摘要：该文系作者根据《工业应用杂志》（IEEEIndustry Applications Magazine）中相关文章，结合我国实际情况编译而成，原文主要介绍印度部分地区安装微型水电站所进行的现场实验。结果证明，电子负荷控制器有良好的调压特性，可取代结构复杂、维修不便、价格昂贵的调速器。
关健词：电子负荷控制器；微型水电；调压
中图分类号：TM571.2 文献标志码：B 文章编号：1003-0867(2008)07-0047-02
在常规的水电系统中，调速装置体积大运行操作复杂、难于维护，并需高成本的投资。从效率的观点看，利用调速器操控水轮机的流量当然更好，通过水轮机耗水量的减少可节约能量。但节余的水如能储存于水库以备未来利用这才有意义。通常，农村的微型水电站均无大的水库存水，它们属天然河流或径流式水系，任何未能及时用去的水均以溢流形式丢弃。只有中小型以上的水电站，才建有大的水库，机组配备调速器。但调速器既昂贵又需仔细的维护，且降低系统的可靠性。因此，利用现代电力电子（PE）技术，研制一种低价而又实用的电力负荷控制器（ELC）是发展微型水电站的必然趋势。ELC能保持自励异步发电机（SEIG）的输出功率恒定；借镇流电阻（平衡负载）改变用户的负荷，消除其中过剩的功率，由此，也确保了端电压的恒定。
ELC有以下几种不同的形式：第一种二元加权的开关，控制器需要大量的开关，开关的切换操作经常不可靠；第二种馈电至平衡负载的可控整流器，可控整流器会消耗无功功率并导致产生谐波。第三种基于背对背连接晶闸管的交流电压控制器；第四种带斩波器控制平衡负载的不可调控整流器。后两种形式被认为是在现场安装的较佳选择。图1和图2为现场采用的两种接线图。分别是利用交流电压控制器的ELC1和基于整流斩波器的ELC2。电容C1和C2的组合，旨在从三相△连接的SEIG上提供单相的输出功率。
图1 SEIG-ELC1系统的示意图
1 基于背对背连接的晶闸管电子负荷控制器（ELC1）
在这一线路图中，应用了背对背连接晶闸管的相位控制原理。晶闸管是以相对零交叉电压的特定延迟角启动的（正弦波的两半对称）。该晶闸管在下一个零交叉点开始换向，并以两倍的频率进行切换。但出现电流的总谐波失真（THD）高达35%~40%，还要提供附加的无功功率。本方案因延迟角从180°变到0°。几乎从空载至满载的全范围内，能连续地改变平衡负载的功率。
2 基于未控整流—斩波器的电子负荷控制器（ELC2）
这一负荷控制器示于图2，还可称为传号脉冲与空号脉冲之比（mark space ratio）控制器。它由单相整流器，未控制的斩波器开关（IGBT）以及镇流电阻Rdl2组成。电容器C跨接于未调控的整流器两端，用于纹波的过滤；电组Rdl1为斩波器开关断开时的放电电阻，其值为6.86MΩ；为消除要求的过剩功率，均衡负载的镇流电阻Rdl2为15Ω。
图2 SEIG-ELC2系统的示意图
这一装置利用了为控制斩波器的脉宽调制（PWM），其中，脉冲的占空系数控制范围从0到100%；而功率是在全部范围内被控制的。
在ELC2中，为输出斩波器IGBT的PWM信号，将反馈电压（逐级下降的SEIG电压）与基准电压比较，并将电压误差放大，再与锯齿波比较，以便对斩波器的IGBT发出的选通信号。该方案包括由串联斩波器跟踪的SEIG 端子上未调控的整流。IGBT因对比晶闸管或MOSFET所具有的优点而被选用为斩波器的开关元件，这降低了功率电路的复杂性。本线路图中有单一式的控制器件且控制简单，同时还无需提供无功功率来支持电压的恢复与稳定。
3 现场实验数据的分析对比
对安装SEIG-ELC系统的现场试验结果进行了分析、比较。表1所列利用ELC1的现场数据中，应适当选择电容C1和C2（C1=102μF，C2=250μF），在全部负载下，跨接于各相的电压均显示出充分的均衡性。由于总的功率恒定，从空载至满载，负载电压Vla从233V左右变到213V，电压降约10%，这是因ELC1在改变用户负载时需要的无功功率所致。负载的功率因数为1。由于平衡负载的电阻适当，电压和电流均以相同的比例变化。表2是对ELC2提供了类似的现场数据。SEIG的三相电压和电流几乎均衡，三相异步电机正常运转。还可看到，负载电压是随负荷变化的。由此，利用ELC2比用ELC1具有更佳的电压调节特性。这主要因为ELC2在改变用户负载时未导致任何无功功率的需求。
表1 用ELC1控制器测试数据表
表2 用ELC2控制器测试数据表
表1、表2中的符号意义如下：
Va、Vb、Vc——SEIG的三相线电压，V；
Iga、Igb、Igc——SEIG的三相绕组电流，A；
Vla、Ila——负载电压和电流；
VTHD、ITHD——负载电压和电流的总谐波失真(THD)，%；
PC、PD——用户负载和均衡负载的功率，kW；
cosφ——功率因数。
4 结束语
研制成的带固定端子电容器的SEIG-ELC系统和不带调控的小型冲击式水轮机恒速驱动，已对变动的用户负载实现了恒定电压，恒定频率的交流供电。基于不控整流斩波器的电子负荷控制器ELC2，已在现场试验和实际运行中显示其优越的性能，故在农村广泛分布的微小型水电站中，推荐使用这一控制器取代调速器。利用价格低、性能优的ELC2控制小水电中的水轮机，因而明显降低该独立发电系统的总成本。某电站的现场数据证明，这一技术在广泛应用中的可行性和有效性。目前，这一方案（图2）已在印度很多现场成功运行，大大促进了一些交通不便的边远地区、山区农村多快好省实现电气化。
为便于结合实际情况进行微型水电站设计提供表3、表4供参考。
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