高压变频器无扰同步启动功能的应用

引言

相比于传统电力变压器,电力电子变压器具有以下优点:(1)重量轻,体积小,没有环境污染:(2)功率因数可调节:(3)工作状态下可保持副边或用户端幅值恒定,不受负载干扰:(4)变压器高度可控,原副边的电压/电流可控,幅值/相位均可调:(5)变压器添加了智能控制单元,可对其本身进行自检测、自诊断、自保护、自恢复,提高了安全可靠性,同时也能实现变压器状态变压或控制联网通信:(6)添入断路器,大功率的电力电子器件故障时可以瞬时关断故障电流,省去了常规变压器的继电保护装置。电力电子变压器不仅具备传统变压器的功能,实现电压等级的变换和电气隔离,更能实现电压的自动调节,灵活变换相序和相数,在供电类型上能够同时输出交流电和直流电,因而得到了广泛研究。

本文基于交一直一交型电力电子变压器,在了解其基本结构和工作原理之后,建立数学模型进行分析。为实现宽范围输入电压,设计电路结构和各级控制策略,并在Simu1ink仿真环境中搭建了仿真模型,通过仿真研究电力电子变压器的电压输入范围。

1电力电子变压器的数学建模

本文研究的是交一直一交型电力电子变压器,如图1所示,其三级结构从左往右分别为输入级、隔离级、输出级。原方三相交流电经输入级整流后进入隔离级,经隔离级高频调制再由高频变压器耦合到副方,解调后进入输出级,经输出级逆变调制供给负载。

若高频变压器漏感可以忽略,并在建立电力电子变压器数学模型时做如下假设:

(1)输出三相正弦电压且电压对称:

(2)电力电子变换器和高频变压器的损耗很小,可以忽略:

(3)电力电子变换器动态特性足够快。

简化电力电子变压器电路,如图2所示。

由图2可以列出电力电子变压器的动态微分方程,过程如下:

设us和u1之间的电阻为R,则电感L和电阻R两端电压满足:

同理:

与us和u1类似,uo和uL满足:

对于中间电容建立基尔霍夫电流方程可得:

电路中输入电容的功率为电容消耗功率与输出功率之和:

其中,

式中,C2为输入级的滤波电容:C2为输出级的滤波电容。若输入电压为:

设电力电子变压器输入级电压源变换器正弦波的调制比与调制角为m+、9+,则α+处电压为:

对应的m2、92为输出级变换器正弦波的调制比与调制角,则α+处电压为:

2宽范围电力电子变压器各级控制策略

2.1输入环节控制分析

图3所示为三相全控oPM整流电路。交流电经阻感元件进入三相桥,T+~T6为六个反并联二极管的全控型器件,三相电经其整流后由电容C进行滤波以得到平稳的直流电。

若三相交流电源输入电压为:

式中,Vs为交流电源相电压的有效值。

设。为Is滞后Vs的角度,即功率因数角,o为Vi滞后于Vs的角度,则交流电流表达式为:

式中,Is为交流电源输入三相桥电流的有效值。

同样,三相桥交流输入侧的相电压表达式为:

式中,Vi为交流侧相电压有效值。

由图3可以列出电压Vs和Vi之间的电压、电流矢量方程:

其中,电抗X=æL。

根据式(++)~(+4)和图3可以得到电压一电流矢量关系图如图4所示,图中横轴为d轴,纵轴为g轴。

对Vi矢量分解到d、g轴上可得两轴分量用Ia、Iq表示的数学表达式:

为了简化模型,可以忽略电阻R,则上述Vi的d、g轴分量表达式变为:

电流Is在d轴的分量为有功电流,在g轴的分量为无功电流,Ia、Iq的表达式为:

因为复功率s=Vs·Is,故:Is=Ia-jIq,那么Is*=IadjIq。因此:

根据以上各式,也可得出有功功率和无功功率的表达式:

由上可知,当。为正时,即Is滞后于Vs,Iq为正,从而可以得到无功功率0为正,0>0表示交流电源向三相桥输入滞后的无功功率,也可以称为感性无功功率:反之。为负,Is超前于Vs,Iq和0均为负,电源输出超前的无功功率或称容性无功功率。

而当r为正时,即Vi滞后于Vs,由式(22)可知Ia为正,则有功功率P为正,P>0表示交流电源向负载提供功率,电路此时处于整流状态:反之r为负,同样可推得Ia和P均为负,P<0表示三相桥向交流电源输入功率,此时电路工作在逆变状态。这就是能量的双向流动。

综上可知,为了得到稳定的直流输出电压V+,需控制电源有功功率输入P,而P的控制则是需要控制三相桥交流侧电压Vi的大小和Vi相对三相电源电压Vs的相位r。因此,如果保持三相交流电压Vs的三相为相位互差2o/3的正弦波,那么只要控制Vi的大小和相位就能控制输出电压Vo,此电力电子变换器就是一个理想的交直双向功率变换器。

2.2隔离环节

传统变压器投入使用时可以实现电压等级的变换和电气隔离,电力电子变压器的隔离环节在一定程度上就是传统变压器的体现。

三相交流电在输入级经电力电子变换器(本文采用的是电压源变换器)整流后变为直流电,而直流电无法直接通过高频变压器,这里必须先用高频变换器对直流电进行调制,将其变为高频交流电,然后由变压器耦合到副方后再还原为直流电,作为下一环节的输入。

