一種單相全橋交流電子負(fù)載單周期控制策略

定美辰

(武漢交通職業(yè)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430065)

一種單相全橋交流電子負(fù)載單周期控制策略

定美辰

(武漢交通職業(yè)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430065)

分析基于單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交流電子負(fù)載模擬器原理，介紹該負(fù)載模擬器單周期控制策略。在此理論基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并從負(fù)載模擬精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度兩個(gè)方面，將單周期控制策略和PID控制策略進(jìn)行比較。仿真實(shí)驗(yàn)顯示，單相全橋AC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合單周期控制方法，不僅可以大大提高電子負(fù)載模擬精度，還能快速抑制電源干擾，是一種實(shí)用的交流電子負(fù)載模擬器控制策略。

交流電子負(fù)載； 負(fù)載特性模擬； 單周期

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載特性模擬和能源節(jié)約，交流電子負(fù)載要取代真實(shí)負(fù)載對(duì)出廠交流電源設(shè)備進(jìn)行功能測(cè)試，負(fù)載模擬器可以模擬純阻性、阻容性、阻感性等線性負(fù)載，原理是通過控制被測(cè)電源放電電流波形，調(diào)節(jié)輸出功率因數(shù)來實(shí)現(xiàn)被測(cè)電源的負(fù)載特性模擬[1]。其中負(fù)載特性電流指令的生成和對(duì)指令的跟蹤控制是實(shí)現(xiàn)負(fù)載模擬的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，能否精確跟蹤給定電流指令并具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤特性，直接決定了負(fù)載模擬變換器的實(shí)時(shí)模擬性能[2]。由于擾動(dòng)量是不可預(yù)測(cè)而且快速變化的，故交流電子負(fù)載的電流跟蹤控制策略必須具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

模糊控制、重復(fù)控制和滑膜變結(jié)構(gòu)控制等新型控制理論出現(xiàn)前，交流電子負(fù)載模擬器習(xí)慣采用PID控制[3]、滯環(huán)控制[4-5]等模擬控制策略。近幾年來，新型控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展了許多新的控制算法，文獻(xiàn)[2]提出了將兩個(gè)PWM整流器共用一個(gè)直流側(cè)電容的背靠背式交流電子負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出了電壓控制方法，但僅限于功率因數(shù)校正電路。文獻(xiàn)[6]針對(duì)無差拍控制中的延時(shí)問題，構(gòu)建了新的電流狀態(tài)觀測(cè)器。通過觀測(cè)器，可消除無差拍控制延時(shí)引起的電流環(huán)跟蹤誤差，缺點(diǎn)是控制算法復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]通過仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了PID控制和重復(fù)控制在電子負(fù)載模擬器中的性能比較，穩(wěn)態(tài)時(shí)重復(fù)控制可以更精確地模擬純阻性負(fù)載，但對(duì)于抑制電源擾動(dòng)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等沒有結(jié)論。文獻(xiàn)[8]利用滑膜變結(jié)構(gòu)控制, 不受系統(tǒng)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)影響的特點(diǎn)，將滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于能饋型電子負(fù)載的負(fù)載特性模擬變換器上，雖然可以提高系統(tǒng)的抗擾性和魯棒性，但由于其不確定參數(shù)上下邊界難以確定的問題，犧牲了電流波形跟蹤精度，得不償失。

綜上所述，本文采用參考文獻(xiàn)[2]中提出的主電路前級(jí)拓?fù)洌槍?duì)交流電子負(fù)載特性模擬要求和文獻(xiàn)[7]的不足，采用單周期控制策略，應(yīng)用于交流電子負(fù)載模擬器控制部分，從動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力兩個(gè)角度分析，將單周期控制與PID控制進(jìn)行比較，得到單周期控制不僅負(fù)載模擬精度更高，且能在一個(gè)周期內(nèi)完成抑制干擾，響應(yīng)速度更快的結(jié)論。

1 主電路結(jié)構(gòu)

