直流电子负载基本工作模式的实现策略研究毕业论文.doc

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1、直流电子负载基本工作模式的实现策略研究 院（系）：电气工程系专 业：电气工程及其自动化学 号：1080610505指导教师：王明彦2012年7月毕业设计（论文）题 目 直流电子负载基本工作 模式的实现策略研究 专 业 电气工程及其自动化 学 号 1080610505 学 生 吴海涛 指 导 教 师 王明彦 答 辩 日 期 2012年7月 哈尔滨工业大学毕业设计（论文）评语姓名： 学号： 专业： 毕业设计（论文）题目： 工作起止日期：_ 年_ 月_ 日起 _ 年_ 月_ 日止指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见：_ _指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见：_ _ _

2、_ _ _ _评阅教师签字：_ _ 评阅教师职称：_ _答辩委员会评语：_ _根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为： 对毕业设计（论文）的特殊评语：_ _答辩委员会主任（签字）： 职称：_ _答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员（签字）：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 年 月 日哈尔滨工业大学毕业设计（论文）任务书姓 名：吴海涛 院 （系）：电气工程专 业：电气工程及其自动化 班 号：0606152任务起至日期：2011 年 12 月 20 日至 2012 年 6 月 23 日毕业设计（论文）

3、题目： 直流电子负载基本工作模式的实现策略研究立题的目的和意义：在对电池充电器、AC-DC和DC-DC电源等设备以及功率器件、电池等部件进行性能测试时，都需要对这些设备和部件施加电气负载，传统的方法是利用固定电阻和可变电阻器来充当负载。一种新兴的电子仪器和测试设备电子负载应运而生，它应用电力电子技术进行负载模拟，将待试设备的输出能量反馈到电网，在完成测试功率实验的前提下，实现了节能减排，还具有很强的操作灵活性。因此，研究和开发的电能回馈型电子负载技术成为了一项有意义的工作。就直流电子负载或交流电子负载的工作模式来说，一般有定电流(CC)、定电阻(CR)、定电压(CV)和定功率(CP)等工作模式

4、。本课题对电能回馈型直流电子负载系统中如何实现定电流(CC)、定阻抗(CR)和定功率(CP)这三种工作模式开展研究。技术要求与主要内容：1 技术要求（1）直流电源电压额定值：48VDC；最大波动幅度：20%；最大波动频率：300Hz。（2）模拟负载精度在直流电源电压的最大波动幅度和最大波动频率范围内均能保证负载电流/阻抗/功率低于2%。（3）变换器输出直流电压400VDC5%。2 主要内容综合运用自动控制系统的原理与设计、电力电子技术和单片机技术，完成（1）设计能够同时满足不同负载模式的电力电子变换器；（2）实现变换器各工作模式的控制策略；（3）电力电子变换器和控制器的系统建模、性能验证与分析

5、。进度安排：第 1- 2周 了解电子负载的原理及直流电子负载的实现路线第 3- 6周 设计三种工作模式的直流电子负载方案第 7-11周 实现变换器各工作模式的控制策略第12-13周 系统实现方案设计第14-16周 电力电子变换器和控制器的系统建模、性能验证与分析第17-18周 结题验收，撰写论文第19周 答辩同组设计者及分工： 独力完成。指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字_ 年 月 日摘 要随着电力电子技术的发展，一种新兴的电子仪器和测试设备电子负载应运而生。电子负载应用电力电子技术进行负载模拟，同时可以将待试设备的输出能量反馈到电网，在完成不同负载模式测试实验的前提下

6、，不仅实现了节能减排，还具有很强的操作灵活性。本文对直流能馈型电子负载的系统实现方案进行了设计和探究，并通过仿真分析证明其可行性。本文详细分析了直流电子负载系统不同主电路拓扑结构的工作原理和特点，根据设计要求确定采用两级式电子负载拓扑结构。并且完成了系统中DC-DC电路和DC-AC电路的设计。其中DC-DC电路在实现直流升压的同时，通过闭环负反馈控制实现对不同负载模式的模拟；DC-AC电路则采用母线电压、并网电流双闭环控制策略实现对并网逆变器的控制，达到并网电压电流同相位，向电网输送功率的目的。并采用PID调节器优化系统特性。在完成以上的分析设计后，本文采用Matlab中的Simulink软件

