一種測試直流斷路器短路瞬動保護特性的脈沖電源

唐 旗

（溫州大學 蒼南研究院，浙江 蒼南 325800）

0 引 言

近年來，直流系統受到了廣泛重視，得到了廣泛應用。與交流系統相比，直流系統具有輸電線路建設費用低、功率調節簡單、不存在穩定性問題等優勢。目前，中國直流輸電技術電壓等級最高、規模最大。2016年，中國國家電網與中國南方電網分別在世界500強中名列第2位和第95位，分別建成“八交八直”和“八交九直”（特）高壓交直流輸電骨干網，妥善解決了我國“源荷割離”的難題。直流斷路器作為直流系統中起控制和保護作用的開關電器，其性能對直流系統的安全可靠運行至關重要。因此，測試直流斷路器的保護特性，對防止直流系統出現故障、事故擴大、保證直流系統的穩定運行具有重要意義[1]。

目前，國內外的直流斷路器保護特性測試裝置大多采用電源+負載系統或交流電源整流成直流系統的方式。前者由于外加負載系統，體積龐大、質量大、操作繁瑣，不利于移動測試；后者輸出電流不穩定、難控制，且電流紋波大[2]，且由于存在輸出整流管，造成整流和濾波困難，大電流下整流二極管的功耗過大。

本文提出了一種無輸出整流二極管的脈沖電源作為直流斷路器短路瞬動保護特性的測試電源。該電源可以提供恒定連續可調大電流，持續時間200 ms。

1 無輸出整流二極管的脈沖電源

脈沖電源是按照一定時間反復通斷得到脈沖形狀輸出的電源。實現脈沖電源常用的有3種方法：一是利用儲能元件，二是采用逆變的原理將直流電直接變成脈沖，三是采用直流斬波原理得到脈沖[3-7]。本文采用直流斬波的原理實現脈沖電源。

本文提出一種無輸出整流二極管的脈沖電源，并將其應用在直流斷路器短路瞬動保護特性測試裝置中，電路結構如圖1所示。其中，V、Q1、D1、L1、C1構成Buck拓撲的初級電源，初級電源主要是為脈沖電源提供能源。MC1為直流升流器，Rload為負載，即直流斷路器。工作過程為：使用PWM波控制初級電源的開關管Q1導通與關斷得到輸出電壓，從而在L3上得到一個變化的電壓，在直流升流器MC1上形成一個變化的磁場，通過磁場耦合到L4上產生感應電壓；由于L4與負載Rload相連，且L4與負載Rload組成的回路阻抗極小，負載Rload上會產生一個低電壓、大電流；合理控制初級電源輸出電壓的變化，可以使L4上得到的感應電流為指定的恒定電流值。由D2、L2磁復位繞組完成續流與磁復位，將能量回饋到電源端，等待下一次的控制信號與測試。

本文提出的無輸出整流二極管的測試電源在負載端不需要輸出整流二極管與濾波電容，因此不需要考慮輸出整流二極管在大電流下的功耗問題，不需要使用電解電容濾波，極大地延長了測試電源的使用壽命，易通過擴展輸出更大的電流，擁有電路簡單、電源體積小、易于控制以及工作可靠等優點。

2 直流升流器磁特性測量

直流升流器的實質是變壓器，利用直流勵磁在變壓器繞組上得到感應電壓加載在負載上實現電流變換。

圖1 無輸出整流二極管的脈沖電源

使用長沙天恒測控技術有限公司的軟磁直流測試系統TD8220測量樣品。測試原理為使用掃描法測量樣品的磁滯回線，即先確定若干個測試點，每個測試點先給一個足夠大的電流使樣品磁場飽和，之后加一個反向電流使之反向飽和，再加一個反向電流使磁場反向飽和，最后電流慢慢降為零，記錄中間的值。加電流時，電流從零慢慢加到足夠大后慢慢歸零，之后慢慢加反向電流至最大后歸零。注意每次測試前都要進行退磁處理，消除環狀樣品中的剩磁，保證磁感應強度是從零開始測量的，分別測量不同磁場強度下得到的磁滯回線。記錄各磁滯回線的頂點的B、H值得到表1，則基本磁化曲線如圖2所示。

