新型交流电子负载并联技术研究

电力系统
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新型交流电子负载并联技术研究
"" 交流电子负载并 联 技 术 可 应 用 于 大 功 率 电 源 或 大 电 流 电源的检测 $ 提出一 种 新 的 前 端 电 压 型 # 后 端 电 流 型 混 合 变流器 & ’ 拓扑结构 # 并将其应 用 于交 流电子 负 @ $ EF/ $ 载并联运行中 # 前 端 采 用 电 流 滞 环 #"? 控 制 # 使 输 入 电 流为设定值 ( 后端采用 方 波 逆 变 以 及 电 流 移 相 多 重 叠 加 技 术 # 以低开关频率实 现 输 出 电 流 正 弦 化 # 降 低 了 开 关 损 耗 及输出电流谐波 $ 同 时 能 量 以 单 位 功 率 因 数 回 馈 电 网 # 仿 真结果验证了新拓扑及控制方法的正确性 $
关键词! ! " $ % & ’ ( # 电子负载 " 并联 " 移相多重化 " 能量回馈 "
控制 可 以 模 拟 各 种 特 性 的 负 载! 文 献 + , 给出了具体控制方法 " 5 现代社会 大 功 率 电 源 以 及 低 压 大 电 流电源的 需 求 增 加 ! 单 个 电 子 负 载 难 以 承受大电 流 或 大 功 率 ! 因 此 需 采 用 多 模 块并联的方 式 来 实 现 交 流 电 子 负 载 的 功 能 " 并联运行 不 仅 可 扩 大 系 统 容 量 ! 而 且易于实现模块化 ! 组成并联冗余系统 ! 提高运行 的 可 靠 性 " 本 文 提 出 了 一 种 新 的电压型 电 流 型 混 合 变 流 器 拓 扑 ! 并 将
其输出电流波形图如图 8 : 所示 "
图 )" 电压型电流型混合 & ’ 变流器拓扑 @ $ E G / $ -
各模块输出电流相位 相 错 $ ) 8 %! 可 表 达 (G’ 为式 % & ! 总电流表达式为式 % & ! 4
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8! # 13!!
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5 = 1 J % , & H < E( H < E1+ "2 % % 2! ’ ( $ 1 4 ’ % & !
电流移相多重 叠 加 法 就 是 将 % 个 输 出 电 流 为 方波的逆 变 器 依 次 移 开 一 个 相 同 的 相 位 角 ! 然 后 将输出端 并 联 叠 加 ! 得 到 逼 近 正 弦 波 的 阶 梯 波 输
, 3 出+ "图8 9为一 % 重 叠 加 的 单 相 电 流 型 逆 变 器 !
$ H! 各模 块 采 用 相 同 的 电 流 滞 环 控 制 ! 如 图 5 所
( ( 示! $ % 为各模块输入电 H 为电 流 设 定 值 ! 取 $ H)
流给 定 值 ! $ $ $ H !! H 4 ! 1! H % 为各模块输入电流的 反馈值 ! 它 们 与 参 考 电 流 的 差 值 经 过 滞 环 比 较 器 即可输出各模块整流环节的 0&7 信号 "
) * * + 年 4 月上 " 电力电气 "
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图 7"# 个电流型逆变器多重叠加的电路和波形
$ $ $ " / 1 % 2 1 3 6 " 6 6 0
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电力系统
%& ( ) $* ’ ! !"#$ " 并联电子 负 载 输 入 输 出 电 流 波 形 如 图 # 所 示 ! K Q # 由图 # 9
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" 电力电气 ") * * + 年第 ) , 卷第 + 期
新型交流电子负载并联技术研究
! " # $ %& ( ) $* ’ 电流谐波要求 " ) . 电流移相多重叠加原理
!
