基于雙PWM變換器的能饋型交流電子負(fù)載研究

王洪希+魯長賀+田偉

摘 要： 為了替代傳統(tǒng)負(fù)載和能耗型電子負(fù)載，研究一種基于雙PWM變換器的能量回饋型交流電子負(fù)載。主電路采用雙PWM變換器構(gòu)成背靠背系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，負(fù)載模擬變換器采用滯環(huán)的電流單閉環(huán)控制策略，并網(wǎng)變換器采用直流電壓外環(huán)和電網(wǎng)側(cè)交流電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)閉控制策略。通過Matlab/Simulink仿真試驗，證明了該方案可以實現(xiàn)對負(fù)載模擬側(cè)電流精確控制，模擬所需負(fù)載特性的功能，同時將測試電能回饋電網(wǎng)，并網(wǎng)逆變側(cè)功率因數(shù)接近于1。仿真結(jié)果表明該方案可行且有效。

關(guān)鍵詞： 雙PWM變換器； 負(fù)載特性模擬； 能量回饋； 交流電子負(fù)載； 滯環(huán)控制； 雙環(huán)控制

中圖分類號： TN146+.5?34； TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0056?04

Abstract： To replace the traditional load and energy consumption electronic load， an energy?feedback AC electronic load based on dual PWM converter is researched. The dual PWM converter is adopted in the main circuit to constitute the topological structure of back?to?back system. The hysteresis current single close?loop control strategy is adopted for load simulation converter. The double close?loop control strategy of DC voltage outer loop and alternating current inner loop in the grid side is adopted for grid?connected inverter. The Matlab/Simulink simulation experiment proves that the scheme can realize precise control of the current in the load simulation side， simulate the function of the required load characteristic， and return the tested power energy to the grid with power factor close to 1 in the grid?connected inverter side. The simulation results show that the scheme is feasible and effective.

Keywords： dual PWM converter； load characteristic simulation； energy feedback； AC electronic load； hysteresis control； double loop control

0 引 言

各種交流電源裝置在出廠時都需要進(jìn)行嚴(yán)格的老化實驗和相關(guān)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)帶載實驗[1]，以檢驗其電氣性能和質(zhì)量。當(dāng)今常運用的測試手段主要有傳統(tǒng)負(fù)載放電測試和能耗型交流電子負(fù)載測試，但傳統(tǒng)負(fù)載存在“負(fù)載存在調(diào)節(jié)不便、調(diào)節(jié)精度不高、能耗大、發(fā)熱量大、穩(wěn)定性差”等的問題，能耗型交流電子負(fù)載仍存在“能耗大”的不足。本文研究一種基于雙PWM變換器的能量回饋型三相交流電子負(fù)載，它不僅能準(zhǔn)確控制被試電源放電電流，模擬不同數(shù)值的電阻、電感、電容的組合，而且將所測試的電源釋放的能量回饋到電網(wǎng)中，具有通用性強、精度高、節(jié)能、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的測試實驗設(shè)備。

1 能饋型交流電子負(fù)載的主電路拓?fù)?/p>

本文采用雙PWM變換器構(gòu)成背靠背系統(tǒng)的主電路拓?fù)淙鐖D1 所示，三相能饋型交流電子負(fù)載主要由模擬負(fù)載變換器與并網(wǎng)變換器構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)都是一個三相電壓型PWM整流器（VSR），VSR具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、能量可雙向流動、直流側(cè)電壓可控和動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點[2]。

負(fù)載模擬器包括開關(guān)管VT1～VT6構(gòu)成的三相電壓型PWM整流橋、濾波電抗器和交流側(cè)等效電阻該部分控制其輸入電流準(zhǔn)確、快速地跟蹤由負(fù)載指令算法計算出來的電流指令，從而靈活模擬各種負(fù)載特性；并網(wǎng)逆變器是由開關(guān)管VT1′～VT6′構(gòu)成的三相電壓型PWM逆變橋、濾波電抗器和交流側(cè)等效電阻組成，該部分主要功能一方面是將模擬負(fù)載變換器吸收的有功高效、快速地回饋電網(wǎng)以維持直流母線電壓的恒定，另一方面使電網(wǎng)交流側(cè)電流接近正弦[3]，功率因數(shù)接近-1，而且可補償被試電源產(chǎn)生的部分無功及諧波；中間電容器是電能存儲單元；變壓器用于輸出電路的電氣隔離。