表1 磁滯回線的頂點B、H值

圖2 基本磁化曲線

3 動態矩陣控制算法

由于測試電源的工作時間僅為0.2 s，如果采用普通的基于偏差的控制算法，存在的主要問題是需要系統出現偏差時才進行控制，說明控制是滯后的、不及時的。此外，考慮到測試電源的工作時間、直流斷路器短路瞬動保護特性測試的特點以及直流升流器的磁特性，系統應在最短的時間內達到穩定輸出[8-11]。因此，采用預測控制，通過預測系統未來的輸出得到未來的一系列控制量，提前控制系統可能出現的偏差。

采用預測控制中的動態矩陣控制算法（Dynamic Matrix Control）。DMC算法是一種基于被控對象階躍響應的預測控制算法，通過反饋校正和滾動優化當前和未來時刻的控制量，使得輸出響應符合預先設定的軌跡[12-14]。PI控制算法按偏差的比例、積分進行控制，擁有原理簡單、易于實現、魯棒性強和適用面廣等優點[15-17]，最終將PI控制的結果與DMC算法得到的仿真結果進行比較。

3.1 預測模型

預測模型的功能是根據對象歷史信息和未來輸入對輸出進行預測。在k時刻，假定控制作用保持不變，對未來N個時刻的輸出有初始預測y0(k+1)，…，y0(k+N)，那么在控制增加量Δu(k)作用后，系統的輸出預測值為：

其中，a=[a1a2…aN]T是系統動態系數向量，也就是單位階躍響應向量。同樣的，在M個控制增量序列Δu(k)，Δu(k+1)，…，Δu(k+M-1)作用下，系統未來P個時刻的預測模型輸出為：

3.2 滾動優化

通過某一性能指標的最優來確定未來的控制作用。優化目標函數為：

其中，pi和qi為權系數，w(k+i)為期望輸出電流值，Δu(k+j-1)為k時刻和未來時刻的M個控制增量，yM(k+i)是未來P個時刻的輸出電流值。

3.3 反饋校正

由于現實中存在的非線性、模型失配、環境干擾等，基于不變模型的預測不可能和實際情況完全相符，因此應該采取其他的手段補充模型預測的不足，或者對基礎模型進行在線修正[18]。采用對預測誤差加權的方式對預測模型進行修正，修正公式為：

其中，h是修正加權系數；e(k+1)為預測誤差，由實際輸出電流與預測輸出電流相比較得到。

4 仿真結果分析

仿真主要流程使用simulink實現，而DMC算法由matlab函數編寫并以matlab Fcn模塊的形式加入simulink，從而建立如圖3所示的仿真原理框圖。其中，直流升流器的磁特性曲線使用測量得到的數據帶入變壓器模型得到。假定負載為直流斷路器，電阻為1 mΩ。取初級電源Buck電路的輸入電壓V=450 V、R=20 Ω、D=0.5，開關頻率為f=10 kHz，紋波電壓ΔV小于1%，L=1 800 μH、C=220 μF，并使用DMC算法與PID并聯結合和單獨使用PID的控制算法的結果進行比較分析。

圖3 脈沖電源控制系統框圖

取單位階躍響應的采樣周期為Ts=0.002，取建模時域N=300，預測時P=250，控制時域M=4、qi=0.01、rj=0.01、h=0.8。使用動態矩陣控制算法與PID并聯的方法進行控制仿真，kp=280、ki=3 000、kd=0.5。圖4表示在加入不同控制以及不加控制時10 000 A輸出電流的結果。不加入控制時，系統在開始時上升速度快，但是過沖很大，且需要經過多次振蕩后進入穩定狀態，同時在直流升流器進入飽和后，輸出電流出現下降。只加入PID控制時，系統的響應速度變慢，且存在過沖，需要較長的時間才能夠回到穩定狀態。加入DMC-PID控制后，在開始的十幾個毫秒波形上升速度較慢，說明系統的快速性不夠好，但在穩定后輸出電流穩定，經測量其穩態誤差在1%之內，系統穩定性較好。

圖4 控制效果比較

5 結 論

本文提出了一種無輸出整流二極管的脈沖電源作為直流斷路器短路瞬動保護特性的測試電源，擁有結構簡單、可擴展性高等優點，并分析了無輸出整流二極管的脈沖電源的原理。通過測量直流升流器的磁特性與系統的階躍響應，使用matlab/simulink建立測試電源模型進行仿真計算，結果輸出電流的紋波小于1%，說明系統達到了設計要求。