7、进行了仿真实验，对系统参数设计进行更深入的探讨，并且验证了本系统控制策略与参数选择的正确性，能够实现期望的功能。关键词：电子负载；并网发电；负载模拟；Simulink仿真AbstractWith the development of power electronic technology, a new kind of electronic test device, the electronic load, are being invented. It could simulate traditional loads by using power electronic technology, a

8、t the same time it could feedback the energy given by tested power source to the power grid. The electronic load accomplishes different mode of load test, and it not only achieves the goal of energy conservation and pollution reduction, but also has a strong flexibility in operating. The author has

9、tried to design a scheme of the feedback type of DC electronic load system, and then testify its feasibility by simulating analysis.The text analyses in detail about the different topologies of DC electronic load and their principle and characteristic, and uses the two part electronic load topology

10、according to the project requirement.In the system, the DC-DC circuit not only rises the DC voltage, but also realizes the simulation of different load mode by closed-loop control; then the DC-AC circuit uses the control strategy of line voltage and grid currents double closed-loop to control the in

11、verters work, so that the phase of grids voltage and current are the same and in this way the power is conveyed into the grid. The PID controllers have been used to improve system character.Having finished the analysis and design above the author conducts a simulate test by MatlabSimulink, and have

12、a more deeply discussion about the design of system parameters. At the same time simulation ensure the system control strategy and parameters are correct. And the function we expected can be realized.Keywords：electronic load, grid-connected photovoltaic generation system, load simulation, Simulink s

13、imulation目 录摘 要1AbstractII第1章 绪论- 1 -1.1 课题背景及研究的目的和意义- 1 -1.1.1 课题来源- 1 -1.1.2 研究目的- 2 -1.1.3 研究意义- 2 -1.2 国内外电子负载的研究现状及分析- 3 -1.2.1 直流升压电路拓扑的研究现状- 3 -1.2.2 各种负载特性的研究现状- 4 -1.2.3 逆变并网的研究现状- 5 -1.2.4 工程实现与产品现状- 5 -1.3 系统的主要设计思路- 6 -1.3.1直流升压斩波电路的拓扑结构选择- 6 -1.3.2 负载工作模式的实现- 6 -1.3.3 逆变并网的设计- 7 -1.4 本

14、文主要研究内容- 7 -第2章 直流升压电路的设计- 7 -2.1 直流升压电路拓扑结构选择- 8 -2.1.1 推挽电路拓扑分析- 8 -2.1.2 Boost直流升压斩波电路拓扑分析- 9 -2.1.3 中间抽头电感的DC-DC升压变换器拓扑分析- 10 -2.1.4 电容储能型Cuk电路拓扑分析- 11 -2.1.5 比较分析与小结- 13 -2.2 直流升压电路控制策略的设计- 13 -2.2.1 闭环反馈采用PID环节- 13 -2.2.2 三种控制策略的具体实现方案- 14 -2.3 电容储能型Cuk电路整体分析与仿真验证- 15 -2.3.1 电路设计参数分析- 15 -2.3.

15、2 三种控制策略的电路分析- 17 -2.3.3 直流升压电路整体Simulink仿真验证- 18 -2.4本章小结- 22 -第3章 逆变并网电路的设计- 23 -3.1 并网逆变器电路拓扑结构设计- 23 -3.1.1并网逆变器的结构- 23 -3.1.2 滤波器的选择- 24 -3.1.3 并网侧变压器的应用- 25 -3.2 逆变电路的控制策略设计- 26 -3.2.1 滞环电流控制方式- 26 -3.2.2 电压电流共同控制方案- 27 -3.3 逆变电路总体分析与仿真验证- 28 -3.3.1 逆变电路总体分析- 28 -3.3.2 逆变电路总体Simulink仿真验证- 28 -

