能量回馈电子负载原理.docx

能量回馈型电子负载的原理介绍党三磊，丘东元，张波（华南理工大学电力学院 广州 510640）Study on the Theory of Energy Recycling Electronic LoadDANG Sanlei, QIU Dongyuan(Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)摘要：能量回馈型电子负载是一种用于各种电源出厂试验的能够模拟实际电阻负载特性的新型电力电子装置。它能够实现对所模拟电阻值的无级调节，并能够实现电能的再生利用，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。本文简要描述了交直流电子负载的结构、原理和控制方式，并对主要影响系统性能的PWM整流器的工作原理和控制方法进行了重点分析。关键字：电子负载，能量回馈，PWM整流器ABSTRACT: The energy recycling electronic load is a new type power electronics instrument that can run with the same function as resistors in the all kinds of power source burn-in test. It can be regarded as a resistor whose value can change smoothly. The device saves energy by feeding burn-in test power back to the utility system. It is lighter, smaller and has a better performance in the test than the normal electronic load. This paper describes the structure, principle and control strategy of AC and DC energy recycling electronic load briefly. The principle and control strategy of the PWM rectifier are studied in-depth.KEYWORDS: electronic load, energy recycling, PWM rectifier1 引言电子负载是指能模拟真实负载某些特性的电子设备，它不仅可模拟不同数值的电阻、电感、电容及它们的组合，而且可模拟非线性负载的某些特性。电子负载具有调节方便、通用性强、精度高、稳定性好等优点，是电源试验测试用负载的发展方向。电子负载作为电源测试的重要手段，随着电源测试集成化、一体化的发展趋势，其重要性越发明显。能量回馈型电子负载既能模拟各种负载特性，又能将电能无污染的回馈电网，是当前电子负载发展的必然趋势。与普通电阻负载相比，它的工作方式是利用电力电子变换技术在完成测试功率实验的前提下，将被测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量，避免了试验场所环境温度升高的问题。该电子负载未将试验功率转变为热能，因此不必使用体积庞大的电阻箱及冷却设备，节约了安装空间。由于采用的是能量回馈的方式，因此试验场所不必配备较大的电源容量，降低了供电容量的成本1。本文分别介绍了交直流电子负载的结构，工作原理和相应的控制方式，并重点分析了PWM整流器的工作原理和不同控制方式的优缺点。2 能量回馈型交流电子负载图1给出了单相能量回馈型交流电子负载系统结构图，采用具有中间直流环节的AC/DC/AC双级变换结构，分开控制电子负载的输入电流iu、输出电流ir，并且能使输入和输出工作在不同的频率满足某些特殊电源测试需要。AC/DC整流单元与DC/AC逆变单元均采用电压型PWM整流器，前级整流单元控制被测电源的输出电流iu，模拟被测电源需要的负载特性；后级整流单元控制直流侧电压Vdc和并网电流ir。控制上前后级是解耦的，可以分开进行分析和设计2。图1交流电子负载系统Fig.1 AC electronic load system前级整流器的功率因数在-1至1间可调，后级逆变器功率因数一般为-1，被测电源输出的电能（除去开关损耗）经逆变回馈电网。图3 能量回馈控制系统Fig.3 Control system of energy feedback unit2.1 负载特性模拟功能的实现 图2 负载特性模拟控制系统Fig.2 Control system of load characteristic simulation unit图2给出了负载特性模拟控制系统图，其中Pref、Vu和iu分别指模拟负载的功率、被测电源输出电压和被测电源输出电流，iuref 和iuf分别指被测电源输出电流控制目标值和被测电源输出电流反馈值。