基于電力路由器的全橋電路的研究與設計

摘 要：電力路由器不僅是能源互聯網的組成部分，也是最終實現能源互聯網的關鍵技術之一。文章研究了一種可用于電力路由器的全橋整流饋電拓撲，詳細介紹了其工作原理，并分析了所采用的雙閉環控制策略，通過仿真驗證了其正確性。

關鍵詞：電力路由器；全橋電路；能源互聯網

1 概述

隨著化石能源的不斷發現與開采，人們逐步重視化石能源日益枯竭以及環境保護等問題，世界各國也正積極探索各種不同類型的新能源。因此，能源互聯網這一概念的提出為解決上述問題以及作為未來電網的發展方向提供了很好的思路。而電力路由器作為能源互聯網的關鍵組成部分，其能夠實現能量的雙向傳輸是其區別于傳統電網的要素之一。因此，文章考慮采用全橋電路作為實現能量饋送功能的拓撲結構，雖然全橋開關管較多，但其可以實現功率因數不低于0.99、輸入電流的諧波THD被限制在5%以下。所以，文章研究了全橋電路拓撲結構實現向電網饋送電能的功能，從而實現能量的雙向傳輸。

2 基于電力路由器的全橋電路拓撲

電路的拓撲結構與工作原理如下：

文章所采用的全橋拓撲結構等效電路圖如圖1所示，其中，ui為電網側電壓，L為濾波電感，UL為電感上電壓，iL為流過電感L的電流，C為濾波電容，ud為直流側電壓，uAB為A、B兩端的電壓，S1、S2、S3、S4為功率開關管。

圖1 全橋拓撲等效電路圖

當電路工作在電網供電狀態下時，該電路拓撲直流側可以等效為一個電阻負載，當電路工作在饋電狀態下時，直流側可以等效為一個電源，綜合以上兩種狀態，可以將負載等效為一個帶內阻的直流電壓源，其簡化后的原理圖如圖2所示。其中的Ui為電網電壓忽略諧波分量后的基波向量，UL與IL為電感L上的電壓與電流的基波向量，UAB為直流側電壓ud經過SPWM調制后的交流電壓的基波分量。

圖2 全橋電路簡化拓撲

由基爾霍夫電壓定律可得：

■i=j？棕L■L+■AB（1）

由式（1）分析可知，當電網電壓Ui幅值和相位恒定以及電網側電流IL幅值恒定時，電壓UAB在向量圖的軌跡將會是一個圓周，如圖3所示。

從圖3中可以看出，當向量UAB的軌跡沿著圓周上的1、2、3、4點運動時，電網側電壓Ui和電流IL之間的夾角，即功率因數角由90°→0°→-90°→-180°依次變化。因此，可以通過調節電壓UAB的幅值和相位來改變電網側電流IL的幅值和相位，而IL的大小和方向直接決定了能量傳輸的大小和方向，從而實現了控制能量雙向傳輸的功能。從圖3（b）工作狀態2中可以看出，電網電壓■i與電流■L的夾角為0°，電網只發出有功功率，功率因數為1；從圖3（d）中可以看出，電網電壓■i與電流■L的夾角為-180°，電網只吸收有功功率，功率因數為-1。由此可知，當系統工作于上述兩點時，該系統將以單位功率因數從電網吸收功率以及發出功率，即達到單位功率因數的整流和逆變。通過適當的控制策略和電感L的選擇，可以實現上述功能。

3 全橋電路的仿真分析

3.1 控制策略

電壓型PWM整流控制策略有幅相控制、滯環控制和雙閉環控制等方式。幅相控制策略對參數的變化敏感，穩定性差；滯環控制策略則會導致開關周期不固定，諧波隨機分布，將會給濾波器的設計帶來困難，而且其波形在參考波形過零點的附近效果差。因此，文章將采用雙閉環控制方式，其控制策略框圖如圖4所示。

圖4所示的雙閉環控制方式，即電壓外環以及電流內環控制，首先將直流側電壓ud采集回來與設定的直流側電壓參考值udref進行比較，再經過PI控制器得到電流幅值的參考量，再通過采集電網側電壓的相位信息，從而得到電流參考量，將其與實際的電流值比較后經過一個P控制器，再與電網側電壓ui取差值，最終經過脈寬調制得到四個開關管的驅動信號。

3.2 仿真分析

文章設計的全橋整流饋電拓撲，其工作過程主要為整流時可以為不同負載供電以及滿載時的饋電，仿真也是針對這兩方面進行分析。為了驗證全橋電路的可行性，將從以下兩方面對全橋整流饋電電路的工作過程進行仿真分析：工作于整流狀態時，負載的變化對電路的影響；全橋電路在從整流狀態切換到饋電狀態下時的系統性能。

3.2.1 全橋電路工作于整流狀態

仿真過程中選取的參數如下：由于文章所設計的電力路由器容量為5kVA，因此，將整流饋電環節容量設定在5kW。選取濾波電感L=0.005H，電容C=2200uF，直流側電壓E=300V，通過改變直流源的等效電阻R的大小來改變整流狀態下的輸出功率。在0-0.3S時，加入限流電阻，電網對電容C進行不控整流充電；0.3S-1.0S時，系統運行于空載狀態下；1.0S-1.5S時，系統半載輸出，負載R=16Ω；1.5S-3.0S時，系統滿載輸出，R=8Ω。根據上述參數在PSCAD中搭建仿真電路，得到如下波形圖。

a）空載到半載轉換時電網側電壓與電流

b）半載工作時的電網側電壓與電流

c）半載到滿載轉換時電網側電壓與電流

d）滿載運行時的電網側電壓與電流

e）工作于所有過程中的直流側電壓

f）電網側電流的THD

從以上仿真波形可以看出，在負載突變的過程中，電路具有良好的動態響應，電流在兩個周波之內就可以達到穩定狀態，電網側電流的THD在穩定狀態下保持在1.5%以內，直流側電壓在穩態過程中的紋波保持在±2.5%以內。

3.2.2 全橋電路工作于饋電狀態

接著上述仿真過程，在3.0s時，將直流等效電壓設為500V，使電路工作于饋電狀態，其仿真波形如下所示。

g）整流與饋電模式轉換時電網側電壓與電流h）饋電模式下的電網側電壓與電流

從以上仿真波形可以看出，全橋電路在整流模式與饋電模式的切換過程中，具有良好的動態響應速度，電網側電流在三個周波左右就可以達到穩定狀態。

以上仿真表明，在雙閉環控制策略下，系統具有良好的動態響應速度和穩態性能，能夠實現電力路由器的整流與饋電功能。

4 結束語

文章基于電力路由器研究和設計了全橋整流饋電電路，實現了能量的雙向流動。首先介紹了電路的工作原理，然后分析給出了雙閉環控制策略，通過仿真驗證了其在整流模式與饋電模式下的正確性以及有效性，實現了單位功率因數工作于整流狀態和饋電狀態。為電力路由器的設計提供了保障。

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