单相电力电子负载研究与设计

随着经济的发展,各种电源被广泛应用于人们生产、生活的各个方面,电源的优劣将直接影响生产、生活,因此需要对其进行严格的考核。传统的电源考核方式带电阻、电感、电容等元器件,不仅大量的能量被无谓地消耗掉,同时需要耗费大量的人力、物力对其进行管理,因此本文提出了采用电力电子器件构成的电力电子负载对其进行测试,它可以根据实际需要对电流幅值、功率因数、波峰因数等参数进行灵活设定,同时将测试电能高效地馈回电网,既方便又节能,是一种高效的测试方式。 本文针对其与小功率电路级测试设备“电子负载”概念上易于混淆的问题,给出了电力电子负载的定义,它是由大功率电力电子元件构成,利用电力电子控制技术对各种电源设备进行节能、环保考核的电源测试设备。 文章给出了它应用于不同测试场合如直流电源测试、三相交流电压测试等不同场合测试时控制和接线方式,并分析了电力电子负载对交、直流纯阻、阻感、阻容模拟原理,给出非线性负荷电路方程并建立数学模型以利于对其实现准确模拟,针对不同工作模式,如恒阻、恒流、恒功率等不同应用场合,给出它们的指令设定方法;并根据系统要求给出了主要元件交流电感、直流电容的选取方法。 文章从电力电子负载的基本构成单元单相整流器的控制入手,建立了系统整体数学模型。针对P和PI控制器构建了控制系统,根据离散控制系统Jury判据,给出了控制器参数设定范围,并采用常用的典型Ⅰ型系统和典型Ⅱ型系统最佳整定方法对控制器进行设计,采用动态系数法对PI系统的误差进行了分析和计算,对采样回路中常被忽视的电路滤波器对系统的影响以及设定规则也进行了分析。 针对传统PI控制器带宽有限,无法同时满足系统鲁棒性和精度要求的缺点选用了P控制器与重复控制器并联的改进重复控制器结构,它使电流内环获得“零误差”的良好跟踪特性,重复控制器具有足够的频带宽度,完全满足对非线性负荷模拟的需要,同时也保证了馈网电能质量。按照比例控制器、串联校正滤波器S1（z）、串联低通滤波器S2（z）、相位补偿环节zK、重复控制器增益Kr的步骤给出了改进重复控制器设计方法。 从电力电子负载电路功率平衡方程入手,根据电力电子负载工况分为多种情况,分析直流电压谐波幅值和频率分布范围,为滤波器的设计奠定了基础。选择陷波滤波器、低通滤波器和均值滤波器进行比较分析,给出了它们的设计和实现方法;为保证系统的稳态控制效果,最终选用均值滤波器,并指出其动态特性的不足需要其它控制方法予以弥补。文章对滤波器在控制系统中的放置位置也进行了探讨。最终,忽略电流内环小惯性环节,将系统等效为一个典型Ⅱ型系统,采用最佳整定法完成了控制系统设计。 选用了前馈+反馈的复合控制方法,采用瞬时功率平衡方程和有功功率平衡方程建立了小信号控制模型,并以此为基础建立了复合控制系统,有效抑制了输入电压、电网电压扰动和输入电流指令变化对系统的影响,提高了系统动态特性;同时分析了在电流环中电压前馈控制有效抑制电压扰动的机理和设计方法。 为验证以上控制方法,搭建了功能较齐全的10kVA电力电子负载样机,经测试完全达到设计要求,设备运行稳定、可靠;为工业应用奠定了扎实的基础。