前级PWM整流的主要目的是模拟阻感负载特性，并把能量从被测电源传递给能量回馈单元。对于前级整流单元而言，后级整流单元相当于直流电压源，只有一个控制量iu，对iu进行闭环控制。电子负载作为被测电源的负载，要能模拟RL负载特性，因而图中移相电路是必需的3。Pref经过移相后与Vu通过乘法器产生模拟负载输入电流（即被测电源输出电流）控制目标值iuref，iuref再与反馈电流iuf比较生成电流误差值，误差值经过电流调节器和PWM发生器形成相应的PWM脉冲使开关管开通或关断，达到iu对iuref快速跟踪，这样就实现了负载特性的模拟功能。2.2 能量回馈功能的实现图3给出了能量回馈系统控制系统图。后级整流单元控制直流侧电压Vdc和并网电流ir，使并网电流正弦化和并保持功率因数为-1是后级控制的主要目标。如控制系统框图所示，Vref为直流母线给定电压，Vdc为直流母线电压，ir为并网电流，Vs为与电网电压同相的单位正弦信号。根据对直流母线电压误差的比例积分调节，控制系统自动选取能量流动方向，PI调节器的输出与Vs相乘生成的正弦信号作为并网电流的控制目标值，电流目标值与反馈值的电流误差经过电流调节器调节后生成信号波与载波比较产生驱动信号。只要选择合适的控制系统参数，可维持母线电压恒定的同时能量自动选取流动方向做到了能量平衡，网侧电流可为与电网同相或反相的正弦波形且THD很小2。反馈电流和电压通过高频噪声滤波和凹槽滤波器可以进一步减少谐波含量4，改善电子负载的性能。2.3 电压型PWM整流器交流电子负载中的负载特性模拟和能量回馈两个功能的实现都依赖于电压型PWM整流器，因而选择合适的PWM整流器拓扑结构和相应有效的控制方式决定了电子负载的性能。PWM整流器是应用脉宽调制技术（PWM）发展起来的一种新型电源变流器，既可以将电网输入的交流整流为输出的直流，也可方便地将直流逆变为交流，回馈到电网中去，因而PWM整流器也被称为脉冲变流器或四象限变流器。目前，应用最为广泛的是电压型桥式变流器，三相电压型PWM整流器即是其中的一种，交流电子负载的负载特性模拟单元与能量回馈单元，直流电子负载的逆变部分都采用这种整流器。对于此类电压型桥式电路的分析，应当从其基本的组成单元半桥单元入手。由三相电压型PWM整流器三相电压的对称性可以知道，直流侧中点电位与电网中线等电位。以此电位为参考地电位，理想情况下三相电压型PWM整流器半桥单元的理想拓扑结构如图4所示。若以正弦脉宽调制规律控制开关S1、S2，可在A点得到基波为正弦波的脉宽调制波Us，其基波幅值： (1)a为调制比，相位和频率都可以控制。如果控制的频率与网压频率相同，则可以得到如下电压矢量关系式： (2) 对应的电压矢量图如图4所示。图中可以看出，调节的幅值和相角可使在四个象限内随意变化。图中给出和两种情况，相应得到的和各在II、IV象限，对应于整流和逆变两种状态。对于电子负载能量回馈环节来说，三相电压型脉冲整流器应工作在有源逆变的状态，且其功率因数应为-1.0，以保证不对电网造成污染，而对交流电子负载的负载特性模拟环节，相电压型脉冲整流器应工作在有整流状态，且其功率因数应为-1.0至1.0，输入电压为正弦波5。控制能量回馈的关键是矢量图中的，或者通过对的控制以完成对的控制，或者直接对进行控制，完成对交流侧电流、功率因数的控制，从而实现各种功能：整流器，逆变器，功率因数补偿器，谐波补偿器等等。图5 滞环电流控制原理Fig.5 Principle of hysteresis current controlPWM整流器的电流控制既包含幅度控制，又包含相位控制，这些年来，已经出现了不少有关的交流侧电流控制的方法，相位幅度控制（PAC）是一种应用较多的方法。该方法基于输入回路的稳态相量关系，根据稳态电流向量的给定、PWM基波电压向量的幅度与相位，分别予以闭环控制，进而通过SPWM电压控制实现对输入电流的控制。这种控制方法存在几个方面的缺陷，一是对PWM电压向量的幅度与相位以两个闭环分别控制，加之通常出于系统稳定性的考虑，两个闭环的响应速度差别较大，幅度与相位瞬态响应速度不同步，难以保证系统具有良好的动态特性；二是从稳态相量关系出发进行电流控制，其前提条件是交流电压源不发生畸变，而实际上由于电网内阻抗的存在，负载的变化及各种非线性负载等扰动尤其是在瞬态过程中，电源波形的畸变会直接影响着系统控制的效果；三是在用于有源无功补偿的情况下，由于脉冲整流器交流侧电流源非正弦，相量关系及SPWM将不再适用。此外有些基于三相坐标变换的电流控制方法，往往由于其坐标变换给系统控制带来一定的复杂性。从这点来讲，采用电流控制PWM技术可以使上述问题得到比较圆满的解决。