16、3.3 本章小结- 31 -第4章 系统整体分析与仿真验证- 32 -4.1 系统总体分析- 32 -4.2系统仿真验证- 34 -4.3本章小结- 41 -结 论- 42 -参考文献- 43 -致 谢- 45 -第1章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义1.1.1 课题来源 现实生活中和工业生产中都离不开各种各样不同性能不同用途的电源，生产这些电源出厂前都要进行相应的性能检验。在对这些电池充电器、AC-DC和DC-DC电源等设备以及功率器件、电池等部件进行性能测试时，都需要对这些设备和部件施加电气负载，传统的方法是利用固定电阻和可变电阻器来充当负载。这种方法存在精度低、可控程度低、易老化

17、、电能损失大等诸多缺点，已经不能适应国家倡导的节能减排、低碳经济的新要求。随着电力电子技术的发展，一种新兴的电子仪器和测试设备电子负载应运而生，它应用电力电子技术进行负载模拟，将待试设备的输出能量反馈到电网1，在完成测试功率实验的前提下，不仅实现了节能减排，还具有很强的操作灵活性2。下面表1-1为传统负载与电子负载之间的对比3-5：表1-1 传统负载与电子负载对比 传统负载 电子负载电流增大时电阻温度升高，电压电流呈非线性关系，精度低，测试性能不佳完美模拟各种负载性能（恒流、恒阻抗、恒功率），满足电源测试要求测试过程产生巨大的电能损耗除电力电子器件少量开关损耗及线路损耗外，其余能量都能通过逆变

18、电路回馈给电网，节约能源90以上体积过大，存在散热困难体积较小，由于不消耗功率不存在散热问题功能单一，不可控制状态可控，可实现无级调节元件容易老化，使用不方便寿命较长，方便应用基于电子负载以上的优秀性能，将其更多的应用于电源出厂性能测试已经成为必然的趋势。因此，研究和开发的电能回馈型电子负载技术成为了一项有意义的工作。1.1.2 研究目的本次研究任务为分析设计一个能馈型直流电子负载，实现电源性能的测试和能量回馈电网。总体结构如图1-1所示。其中本次设计主要完成直流升压和电源性能测试部分，使之升压至直流350V为逆变并网做准备，并且具有3种负载工作模式：恒定电流模式(CC)、恒定电阻模式(CR)

19、、恒定功率模式(CP)，以满足电源的测试需求；同时完成并网逆变器的设计，使并网电流与电网电压同相，以保证能量能回馈到电网，且电流波形尽可能接近完美的正弦波，减小THD，提升并网质量。图1-1电子负载总体结构具体技术要求：(1)直流电源电压额定值：48VDC；最大波动幅度：20%；最大波动频率：300Hz。(2)模拟负载精度在直流电源电压的最大波动幅度和最大波动频率范围内均能保证负载电流/阻抗/功率低于2%。(3)变换器输出直流电压400VDC5%。1.1.3 研究意义目前已经有一些电子负载产品开始代替传统负载进行电源性能实验，如可靠性试验（老化放电试验）、输出特性试验等等，有些产品也已经达到了

20、比较好的性能6。但是依然有很多问题有待改进和开发，比如很多电子负载属于能耗型电子负载，并不能达到节约能源的目的，还有些电子负载控制模式单一，或没有考虑到测试电源电压脉动的问题，不能满足电源所有的测试要求。所以本次要设计一种直流能馈型电子负载，不仅能够满足不同类型电源的各种性能检测，达到一定的精度，而且还能将本要浪费的能量回馈给电网，同时严格满足幅值，相位，频率等要求，从而对电子负载的研究学习更进一步。1.2 国内外电子负载的研究现状及分析传统电子负载只能进行简单的负载测试，并且测试电源的能量依然是变成热功率被消耗掉。这种电子负载已经慢慢被淘汰，取而代之的是带有并网逆变器的能量回馈型电子负载7，

21、这也是近年来主要研究开发的趋势。本文所研究的直流能馈型电子负载便是一种专门应用于直流电源测试的电子负载。直流能馈型电子负载主要由两部分组成：直流升压（DC-DC）部分和逆变并网（DC-AC）部分8，如图1-1所示。其中直流升压部分主要完成两项功能，即直流升压和各种负载特性的实现；逆变并网部分主要是将能量回馈给电网，并且保证并网电流具有比较好的品质。这两部分在国内外学术研究和工程领域已经取得了很多成果。1.2.1 直流升压电路拓扑的研究现状传统的直流升压电路为Boost升压斩波电路，在电感电容无限大的理想条件下此电路的升压比理论值为无限大，但是由于工程实现中电感电容都不能达到理想特性，加之电路其