电力系统
电流纹波 " 电流型 逆 变 器 具 有 电 路 结 构 简 单 ! 对 负 载 适 应能力强 及 过 流 保 护 容 易 等 优 点 ! 但 其 缺 点 在 于 电路中开 关 器 件 的 作 用 仅 是 改 变 直 流 侧 电 流 的 流 通路径 ! 因此 交 流 侧 输 出 电 流 为 矩 形 波 ! 含 有 较 多的谐波 " 若 将 电 流 移 相 多 重 叠 加 运 用 于 并 联 的 电流型逆变 器 中 ! 其 缺 点 可 大 大 改 善 " 既 可 减 小 各模块开关 器 件 频 率 ! 降 低 开 关 损 耗 ! 又 可 满 足
郑书路 " 王明彦 !哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院
这种拓扑 应 用 于 电 子 负 载 并 联 运 行 中 ! 给 出 了 系 统 模 型 及 控 制 方 法" 在 7 ) 9 P R 9 : ‘ < D T R < E % 中进行 了 仿 真 ! 证 明 了 所 提 方 法 的正确性 "
传统交流电子负载
即输出总电流$ 的各次谐波分别为 各 模块 相应 次数 谐波之和 ! 当! 从 ! 变 换 到 % 时 !+ % 的 !?!& $ (, 值从 $ 以 $ ) ) 8 % 的步进变化到 % % ?!& 8! 则 (G’ ’ 的值有正有负 ! 各模块固定次 & , H < E1+ " ?% ’ !?! $ ( 数谐波相加 ! 相 互 抵 消 掉 一 部 分 ! 使 得 总 电 流 各 次谐波大大减小 " 7 . 控制方法 新型拓扑 中 前 级 整 流 环 节 精 确 控 制 输 入 电 流
5 1 , & "2 % H < E ’& = H < E1+ ’ !2! ( $ J ! & 8 !3! ’ 13!! 8! #1 % & 8 各次谐波的幅值为 5 1 , & % "2 % $ = H < E ’& H < E1+ ’ !2! ( $ 1& 3 J ! 1 8 !3! ’ % & 5
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5 1 , & H < E (& H < E1+ "2 % = ’ !2! ( $ 3 & J ! ’ 4! 13!! 8! #1 3! % & 4 式中 ! 1 代表谐 波 次 数 (% 代 表 电 流 叠 加 的 重 数 !
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( 为各模 块 电 流 脉 宽 ($ (为各模块电流错开的角 度 " 当脉宽(G! 时 4 $ i $3
仿真结果
为验证本 文 提 出 的 交 流 电 子 负 载 拓 扑 及 并 联 运行特性的正确性 ! 采 用 7 ) 9 P R 9 : ‘ < D T R < E %进行了 仿真 ! 仿真参数如下 $ 变 流 器 单 元 数 % G5! 被 测 ! 测试电流 电 压有效值为 4 4 $B! 频率 ? $K Q H 为# 其 中 ’G4 (各模块输入侧 电 阻 $ "% $ H < E’ ’ ? HG@ H& @H 6 # (! 电 感 A ! G 1 G@ H ! G 1 GA H % G$ H % G# B +! 直 流 侧 DK( 直流侧电容 B " $) J !G 1 G J % G5 电感 AJ AJ% G4 $ DK( 各 模 块 (#Z#1 三 相 !1 G 输出侧 电 阻 @W 6 # (! 电 感 AW ! G 1 G@ % G$ !G 1 W ) GAW% G!DK( 变 压 器 为 c c 联 结! 电 压 比 为 ! j !( 三相电网线电压有效值为8 @ $B! 频率? $ W 为#
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" 电力电气 ") * * + 年第 ) , 卷第 + 期
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! " # $ %& ( ) $* ’ 开关损耗也大大减小 "