交流電子負(fù)載與PWM整流電路具有相同原理，主電路拓?fù)湟妶D1。單相橋式變換器為電壓型變換器(voltage source converter)，為了緩沖PWM過程中的無功功率，功率開關(guān)管兩端反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管[9]。us為被測(cè)交流電源，把變換器接入被測(cè)電源，通過控制功率開關(guān)管的關(guān)斷，使單相橋式變換器的輸入電流跟蹤參考正弦信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)輸出功率因數(shù)調(diào)節(jié)。us確定不變時(shí)，電子負(fù)載大小只與變換器輸入電流大小有關(guān)，電子負(fù)載性質(zhì)決定于輸入電流與電源電壓之間的功率因數(shù)λ，當(dāng)λ在0～1之間連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)，對(duì)于電源而言，變換器可以等效為不同性質(zhì)的負(fù)載。交流側(cè)電感L起平衡電路電壓、濾除諧波電流的作用。當(dāng)被測(cè)電源電壓大小波動(dòng)時(shí)，交流側(cè)輸入功率和直流側(cè)輸出功率不相等，電容C起到緩沖前后級(jí)功率的作用。

圖 1 AC/DC電子負(fù)載主電路

圖2所示為穩(wěn)態(tài)條件下，單相交流電子負(fù)載在模擬純阻性、阻感性和阻容性3種工作特性時(shí)變換器輸入側(cè)矢量關(guān)系。Us為測(cè)試電源電壓，IL為輸入電流，假設(shè)|IL|不變，則|UL|=ωL|IL|也保持不變，單相全橋中點(diǎn)交流電壓矢量UAB的端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成一個(gè)以|UL|為半徑的圓。如果只考慮基波分量，Us與IL同頻，通過控制電壓矢量UAB即可實(shí)現(xiàn)各種交流電子負(fù)載特性模擬[10]。

圖 2 交流電子負(fù)載工作特性

2 負(fù)載模擬器控制策略

目前全橋整流控制方式主要有雙極性控制和單極性控制兩類，雙極性控制指對(duì)角開關(guān)管為同步開關(guān)，橋臂上下開關(guān)管為互補(bǔ)開關(guān)，控制簡(jiǎn)單，但是開關(guān)損耗高，存在很大的開關(guān)諧波[11]。如圖3所示，單極性控制方式為正半波時(shí)v2工作于高頻，v3常閉，v1和v4關(guān)斷；負(fù)半波時(shí)v1工作于高頻，v4常閉，v2和v3關(guān)斷，這樣可降低功率管的開關(guān)損耗。負(fù)載模擬器主要任務(wù)是控制輸入電流跟蹤精度，電流控制方式分為間接電流控制和直接電流控制，相對(duì)于間接電流控制，直接電流控制算法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快且受系統(tǒng)參數(shù)影響較小。為實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)高精度電流控制，本文采用符合單極性控制特點(diǎn)和直接電流控制特點(diǎn)的單周期控制策略。

圖 3 AC/DC電子負(fù)載控制策略

2.1 單周期技術(shù)原理

圖 4 負(fù)載模擬器的單周期控制原理

單周期控制電路見圖4，每個(gè)時(shí)鐘周期起始點(diǎn)，RS脈沖觸發(fā)器使開關(guān)S1閉合，積分器復(fù)位清零。由于誤差存在，積分電流iint的絕對(duì)值從零逐漸上升，變換器輸入電流il開始跟蹤給定正弦波信號(hào)iref，當(dāng)RS觸發(fā)器輸出端Q為低電平時(shí)經(jīng)邏輯電路驅(qū)動(dòng)v1，Q為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)v2；同時(shí)，當(dāng)參考信號(hào)iref處于正半周期時(shí)，過零比較器驅(qū)動(dòng)v3，iref處于負(fù)半周期時(shí)，過零比較器驅(qū)動(dòng)v4。誤差存在且iref處于正或負(fù)半周期內(nèi)，橋臂兩對(duì)對(duì)角開關(guān)只有一對(duì)導(dǎo)通，另一對(duì)截至，此時(shí)，il從時(shí)鐘周期點(diǎn)經(jīng)過積分后得到

