壓減小，變頻器和逆變器的電流均成倍增大，符合變頻器測試要求。

圖9 變頻器拖動電子負載低壓運行時的仿真波形（a）

圖10 變頻器拖動電子負載低壓運行時的仿真波形（b）

同理，在穩態穿越區時，讓變頻器輸入電壓突降至0.9倍額定電壓，電子負載也能代替電動機，達到預期效果。在實際的電子負載設計時，由于低壓穿越電流成倍增長，電子負載的器件流過最大電流要求要與變頻器測試相對應。

4.4 變頻器電壓短時驟降運行

令變頻器的輸入電壓在2 s時突降為原電壓的0.2倍，持續0.5 s再恢復原值，模擬變頻器暫態穿越情況。在電壓突降期間同樣將變頻器的輸出電壓標幺化后處理，作為電子負載的參考電流；突降結束后，參考電流恢復為原來的設定值。比較變頻器分別接電動機和電子負載的仿真波形，如圖11、圖12所示?？芍?，2種情況下直流母線電壓都會降低到原來的20%左右。當變頻器檢測到母線電壓值低于某個閾值后，變頻器就會因母線欠壓故障自動保護停機。變頻器低壓穿越測試的主要目的是檢測在電壓穿越過程中，變頻器是否會保護停機，對于這個要求，電子負載和電動機情形基本一致。

圖11 變頻器拖動電動機電壓驟降時的仿真波形

圖12 變頻器拖動電子負載電壓驟降時的仿真波形

在輸入電壓恢復為額定值后，兩者都有沖擊電流的產生，雖然電子負載產生沖擊電流的時間略滯后，但兩者對變頻器運行影響相同。

綜上，設計的變頻器電子負載可以模擬電動機負載，有效運用于變頻器高低壓穿越等各種工況測試中。同時，能夠承載變頻器在高低壓穿越時帶來的影響，在實現基本功能的同時保護自身安全。

5 結論

針對以并網逆變器為核心的變頻器測試用電子負載方案，分析了并網逆變器負載的門檻電壓問題，在一定頻率變化范圍內可以模擬不同類型的負載特性。并網逆變器負載采用兩相旋轉坐標系中基于PI調節器的電流單閉環控制策略，通過大量仿真驗證了電子負載的可行性，具備模擬電動機負載的能力。針對低壓穿越問題，為使電子負載更加接近實際電動機的效果，給出了一種合理的有功電流給定策略。

相比傳統變頻器測試裝置，并網逆變器負載能有效地將變頻器測試的剩余能量回饋給電網，具有控制靈活、設備簡單、成本較低等諸多優點，適用于變頻器各種運行特性的測試。

[1]馬志偉.基于直驅電機的電動負載模擬系統研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[2]王斌.變頻器模擬負載試驗系統的設計[J].變頻器世界，2013（1）∶101－102.

[3]陳麗林.高壓變頻器試驗系統的負載模擬[D].武漢：華中科技大學，2007.

[4]于峰昌.能饋型電子負載研究[D].長沙：中南大學，2008.

[5]魏星.基于LCL濾波器的三相并網逆變器的研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[6]胡雪峰，韋徵，陳軼涵，等.LCL濾波并網逆變器的控制策略[J].中國電機工程學報，2012（27）∶142－148.

[7]邱燕.三相并網逆變器濾波及鎖相技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[8]葉雙，郭耀華.變頻器在電機測試平臺的應用[J].電機與控制應用，2007（7）∶54－56.

[9]張志剛.變頻器欠壓故障分析及其處理措施[J].民營科技，2015（8）∶34.

（本文編輯：楊勇）

參考文獻的作用

參考文獻是為撰寫論著而引用的有關圖書資料，是學術專著、論文的重要組成部分。參考文獻反映研究工作的背景和依據，表明作者尊重他人研究成果的嚴肅態度，向讀者提供有關信息的出處，參考文獻還是對期刊論文引文進行統計和分析的重要信息源之一。

參考文獻的引用，反映了論著作者具有科學的態度，論著具有真實、廣泛的科學依據，說明文章所引用的論點、資料和數據均有出處可查，表明了作者對某一科學技術領域研究的深度和廣度。

科學技術以及科學技術研究工作都具有繼承性，大多研究成果是對前人研究的一種深化和拓展。著錄引用參考文獻是論著作者對他人勞動成果的尊重和肯定，還免除了抄襲或剽竊的嫌疑。

在科技論文中，作者引用或借鑒別人的方法和觀點來佐證自己將要展開的論點時，如果把所涉及的內容全部錄入，容易造成論文內容繁瑣、重點不明。正確列出相關的參考文獻，不必大段抄錄原文，只摘引其中最重要的觀點與數據，可以大大節約論文的篇幅。

編輯部摘編

Design and Simulation Verification of Electronic Analog Load for Frequency Converter Test System

WU Kuayu1，CAI Hui2，LU Cencen1，YAN Han2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

In order for tests such as high and low voltage ride through capabilities of frequency converter,the paper elaborates on a design method and control strategy of electronic analog load for frequency converter used for simulating load motor characteristics based on full control type power electronic device.By theoretical analysis，the paper presents the relationship between minimum output power and transformation ratio of rear transformer；through simulation,it demonstrates that the output current almost keeps unchanged during frequency conversion with the electronic load not lower than the minimum output power.The paper conducts applicability research of analog load for frequency converter during high and low voltage ride through，according to which it presents a reasonable given strategy of active current.It is demonstrated through simulation that electronic load can meet the load requirement of low voltage ride through test.

grid-connected inverter；frequency converter；electronic load；voltage ride through

TM344.6

：A

：1007-1881（2016）04-0035-06

2016-01-08

吳跨宇（1979），男，高級工程師，從事發電機勵磁、網源協調和電力系統分析工作。