诸如电流滞环控制，和PI电流控制等方法，在电网电压畸变、电流给定波形非正弦的情况下，可以通过开关控制使网侧电流基本上跟踪参考电流的变化。图4 半桥单元拓扑及电压矢量图Fig.4 Half-bridge unit configuration and voltage vectorgraph滞环电流控制的突出特点之一是控制简单，用模拟器件很容易实现。另外，当功率器件的开关频率很高时，响应非常快，并且对负载及电路参数的变化很不敏感，不过模拟器件用于系统核心的电流及PWM控制与目前的全数字化趋势很不协调。此外，这种方法的滞环宽度固定，而开关频率不固定，高低悬殊，有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰。因此，采用各种改进方法是必要的。PI电流控制方法将反馈电流与给定信号相比较，经PI调节器输出与载频三角波比较产生PWM开关信号谐波成分远比三角波频率低。一种改进的方法是把PI调节器置于d-q坐标系，这样所需调节的电流为直流量，调节器的输出经旋转坐标变换，转换成为三相正弦信号，再与三角波比较输出PWM信号，但这种方法增加了系统实时运算处理的复杂性，普通的微处理器难以胜任6。小惯性电流跟踪（SICT）控制是近年来兴起的一种特别适合于脉冲整流器的电流控制方法，它集滞环电流控制的简单、快速性和PAC、PI电流控制方法的开关频率固定特点于一身，不过需要以性能优良PWM调制器作保证。以上几种电流控制方式各有特点，但由于滞环电流控制简单，易实现，比较多的研究中采用这种方式，同时通过采用限制最高开关频率的方法来避免了由于频率过高产生的电流尖峰的出现。本文中所有的PWM整流器均采用这种控制方法，下面主要分析滞环电流控制的原理。工作时，将正弦电流参考波形与线电流的实际波形进行滞环比较，比较结果决定逆变器桥臂上下开关元件的导通和关断，如图5所示。其基本原理可以简述如下：设置滞环比较器的环宽为i，i对应着设定的最大电流偏差，当实际相电流ia比参考电流ia*高i时，滞环比较器的输出使对应的逆变器桥臂上开关器件截止，下开关器件导通，迫使电流下降；当实际电流降到比参考电流低i时，滞环比较器 的输出使相应逆变桥臂上开关器件导通，下开关器件关断。如此上下两开关反复通断，迫使实际电流在一个允许的偏差范围内跟踪参考电流1。3 能量回馈型直流电子负载图6给出了能量回馈型直流电子负载的一般系统结构。由于待测直流电源一般输出为低压直流电，不能直接逆变后并入电网，一般有如图所示的两种实现方案7：1）直流电通过DC/DC变换后得到高压直流电，再逆变为交流，如图6(a)所示；2）直流电直接逆变为交流电,然后通过变压器实现电能的再生利用,如图6(b)所示。由于第二种方案采用的工频变压器体积大，质量大，变比大，输入电流大，不易安装，而且低压大电流逆变电路难以实现，图6 直流电子负载结构Fig.6 DC electronic load configuration所以一般采用第一种方案。直流电源要求电子负载能够实现电流的无级调节，以满足被试电源对不同电流值的试验需要，通过控制保持低压直流侧电流恒定，可以看作电流源，交流侧直接并网，当电网电压不变时，交流侧可以看作恒压源，交流电流随着直流电压的波动而波动，以实现整个系统能量的平衡。其中DC/DC部分要完成将低压电能变为可供逆变器相电网输入能量的高压，这部分输入端低压大电流，输出高压小电流，输入设计难度较大。逆变部分要实现核心任务，模拟实际电阻负载，调节输出电流大小，并且要求无污染的并网。在模拟阻感负载时，直流侧电压Ud恒定，电网电压在一定范围内恒定，通讯电源输出电流的大小直接正比于系统所模拟的功率的大小，即正比于交流侧电流的大小，电流的设定值若按式(3)的给定进行控制，则成功地控制了通讯电源输出电流的大小，即成功地模拟了R、L性质的负载，此时通过对R、L值的设定即可实现对模拟功率的设定。同样更为简单的情况下，模拟纯电阻负载时，电流设定值按式(4)的给定取值即可8。 (3) (4)3.1 DC/DC直流变换环节直直变换器（DC/DC）部分需要将低压输入直流升压为650V左右的高压直流以使得产生足够的高压，提供给脉冲整流器的直流侧以供逆变之用，并实现负载特性模拟6。电路拓扑一般选用目前国内外直直变换电路中最常用的电路拓扑形式之一-全桥变换电路，也是中大功率应用场合更是首选拓扑。这主要是考虑它具有功率开关器件电压、电流额定值较小，功率变压器利用率较高等明显优点。根据控制方式中反馈的电压和电流的不同，有电压控制型PWM和电流控制型PWM。电压控制型PWM把反馈电压值和进行给定电压值比较，根据误差值来增大或者减小占空比，使输出电压和给定电压一致。而电流控制型PWM控制系统分为峰值电流型和平均电流型两种，他们检测并反馈的分别是一个导通周期（Ton）内电流变化的峰值和平均值，工作原理即把反馈值和给定值作比较，根据比较结果来确定开关管的通断。