能量回饋型電子負載的原理介紹

1、能量回饋型電子負載的原理介紹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：能量回饋型電子負載是一種用于各種電源出廠試驗的能夠模擬實際電阻負載特性的新型電力電子裝置。它能夠實現(xiàn)對所模擬電阻值的無級調節(jié)，并能夠實現(xiàn)電能的再生利用，具有節(jié)能、體積小、重量輕、節(jié)省安裝空間、試驗性能優(yōu)良等優(yōu)點。本文簡要描述了交直流

2、電子負載的結構、原理和控制方式，并對主要影響系統(tǒng)性能的PWM整流器的工作原理和控制方法進行了重點分析。關鍵字：電子負載，能量回饋，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 valu

3、e 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 e

4、lectronic load briefly. The principle and control strategy of the PWM rectifier are studied in-depth.KEYWORDS: electronic load, energy recycling, PWM rectifier1 引言電子負載是指能模擬真實負載某些特性的電子設備，它不僅可模擬不同數(shù)值的電阻、電感、電容及它們的組合，而且可模擬非線性負載的某些特性。電子負載具有調節(jié)方便、通用性強、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是電源試驗測試用負載的發(fā)展方向。電子負載作為電源測試的重要手段，隨著電源測試集成化、一體

5、化的發(fā)展趨勢，其重要性越發(fā)明顯。能量回饋型電子負載既能模擬各種負載特性，又能將電能無污染的回饋電網，是當前電子負載發(fā)展的必然趨勢。與普通電阻負載相比，它的工作方式是利用電力電子變換技術在完成測試功率實驗的前提下，將被測電源的輸出能量循環(huán)再生利用，既節(jié)約了能源又不產生大量的熱量，避免了試驗場所環(huán)境溫度升高的問題。該電子負載未將試驗功率轉變?yōu)闊崮?，因此不必使用體積龐大的電阻箱及冷卻設備，節(jié)約了安裝空間。由于采用的是能量回饋的方式，因此試驗場所不必配備較大的電源容量，降低了供電容量的成本1。本文分別介紹了交直流電子負載的結構，工作原理和相應的控制方式，并重點分析了PWM整流器的工作原理和不同控制方式

6、的優(yōu)缺點。2 能量回饋型交流電子負載圖1給出了單相能量回饋型交流電子負載系統(tǒng)結構圖，采用具有中間直流環(huán)節(jié)的AC/DC/AC雙級變換結構，分開控制電子負載的輸入電流iu、輸出電流ir，并且能使輸入和輸出工作在不同的頻率滿足某些特殊電源測試需要。AC/DC整流單元與DC/AC逆變單元均采用電壓型PWM整流器，前級整流單元控制被測電源的輸出電流iu，模擬被測電源需要的負載特性；后級整流單元控制直流側電壓Vdc和并網電流ir?？刂粕锨昂蠹壥墙怦畹?，可以分開進行分析和設計2。圖1交流電子負載系統(tǒng)Fig.1 AC electronic load system前級整流器的功率因數(shù)在-1至1間可調，后級逆變器

7、功率因數(shù)一般為-1，被測電源輸出的電能（除去開關損耗）經逆變回饋電網。圖3 能量回饋控制系統(tǒng)Fig.3 Control system of energy feedback unit2.1 負載特性模擬功能的實現(xiàn) 圖2 負載特性模擬控制系統(tǒng)Fig.2 Control system of load characteristic simulation unit圖2給出了負載特性模擬控制系統(tǒng)圖，其中Pref、Vu和iu分別指模擬負載的功率、被測電源輸出電壓和被測電源輸出電流，iuref 和iuf分別指被測電源輸出電流控制目標值和被測電源輸出電流反饋值。前級PWM整流的主要目的是模擬阻感負載特性，并把能

8、量從被測電源傳遞給能量回饋單元。對于前級整流單元而言，后級整流單元相當于直流電壓源，只有一個控制量iu，對iu進行閉環(huán)控制。電子負載作為被測電源的負載，要能模擬RL負載特性，因而圖中移相電路是必需的3。Pref經過移相后與Vu通過乘法器產生模擬負載輸入電流（即被測電源輸出電流）控制目標值iuref，iuref再與反饋電流iuf比較生成電流誤差值，誤差值經過電流調節(jié)器和PWM發(fā)生器形成相應的PWM脈沖使開關管開通或關斷，達到iu對iuref快速跟蹤，這樣就實現(xiàn)了負載特性的模擬功能。2.2 能量回饋功能的實現(xiàn)圖3給出了能量回饋系統(tǒng)控制系統(tǒng)圖。后級整流單元控制直流側電壓Vdc和并網電流ir，使并網電

