三相可逆不平衡電子負載裝置的設計與仿真?

王語園 惠亮亮 王江彬

（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，而且容易造成三相不平衡，設計一種三相可逆不平衡電子負荷模擬裝置來研究負載與電網的相互影響具有現實意義。

文獻［1］研究了平衡電子負載裝置主電路參數，文獻［2］研究了平衡電子負載裝置控制電路，文獻［3～5］研究了平衡電子負載模擬裝置在穩態、動態電阻、電容、電感狀態時的特性。本文文獻［1～5］的基礎上研究三相可逆不平衡電子負載模擬裝置，主電路結構如文獻［2］所示，本文重點研究控制電路。采用的控制策略［4］是基于雙dq 變換［5］的前饋解耦控制:使用對稱分量法將不平衡信號分解為正序、負序和零序，然后采用雙dq 變換分別對其進行控制。

2 三相可逆不平衡電子負荷模擬裝置的控制電路

圖1 是基于雙dq 變換的三相可逆不平衡負荷模擬裝置控制電路模型。根據功率指令值，計算電流指令值。將電流指令值和實際測量值分解為正序和負序。然后利用雙dq 變換將信號轉換為正序和負序dq 分量，分別對正序和負序進行前饋解耦控制。IGBT的通斷控制是通過雙dq反變換與三角波相比生成PWM信號送入逆變橋實現的。

圖1 三相可逆不平衡負荷模擬裝置的控制電路圖

2.1 對稱分量法

不對稱的任意三相向量A、B、C都能夠用三組對稱分量疊加來表示［6］:1）正序分量A˙1，B˙1，C˙1；2）負序分量A˙2，B˙2，C˙2；3）零序分量A˙0，B˙0，C˙0。即存在如下關系:

每一組對稱分量之間的關系為

式中，運算子a=ej120°，a=ej240°，且有1+a+a2=0，a3=1。

將式（2）代入式（1）可得:

式（3）中系數是非奇異矩陣，因此存在逆矩陣，就有

由式（4）可知，不對稱的任意電流或電壓相量，都可以用其電流或電壓的正序、負序、零序分量疊加表示。

2.2 雙dq變換

雙dq 變換就是將正序量和負序量分別由abc坐標系變換到dq0坐標系。

正序分量與三相不平衡量的關系式可表示為

其反變換式為

其中

對于負序分量，采用同樣的方法可以得到三相不平衡量的關系。

3 三相可逆不平衡電子負荷模擬裝置仿真參數

三相可逆不平衡電子負載模擬裝置仿真參數如表1 所示。三相可逆不平衡電子負荷模擬裝置的PI 參數與三相可逆平衡電子負荷模擬裝置的PI參數一致［2］。

4 三相可逆不平衡負荷模擬裝置仿真結果

運用Matlab/Simulink 仿真軟件對三相不平衡電子負載模擬裝置進行仿真［5～10］，仿真參數如表1所示。三相可逆不平衡電子負荷模擬裝置有接中線和不接中線兩種情況，下面對接中線的三相可逆不平衡電子負荷模擬裝置進行仿真實驗，不接中線的試驗方法與接中線的相同，在仿真模型里去掉中線即可。

表1 系統仿真所需參數表

接中線情況下，三相可逆不平衡電子負荷模擬裝置主電路包括直流電壓源、三相IGBT逆變橋、濾波電感、用以替代電網的電壓源、控制模塊和測量模塊，如圖2 所示，圖中N 表示中線?？刂颇K包括指令電流計算單元、有效值計算單元、基于雙dq變換的PI控制單元等，如圖3所示。仿真過程如下。

圖2 三相可逆不平衡電子負荷裝置接中線模擬裝置仿真模型

圖3 三相可逆不平衡電子負荷裝置的控制電路模型

圖4 a、b、c不平衡狀態下功率與電流的波形

2）電網電壓發生變動:當t=0.05 s 時，a 相電壓幅值發生變動，電網電壓有效值由原來的E0=220 V 增加7%，即E1=220+220×0.07=235.4 V；當t=0.1 s 時，b 相電壓初始相位發生變化，由原來的θ0=120°變為θ1=20°。三相可逆不平衡電子負荷模擬裝置主電路接中線模型輸出電流及輸出功率與指令電流和指令功率的關系如圖5所示。

圖5 電網電壓產生波動時逆變器輸出電流與功率波形

由圖4 仿真波形可知，負荷輸出電流與指令電流重合，各相功率的平均值均與給定功率重合，各相功率瞬時值在以給定值為中心作正弦波動，這說明該控制方法正確。從圖5 可以看出，在t=0.05 s時a 相的電網電壓幅值發生變動，輸出功率未發生變動，完全跟隨指令功率，該負荷模擬裝置對電網電壓幅值波動產生的干擾能夠消除；在t=0.1 s時b相電壓相位發生變動，a、b、c 三相輸出功率與給定功率存在一定的偏差，不能跟隨給定功率，該裝置不能消除因電網電壓相位發生變動而對其產生的干擾。

5 結語

基于雙dq 變換，設計了三相可逆不平衡電子負荷裝置的控制電路。搭建了基于Matlab/Simulink 仿真軟件的三相可逆不平衡電子負載裝置模型，并進行了仿真分析，經過仿真實驗表明設計的電子負荷模擬裝置可以成功的模擬不平衡負載，而且能量能夠模擬功率的雙向流動。