式中：Ts為開關(guān)周期，Ton為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)積分電流viint上升至參考電流iref的瞬間，誤差信號(hào)Δil=iref-il,說明電流跟蹤誤差為零，比較器動(dòng)作，Q為低電平，功率開關(guān)管停止導(dǎo)通，同時(shí)S1閉合，積分器復(fù)位成功。積分電容兩端電壓下降到零，并保持直到下個(gè)周期到來，此時(shí)輸入交流電流為

il(t)=iref(t)

因此，單周控制在一個(gè)周期內(nèi)就可以控制輸入電流信號(hào)等于參考電流信號(hào)。單周控制器由比較器，RS觸發(fā)器、過零比較器、積分器及積分復(fù)位電路組成(圖5)。

圖 5 單周控制器框圖

一般情況下，直流側(cè)電容電壓Udc存在紋波，輸入電流il的幅值隨之波動(dòng)。為保證輸入電流控制精度，電壓外環(huán)應(yīng)實(shí)時(shí)控制參考電流Ivref正比于Udc紋波幅值。iref與實(shí)際電流il比較后的誤差信號(hào)送入比較器，il送入積分器，積分完成后，時(shí)鐘脈沖觸發(fā)器輸出的PWM信號(hào)和過零比較信號(hào)經(jīng)過邏輯電路產(chǎn)生單極性調(diào)制波，調(diào)節(jié)主電路四個(gè)功率開關(guān)管占空比，使單相全橋輸入電流在一個(gè)周期內(nèi)快速跟蹤上參考電流，實(shí)現(xiàn)負(fù)載模擬器功能。為了使負(fù)載模擬器模擬正弦信號(hào)，PWM變換器應(yīng)在四象限內(nèi)交、直流兩側(cè)均可控，因此還需電壓外環(huán)控制直流母線電壓高于交流側(cè)電源電壓峰值。

電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)電路見圖6。

圖 6 電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)電路

2.2 輸入擾動(dòng)抑制原理

PID控制原理是通過比較放大后的誤差信號(hào)與參考信號(hào)得到PWM占空比的，當(dāng)輸入電源受外界影響電壓波動(dòng)時(shí)，PID調(diào)節(jié)器不能在電壓突變瞬間做出反應(yīng)，引起誤差信號(hào)波動(dòng)后才起調(diào)節(jié)作用。輸出波形會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，甚至畸變，需要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)，才能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

若采用單周期控制策略，由其工作原理可知，輸入電壓上下波動(dòng)時(shí)，積分參數(shù)不變情況下，積分器輸出電流iint的上升斜率也隨之增大或減小，即積分電流iint等于參考電流iref的時(shí)間延長(zhǎng)或縮短，使RS觸發(fā)器輸出到變換器的脈沖調(diào)節(jié)信號(hào)變化，直到RS觸發(fā)器輸出積分復(fù)位信號(hào)為止。一個(gè)周期結(jié)束后，單周控制始終能保證開關(guān)量的平均值等于參考值，這是單周期控制的突出優(yōu)勢(shì)，因此，相對(duì)于傳統(tǒng)PWM控制下的PID調(diào)節(jié)器，單周期控制策略對(duì)電源干擾的抑制速度快得多。從取樣點(diǎn)位于低通濾波之前的控制策略，也可以看出，單周期控制其實(shí)是一種前饋控制方式，對(duì)于輸入擾動(dòng)的抑制能力很強(qiáng)[12]。