2 系統(tǒng)的控制方案

2.1 負(fù)載模擬變換器的控制策略

直接電流控制技術(shù)中的滯環(huán)電流控制算法具有快速的電流響應(yīng)和限幅能力[4]，而且由于被試電源不允許能量倒灌，故負(fù)載模擬器采用滯環(huán)電流單閉環(huán)控制策略，控制被測試電源輸出電流的幅值和相位，實現(xiàn)被測試電源功率因數(shù)可調(diào)，達(dá)到需要模擬的負(fù)載特性要求。負(fù)載特性模擬部分控制的目標(biāo)是控制放電電流為設(shè)定所需值[4]，保證與被測試電源輸出電壓具有某種幅值和相位關(guān)系。負(fù)載特性模擬部分的控制策略框圖如圖2所示，其核心部分是（或，）的給定電流的產(chǎn)生環(huán)節(jié)，其中表示負(fù)載特性模擬部分的給定信號，此信號產(chǎn)生以后與采樣的電流信號（或，）作差，得到誤差信號，把輸入比例控制的電流調(diào)節(jié)器再送入滯環(huán)比較單元，產(chǎn)生負(fù)載特性模擬部分6個功率開關(guān)管VT1～VT6的驅(qū)動信號，閉環(huán)調(diào)節(jié)后使被測電源輸出電流（或，）始終精確跟蹤，以實現(xiàn)模擬不同性質(zhì)的負(fù)載。endprint

2.2 并網(wǎng)變換器（能量回饋部分）的控制策略

當(dāng)負(fù)載特性設(shè)定后，被試電源輸出的有功功率就確定了，通過調(diào)節(jié)饋網(wǎng)電流的大小來實現(xiàn)電子負(fù)載輸入、輸出功率平衡。此平衡情況可通過直流側(cè)電壓的變化來反映，而饋網(wǎng)電流的調(diào)節(jié)方向可以根據(jù)電壓變化的情況來控制，以保證電子負(fù)載兩側(cè)功率平衡[2]。

具體控制策略如圖3所示，系統(tǒng)采用電壓電流雙環(huán)閉控制，外環(huán)采用直流電壓作為控制量，而內(nèi)環(huán)則采用電網(wǎng)側(cè)交流電流作為控制量。系統(tǒng)首先將直流電壓給定與實際母線電壓進(jìn)行比較運算得到誤差信號，將獲得的誤差信號送至直流電壓PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后得到的輸出即為輸入電流值的幅值，將其與電網(wǎng)同頻同相正弦波做相乘運算便可得到輸入電流給定信號，將得到的給定信號和實際輸入電流值，，進(jìn)行比較，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器送入滯環(huán)比較單元，將滯環(huán)輸出信號用于并網(wǎng)變換器的六個開關(guān)管VT1′～VT6′的驅(qū)動信號，以實現(xiàn)電流單位功率因數(shù)回饋電網(wǎng)，且輸出電流的頻率與相位須與電網(wǎng)一致。

3 仿真研究

利用Matlab/Simulink工具箱[4]，搭建基于雙PWM變換器的能饋型交流電子負(fù)載系統(tǒng)仿真模型，通過設(shè)置負(fù)載模擬器中的電流指令，模擬了不同值電阻、電感、電容的組合負(fù)載特性。在純阻負(fù)載、阻感負(fù)載（電流相位滯后電壓）及阻容負(fù)載（電流相位超前電壓）時測試電源輸出電壓和電流仿真波形如圖4～圖6所示。

將電流波形放大10倍，從圖4～圖6可看出，其能快速、精確地模擬設(shè)定的負(fù)載特性。

圖7為模擬阻感時并網(wǎng)逆變側(cè)電流電壓波形，圖8為模擬阻感時并網(wǎng)逆變側(cè)電流波形FFT分析，從圖7和圖8可看出，并網(wǎng)電流是與電網(wǎng)電壓同頻同相，并網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為-1，達(dá)到功率因數(shù)要求，且并網(wǎng)電流諧波總含量（THD）為1.17%，完全足滿并網(wǎng)THD標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)負(fù)載和能耗型電子負(fù)載的不足，本文研究一種基于雙PWM變換器的能饋型交流電子負(fù)載。在給出能饋型交流電子負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定了模擬負(fù)載變換器及并網(wǎng)變換器部分的控制方案。負(fù)載模擬變換器采用帶有滯環(huán)電流單閉環(huán)控制策略，控制被測電源輸出電流的相位和幅值，以準(zhǔn)確模擬負(fù)載特性；并網(wǎng)變換器采用直流電壓外環(huán)和電網(wǎng)側(cè)交流電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)閉控制策略，以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)以及電流波形正弦化。通過應(yīng)用 Matlab軟件進(jìn)行仿真驗證，該能饋型交流電子負(fù)載既能準(zhǔn)確模擬電阻、電感、電容的組合所需要負(fù)載特性，又能將電能無污染的回饋電網(wǎng)，隨著電源測試集成化、一體化的發(fā)展趨勢，在新能源利用和能源短缺的今天，其是一種具有廣闊應(yīng)用前景的測試實驗設(shè)備。

注：本文通訊作者為魯長賀。

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