9、流正弦化和并保持功率因數(shù)為-1是后級控制的主要目標。如控制系統(tǒng)框圖所示，Vref為直流母線給定電壓，Vdc為直流母線電壓，ir為并網電流，Vs為與電網電壓同相的單位正弦信號。根據(jù)對直流母線電壓誤差的比例積分調節(jié)，控制系統(tǒng)自動選取能量流動方向，PI調節(jié)器的輸出與Vs相乘生成的正弦信號作為并網電流的控制目標值，電流目標值與反饋值的電流誤差經過電流調節(jié)器調節(jié)后生成信號波與載波比較產生驅動信號。只要選擇合適的控制系統(tǒng)參數(shù)，可維持母線電壓恒定的同時能量自動選取流動方向做到了能量平衡，網側電流可為與電網同相或反相的正弦波形且THD很小2。反饋電流和電壓通過高頻噪聲濾波和凹槽濾波器可以進一步減少諧波含量4，

10、改善電子負載的性能。2.3 電壓型PWM整流器交流電子負載中的負載特性模擬和能量回饋兩個功能的實現(xiàn)都依賴于電壓型PWM整流器，因而選擇合適的PWM整流器拓撲結構和相應有效的控制方式決定了電子負載的性能。PWM整流器是應用脈寬調制技術（PWM）發(fā)展起來的一種新型電源變流器，既可以將電網輸入的交流整流為輸出的直流，也可方便地將直流逆變?yōu)榻涣鳎仞伒诫娋W中去，因而PWM整流器也被稱為脈沖變流器或四象限變流器。目前，應用最為廣泛的是電壓型橋式變流器，三相電壓型PWM整流器即是其中的一種，交流電子負載的負載特性模擬單元與能量回饋單元，直流電子負載的逆變部分都采用這種整流器。對于此類電壓型橋式電路的分析，

11、應當從其基本的組成單元半橋單元入手。由三相電壓型PWM整流器三相電壓的對稱性可以知道，直流側中點電位與電網中線等電位。以此電位為參考地電位，理想情況下三相電壓型PWM整流器半橋單元的理想拓撲結構如圖4所示。若以正弦脈寬調制規(guī)律控制開關S1、S2，可在A點得到基波為正弦波的脈寬調制波Us，其基波幅值： (1)a為調制比，相位和頻率都可以控制。如果控制的頻率與網壓頻率相同，則可以得到如下電壓矢量關系式： (2) 對應的電壓矢量圖如圖4所示。圖中可以看出，調節(jié)的幅值和相角可使在四個象限內隨意變化。圖中給出和兩種情況，相應得到的和各在II、IV象限，對應于整流和逆變兩種狀態(tài)。對于電子負載能量回饋環(huán)節(jié)來

12、說，三相電壓型脈沖整流器應工作在有源逆變的狀態(tài)，且其功率因數(shù)應為-1.0，以保證不對電網造成污染，而對交流電子負載的負載特性模擬環(huán)節(jié)，相電壓型脈沖整流器應工作在有整流狀態(tài)，且其功率因數(shù)應為-1.0至1.0，輸入電壓為正弦波5?？刂颇芰炕仞伒年P鍵是矢量圖中的，或者通過對的控制以完成對的控制，或者直接對進行控制，完成對交流側電流、功率因數(shù)的控制，從而實現(xiàn)各種功能：整流器，逆變器，功率因數(shù)補償器，諧波補償器等等。圖5 滯環(huán)電流控制原理Fig.5 Principle of hysteresis current controlPWM整流器的電流控制既包含幅度控制，又包含相位控制，這些年來，已經出現(xiàn)了不少

