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随着电力电子设备在电力系统中的大量使用,非线性负载造成的谐波问题日益严重。各种电能质量监测、计量仪器及电能质量补偿装置应运而生。如何对这些电能质量监测、计量仪器或电能质量补偿装置进行标准、快速的测试显得极为迫切。传统负载模拟装置采用功率电阻、整流桥等无源器件,装置能耗高、调节不灵活,且加剧了电网侧的谐波污染。
本文提出了一种能量回馈型负载模拟装置,该装置采用双PWM电压型功率变换器形成背靠背的拓扑结构,即由负载模拟变换器和能量回馈变换器构成。负载模拟变换器完成模拟多种线性、非线性负载的任务,能量回馈变换器负责直流侧电压调节并补偿负载模拟变换器工作过程中产生的无功电流和谐波电流,使电网只需向整套装置提供极小的有功电流。装置控制系统由PC上位机和控制电路板组成,PC上位机进行负载类型选择,控制装置的启停,控制电路板主要完成具体的指令电流跟踪控制。
文章分析了阻感、阻容型整流桥以及交流调压型非线性负载的工作过程,根据理论推导得到工作波形,应用FFT(快速傅里叶变换)技术进行谐波特性分析,为馈能式非线性负载模拟装置的研究提供了理论基础。
由于该装置的基本单元是电压型功率变换器(VSC),因此本文建立了VSC的数学模型,推导出不同开关状态下对应的交流侧输出电压。根据VSC稳态工作时的向量图,分析了各种功率因数下的工作状态,确定了工作范围。依据脉宽调制成功的条件,确定了VSC直流侧电压水平,根据装置容量水平确定了电容值。VSC交流侧电流滤波器性能是影响模拟效果的一个指标,为了有效抑制高频电流成分,装置采用LCL滤波器,文章对LCL滤波器进行了详细参数设计和性能分析。从稳态工作和电流跟踪角度确定了电感总量的取值范围,再根据装置容量和LCL谐振频率确定了滤波电容和阻尼电阻的取值。建立了LCL电路模型,从伯德图上对比了LCL和L滤波器对高频信号的衰减能力。此外,LCL的谐振特性使得VSC交流侧电流和网侧电流存在偏差,文中提出一种基于LCL传递函数的指令电流修正方法,解决了模拟电流失真的问题。
本文还对VSC的常见的电流跟踪控制方法进行了对比。电流滞环跟踪控制模拟效果较好,但不适用于数字控制,而用于数字控制的定频滞环模拟效果较差;在对基于载波技术的PI控制的研究中,将LCL滤波器简化为L滤波,采用工程化的设计方法进行参数整定,并进行了稳定性分析,但这种电流跟踪方法受限于PI控制器的带宽,对高频电流无法跟踪;无差拍控制解决了带宽问题,但是控制上存在采样和计算延时,电流跟踪误差较大。为了降低控制误差,文中提出了一种基于采样电流反馈预测的无差拍控制方法,这种方法提高了时间利用率并且提高了控制精度。
直流电压控制是装置稳定工作的重要环节,本文采用移动平均滤波器对直流电压滤波,它对基波及倍频信号有很强的抑制作用。直流电压调节采用无静差的PI控制器,PI参数仍用工程化的方法进行整定。为解决电压超调量过大的问题,文中提出采用积分清零的策略,即在电压上升至稳态目标+静差值时对积分清零,从而抑制超调。
本文的控制方法和参数均在Simulink软件里进行了仿真验证。同时,开发了一套完整的控制系统,并搭建了一台50A的馈能式非线性负载模拟装置,在该装置上模拟了多种负载情况。装置运行稳定、模拟效果较好,为开展电能质量后续研究工作奠定了基础。