22、他损耗，Boost升压斩波电路的最大占空比为0.889，即升压比不大于7.3时能够比较好的实现。这种电路拓扑的优点是结构简单可靠，控制方法简单，缺点是升压比有限，且开关频率增大时损耗也变大。在一些要求升压比较大的场合，往往采用带隔离直流升压电路拓扑，如反激电路或推挽电路，这些电路结构中由于具有升压变压器而使升压比具有更大的范围，但是同时也由变压器的使用带来了更大的损耗和体积增大、难以维护等等问题，并且由于两个开关管的导通间隔使电流存在断续，因此本拓扑只适用于电流断续型电子负载。近二十年国内外学者提出了很多改进的拓扑结构，如Gupta10提出将多个直流电源串联来获得较高的输入电压；Edson A

23、driano11提出了采用一种新型直流变换器进行升压，具体采用Cuk变换器实现对输入电流的控制，实现对实际负载的模拟；这种结构沿袭了他本人1996年的设计，他曾经提出过一种新型Cuk变换器拓扑12，采用电容储能的Cuk变换器，其结构如图1-2所示。这种电路拓扑不仅可以实现输入和输出电流的分开控制，而且无需其他辅助电路，通过适当的控制就能实现开关管的软关断，减小了开关损耗，其不足之处是升压比比较小，不适用于对升压要求很高的场合。图1-2一种新型Cuk变换器与此同时许多国内学者也探究出了一些新的直流升压电路结构13，反映出一些不同的特色特点。总的来说，各种方案各有所长，都在自身适合的场合具有不错的

24、效果。1.2.2 各种负载特性的研究现状从控制策略来说，一般应用比较多的是将电流作为参考控制量，利用系统即时参量的采样值经过一定运算与参考电流比较，经过一个PI环节反馈控制电力电子器件开通的占空比，从而达到控制不同负载特性的目的，这也是比较传统和普遍的方式。还有一些文献则采用了其他比较复杂的控制方法，比较有代表性的是中南大学学者采用模糊控制的方法实现负载模式控制，也取得了非常优良的控制效果。从工程实现来说，往往采用一块芯片作为整个电路采样、运算和驱动控制的核心。由于单片机MCU的处理速度较慢不能满足控制要求，所以现在往往采用DSP芯片达到目的14。图1-3为空军工程大学工程学院学者设计的一款航

25、空电子负载15，比较好的展现出负载模式控制的硬件结构。图1-3 一种航空电子负载的硬件结构1.2.3 逆变并网的研究现状直流升压得到350V直流电压后，要通过单相桥式逆变电路或三相逆变电路逆变并网，控制方式主要有SPWM控制和滞环比较控制两种方式16，两者各自具有不同的优缺点和适用场合；其他的一些逆变电路诸如多重逆变或多电平逆变则由于低次谐波不易消除且结构比较复杂而使用的比较少。单相桥式全控逆变电路输出的PWM波还需经过一个滤波环节和一个变压器实现并网。滤波环节多采用L滤波器，LC滤波器，LCL滤波器等等都能达到比较好的滤波效果17，而变压器则主要起到一个电气隔离的作用。1.2.4 工程实现与

26、产品现状在工程实现上，直流电子负载的研究已取得了一些成果，也有一些成熟的产品，并且开始在电源的试验中获得应用，如北京索英电气有限公司的电能反馈式直流电子负载。1.3 系统的主要设计思路直流能馈型电子负载系统主要由直流升压、逆变并网两部分构成。其中本次主要研究直流升压（负载的不同工作模式）部分。根据任务书所述，电源为48V带20%波动幅度的直流电压，这个波动产生的原因有可能是该电源由三相全桥整流电路整流而得到的脉动直流源，控制时考虑加入一个闭环负反馈控制削弱电源扰动的影响，同时系统滤波的带宽应至少不小于300Hz。1.3.1直流升压斩波电路的拓扑结构选择列出几种典型的直流升压电路拓扑结构：Boo