13、有關的交流側電流控制的方法，相位幅度控制（PAC）是一種應用較多的方法。該方法基于輸入回路的穩(wěn)態(tài)相量關系，根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流向量的給定、PWM基波電壓向量的幅度與相位，分別予以閉環(huán)控制，進而通過SPWM電壓控制實現(xiàn)對輸入電流的控制。這種控制方法存在幾個方面的缺陷，一是對PWM電壓向量的幅度與相位以兩個閉環(huán)分別控制，加之通常出于系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，兩個閉環(huán)的響應速度差別較大，幅度與相位瞬態(tài)響應速度不同步，難以保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性；二是從穩(wěn)態(tài)相量關系出發(fā)進行電流控制，其前提條件是交流電壓源不發(fā)生畸變，而實際上由于電網內阻抗的存在，負載的變化及各種非線性負載等擾動尤其是在瞬態(tài)過程中，電源波形的畸變會直

14、接影響著系統(tǒng)控制的效果；三是在用于有源無功補償?shù)那闆r下，由于脈沖整流器交流側電流源非正弦，相量關系及SPWM將不再適用。此外有些基于三相坐標變換的電流控制方法，往往由于其坐標變換給系統(tǒng)控制帶來一定的復雜性。從這點來講，采用電流控制PWM技術可以使上述問題得到比較圓滿的解決。諸如電流滯環(huán)控制，和PI電流控制等方法，在電網電壓畸變、電流給定波形非正弦的情況下，可以通過開關控制使網側電流基本上跟蹤參考電流的變化。圖4 半橋單元拓撲及電壓矢量圖Fig.4 Half-bridge unit configuration and voltage vectorgraph滯環(huán)電流控制的突出特點之一是控制簡單，用

15、模擬器件很容易實現(xiàn)。另外，當功率器件的開關頻率很高時，響應非常快，并且對負載及電路參數(shù)的變化很不敏感，不過模擬器件用于系統(tǒng)核心的電流及PWM控制與目前的全數(shù)字化趨勢很不協(xié)調。此外，這種方法的滯環(huán)寬度固定，而開關頻率不固定，高低懸殊，有時會出現(xiàn)很窄的脈沖和很大的電流尖峰。因此，采用各種改進方法是必要的。PI電流控制方法將反饋電流與給定信號相比較，經PI調節(jié)器輸出與載頻三角波比較產生PWM開關信號諧波成分遠比三角波頻率低。一種改進的方法是把PI調節(jié)器置于d-q坐標系，這樣所需調節(jié)的電流為直流量，調節(jié)器的輸出經旋轉坐標變換，轉換成為三相正弦信號，再與三角波比較輸出PWM信號，但這種方法增加了系統(tǒng)實時

16、運算處理的復雜性，普通的微處理器難以勝任6。小慣性電流跟蹤（SICT）控制是近年來興起的一種特別適合于脈沖整流器的電流控制方法，它集滯環(huán)電流控制的簡單、快速性和PAC、PI電流控制方法的開關頻率固定特點于一身，不過需要以性能優(yōu)良PWM調制器作保證。以上幾種電流控制方式各有特點，但由于滯環(huán)電流控制簡單，易實現(xiàn)，比較多的研究中采用這種方式，同時通過采用限制最高開關頻率的方法來避免了由于頻率過高產生的電流尖峰的出現(xiàn)。本文中所有的PWM整流器均采用這種控制方法，下面主要分析滯環(huán)電流控制的原理。工作時，將正弦電流參考波形與線電流的實際波形進行滯環(huán)比較，比較結果決定逆變器橋臂上下開關元件的導通和關斷，如圖

17、5所示。其基本原理可以簡述如下：設置滯環(huán)比較器的環(huán)寬為i，i對應著設定的最大電流偏差，當實際相電流ia比參考電流ia*高i時，滯環(huán)比較器的輸出使對應的逆變器橋臂上開關器件截止，下開關器件導通，迫使電流下降；當實際電流降到比參考電流低i時，滯環(huán)比較器 的輸出使相應逆變橋臂上開關器件導通，下開關器件關斷。如此上下兩開關反復通斷，迫使實際電流在一個允許的偏差范圍內跟蹤參考電流1。3 能量回饋型直流電子負載圖6給出了能量回饋型直流電子負載的一般系統(tǒng)結構。由于待測直流電源一般輸出為低壓直流電，不能直接逆變后并入電網，一般有如圖所示的兩種實現(xiàn)方案7：1）直流電通過DC/DC變換后得到高壓直流電，再逆變?yōu)榻?/p>

