三相可逆不平衡电子负载装置的设计与仿真∗

王语园 惠亮亮 王江彬

（1.陕西铁路工程职业技术学院 渭南 714000）（2.西安交通大学 西安 710049）

1 引言

在电力系统中，实际负载有很多类型，而且容易造成三相不平衡，设计一种三相可逆不平衡电子负荷模拟装置来研究负载与电网的相互影响具有现实意义。

文献［1］研究了平衡电子负载装置主电路参数，文献［2］研究了平衡电子负载装置控制电路，文献［3～5］研究了平衡电子负载模拟装置在稳态、动态电阻、电容、电感状态时的特性。本文文献［1～5］的基础上研究三相可逆不平衡电子负载模拟装置，主电路结构如文献［2］所示，本文重点研究控制电路。采用的控制策略［4］是基于双dq 变换［5］的前馈解耦控制:使用对称分量法将不平衡信号分解为正序、负序和零序，然后采用双dq 变换分别对其进行控制。

2 三相可逆不平衡电子负荷模拟装置的控制电路

图1 是基于双dq 变换的三相可逆不平衡负荷模拟装置控制电路模型。根据功率指令值，计算电流指令值。将电流指令值和实际测量值分解为正序和负序。然后利用双dq 变换将信号转换为正序和负序dq 分量，分别对正序和负序进行前馈解耦控制。IGBT的通断控制是通过双dq反变换与三角波相比生成PWM信号送入逆变桥实现的。

图1 三相可逆不平衡负荷模拟装置的控制电路图

2.1 对称分量法

不对称的任意三相向量A、B、C都能够用三组对称分量叠加来表示［6］:1）正序分量A˙1，B˙1，C˙1；2）负序分量A˙2，B˙2，C˙2；3）零序分量A˙0，B˙0，C˙0。即存在如下关系:

每一组对称分量之间的关系为

式中，运算子a=ej120°，a=ej240°，且有1+a+a2=0，a3=1。

将式（2）代入式（1）可得:

式（3）中系数是非奇异矩阵，因此存在逆矩阵，就有

由式（4）可知，不对称的任意电流或电压相量，都可以用其电流或电压的正序、负序、零序分量叠加表示。

2.2 双dq变换

双dq 变换就是将正序量和负序量分别由abc坐标系变换到dq0坐标系。

正序分量与三相不平衡量的关系式可表示为

其反变换式为

其中

对于负序分量，采用同样的方法可以得到三相不平衡量的关系。

3 三相可逆不平衡电子负荷模拟装置仿真参数

三相可逆不平衡电子负载模拟装置仿真参数如表1 所示。三相可逆不平衡电子负荷模拟装置的PI 参数与三相可逆平衡电子负荷模拟装置的PI参数一致［2］。

4 三相可逆不平衡负荷模拟装置仿真结果

运用Matlab/Simulink 仿真软件对三相不平衡电子负载模拟装置进行仿真［5～10］，仿真参数如表1所示。三相可逆不平衡电子负荷模拟装置有接中线和不接中线两种情况，下面对接中线的三相可逆不平衡电子负荷模拟装置进行仿真实验，不接中线的试验方法与接中线的相同，在仿真模型里去掉中线即可。

表1 系统仿真所需参数表

接中线情况下，三相可逆不平衡电子负荷模拟装置主电路包括直流电压源、三相IGBT逆变桥、滤波电感、用以替代电网的电压源、控制模块和测量模块，如图2 所示，图中N 表示中线。控制模块包括指令电流计算单元、有效值计算单元、基于双dq变换的PI控制单元等，如图3所示。仿真过程如下。

图2 三相可逆不平衡电子负荷装置接中线模拟装置仿真模型

图3 三相可逆不平衡电子负荷装置的控制电路模型

图4 a、b、c不平衡状态下功率与电流的波形

2）电网电压发生变动:当t=0.05 s 时，a 相电压幅值发生变动，电网电压有效值由原来的E0=220 V 增加7%，即E1=220+220×0.07=235.4 V；当t=0.1 s 时，b 相电压初始相位发生变化，由原来的θ0=120°变为θ1=20°。三相可逆不平衡电子负荷模拟装置主电路接中线模型输出电流及输出功率与指令电流和指令功率的关系如图5所示。

图5 电网电压产生波动时逆变器输出电流与功率波形

由图4 仿真波形可知，负荷输出电流与指令电流重合，各相功率的平均值均与给定功率重合，各相功率瞬时值在以给定值为中心作正弦波动，这说明该控制方法正确。从图5 可以看出，在t=0.05 s时a 相的电网电压幅值发生变动，输出功率未发生变动，完全跟随指令功率，该负荷模拟装置对电网电压幅值波动产生的干扰能够消除；在t=0.1 s时b相电压相位发生变动，a、b、c 三相输出功率与给定功率存在一定的偏差，不能跟随给定功率，该装置不能消除因电网电压相位发生变动而对其产生的干扰。

5 结语

基于双dq 变换，设计了三相可逆不平衡电子负荷装置的控制电路。搭建了基于Matlab/Simulink 仿真软件的三相可逆不平衡电子负载装置模型，并进行了仿真分析，经过仿真实验表明设计的电子负荷模拟装置可以成功的模拟不平衡负载，而且能量能够模拟功率的双向流动。