智能低压线路调压装置设计

刘逸男，蒋林，王亚楠

（ 1. 西南石油大学，四川 成都 610000；2. 海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266000 ）

0 引言

电压是电能质量的重要指标，低电压运行会带来多种危害。随着经济的发展，人们生活水平提高，用电负荷日益增长，对供电电压的要求也越来越严格，而智能调压装置系统的研究正是调压装置领域的一个研究趋势。传统调压方式大多采用调节主变压器的分接头以实现调压，但这种方式灵活性、针对性较差。采用一种安装方便、技术可行、经济实用的自动调压设备是非常必要的。

1 概述

智能低压线路调压装置是指在不用延伸10 kV线路，不需新增配电变压器的前提下，用于供电质量较差、供电质量不稳定的低压电网后端，对后端电压起到升压、稳压的作用。它以电力电子技术、自动控制原理为基础，利用BOOST型APFC电路实现整个装置的控制，通过合理设计反馈环增益得到稳定的输出，从而改善电网的功率因数，提高电压的合格率，使得整个系统在调压范围内都能得到符合要求的用户电压，保证供电可靠性。本设计的方案总体框架如图1所示。

图1 方案总体框架

2 BOOST型APFC电路

功率因数校正（PFC）技术是对电流脉冲进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波的技术。它的基本工作原理是在整流桥和负载之间接入一个DC/DC变换器，采用电流反馈技术使输入端电流跟踪交流输入电压的正弦波形。它根据电路中是否采用有源器件可分为无源功率因数校正(PPFC)和有源功率校正（APFC）。本次采用的BOOST型有源功率因数校正电路是指BOOST拓扑作为主电路的功率因数校正电路，基本电路如图2所示。

一般情况下，APFC电路的控制回路包括两个反馈控制环：电流环作为内环，使DC/DC变换器的输入电流与全波整流后所得电压波形相同；电压环作为外环，使得DC/DC变换器输出稳定的直流电压。其原理流程如图3所示。主电路的输出电压UO和基准电压Uref相比较后，送至电压误差放大器，通过整流电压检测值和电压误差放大器的输出电压信号，共同送到乘法器的输入端。乘法器的输出作为电流反馈控制的基准信号，与输入电流检测值比较，由电流误差放大器输出，再经PWM比较器加至IGBT的栅极驱动，给出脉冲信号，控制开关器件的通断，从而使输入电流的波形与整流电压Uoc波形基本一致，提高了输入端的功率因数，得到所需的稳定直流电压。功率因数校正器同时保持输出电压恒定，下一级的逆变电路设计可更容易些。

图2 BOOST型APFC电路

图3 控制回路的原理流程

3 电压型单相桥式逆变电路

逆变电路的作用是将直流电能转变成交流电能，本次设计中采用电压型单相桥式逆变电路，其基本电路结构如图4所示。电路中共有四个桥臂，同整流桥相似，也可以看作是两个桥臂组成一对，即桥臂1和4组成一对，桥臂2和3为另一对。工作时，成对的两个桥臂同时导通，两对桥臂相互交替导通，且各自导通。

图4 电压型单相桥式逆变电路

4 仿真结果

4.1 BOOST型APFC控制电路仿真

反馈环参数：电流环增益GCA=20，电压环增益GVA=0.1。

控制回路的仿真模型如图5所示。图6～图8所示分别为电流环、电压环以及PWM环节的仿真模型。

图5 控制回路的仿真模型

图6 电流环仿真模型

图7 电压环仿真模型

图8 PWM环节的仿真模型

图9～图11所示输入电压分别为：AC 90 V、AC 170 V和AC 250 V时的结果波形。

图9 输入为90 V时的结果波形

图10 输入为170 V时的结果波形

图11 输入为250 V时的结果波形

由图可以看出，输入电流与输入电压相位基本保持一致，表明该控制回路基本实现。电流跟踪输入电压并与之同频同相，从而使输入端口相对交流电网呈“纯阻性”，即功率因数无限趋近于1，且使得输出为一个纹波较小近似恒定的直流电压。所以，控制回路不仅提高了电路的功率因数，也稳定了输出电压，为后一级逆变电路的工作做准备。

4.2 智能低压线路调压装置系统仿真

图12所示为输入AC 90 V、AC 170 V和AC 250 V时的输出波形。

图12 输出电压波形

由图中所示波形可以看出，通过BOOST型APFC电路进行闭环控制后校的电流相位可跟踪上电压的相位使电压电流同相位，且校正后的电流波形接近正弦波。由此。解决了电路功率因数低，对电网谐波污染严重的问题，稳定了输出电压，符合本次设计的智能低压线路调压装置在输出纹波电压允许范围内，基本实现设计任务要求。

5 结论

本次设计的主要部分是BOOST型APFC电路构成的闭环控制电路环节。在现有技术基础上，系统分析BOOST作为APFC电路的主电路拓扑的工作过程，从理论上验证了该闭环控制系统的可行性、准确性，利用其产生PWM脉冲对开关器件进行控制。在理论分析的基础上，设计智能低压线路调压装置的各部分电路，介绍各环节的设计原则以及控制回路在整个装置系统中所起到的作用。基于MATLAB软件完成了各环节的仿真，完成本次设计的验证。

利用MATLAB/SIMULINK仿真平台，检验智能低压线路调压装置各环节功能的完整性，分析各环节模拟输出信号的正确性。在保证各环节都可靠工作的前提下，进行了整个调压装置系统的仿真验证。仿真结果表明：智能低压线路调压装置在输入电压为AC 90 V～250 V，系统可实现输出电压稳定在AC 200 V～230 V，且电压精度符合设计指标要求。