18、流，如圖6(a)所示；2）直流電直接逆變?yōu)榻涣麟?然后通過變壓器實現(xiàn)電能的再生利用,如圖6(b)所示。由于第二種方案采用的工頻變壓器體積大，質量大，變比大，輸入電流大，不易安裝，而且低壓大電流逆變電路難以實現(xiàn)，圖6 直流電子負載結構Fig.6 DC electronic load configuration所以一般采用第一種方案。直流電源要求電子負載能夠實現(xiàn)電流的無級調節(jié)，以滿足被試電源對不同電流值的試驗需要，通過控制保持低壓直流側電流恒定，可以看作電流源，交流側直接并網，當電網電壓不變時，交流側可以看作恒壓源，交流電流隨著直流電壓的波動而波動，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)能量的平衡。其中DC/DC部分要完

19、成將低壓電能變?yōu)榭晒┠孀兤飨嚯娋W輸入能量的高壓，這部分輸入端低壓大電流，輸出高壓小電流，輸入設計難度較大。逆變部分要實現(xiàn)核心任務，模擬實際電阻負載，調節(jié)輸出電流大小，并且要求無污染的并網。在模擬阻感負載時，直流側電壓Ud恒定，電網電壓在一定范圍內恒定，通訊電源輸出電流的大小直接正比于系統(tǒng)所模擬的功率的大小，即正比于交流側電流的大小，電流的設定值若按式(3)的給定進行控制，則成功地控制了通訊電源輸出電流的大小，即成功地模擬了R、L性質的負載，此時通過對R、L值的設定即可實現(xiàn)對模擬功率的設定。同樣更為簡單的情況下，模擬純電阻負載時，電流設定值按式(4)的給定取值即可8。 (3) (4)3.1 DC

20、/DC直流變換環(huán)節(jié)直直變換器（DC/DC）部分需要將低壓輸入直流升壓為650V左右的高壓直流以使得產生足夠的高壓，提供給脈沖整流器的直流側以供逆變之用，并實現(xiàn)負載特性模擬6。電路拓撲一般選用目前國內外直直變換電路中最常用的電路拓撲形式之一-全橋變換電路，也是中大功率應用場合更是首選拓撲。這主要是考慮它具有功率開關器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優(yōu)點。根據(jù)控制方式中反饋的電壓和電流的不同，有電壓控制型PWM和電流控制型PWM。電壓控制型PWM把反饋電壓值和進行給定電壓值比較，根據(jù)誤差值來增大或者減小占空比，使輸出電壓和給定電壓一致。而電流控制型PWM控制系統(tǒng)分為峰值電流型和平

21、均電流型兩種，他們檢測并反饋的分別是一個導通周期（Ton）內電流變化的峰值和平均值，工作原理即把反饋值和給定值作比較，根據(jù)比較結果來確定開關管的通斷。和電壓控制型比較，電流型控制具有動態(tài)響應快，易于實現(xiàn)限流和過流保護，允許的輸入電壓交流紋波大，多套系統(tǒng)并聯(lián)運行時均流效果好，夠有效的抑制逆變變壓器單向偏磁所引起的飽和問題等優(yōu)點，但是輸出電壓紋波較大。直流電子負載中負載特性模擬功能由前級DC/DC變換部分實現(xiàn)，其中主要控制的就是電源的輸出電流（即DC/DC變換的輸入電流），因而采用電流控制型PWM更合適，更容易實現(xiàn)。雖然電流控制型PWM輸出電壓紋波較大，但是電子負載中的直流母線電壓可以由后級PWM

22、整流電路控制，可以維持在一個恒定值。一般全橋DC/DC變換器常采用PWM技術同時開通或關斷斜對角的一對開關管，使其工作在硬開關方式。這種工作方式隨著工作頻率的上升，開關損耗成正比上升，使系統(tǒng)效率下降，開關過程中產生的di/dt和du/dt引起強烈的電磁干擾噪聲，Ldi/dt還會導致器件過壓。為了避免這種情況的產生，對開關管常采用軟開關技術，常見的軟開關技術有串聯(lián)負載串聯(lián)諧振，串聯(lián)負載并聯(lián)諧振，準諧振和多諧振蕩器等，其中串聯(lián)負載串聯(lián)諧振方式應用較廣，并有成熟的經驗。在文獻9中DC/DC采用的全橋軟開關變換電路通過在壓器副邊并聯(lián)儲能電容C的方法來實現(xiàn)原電流的復位，即ZCS，在功率管兩端并聯(lián)諧振容實