27、st直流升压电路、推挽电路、中间抽头电感直流升压电路、电容储能型Cuk电路等等。通过综合考虑升压比、电路稳定性与损耗、硬件实现难易、控制方法难易等等诸多因素选择一个最佳的拓扑。此外有关电容电感以及电路其他元器件参数的设计和其他细节的设计均在电路设计与仿真过程中做出进一步探索和研究。1.3.2 负载工作模式的实现本系统要实现3种负载模式：恒定电流模式、恒定电阻模式、以及恒定功率模式。为完成这几种模式的功能，需要对输入电流进行采样控制。图1-4 设想的一种负载模拟控制策略图1-4为设想的以直流升压斩波电路作为示例的控制模型18，采用输入电流Iin作为采样控制对象，与期望电流Iref对比再经过一个P

28、ID环节对开关管的占空比进行控制，从而通过一个闭环负反馈系统将电流控制在期望的范围。1.3.3 逆变并网的设计本次设计主要考虑为逆变提供前级稳定的350V直流电压，逆变并网一般采用单相桥式逆变电路，控制方式主要有SPWM控制和滞环控制两种，对这两种方法进行对比分析后选择一种适合的方案应用在本系统中19。此外还要考虑对于滤波器的学习和设计，参数的计算和选择，以及并网变压器的选用，使并网电流与电网电压同相的同时提高品质，减少谐波。并网控制方法选择时主要考虑电流波形、相位和功率传送方向的问题，所以在控制并网电流的同时也要考虑直流母线电压，选取一种综合的控制策略实现系统功能。1.4 本文主要研究内容本

29、文总体上完成直流能馈型电子负载系统的设计、分析、验证工作，并将讨论的问题和完成的工作分成以下几个部分：第二章首先对几种常用前级DC-DC直流升压电路拓扑对比分析选出一个最优结构采用作为系统的直流升压电路；其次明确升压电路在三种负载模式下的控制策略；最后将电路与控制方法结合进行详细的理论和仿真分析，前级电路得到确立。第三章首先为单相桥式逆变电路选择一种合适的控制方法，并且设计合理的滤波器和并网变压器使整个系统完整，其次对整体控制方案进行深入理解；最后对整个逆变电路进行理论分析和仿真验证，确定逆变电路总体结构。第四章首先将两级电路连接，分析其工作原理并进行全系统的仿真验证，确保三种负载模式、并网电

30、流低谐波、功率输送的实现和正确性；并在此基础上对于整个电路的宏观理解和电路元器件参数设置、控制参数设置对系统影响做出更深入的探讨和研究。第2章 直流升压电路的设计2.1 直流升压电路拓扑结构选择主电路主要完成两个功能，即完成直流升压和实现三种负载模式控制。直流升压是为了将48V直流电压升至V（电网正弦电压峰值）以上的一个恒定值，如本系统额定的350V；三种负载模式控制即达到模拟不同负载特性的电源放电测试的目的。就直流升压而言，电路结构主要分为直接直流升压（DC-DC）和带隔离直流升压（DC-AC-DC）两种。直接直流升压电路拓扑主要包括普通Boost直流升压斩波电路极其衍生电路、Buck-Bo

31、ost电路、Cuk电路等等；间接直流升压电路主要包括正激电路、反激电路、推挽电路等等。本次设计选择了四种比较常见典型的直流升压电路拓扑结构作对比分析，依次包括：推挽电路、Boost直流升压斩波电路、中间抽头电感的DC-DC升压变换器、电容储能型Cuk电路。2.1.1 推挽电路拓扑分析图2-1推挽电路拓扑图2-1所示为推挽电路拓扑，推挽电路是带隔离直流升压电路的一种典型拓扑，用于功率等级在几百瓦到一千瓦和升压比要求比较高的场合。推挽电路在工作时两个开关管交替导通，在绕组N1和N1S两端分别形成相位相反的交流电压。当一个开关管导通时，其所对应的二极管导通，当两个开关管都关断时，两个二极管都导通。各

