CN110676875A - 基于工业变频器实现的主动式能量回馈型负载及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业变频器的主动式能量回馈型负载，通过具有主动式前端(Active Front End，AFE)整流功能的第一工业变频器和具有AFE逆变功能的第二工业变频器，同时串联三相LCL滤波器，从而实现为电源设备提供可靠的负载，并将电源设备输出的电能高效地回馈给电网。本发明能够有效地将电源的输出能量循环再生利用，既节约了能源又不产生大量的热能，同时能量回馈型负载的负载功率可以主动调节，不受限于电源设备的有功出力，具有调节方便、可靠性强、实用性好等优点。

Description

基于工业变频器实现的主动式能量回馈型负载及控制方法

技术领域

本发明属于电气自动化设备技术领域，特别是一种基于工业变频器实现的主动式能量回馈型负载及控制方法。

背景技术

能量回馈型负载是指能够模拟真实负载某些特性的电气设备，是利用电力电子变换技术在完成测试功率实验的前提下，能够将电能无污染地回馈至电网中，既节约了能源又不产生大量的热量，避免了试验场所环境升高的问题并且降低了供电容量的成本，具有节能、体积小、重量轻、节省安装空间、试验性能优良等优点。

目前市场上能量回馈型负载的额定容量普遍较小，并且其负载功率不能主动调节，受限于电源设备，与电网中的负荷特性不相符，故难以应用于电网及微电网的负荷模拟，限制了相关高校及科研院所对电网及微电网的研究和试验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于工业变频器实现的主动式能量回馈型负载及控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于工业变频器的主动式能量回馈型负载，包括依次相连的第一三相LCL滤波器、具有AFE整流功能的第一工业变频器TB1、电容C、具有AFE逆变功能的第二工业变频器TB2和第二三相LCL滤波器。

一种基于工业变频器的主动式能量回馈型负载的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过上位机下达能量回馈型负载的有功功率指令P^*给PLC；

步骤2、PLC采用有功功率闭环控制策略，使用PI调节器调节直流母线电压参考值u_dc1 ^*和u_dc2 ^*，其中u_dc1 ^*为第一工业变频器TB1的直流母线参考电压，u_dc2 ^*为第二工业变频器TB2的直流母线参考电压，且u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，并通过PLC将其发送给第一工业变频器TB1和第二工业变频器TB2；

步骤3、TB1和TB2变频器的控制器运行双闭环控制策略，外环控制直流母线电压u_dc1和u_dc2，内环控制回馈电流i_a；

步骤4、由于u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，则主动式能量回馈型负载的有功功率传输方向为：电源设备→TB1→直流母线→TB2→电网，电流大小为回馈电流i_a。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用VACON工业变频器TB1和TB2作为整流器和逆变器，大大提高了回馈型负载的容量，其额定容量为37kW；(2)本发明通过在PLC中编写控制策略搭配变频器控制器，实现了能量回馈型负载的负载功率主动调节，其调节范围为0至额定容量；(3)本发明通过在上位机下达能量回馈型负载的有功功率指令，能够改变能量回馈型负载的负载功率，使其不再受限于电源设备的有功出力，具有调节方便、可靠性强、实用性好等优点。

附图说明

图1为本发明的基于工业变频器实现的主动式能量回馈型负载的主电路拓扑图。

图2(a)为主动式能量回馈型负载中的三相LCL滤波器电路原理图与电路简化图，图2(b)为主动式能量回馈型负载中的变频器主电路原理图与电路简化图。

图3为本发明的主动式能量回馈型负载的控制框图。

图4(a)为实验过程中TB1侧直流母线电压设定值u_dc1 ^*、TB2侧直流母线电压设定值u_dc2 ^*与直流母线电压实际值u_dc的变化曲线图；图4(b)为实验过程中主动式能量回馈型负载的负载功率设定值、TB1侧实际功率和TB2侧实际功率的变化曲线图；图4(c)为实验过程中同步机转速的变化曲线，其转速随着主动式能量回馈型负载的负载功率变化而发生相应变化图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于工业变频器的主动式能量回馈型负载，包括依次相连的第一三相LCL滤波器、具有AFE整流功能的第一工业变频器TB1、电容C、具有AFE逆变功能的第二工业变频器TB2和第二三相LCL滤波器。

