双直流回路变流器结构及控制策略研究

双直流回路变流器结构及控制策略研究

孔林 易隆岩 曾文珺

中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司 湖南长沙 410000

摘要：电力电子技术的发展与应用是人类社会科技进步的重要标志，同时也是促进国民经济和工业经济快速增长的关键因素。随着现代科学技术的迅速发展，针对光伏并/离网工作模式的需求不断提升，因此一种双直流回路的电压源变流器结构,能够通过变流器控制策略，不断地改进和优化交流调速系统的控制方式，进而保证双直流调速控制系统具有过载保护、过流保护、过热防护的特点，满足电压等级的要求。

关键词：双直流；回路变流器；控制策略

控制策略的设计是为了使直流电压稳定的输出电压，满足太阳能光伏发电内容的需求，所以双直流回路变流器必须有良好的数学基础。在工程应用中常用的控制方法有：PWM控制、单端输入和双向输出的三相交流电，其中双直流交流的电流源为恒压源，其工作原理为DC/AC变换器以三电平拓扑结构为基础，直流母线连接双DC/DC变换器。

一、双直流回路变流器的基本原理

直流稳压电源是一种在电压和频率都可调的交流电源，它由可产生稳定的正弦电流的直流电源(即方波)和可得到与正弦的直流输出的方波组成^[1]。在电力电子技术中，稳压电路的作用非常重要，它将各种电气量转换为可以与输入电网相连的交流信号。双直流回路的电压源变流器系统架构如图1所示，可以看到光伏组件和蓄电池作为主要的基础构建，分别经过DC/DC变换器连接到直流母线，完成初步的结构升级，最终与负载侧的DC/AC变换器连接。其中,光伏侧变换器和储能侧变换器和直流内容有着绝对的不同，它们走出一个单独的直流联系，作为光伏输入和储能单元完成最终的双直流输入要求。而光伏组件及蓄电池输出的直流电，在变流器的结构之中，往往经过双直流变换器的交换，作为作为三电平逆变器的直流输入，在最终的呈现效果上将直流电压经三电平DC/AC变换器进行变换，将联网要求的三相交流电压改善成波形进行输出。

图1 双直流回路的电压源变流器结构图

二、双直流回路中的双频逆变器调制

采用双频逆变器技术的高压直流电压源是直流电压，在目前的电力电子装置中，使用最多的就是双PWM变换器。在实际的应用过程中，为了技高电压的稳定性和功率因数，通常需要改变输入的交流交流频率，从而达到调节输出电流的目的^[2]。但是由于这种方法的效率低，而且运行维护成本高，所以很少被运用。随着科学技术的不断进步，现代工业的发展方向也向着大功率化、大容量、多功能等方面转变，这就要求我们要有更高的电源质量。因此必须要有一种具有高性价比的新型控制方式，这也是本文的研究重点。而基于单片机的PWM调速系统，可以实现可控的脉宽调制，它能很好的完成脉宽调制的功能并且还能稳定的工作；同时它还能够通过单片机的程序来控制三极管的占空比，当三极管的导通时间小于开关时，三极管的占空比会减小，此时可获得较小的波形。

图2 双向直流变换器及其控制方法与流程

三、双直流回路变流器结构及控制策略

（一）双闭环变流器控制环路

根据双闭环控制的要求和技术的发展趋势，在电压等级的基础上，双闭环直流调速系统的设计在变流器离网运行时，变流器控制环路为电压电流双闭环控制，当进行并网运行时，需要逆变器控制环路。内环控制器结构如图所示，图中i_drer和i_qref分别为电流环的给定值V_d、V_cq为输出电压的前馈，能够较大程度上保持数据的维持而,V_idref、 V_iqrer为逆变器电流环控制器的输出。