3 仿真

為了驗(yàn)證以上分析，使用Matlab/Simulink軟件按圖2所示主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。仿真電路的參數(shù)為：50Hz測(cè)試電源作為輸入，其電壓有效值為200V，輸入交流電感為3mH，直流母線電容2300μF，直流母線電壓為350V，采樣頻率為14.1kHz，R為50 Ω。仿真結(jié)果：圖7，8，9分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)純阻性、阻感性和阻容性3種負(fù)載特性下的輸入電壓電流波形，在t=0.6 s時(shí)電源電壓有效值由200 V突增為300 V。

(a)PID控制下il、us波形

(b)單周期控制下il、us波形圖 7 φ=0°時(shí)輸入電壓電流波形

(a)PID控制下il、us波形

(b)單周期控制下il、us波形圖 8 φ=45°時(shí)輸入電壓電流波形

(a)PID控制下il、us波形

(b)單周期控制下il、us波形圖 9 φ=-45°時(shí)輸入電壓電流波形

圖7可知，單周控制下，輸入電流與電源電壓嚴(yán)格同相，即φ=0°，0.06～0.07 s期間電源擾動(dòng)到來時(shí)，輸入電流在0.07 ～ 0.08 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)跟蹤，即在一個(gè)周期內(nèi)完成了擾動(dòng)抑制，動(dòng)態(tài)性能良好；PID控制時(shí)雖然相位能夠跟蹤，但是諧波太大，且擾動(dòng)發(fā)生后三個(gè)周期即0.06～0.12 s內(nèi)輸入電流波形仍有畸變，不能快速抑制諧波從而回到穩(wěn)態(tài)。圖8和圖9的單周期控制中，輸入電流均跟蹤電源電壓良好，分別實(shí)現(xiàn)了φ=45°和φ=-45°的負(fù)載特性模擬，也都同時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)完成了擾動(dòng)抑制，而PID控制下的電流波形均不能快速抑制擾動(dòng)，諧波分量較大，不如單周期控制策略下的負(fù)載模擬特性好，且動(dòng)態(tài)性能差。

從以上3組仿真波形及數(shù)據(jù)可知，單周期控制作為本文電子負(fù)載模型的控制策略可以很好地完成各種負(fù)載特性的模擬，單周期控制方式的抗干擾強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)在單相交流電子負(fù)載中充分體現(xiàn)出來。

4 結(jié)論

對(duì)單相電子負(fù)載主電路工作原理及其控制方案進(jìn)行了理論分析，為了提高穩(wěn)態(tài)精度和暫態(tài)響應(yīng)速度，嘗試將單周期控制應(yīng)用于交流拓?fù)渲?，并?duì)比PID控制策略。仿真實(shí)驗(yàn)說明，該控制方案可大大提高電子負(fù)載模擬精度和動(dòng)態(tài)性能，具有實(shí)用性和有效性，可應(yīng)用于交流電源測(cè)試中。

本文只研究了單周期控制下負(fù)載模擬器的輸入電流波形精度及其在輸入擾動(dòng)抑制中的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，下一步還要在單周控制與其它控制方法相結(jié)合的復(fù)合控制中進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能方面的深入研究，非線性負(fù)載模擬器也是下一步研究的重點(diǎn)方向。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

An OCC Control Strategy of Single Phase AC Electronic Load

DING Meichen

(CollegeofElectronicalandInformationEngin.，WuhanTechnicalCollegeofCommunications，Wuhan430065,China)

The paper first analyzes the principle of AC electronic load simulator based on single phase full bridge topology and introduces the one cycle control strategy of the load simulator. It then carriesout the simulation. The performance of one cycle control strategy and PID control strategy is compared from two aspects of load simulation accuracy and dynamic response speed. The one cycle control method of single phase full bridge AC/DC topology can not only improve electronic load simulation accuracy greatly, but also suppress power interference quickly. The results show that the one cycle control strategy of AC load simulators is effective and practical.

AC electronic load; load characteristic simulation; single cycle control

2015-12-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(61473116)

定美辰(1991-)， 女，湖北赤壁人，工學(xué)碩士，武漢交通職業(yè)學(xué)院助教，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)

1003-4684(2017)02-0073-05

TM46

A