三相LCL滤波器由一个三相LC滤波器串联一个三相电抗器组成，第一三相LCL滤波器的输入端连接电源设备，第二三相LCL滤波器的输出端连接电网。

本发明使用两台具有AFE功能的工业变频器TB1和TB2；TB1和TB2均是采用自关断器件IGBT作为功率器件，并且采用正弦脉宽调制技术(SPWM)的六脉冲变频器；其中TB1采用的控制策略为主动整流，能够将电源设备输出的交流电整流为直流电；TB2采用的控制策略为主动逆变，能够将直流电逆变为交流电，经第二三相LCL滤波器滤波之后回馈给电网。

本发明能够将有功电能回馈给电网，并且可以主动调节所述能量回馈型负载的负载功率，而不受限于电源设备的有功出力。

一种基于工业变频器的主动式能量回馈型负载的控制策略，由PLC和变频器控制器共同实现，包括以下步骤：

步骤1、通过上位机下达能量回馈型负载的有功功率指令P^*给PLC，该指令P^*可手动调节，且可调范围为0至额定值；

步骤2、PLC采用有功功率闭环控制策略，使用PI调节器调节直流母线电压参考值u_dc1 ^*和u_dc2 ^*，其中u_dc1 ^*为TB1即整流侧变频器的直流母线参考电压，u_dc2 ^*为TB2即逆变侧变频器的直流母线参考电压，且u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，并通过PLC将其发送给TB1和TB2变频器；

步骤3、TB1和TB2变频器的控制器运行双闭环控制策略，外环控制直流母线电压u_dc1和u_dc2，内环控制回馈电流i_a。

步骤4、由于u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，故主动式能量回馈型负载的有功功率传输方向为：电源设备→TB1→直流母线→TB2→电网，电流大小为回馈电流i_a。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例

结合图1，一种基于工业变频器实现的主动式能量回馈型负载，包括依次相连的第一三相LCL滤波器、具有AFE整流功能的第一VACON工业变频器TB1、电容C、具有AFE逆变功能的第二VACON工业变频器TB2和第二三相LCL滤波器，其中：

第一三相LCL滤波器和第二三相LCL滤波器能够有效地抑制系统中的高频谐波；

VACON工业变频器TB1具有AFE整流功能，VACON工业变频器TB2具有AFE逆变功能，从而能将电源设备的电能回馈至电网；

本实施例中，TB1变频器采用的型号为NXP00725A2H0SSSA1A2，TB2变频器型号为NXP00725A2H1SSSA1A2。

通过在上位机下达有功功率指令，经PLC与变频器控制器的控制策略，能够实现能量回馈型负载的负载功率调节。

所述第一三相LCL滤波器和第二三相LCL滤波器均是由一个三相LC滤波器串联一个三相电抗器组成，其电路原理图与电路简化如图2(a)所示。其中三相LC滤波器的电感值为1.080mH±10％，电容为15uF±10％，漏泄电流≤5mA；三相电抗器的电感值为0.54mH±10％，漏泄电流≤5mA。

所述工业变频器TB1和TB2的主电路主要由6个IGBT管组成，其原理图与电路简化如图2(b)所示。

所述主动式能量回馈型负载的控制策略由PLC和变频器控制器共同实现，控制框图如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1、通过上位机下达能量回馈型负载的有功功率指令P^*给PLC，该指令P^*可手动调节，且可调范围为0至额定值37kW；

步骤2、PLC运行有功功率闭环控制策略，使用PI调节器调节直流母线电压参考值u_dc1 ^*和u_dc2 ^*，其中u_dc1 ^*为TB1即整流侧变频器的直流母线参考电压，u_dc2 ^*为TB2即逆变侧变频器的直流母线参考电压，且u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，并通过PLC将其发送给TB1和TB2变频器。

步骤3、TB1和TB2变频器的控制器运行双闭环控制策略，外环控制直流母线电压u_dc1和u_dc2，内环控制回馈电流i_a。

步骤4、由于u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，故主动式能量回馈型负载的有功功率传输方向为：电源设备→TB1→直流母线→TB2→电网，电流大小为回馈电流i_a。