图5是电力电子变压器隔离环节的电路结构,进入的输入级直流电经单相全桥变换器变为高频信号,中间变压器环节采用的是高频变压器,电路左侧依然是单相全桥变换器,负责将耦合到副方的高频信号转换为直流信号。

在这里,单相全桥变换器的作用是高频调制(左侧)和同步解调(右侧)。如果让左右侧的单相全桥变换器的控制信号相同,都是频率为l0000Hz、占空比为50%的高频方波,交叉相对的两个全控器件触发信号应该相同,而且其中一组必须滞后另一组半个周期。那这里的高频方波便可实现载波功能,将直流电由原方耦合到副方,且在这个过程中,电压的等级也因为高频变压器的存在而改变了。

图6为单相全桥变换器的高频方波信号。

图6单相全桥变换器控制信号

2.3输出环节

电力电子变压器的输出环节需要将隔离环节输入的直流电变换为所需电力特征的三相交流电,因此这里的输出环节也就是一个逆变器的功能。输出级的三相全桥逆变电路、滤波电路如图7所示。

电路左侧电容为滤波电容,逆变桥输出接的是r型LC滤波电路,R表示负载。直流电经过两电平三相逆变器转变为正弦方波(近似为交流电),由LC滤波器滤除高次谐波得到正弦输出电压,之后再接至负载供电。

三相全桥逆变电路的基本工作方式为l80o导电方式,即可获得如图8所示的电压波形。控制六桥臂循环通断,便可得到近似的三相交流电。

图8电压型三相桥式逆变器输出电压波形

逆变器采用sVPwM控制,实现宽输入电压的方法就在于输出环节的控制策略。但这里为使负载侧得到恒压、恒频的交流电压,需要对负载侧实行闭环控制,输出电压跟随给定,减小前面两个环节对输出环节的影响。这种闭环控制策略间接提高了输入级的电压输入范围,如图9所示。隔离级的直流电经电容滤波后输入到逆变器中,由此得到目标电压、电流供给负载。这里采用电压闭环控制,检测逆变器的输出电压,经过一个dg变换将三相静止坐标系下的电压变为两相旋转坐标系下的电压,得到Ud、Uq:给定值经过同样的dg变换器得到两相旋转坐标系下的电压给定值Ud*和Uq*。反馈值与参考值进行比较,得到两个偏差量AUd、AUq,经过比例积分环节调节后再进行一个2r/2s的变换,得到两相静止坐标系下的电压,控制sVPwM产生触发脉冲,即控制信号,通过控制逆变器中电力电子器件的关断实现逆变功能。这里因为电压的闭环控制,可以使输出跟随给定,提高系统的稳定性。

3宽输入电压范围电力电子变压器仿真研究与分析

仿真的基本参数设置:整流环节,原边交流电压幅值为3l0V,频率为50Hz:升降压斩波电路占空比为0.2,电感L=0.lH,电容C=500uF,开关频率为lkHz:原边单相全桥逆变输出频率为l0kHz:高频变压器变比为2:副边单相全桥整流开关频率为10kHz:逆变器输出频率为50Hz,负载为三相对称阻感负载,滤波电容为700μF,滤波电感为5mH。

三相整流桥与单相整流桥的开关器件通过的最大电压为电源电压的幅值,选择额定电压时需要是电源电压的2~3倍:逆变电路开关器件承受的最大电压为输入直流电压的一半:斩波电路的电感值根据电感电流连续时电感量临界值条件选取,电容值根据纹波电压公式选取:滤波时电感的增大可以减小超调,电容的增大可以减小波动。

如图10所示,波形1为电压波形,波形2为电流波形,因电感影响,电流值逐渐增大至稳定。电压、电流相位相同,系统做单位功率因数运行。

如图11所示,因电压闭环控制,输出电压最终稳定在320V左右。但纹波太大,应尽可能减小电压的波动。

图11整流器输出电压

整流器的输出电压为320V,经升降压斩波电路降压,占空比为0.2,隔离级输入电压理论值为80V,高频变压器变比为2,隔离级的输出电压理论值为40V。图12中上面波形是输入直流电压波形,因斩波电路的降压,稳定值为80V:下面是输出整流电压波形,稳定值为40V,均与理论值一致。

图12隔离级输入/输出电压

图13上方的高频方波为原边电压,幅值为80V:下方的高频方波为副边电压,幅值为40V。仿真结果与理论一致。

图13高频变压器输入/输出电压

图14中,波形1为逆变器的输出电压,幅值约为26V:波形2为输出电流,幅值为0.8A左右。

图14逆变器输出电压、电流

图15中,波形1为电阻电压,幅值为15V左右,波形2为电流,与图14的电流波形相同。

图15输出级电阻上电压、电流

由仿真图可知,输入电压幅值为310V,最终输出为26 V ,整个电力电子变压器系统的变比为12左右。

4    结语

为测验设计的电力电子变压器的输入电压范围 ,本文在 其他参数保持不变的情况下 ,分别令交流电源电压为不同值 , 测量输出电压的幅值并进行比较。在其他参数不变时 , 电力电 子变压器的变比应保持恒定 ,通过分析可知变比约为12 ,取误 差为±0. 1 , 即取11.9~12. 1 , 因此电力电子变压器的输入电压 范围为15~650 V。