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: 可以看出 ! 输入电流为设 定 值 ! 各 模块 电 流 为 总 ) 输入电流的 ! %" 图# I给出 (#Z#1 三相输出电 流波形 ! 输 出 电 流 为 方 波 叠 加 而 成 的 接 近 正 弦 的 阶梯波 ! 各模 块 电 流 错 开 相 同 角 度 ! 叠 加 效 果 良 好 " 图# J 给出 ( 相电流放大波形以及电网 ( 相电 压波形 ! 可以看到 电 流 以 单 位 功 率 因 数 回 馈 电 网 " 在滤波前电流总谐波失真度 )K’ 为 / 6 8 !g " 由于各 模 块 采 用 方 波 逆 变 ! 开 关 器 件 频 率 很 低 ! 与电网电压频率相同 ! 仅为 # " 而 传统 并 $K Q 联电子负 载 在 逆 变 环 节 采 用 电 压 电 流 双 闭 环 控 制 策略 ! 开关频率可 达 ! $% K Q以 上 ! 开 关 损 耗 要 大 得多 " 本文对传统 交 流 电 子 负 载 进 行 四 模 块 仿 真 ! 得到输出电 流 )K’ 为 / 6 @ #g ! 增 加 仿 真 模 块 时 ! 谐波不随 并 联 模 块 增 多 而 减 小 " 而 在 新 型 拓 扑 中 采用越多 的 模 块 ! 得 到 的 输 出 电 流 谐 波 将 越 小 " 仿真得 到 的 输 出 电 流 )K’ 随 并 联 模 块 数 % 的 变 化如图 3 所示 "
, # 电压的稳定 + "
"" 电子 负 载 是 利 用 电 力 电 子 技 术 # 计 算机控制技 术 及 电 力 系 统 自 动 化 技 术 设 计实现用于 对 各 种 电 源 进 行 考 核 的 实 验 装置 " 传统电 源 出 厂 性 能 测 试 多 采 用 电 阻 # 滑线变阻 器 及 电 阻 箱 等 充 当 测 试 负 载 ! 不仅不能满足对负载多方面的要求 ! 而且电能将 全 部 被 这 些 负 载 变 为 热 能 消 耗掉 ! 经济损 失 较 大 " 电 子 负 载 在 满 足 完成测试功 率 实 验 的 前 提 下 ! 将 待 试 设 备的输出能量反馈到电网 ! 节约了能源 "
图 5" 整流环节控制框图
后级逆变环节采用 ! 导 电 方 式 的 方 波 逆 变! 4 $ i 各模块的 三 相 在 正 负 半 周 均 输 出 ! 4 $ i方 波 ! 各 相 " 以图 4 中模块 ! 为例 !(#Z# 电流相位相差 ! 4 $ i 1 三相分别采用移相多重叠加输出电流 阶 梯 波 " 逆 变 环 节 开 关 的 导 通 顺 序 为 B) ! ! # B) ! 4 # B) ! 8# B) ! 5 #B) ! # 和 B) ! 3 " 为了控制 输 出 电 流 以 单 位 功 率因数回 馈 电 网 ! 需 在 电 网 侧 设 置 同 步 环 节 得 到 电网电压相位 ! 使总输出电流与电网电压同相 "
) ) 目前交流电子负载多 采用 ( 1 ’ 1 ( 1 双电压型变 流 结 构 ! 如 图 ! 所 示 ! 前 级 整 流环节精确 控 制 输 入 电 流 ! 使 电 子 负 载 对 被测电源 < H 呈现的阻抗为 设定 值 ! 采 用 电 流响应较 快 的 电 流 滞 环 控 制 " 后 级 逆 变 环 节采用电压电流双闭 环 控 制 输 出 电 流$ W 以 单位功率 因 数 回 馈 电 网 ! 并 保 证 中 间 直 流
新型交流电子负载并联技术
电子负载需 将 测 试 电 能 以 单 位 功 率 因 数返 回 电 网 ! 即 输 出 电 流 与 电 网 电 压 同 相 " 当多模块 并 联 时 ! 总 的 输 出 电 流 为 各 模块输出电 流 的 叠 加 " 电 流 移 相 多 重 叠 加 可实现单 模 块 开 关 频 率 低 ! 总 电 流 输 出 谐 波小 ! 所 以 本 文 提 出 了 一 种 前 端 电 压 型 ! 后端 电 流 型 混 合 变 流 器 % &结 B ‘ N?1 ‘ 2 构 ! 可控制各 模 块 输 出 电 流 为 方 波 ! 如 图 4 所示 " . 新型交流电子负载拓扑 图 4 中各模 块 前 级 采 用 单 相 全 桥 电 压 型整流器 ! 后 级 采 用 三 相 桥 式 电 流 型 逆 变 器将电能向 电 网 回 馈 " 输 出 侧 使 用 变 压 器 达到电气 隔 离 " 中 间 直 流 环 节 采 用 大 电 容 稳定直流电压 ! 并串联大电感以减小直流
郑书路 !硕Fra Baidu bibliotek研究生
图 -" 传统交流电子负载拓扑
文献 + !!4, 最 早 研 究 交 流 电 子 负 载! 主 要 用 于 不 间 断 电 源 % d E < E P = C * !d C T P = J0 M > = C‘ T 0 ‘& 的 老 化 放 R U U U Y 电实验 ! 所以 有 一 定 局 限 性 " 文 献 + 8, 提出了对各 种 交 流 电 源 都 适 用 的 电 子 负 载 ! 并指出通 过 对 试 验 电 源 输 出 电 流 的