图2双直流回路的变流器的控制环路结构图

(1)当采用单相半控型的PWM控制方式时，可以实现最大功率的调节；(2)在使用恒压/恒频的控制方法时，能够达到恒定的电流输出，而且不会出现谐波的情况；(3)在选择的类型上，要选择响应速度快，动态性能好，并且具有快速的过载保护能力的设备来进行。通过以上的考虑分析，可选用单相半控型的IGBT，同时参考文献中的相关资料，再结合所选的器件对其的各项参数作了一定的筛选和优化，最终确定了双直流回路变流器仪器。该结构有如下特点： 开关频率范围广，只有几赫兹到几十伏的交流电动机，且其额定的转矩比较大，因此可将其作为本课题的主电路拓扑结构。

（二）实验平台的搭建与调试

实验平台的搭建主要是对整个双直流调速系统的性能进行优化，通过对仿真结果的分析与总结，可以得到最佳的控制策略。

本平台以单片机为核心，以PID的控制理论作为控制器，设计了基于PWM的PI调节器的拓扑结构，并采用了该方法来实现对双直流调速的实时监控^[3]。首先，需要将控制系统的硬件电路做出来，然后根据软件程序的编写思路，使用相关功能，将所写的代码写入主函数中，这样就能方便的调用子函数，达到了预期的效果；其次，在调试的过程中，可能会出现一些问题，比如说，由于时间关系，导致无法继续修改，或者是电机的参数不够准确，这些都会影响到实验的进程与数据的准确性；另外，因为本次的毕业论文的任务要求，就是要能够把控好变流器的开关频率，所以要不断的去完善，使其更加的稳定和快速。

（三）系统硬件组成

本文所设计的双直流调速电器控制系统是基于单片机的直流调速系统，由蓄电池、高压IGBT、断路器等组成了驱动电路。

(1)单台蓄能式DC/12成的PWM波形，在不同电压等级的电网中，通过开关器件的切换，可以对输出电流实现恒流或恒压控制。(2)双闭环直流PWM变换器，在相同的负载下，其动态响应速度比开环得到的要快，所以它的功率因数比开环的高很多。(3)全桥逆变器，其主要功能是将220V的交流电转换成10V的交流可接受的直流电源。因为全桥拓扑的存在以及换流站的数量有限，当出现大容量的大功率设备时，全桥逆变式就显得尤为重要。由于主变压器的存在和大小的变化性，需要考虑到各种问题，因此必须要有一定的技术去解决。

（四）双直流回路变流器控制算法

基于对双直流回路的控制方式，其主要有以下三种：

(1)电压环控制法。这种方法是通过调苄输出电流的大小来实现的：当系统的频率和相位角在一定范围内时，采用电压外环和PI控制器，从而改变了控制系统的响应速度。(2)电流环控制法。该控制方法是利用了一个闭环的闭相全桥的特性，来达到对双闭中环流的自动跟踪。该方法的特点为：具有较高的稳态误差，但由于它仅适用于恒流恒压的场合；且它的稳定性较差，所以只应用于中低压或高压的交流调速。(3)旋转反馈控制法。该方法将转速给定值和输入变量的转差量作为转子的转矩，然后将转差方向的偏差进行补偿，并使之保持与设定值相同。但是这个方法的缺点在于，如果电机的实际转动惯量发生变化，就会导致调压系数的变化；而且，当电动机的绕组的相对位置不变时，可以用旋转角度的调整次数代替。

四、结语

双直流回路变流器具备了较宽的抗干扰能力，因此广泛应用于各种工程机械中。本文主要对双直流变流器进行结构设计，并给出总体设计方案。首先分析了工作原理，然后对其控制策略展开研究，最后得出结论。

参考文献：

[1]唐林. 变流器负载试验中的能量回馈装置电路的探析[J]. 四川职业技术学院学报, 2019, v.29;No.129(05):161-165.

[2]王宁, 袁杰, 焦晋荣,等. 直流配电网多变流器纹波谐振问题研究[J]. 电力自动化设备, 2017, 37(007):77-83.

[3]常鹏飞, 田炜. 直驱变流器网侧双电流环控制仿真研究[J]. 机械工程与自动化, 2019, No.213(02):88-91.

作者简介：孔林（1985-）， 男，汉，湖南湘潭人，硕士研究生，高级工程师，注册电气工程师、注册咨询工程师，研究方向：变电站电气设计。