和电压控制型比较，电流型控制具有动态响应快，易于实现限流和过流保护，允许的输入电压交流纹波大，多套系统并联运行时均流效果好，够有效的抑制逆变变压器单向偏磁所引起的饱和问题等优点，但是输出电压纹波较大。直流电子负载中负载特性模拟功能由前级DC/DC变换部分实现，其中主要控制的就是电源的输出电流（即DC/DC变换的输入电流），因而采用电流控制型PWM更合适，更容易实现。虽然电流控制型PWM输出电压纹波较大，但是电子负载中的直流母线电压可以由后级PWM整流电路控制，可以维持在一个恒定值。一般全桥DC/DC变换器常采用PWM技术同时开通或关断斜对角的一对开关管，使其工作在硬开关方式。这种工作方式随着工作频率的上升，开关损耗成正比上升，使系统效率下降，开关过程中产生的di/dt和du/dt引起强烈的电磁干扰噪声，Ldi/dt还会导致器件过压。为了避免这种情况的产生，对开关管常采用软开关技术，常见的软开关技术有串联负载串联谐振，串联负载并联谐振，准谐振和多谐振荡器等，其中串联负载串联谐振方式应用较广，并有成熟的经验。在文献9中DC/DC采用的全桥软开关变换电路通过在压器副边并联储能电容C的方法来实现原电流的复位，即ZCS，在功率管两端并联谐振容实现原边电压为零，即 ZVS，据试验表明性能较好。3.2 DC/AC逆变环节交直流电子负载这个环节的功能一样，可以采用相同的能量回馈方案，即电流控制方式的电压PWM整流器。3.3 直流电子负载控制原理前面讨论了直直变换器和逆变部分原理，在整个电子负载系统中，需要将两部分与被测电源有机地结合在一起，下面对一种系统控制方案作以论述。控制方案为：通过对低压直流输入电流的设定，来控制DC/DC给定电流的大小，采用闭环调节实现对被测电源的考核电流快速跟踪。通过对输出交流电流的调节，实现高压侧直流电压的恒压控制，并使PWM整流器功率因数保持为-1实现能量回馈8。系统控制方框图如图7所示：图7直流电子负载控制系统Fig.7 Control system of DC electronic load图中有两个闭环控制回路，对被测电源输出电流进行电流闭环控制和对直直变换器输出高压进行电压闭环控制。1、电流控制环给定电流IREF为给定电流，由电子负载用户设定所需要模拟的电阻的大小，从而给定电流的幅值，反馈电流为通过磁平衡式电流传感器反馈的电流信号，两者作差，结果通过PI调解器的运算得到直直变换器的峰值电流给定信号Id，以提供给电流模式控制电压型全桥变化器工作的需要。工作原理可以描述为：当直流电流给定值大于实际电流值时，作差的结果为i，通过PI调节得到累加值，使得Id变大，从而增大直直变换器输入电流的峰值，即相当于直直变换器的输出电流平均值变大；反之，直流电流给定值小于实际电流时，则减小Id，即减小直至变换器的输入电流，从而达到恒流的目的。2、电压控制环恒压控制环是系统的负载量调节部分，通过调节负载电流的大小，来恒定直流侧的电压，直流电压的恒定也表示了在高压直流侧流入的功率和流出的电功率相等，相当于通过调节负载电流间接地调节了开关电源输出电流的大小。其工作原理为：VREF（定值）为直流电压给定，实际电压通过磁平衡式电压传感器采样，两者的差值通过PI调解器调整，结果作为负载交流电流的幅值设定，当直流电压大于给定时，说明流入直流侧的功率大于流出的功率，DC/DC对高压侧支撑电容充电，那么增大负载电流幅值，即增大流出直流侧的功率，使支撑电容放电，直流侧电压下降；反之，减小负载电流值，使直流侧电压上升，以保持电压恒定和系统的稳定。两个闭环的控制，实现了负载模拟原理，只要设定负载电流值IREF，电子负载系统即可自动模拟电阻负载功能。4 结束语本文简要描述和分析了相关文献中能量回馈型交直流电子负载常采用的拓扑结构和控制方式，可以看出能量回馈型交直流电子负载一般由负载特性模拟单元和能量回馈单元两部分组成。其中前级控制一般较为简单，较易实现，而后级既要实现能量的回馈，还要尽量减少并网电流中的谐波含量，控制较为复杂，是电子负载的核心关键部分。选择一种先进PWM整流控制方式可以极大地改善电子负载的各种性能指标。理论上PWM整流器完全可以在实现模拟负载特性和进行能量回馈的基础上，对系统的功率因数及谐波进行一定的补偿，可使整个电源测试系统更加完善。参考文献1 李宝昌，刘志刚.电流滞环控制脉冲整流器在电子负载中的应用.电气传动自动化,2001, 23(5):24-27 2 李春龙,张建荣, 卢家林等.能量回馈型可编程交直流电子负载的研究.中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集3 Ming-Tsung Tsai, Charles Tsai. 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