在主动式能量回馈型负载的启动过程中，优先启动逆变器TB2，此时整流器TB1处于被动整流状态，直流母线电压向TB2设定的电压参考值u_dc2 ^*接近；然后启动整流器TB1，此时因为TB1和TB2之间设定的直流母线电压参考值存在差值，即u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，实现功率由TB1流向TB2，通过限制回馈电流从而实现对功率的控制。

最后，通过能量回馈型负载的测试实验对本发明进行实验验证。

实验验证在实验室同步机启动的条件下进行实验，将同步机作为主动式能量回馈型负载的电源设备，有功功率传输方向为：同步机→能量回馈型负载→电网。

实验结果如图4所示，从图4(a)可以发现，当回馈式负载启动之后，始终能够保持整流侧变频器TB1的直流母线电压设定值大于逆变侧变频器TB2的直流母线电压设定值，即u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，而直流母线电压的实际值u_dc保持在两者之间，从而保证了有功功率的传输方向为：同步机→TB1→直流母线→TB2→电网。

从图4(b)可以观察到所述能量回馈型负载的负载功率特性，通过主动调节其负载功率设定值，从6000W调至7000W，再调至8000W，最后调回6000W，如图中实线所示；整流侧变频器TB1的实际负载功率能够迅速地发生相应变化，并稳定在设定值附近，如图中长虚线所示。观察整流侧变频器TB1侧的实际功率与逆变侧变频器TB2侧的实际功率可以发现，能量回馈型负载将大部分的功率都传输回电网了，由于器件的损耗，自身只消耗了小部分的功率。

图4(c)展示了同步机转速的变化曲线，当能量回馈型负载的实际功率增加时，可以观察到，采用调速器控制的同步机转速降低，其曲线类似于电力系统一次调频曲线；当能量回馈型负载的实际功率回复到初始值，即6000W时，同步机转速也会稳定在初始的状态，即1800rpm，从而验证了能量回馈型负载的负载功率可以主动调节，并且不不受限于电源设备。

以上结果说明采用本发明提供的主动式能量回馈型负载能够成功地实现电能的回馈，并且负载功率特性能够主动调节，不受限于电源设备，进一步验证了本发明的有效性和实用性。

Claims (4)

1.一种基于工业变频器的主动式能量回馈型负载，其特征在于，包括依次相连的第一三相LCL滤波器、具有AFE整流功能的第一工业变频器TB1、电容C、具有AFE逆变功能的第二工业变频器TB2和第二三相LCL滤波器。

2.根据权利要求1所述的基于工业变频器的主动式能量回馈型负载，其特征在于，三相LCL滤波器由一个三相LC滤波器串联一个三相电抗器组成，第一三相LCL滤波器的输入端连接电源设备，第二三相LCL滤波器的输出端连接电网。

3.根据权利要求1所述的基于工业变频器的主动式能量回馈型负载，其特征在于，第一工业变频器TB1、第二工业变频器TB2均采用自关断器件IGBT作为功率器件，采用正弦脉宽调制技术的六脉冲变频器；其中第一工业变频器TB1采用的控制策略为主动整流，将电源设备输出的交流电整流为直流电；第二工业变频器TB2采用的控制策略为主动逆变，将直流电逆变为交流电，经第二三相LCL滤波器滤波之后回馈给电网。

4.一种基于权利要求1所述基于工业变频器的主动式能量回馈型负载的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过上位机下达能量回馈型负载的有功功率指令P^*给PLC；

步骤2、PLC采用有功功率闭环控制策略，使用PI调节器调节直流母线电压参考值u_dc1 ^*和u_dc2 ^*，其中u_dc1 ^*为第一工业变频器TB1的直流母线参考电压，u_dc2 ^*为第二工业变频器TB2的直流母线参考电压，且u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，并通过PLC将其发送给第一工业变频器TB1和第二工业变频器TB2；

步骤3、TB1和TB2变频器的控制器运行双闭环控制策略，外环控制直流母线电压u_dc1和u_dc2，内环控制回馈电流i_a；

步骤4、由于u_dc1 ^*＞u_dc2 ^*，则主动式能量回馈型负载的有功功率传输方向为：电源设备→TB1→直流母线→TB2→电网，电流大小为回馈电流i_a。

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