智能低壓線路調(diào)壓裝置設(shè)計

劉逸男，蔣林，王亞楠

（ 1. 西南石油大學(xué)，四川 成都 610000；2. 海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266000 ）

0 引言

電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，低電壓運(yùn)行會帶來多種危害。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平提高，用電負(fù)荷日益增長，對供電電壓的要求也越來越嚴(yán)格，而智能調(diào)壓裝置系統(tǒng)的研究正是調(diào)壓裝置領(lǐng)域的一個研究趨勢。傳統(tǒng)調(diào)壓方式大多采用調(diào)節(jié)主變壓器的分接頭以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，但這種方式靈活性、針對性較差。采用一種安裝方便、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自動調(diào)壓設(shè)備是非常必要的。

1 概述

智能低壓線路調(diào)壓裝置是指在不用延伸10 kV線路，不需新增配電變壓器的前提下，用于供電質(zhì)量較差、供電質(zhì)量不穩(wěn)定的低壓電網(wǎng)后端，對后端電壓起到升壓、穩(wěn)壓的作用。它以電力電子技術(shù)、自動控制原理為基礎(chǔ)，利用BOOST型APFC電路實(shí)現(xiàn)整個裝置的控制，通過合理設(shè)計反饋環(huán)增益得到穩(wěn)定的輸出，從而改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高電壓的合格率，使得整個系統(tǒng)在調(diào)壓范圍內(nèi)都能得到符合要求的用戶電壓，保證供電可靠性。本設(shè)計的方案總體框架如圖1所示。

圖1 方案總體框架

2 BOOST型APFC電路

功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)是對電流脈沖進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)。它的基本工作原理是在整流橋和負(fù)載之間接入一個DC/DC變換器，采用電流反饋技術(shù)使輸入端電流跟蹤交流輸入電壓的正弦波形。它根據(jù)電路中是否采用有源器件可分為無源功率因數(shù)校正(PPFC)和有源功率校正（APFC）。本次采用的BOOST型有源功率因數(shù)校正電路是指BOOST拓?fù)渥鳛橹麟娐返墓β室驍?shù)校正電路，基本電路如圖2所示。

一般情況下，APFC電路的控制回路包括兩個反饋控制環(huán)：電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，使DC/DC變換器的輸入電流與全波整流后所得電壓波形相同；電壓環(huán)作為外環(huán)，使得DC/DC變換器輸出穩(wěn)定的直流電壓。其原理流程如圖3所示。主電路的輸出電壓UO和基準(zhǔn)電壓Uref相比較后，送至電壓誤差放大器，通過整流電壓檢測值和電壓誤差放大器的輸出電壓信號，共同送到乘法器的輸入端。乘法器的輸出作為電流反饋控制的基準(zhǔn)信號，與輸入電流檢測值比較，由電流誤差放大器輸出，再經(jīng)PWM比較器加至IGBT的柵極驅(qū)動，給出脈沖信號，控制開關(guān)器件的通斷，從而使輸入電流的波形與整流電壓Uoc波形基本一致，提高了輸入端的功率因數(shù)，得到所需的穩(wěn)定直流電壓。功率因數(shù)校正器同時保持輸出電壓恒定，下一級的逆變電路設(shè)計可更容易些。

圖2 BOOST型APFC電路

圖3 控制回路的原理流程

3 電壓型單相橋式逆變電路

逆變電路的作用是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能，本次設(shè)計中采用電壓型單相橋式逆變電路，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。電路中共有四個橋臂，同整流橋相似，也可以看作是兩個橋臂組成一對，即橋臂1和4組成一對，橋臂2和3為另一對。工作時，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對橋臂相互交替導(dǎo)通，且各自導(dǎo)通。

圖4 電壓型單相橋式逆變電路

4 仿真結(jié)果

4.1 BOOST型APFC控制電路仿真

反饋環(huán)參數(shù)：電流環(huán)增益GCA=20，電壓環(huán)增益GVA=0.1。

控制回路的仿真模型如圖5所示。圖6～圖8所示分別為電流環(huán)、電壓環(huán)以及PWM環(huán)節(jié)的仿真模型。

圖5 控制回路的仿真模型

圖6 電流環(huán)仿真模型

圖7 電壓環(huán)仿真模型

圖8 PWM環(huán)節(jié)的仿真模型

圖9～圖11所示輸入電壓分別為：AC 90 V、AC 170 V和AC 250 V時的結(jié)果波形。

圖9 輸入為90 V時的結(jié)果波形

圖10 輸入為170 V時的結(jié)果波形

圖11 輸入為250 V時的結(jié)果波形

由圖可以看出，輸入電流與輸入電壓相位基本保持一致，表明該控制回路基本實(shí)現(xiàn)。電流跟蹤輸入電壓并與之同頻同相，從而使輸入端口相對交流電網(wǎng)呈“純阻性”，即功率因數(shù)無限趨近于1，且使得輸出為一個紋波較小近似恒定的直流電壓。所以，控制回路不僅提高了電路的功率因數(shù)，也穩(wěn)定了輸出電壓，為后一級逆變電路的工作做準(zhǔn)備。

4.2 智能低壓線路調(diào)壓裝置系統(tǒng)仿真

圖12所示為輸入AC 90 V、AC 170 V和AC 250 V時的輸出波形。

圖12 輸出電壓波形

由圖中所示波形可以看出，通過BOOST型APFC電路進(jìn)行閉環(huán)控制后校的電流相位可跟蹤上電壓的相位使電壓電流同相位，且校正后的電流波形接近正弦波。由此。解決了電路功率因數(shù)低，對電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重的問題，穩(wěn)定了輸出電壓，符合本次設(shè)計的智能低壓線路調(diào)壓裝置在輸出紋波電壓允許范圍內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計任務(wù)要求。

5 結(jié)論

本次設(shè)計的主要部分是BOOST型APFC電路構(gòu)成的閉環(huán)控制電路環(huán)節(jié)。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析BOOST作為APFC電路的主電路拓?fù)涞墓ぷ鬟^程，從理論上驗(yàn)證了該閉環(huán)控制系統(tǒng)的可行性、準(zhǔn)確性，利用其產(chǎn)生PWM脈沖對開關(guān)器件進(jìn)行控制。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計智能低壓線路調(diào)壓裝置的各部分電路，介紹各環(huán)節(jié)的設(shè)計原則以及控制回路在整個裝置系統(tǒng)中所起到的作用?；贛ATLAB軟件完成了各環(huán)節(jié)的仿真，完成本次設(shè)計的驗(yàn)證。

利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺，檢驗(yàn)智能低壓線路調(diào)壓裝置各環(huán)節(jié)功能的完整性，分析各環(huán)節(jié)模擬輸出信號的正確性。在保證各環(huán)節(jié)都可靠工作的前提下，進(jìn)行了整個調(diào)壓裝置系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：智能低壓線路調(diào)壓裝置在輸入電壓為AC 90 V～250 V，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在AC 200 V～230 V，且電壓精度符合設(shè)計指標(biāo)要求。