基于并网逆变器的变频器电力电子负载研究与设计

吴跨宇，蔡慧，卢岑岑，阎晗

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.中国计量学院机电工程学院，浙江 杭州 310018）

基于并网逆变器的变频器电力电子负载研究与设计

吴跨宇1，蔡慧2，卢岑岑1，阎晗2

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.中国计量学院机电工程学院，浙江 杭州 310018）

设计了一种基于并网逆变器的变频器电力电子可控负载，采用两相旋转坐标系中基于PI调节器的电流单闭环控制策略。提出了该可控负载的电路参数设计方法，包括启动电路的设计、变压器变比和逆变器输出线电压的设计。研究表明，该可控负载能提供可调的工作电流来模拟负载波动，并且可以模拟不同类型的负载特性，证明了在变频器测试系统中，采用并网逆变器负载作为可控模拟负载的方法是可行的。

并网逆变器；变频器；电力电子负载；启动电路

无论是由于工艺还是节能的需要，变频器在火力发电厂汽轮发电机组的辅机上得到了大量的应用。变频器输入电源电压波动会影响变频器的稳定运行，为提升低压变频器的高、低电压穿越能力，目前常采用附加电压支撑装置方式解决晃电对变频器稳定运行的影响［1］。

为检验一类辅机低压变频器本身抗电压波动水平和在配置附加支撑装置后的高、低压穿越能力是否符合相关规范要求，需要开展输入电源电压波动工况下的运行测试。测试时可采用磁滞测功机、励磁电机等模拟负载，但是耗能型负载不仅浪费了能量，而且难以准确模拟变频器所带辅机的负载特性［2］。除此，耗能型负载的功耗水平有限，仅限小功率变频器简单测试应用。为准确模拟变频器实际运行工况，满足大功率变频器满额运行时的测试负载要求，本文设计了一种基于电力电子全控器件的变频器可控负载，能模拟变频器所带的实际辅机负载特性，并实现测试装置功率回馈电网的绿色测试。

1 采用三相并网逆变器作为模拟负载的变频器测试系统方案

传统变频器实验室测试系统一般是将变频器输出直接连接带负载装置的电动机，或者电动机后同轴连接发电机等装置将电能返回电网。传统测试系统成本高、体积大，性价比不高；同时，由于电机绕组时间常数的存在，限制了其控制响应速度，不能快速、准确模拟各类辅机负载特性。

为解决变频器传统测试负载存在的弊端，基于并网逆变器的变频器电力电子可控负载方法逐渐受到重视。本文设计了一种基于并网逆变器的变频器电力电子可控负载，无需电动机和发电机，在变频器的输出端直接接三相并网逆变器作为负载，由并网逆变器来模拟电动机不同的运行特性。整个测试系统将变得非常简洁，体积缩小、成本降低，几乎所有能量都能回馈给电网［3］。

并网逆变器负载法构成的变频器测试方案如图1所示，主电路结构依次是前置变压器、不控整流器、中间直流电容、逆变器、滤波器和后置变压器。其中2个变压器具有隔离功能，变频器、逆变器、电网三者之间都是隔离的，提高系统的安全性并简化设计。三相并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相，可实现功率因数为1。

图1 并网逆变器负载法Fig.1 The way of grid-connected inverter load

为便于测试变频器的抗负载变化的性能，通过逆变器反馈给电网的功率（电流）大小必须可调，以模拟电网辅机负载波动的情况。由于电力电子装置的时间常数小，响应速度快，并网逆变器通过功率（电流）信号给定可以模拟不同的负载特性，它具有负载的精确、快速和任意负载特性的模拟能力。这是并网逆变器负载的最大优点。另外，并网逆变器负载也很容易提高功率等级，满足大功率变频器的测试要求。

为验证上述方案的可行性，需要考虑以下问题：上电冲击电流对滤波电容C2的影响，以及解决方法；变频器运行时，并网逆变器负载能否正常安全工作，能否提供所需的可控负载特性。

2 变频器的并网逆变器负载设计

2.1 并网逆变器的分析

图1中也给出了三相并网逆变器负载的结构。三相并网逆变器由全桥IGBT电路构成，输出接滤波器，然后通过隔离变压器并网。三相逆变器的输入电源一般为直流电源［4］。

并网逆变器有不同的控制策略，如直接功率控制、预测控制等［5-6］。图2给出了本文采用的一种简单三相并网逆变器控制策略，采用两相旋转坐标系中基于PI调节器的电流单闭环控制策略，可直接设置有功电流和无功电流并分别采用PI调节。如图3所示，相角信号由电压信号经PLL锁相环得到，采用电流信号通过abc-dq坐标变换得到Id和Iq，将Id与Id（*Iq与Iq*）进行PI控制，得到Vd和Vq信号，然后进行dq-abc反坐标变换。这样能使外部的输入信号与内部的振荡信号同步，准确地控制逆变器［7-8］。