32、分担一半的电流。开关管导通时电感L上的电流逐渐上升，两个开关管都关断时电感L上的电流逐渐变小。两个开关管关断时承受的峰值电压均为两倍的电源电压E。如果两个开关管同时导通，就相当于变压器一次绕组短路，因此这种情况应该避免，即要求每个开关管占空比不大于50%，而且需要留有死区时间。当滤波电感L上的电流连续时：(2-1)其中为输出电压，为两个开关管的占空比。公式为推挽电路的升压比公式。不难发现推挽电路可以用加大变压器原副边绕组的比值而比较容易地达到比较大的升压比，此外该拓扑还具有功率容量较大、双向励磁、通态损耗小、驱动简单等等优点。但是，此拓扑也有很多缺点和不足，如变压器中的漏感及寄生电容等引起电压

33、与电流的高频振荡，存在偏磁问题，会造成功率器件的高电压、电流应力，常常会对电源本身及周围连接设备带来安全隐患，同时也会增大开关损耗导致变压器效率的降低。此外，升压变压器还会引起整个系统体积增大、结构复杂、成本上升、不易维护等缺点。最重要的是，由于两个开关管不能同时导通，并且必须留有死区时间，这就导致电源E的输出电流必然存在断续，这点不能满足本次设计中直流侧恒电流模式控制的要求，所以本拓扑不适用于本次直流能馈型电子负载的设计。2.1.2 Boost直流升压斩波电路拓扑分析图2-2 Boost直流升压斩波电路如图2-2所示的Boost直流升压斩波电路是最基本的直流升压电路拓扑结构，具有结构简单、功

34、能明确、节约成本等优点。该电路工作原理比较简单，当开关管导通时，电源E电压为，向电感L充电，充电电流基本恒定，设为，同时电容C上的电压向负载R供电。当C值很大时能够保持输出电压为恒值，设为。设开关管一个周期内导通时间为，关断时间为则在电路稳定时一个周期内电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即(2-2)化简得(2-3)其中，为开关管的占空比，公式即Boost直流升压斩波电路的升压公式，其升压原理主要是靠电感L储能之后具有的电压泵升作用和电容C对输出电压的保持作用。理论上，当占空比接近1时升压比会趋向正无穷，但在工程实际中由于存在线路损耗和开关管损耗，而且电容和电感也不能达到无穷大的理想状态，所以现

35、实中Boost电路最大放大倍数受到限制，通常认为Boost电路占空比应限制在，即电压放大倍数不高于7.33。此电路由于只用到一个开关管，电路损耗得到降低，系统效率比较高，到目前为止依然广泛被应用。但是，由于开关管处于硬开关状态，随着电流的增大，二极管VD会出现反向恢复损耗问题，引起EMI干扰，这是本拓扑结构一个亟待解决的问题20。2.1.3 中间抽头电感的DC-DC升压变换器拓扑分析图2-3中间抽头电感的DC-DC升压变换器中间抽头电感的DC-DC升压变换器，如图2-3所示，为普通Boost直流升压斩波电路的改进电路，其周期规律和作用原理与前者相似，引入耦合电感是为了利用互感原理使电路的升压比

36、增大。已知一个周期内电感磁通恒定，可以推导出中间抽头电感的DC-DC升压变换器升压比为(2-4)其中为两个电感器匝数比，为开关管占空比，电感值，和是两个电感L1和L2的线圈匝数。此电路用多一个电感和互感作用使升压比提高到普通Boost升压斩波电路的1+ND倍，解决了电源电压低输出电压要求高时升压比不够的问题。但是，引入互感就会存在漏感能量的问题，功率等级越大也就伴随着越来越大的铜损和铁损，系统损耗越严重，同时引入电感线圈还带来整个系统体积增大、结构复杂、成本上升等缺点，对这种结构的使用形成限制。2.1.4 电容储能型Cuk电路拓扑分析图2-4 电容储能型Cuk电路普通Cuk变换器的优点是输入电流与输出电流纹波比较小，而且通过输入和输出的电感耦合，可以达到零纹波和体积小型化的效果。1996年，学者Edson Adriano Vendrusculo提出了一种新型Cuk变换器拓扑，如图2-4所示，其优点非常明显，首先是通过两个MOSFET可以同时独立控制输入输出电流，有利于后面并网的实施；2号MOSFET的寄生电容与吸收电容C2可以使2号MOSFET实现零电压关断，即软关断，减小了电路损耗。传统Cuk电路（没有