23、現(xiàn)原邊電壓為零，即 ZVS，據(jù)試驗表明性能較好。3.2 DC/AC逆變環(huán)節(jié)交直流電子負載這個環(huán)節(jié)的功能一樣，可以采用相同的能量回饋方案，即電流控制方式的電壓PWM整流器。3.3 直流電子負載控制原理前面討論了直直變換器和逆變部分原理，在整個電子負載系統(tǒng)中，需要將兩部分與被測電源有機地結合在一起，下面對一種系統(tǒng)控制方案作以論述。控制方案為：通過對低壓直流輸入電流的設定，來控制DC/DC給定電流的大小，采用閉環(huán)調節(jié)實現(xiàn)對被測電源的考核電流快速跟蹤。通過對輸出交流電流的調節(jié)，實現(xiàn)高壓側直流電壓的恒壓控制，并使PWM整流器功率因數(shù)保持為-1實現(xiàn)能量回饋8。系統(tǒng)控制方框圖如圖7所示：圖7直流電子負載控制

24、系統(tǒng)Fig.7 Control system of DC electronic load圖中有兩個閉環(huán)控制回路，對被測電源輸出電流進行電流閉環(huán)控制和對直直變換器輸出高壓進行電壓閉環(huán)控制。1、電流控制環(huán)給定電流IREF為給定電流，由電子負載用戶設定所需要模擬的電阻的大小，從而給定電流的幅值，反饋電流為通過磁平衡式電流傳感器反饋的電流信號，兩者作差，結果通過PI調解器的運算得到直直變換器的峰值電流給定信號Id，以提供給電流模式控制電壓型全橋變化器工作的需要。工作原理可以描述為：當直流電流給定值大于實際電流值時，作差的結果為i，通過PI調節(jié)得到累加值，使得Id變大，從而增大直直變換器輸入電流的峰值，

25、即相當于直直變換器的輸出電流平均值變大；反之，直流電流給定值小于實際電流時，則減小Id，即減小直至變換器的輸入電流，從而達到恒流的目的。2、電壓控制環(huán)恒壓控制環(huán)是系統(tǒng)的負載量調節(jié)部分，通過調節(jié)負載電流的大小，來恒定直流側的電壓，直流電壓的恒定也表示了在高壓直流側流入的功率和流出的電功率相等，相當于通過調節(jié)負載電流間接地調節(jié)了開關電源輸出電流的大小。其工作原理為：VREF（定值）為直流電壓給定，實際電壓通過磁平衡式電壓傳感器采樣，兩者的差值通過PI調解器調整，結果作為負載交流電流的幅值設定，當直流電壓大于給定時，說明流入直流側的功率大于流出的功率，DC/DC對高壓側支撐電容充電，那么增大負載電流

26、幅值，即增大流出直流側的功率，使支撐電容放電，直流側電壓下降；反之，減小負載電流值，使直流側電壓上升，以保持電壓恒定和系統(tǒng)的穩(wěn)定。兩個閉環(huán)的控制，實現(xiàn)了負載模擬原理，只要設定負載電流值IREF，電子負載系統(tǒng)即可自動模擬電阻負載功能。4 結束語本文簡要描述和分析了相關文獻中能量回饋型交直流電子負載常采用的拓撲結構和控制方式，可以看出能量回饋型交直流電子負載一般由負載特性模擬單元和能量回饋單元兩部分組成。其中前級控制一般較為簡單，較易實現(xiàn)，而后級既要實現(xiàn)能量的回饋，還要盡量減少并網電流中的諧波含量，控制較為復雜，是電子負載的核心關鍵部分。選擇一種先進PWM整流控制方式可以極大地改善電子負載的各種性能指標。理論上PWM整流器完全可以在實現(xiàn)模擬負載特性和進行能量回饋的基礎上，對系統(tǒng)的功率因數(shù)及諧波進行一定的補