图2 三相逆变器的控制框图Fig.2 Control block diagram of three-phase inverter

图3 输入直流电压与调制系数的关系Fig.3 Relationship between DC voltage and the modulation index

如果并网逆变器要输出确定数值的线电压，要求其输入直流电压需大于某个门槛值UdT,否则逆变器无法输出期望功率给电网。对于三相电压型逆变电路，输出线电压幅值Uinvlm应该符合：

逆变器返回功率给电网，需要克服输出滤波器电感上的压降，所以逆变器的线电压需大于后置变压器的二次侧线电压UT2l，即有：

因此有：

考虑功率器件的损耗和电感上的压降（输出功率越大，电感上的压降越大），可取门槛电压

此处一般k＞1。例如，当k=1.15，UT2l=380 V时，UdT≈618V。

对此进行仿真验证，电网线电压380 V；C2= 12 000 μF；后置变压器变比为1；LC滤波器电感500 μH，电容30 μF，电容串联1 Ω电阻；设定并网逆变器功率50 kW，UT2l=380 V。

图3给出了C2电压与调制系数近似反比的关系。仿真表明，当输入直流电压Ud≥624 V时m＜1，并网逆变器能够输送期望能量给电网；当Ud＜624 V时m＞1，逆变器输出的功率小于期望功率，处于过调制状态。由此可见，对于确定的输出电压，并网逆变器能反馈给电网额定功率的前提是并网逆变器的输入直流电压必须大于门槛电压。仿真得到的UdT=624 V，与理论值接近。

2.2 并网逆变器负载的研究与设计

针对图1所示的并网逆变器负载，还需要对变压器变比和并网逆变器输出电压进行参数设计；由于直流电容C2在启动过程中会有冲击电流，需要设计启动限流电路。之后，需研究分析并网逆变器负载的上电启动过程以及负载变化过程，以验证方案设计的可行性和正确性。最后还要验证该装置能否输出可控的负载特性。

2.2.1 变压器变比和并网逆变器输出电压参数设计

一般变频器输出线电压最大值Usm=380 V，不接前置变压器或前置变压器的变比为1时，经不控整流以后，直流电容C2的空载电压为Udm≈513 V。在上一节提到，门槛电压UdT≈618V，当逆变器输入直流电压Udm小于UdT时，调制系数m＞1，同时保证不了逆变器输出线电压能够达到380 V，无法输出期望电流来满足可控性要求。为此有2种解决方法：一是前置变压器升压，升高变频器的输出电压，这要提高后续器件的耐压要求；二是后置变压器降压，降低并网逆变器的输出电压。因为并网逆变器的输出电压降低后，输入直流的门槛电压要求也随之降低。因此第2种方法比较合理。

为简化设计，取前置变压器的变比KT1=1。设后置变压器的变比为KT2，电网线电压Us= 380 V，则有：

因此C2电压允许的变化范围：

由于变频器输出电压与C2电压的关系成正比，也和频率设定指令基本上成正比，所以频率的变化范围：

因此可以得到最小给定频率：

以上分析结果表明，变频器频率在 fmin和 fN之间变化时，并网逆变器m＜1，能输出期望功率。

若取 fmin=30 Hz，那么由式（9）可算得KT2≈0.5，此时UT2l=190 V，UdT≈310 V。在式（9）其它参数不变的情况下，fmin和KT2成正比。

2.2.2 启动电路的设计

变频器和并网逆变器上电会在直流电容C2上产生冲击电流，因此需要上电限流电路作为保护。如图4所示，不控整流器输出等效为可变直流电源Ud1，并网逆变器等效为直流电源Ud2。需指出的是，Ud1具有单向性。

图4 上电限流电路的等效电路Fig.4 Equivalent circuit of power-limiting circuit

图4a中，限流电路在Ud1和C2中间。采用叠加法分析，只考虑Ud1时，C2被短路，电阻Rst2起到限流作用；但只考虑Ud2时，由于不控整流器电流的单向性，电阻Rst2支路相当于断开，C2和Ud2串联形成回路，无限流作用。所以这种设计不可行。

图4b中，限流电路在C2和Ud2中间。只考虑Ud1时，C2和Rst2并联在Ud1两端，由于变频器的输出都是斜坡增大的，所以Ud1是慢慢变大的，基本不会产生冲击电流；只考虑Ud2时，由于不控整流器电流的单向性，Rst2，C2和Ud2三者串联形成回路，电阻起到了限流作用。所以此时启动电路的位置是正确的。只考虑Ud2时，C2上的电压如下式所示，按指数规律上升至稳定值。

继电器的闭合时间Tr2应大于等于电压的调节时间，此处可取

取C2=12 000 μF，Rst2=5 Ω，旁路时间Tr2=0.35 s，结果如图5所示。当上电限流电路置于C2左边，变频器启动瞬间，通过它的电压峰值达到850 V（见图5a），启动冲击电流很大。上电限流电路置于C2右边，变频器启动瞬间，通过它的电压平缓上升，没有出现较大波动（见图5b），启动冲击电流较小。因此，选择把上电限流电路置于电容右边。

