三相可逆平衡電子負載裝置的設計與仿真

王語園 徐志偉

（1.陜西鐵路工程職業技術學院 渭南 714000）（2.西安交通大學 西安 710049）

1 引言

在電力系統中，實際負載有很多類型，各種類型有著不同的特點，不同負載對電力系統的影響也各不一樣。研究不同類型負載與電力系統的相互作用對電網來說具有重要意義［1～4］。但是，采用實際各種類型負載作為研究對象很不經濟也不現實。設計一種可以代替實際負載的模擬裝置，通過對模擬裝置的研究來分析各種實際負載與電力系統的相互影響。

本文研究的三相平衡是指三相對稱，即電量三相幅值相等，相位互相差120°。三相可逆電子負載模擬裝置主電路結構采用雙PWM變流器，控制電路使用閉環控制，輸出功率的控制是通過控制逆變器輸出電流的幅值和相位來實現的，從而實現供電系統與負載之間功率雙向流動的模擬。

2 三相可逆平衡電子負載裝置主電路

采用雙PWM變流器結構的三相可逆平衡電子負載裝置主電路如圖1所示，可以實現功率的雙向流動。

圖1 三相可逆平衡電子負載裝置主電路

3 三相可逆平衡電子負載裝置的控制電路

三相可逆平衡電子負載裝置主電路如圖1所示，控制電路是其核心［2，6～9］?？刂齐娐芬怨β士刂茷槟繕?，達到功率雙向流動的目的。三相PWM輸出電流為控制參數，輸出電流與輸出功率的關系為

式（1）中，Pn為有功功率，Qn為無功功率，E為電網電壓有效值，θn為初相位，n為u、v、w相數。

在圖2中，P*，Q*為指令功率，i*作為指令電流。φ為同步角速度，由鎖相環PLL可以得出。

4 PI環設計

根據式（1），控制功率的控制電路可轉換為控制電流的控制電路［3］。電網電壓已知，只要控制三相可逆平衡電子負載模擬裝置的輸出電流即可控制該負載裝置的輸出功率。顯然，圖2即以電流控制為核心建立的控制模型。

圖2 三相可逆平衡電子負載裝置的控制電路

控制環節核心部分是PI環，電流調節器通過id電流環來說明，已解耦的id電流環結構［4］如圖3所示。

圖3 電流環id的PI簡化結構

其中，R為線路阻抗；L為輸出濾波電感；KiP為比例常數；KiI為積分常數。

根據圖3給出的簡化結構寫出系統開環傳遞函數

閉環傳遞函數為

則PI參數有

5 控制電路參數的計算

5.1 三相可逆平衡負載模擬裝置控制電路參數的計算

三相平衡負載模擬裝置已知參數為模擬電子負載容量取6kVA，電網輸出220V相電壓，工頻50Hz，且為三相正弦交流電。取電感參數為4mH，IGBT的開關頻率為10kHz，線路阻抗R取0.05Ω，控制電路參數主要是PI參數：KiP，KiI。

對于閉環傳遞函數為一個含有濾波參數的系統，采用SPWM調制方式［5～6］，轉折頻率選擇為開關頻率的 1/10［7～8，10～13］，則系統對開關函數及其倍頻附近的諧波具有明顯的衰減作用［9～10］。本文開關頻率為10kHz，則轉折頻率為 fc=1000Hz，則閉環時間常數為 Tc=1 ωc=1 2πfc。

KiP，KiI根據式（4），（5）計算可得

5.2 仿真參數

仿真參數是電路模型仿真的基礎，三相可逆不平衡電子負載模擬裝置的仿真參數具體如表1所示。

表1 系統仿真所需參數表

6 三相可逆平衡電子負載裝置的仿真

本文運用Matlab/Simulink仿真軟件進行仿真［14～16］。仿真參數如表1所示。系統仿真模型由指令電流模塊、控制系統模塊、電壓有效值模塊、主電路模塊和測量模塊等組成，如圖4所示。指令電流計算模塊是按照式（1）來搭建，控制模塊如圖5所示。該系統分別將指令電流ia*，ib*，ic*和實測電流ia，ib，ic以及輸出電壓ea，eb，ec由三相靜止坐標系abc轉換到三相dq0旋轉坐標系，在d，q，0軸分別進行PI控制，再進行反變換從三相旋轉坐標系dq0轉換到三相abc靜止坐標系，最后與三角波進行比較形成PWM脈沖來控制IGBT的導通與關斷。

1）當t=0s時，設定指令功率為P=6kW，Q=0kvar；在t=0.085s時，P=-6kW，逆變器輸出波形如圖6所示。由圖6可知，t=0.085s時，同相位的電壓和電流波形突然改變，突變成反相位，并且有功功率跟隨設定值的改變同時發生改變，但是Q值仍然為0kvar。

圖4 三相平衡負載模擬裝置系統仿真圖

圖5 三相平衡負載模擬裝置控制模塊

圖6 有功功率給定突變時的系統響應

2）當t=0s時，設定指令功率為Q=6kvar，P=0kW；在 t=0.085s時，Q=-6kvar，逆變器輸出波形如圖7所示。由圖7可知，在t=0.085s時，電流超前電壓90°，突變為電壓超前電流90?，并且無功功率跟隨設定值的變化而變化，但是P值仍然為0kW。

3）當t=0s時，設定指令功率為 P=3kW，Q=-3kvar，t=0.085s時，P=-3kW，t=0.1s時Q=2kvar，逆變器輸出波形如圖8所示。由圖8可知，在t=0.085s時，有很短的動態過程，輸出電流出現改變。在t=0.1s時，輸出電流相位從超前成為滯后，大小同時也發生改變，并且P、Q由于設定值改變也跟隨改變。

4）當t=0s時，設定指令功率為 P=3sin(ωt)kW，Q=0kvar，t=0.085s時，P=3sin(ωt+π)kW，逆變器輸出波形如圖9所示。由圖9可知，在t=0.085s時，輸出電流與電壓的相位由同相位突然變為反相位，并且P由于設定值改變也跟隨改變，但是Q值仍然為0kvar。

圖7 無功功率給定突變時的系統響應

圖8 有功功率和無功功率給定突變時的系統響應

三相可逆平衡電子負載裝置的電流和功率仿真波形如圖6～圖9所示，圖6～圖9為a相功率與電流波形圖。

由圖6～圖9可知，三相可逆平衡電子負載模擬裝置輸出電流和輸出功率都跟隨了指令值，在1/4周期內都完成了跟蹤任務。雖然負載輸出電流與輸出功率超調量、諧波比較大，但實現了能量的雙向流動。

圖9 有功功率給定突變時的系統響應

7 結語

建立基于Matlab/Simulink仿真平臺的三相電子負載裝置仿真模型，通過對所設計的三相可逆平衡電子負載裝置的仿真實驗，證明了本設計方案的可行性。該設計方案可以應用于各種平衡負載的實驗研究，具有廣泛的適應性，同時為不平衡負載的實驗研究提供了參考。