图5 电容C2电压和电流Fig.5 Voltage and current of capacitor2

2.2.3 运行过程分析

由图1方案仿真，电网380 V/50 Hz；变频器的频率设为50 Hz，速度上升/下降斜率分别为2，-1，其中Rst1=4 Ω，Tr1=0.25 s，C1=12 000 μF；前置变压器KT1=1；Rst2=5 Ω，Tr2=0.35 s，C2=12 000 μF；LC滤波器电感500 μH，电容30 μF，电容串联1 Ω电阻；并网逆变器功率50 kW，输出电压380 V/50 Hz，KP=0.2，KI=2；后置变压KT2=0.5。有功电流I*d在1.5 s时由1变为0.6；无功电流设为0。

负载运行过程如图6所示，图6a～图6d的波形分别为C2电压、调制系数、并网逆变器A相电流、并网逆变器有功功率。由于变频器的输出是软启动过程，C2电压在t1=0.3 s前慢慢增至最大值，随后减小；t1之后，变频器通过整流器给C2充电，C2电压继续升高，随后由于变频器输出电压不再升高，C2电压稳定在460 V。

图6 并网逆变器负载运行过程Fig.6 Running process of grid-connected inverter load

t1之前，并网逆变器电流（a相）起初有1个启动电流，此时与a相电压反相，功率为负，此时逆变器从电网吸收功率给C2充电。t1以后，变频器能量被并网逆变器反馈回电网。0.9 s之后稳定，调制系数m=0.69，电流峰值为1，有功功率约为50 kW；1.5 s以后，也很快稳定，调制系数m= 0.65，电流峰值为0.6，有功功率约为30 kW。

以上结果表明，上电时电网通过逆变器对直流电容充电，变频器并没有对电容充电，此时变频器无输出电流；变频器输出电压升至一定值后，变频器才对电容充电，此时并网逆变器将变频器的能量反馈给电网。结果也证明了并网逆变器负载可以为变频器提供可调的负载波动。实际装置设计时，可以按照需要设计各种类型的负载波动，只要不超出并网逆变器的额定功率即可。

2.2.4 负载可控性能的分析

为验证负载的可控性，此处设定一个变化的速度指令，同时让频率命令标幺化后作为有功电流设定命令［9］。另外，此处变频器的下降斜率改为-2，其它仿真参数同2.2.3节的参数。如图7所示，此处频率设定为：一开始50 Hz，0.9 s后变为33.3 Hz；1.5 s后变为40 Hz。可以看出，虽有超调和过渡过程，但功率输出和有功电流设定（频率设定命令）基本成正比。当其它条件不变，0.9 s后频率变为25 Hz，则在1.2～1.5 s间，功率输出为0，这说明并网逆变器已经停止反馈功率给电网。这是因为，在1.2 s以后，C2电压已经小于实际门槛电压。

图7 频率设定最小值为33.3 Hz的运行过程Fig.7 Running process at 33.3 Hz as minimal frequency

以上仿真证明，当变频器的频率设定大于fmin时，并网逆变器负载可输出与变频器频率成正比的功率，具有可控性。对应不同的后置变压器变比KT2，fmin也不同，KT2越小，fmin也越小。

3 结论

本文采用并网逆变器负载法设计了一种以并网逆变器为核心部件的变频器测试用模拟负载。分析表明，并网逆变器负载能提供可调的电流来模拟负载波动，证明了采用并网逆变器负载法来构建变频器测试系统的可行性。同时，文章仿真分析了并网逆变器负载具有的可控性能，能模拟不同类型的负载特性。相比传统的励磁电机负载法和发电机负载法，能有效将变频器的能量回馈给电网，负载特性可控，具有较好的实用性。

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Research and Design of Power Electronic Load for the Transducer Based on Grid-connected Inverter

WU Kuayu1，CAI Hui2，LU Cencen1，YAN Han2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，Zhejiang，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，Zhejiang，China）

A controllable power electronic load for transducer based on grid-connected inverter was designed，with current closed-loop control strategy based on PI regulator in the two phase rotating reference frame.An approach for this controllable load was presented to design circuit parameters，including the startup circuit，ratio of transformer and output line voltage value of inverter.According to the research，the controllable load could provide adjustable work current to simulate the load fluctuations and various kinds of load characteristics.It is proved that the approach to build controllable analogous load based on grid-connected inverter is effective.

grid-connected inverter；transducer；power electronic load；start-up circuit

TM402

A

10.19457/j.1001-2095.20161017

2015-08-13

修改稿日期：2016-03-15

吴跨宇（1979-），男，硕士，高级工程师，Email：fuzzywky@qq.com