適應(yīng)復(fù)雜波形回放的快速動(dòng)態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)

嚴(yán)勤，傅萌，夏鵬，王永生，秦偉

(1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077；2. 江蘇智臻能源科技有限公司，江蘇 南京 219600)

非介入式負(fù)荷辨識(shí)技術(shù)屬于客戶側(cè)電力物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一，應(yīng)用于居民家庭、商業(yè)樓宇、工業(yè)企業(yè)等多個(gè)場(chǎng)景[1-3]。當(dāng)前該類技術(shù)還處在技術(shù)探索期，市面上具備負(fù)荷辨識(shí)功能的各種設(shè)備參差不齊，性能差異很大，面對(duì)規(guī)?；茝V應(yīng)用，亟需明確設(shè)備性能的評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的批量化檢測(cè)[4]，其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是使用數(shù)字信號(hào)控制的功率放大器來復(fù)現(xiàn)多樣化用電場(chǎng)景下負(fù)荷的電壓、電流波形。波形回放過程中，功率放大器一般工作在空載狀態(tài)，且要求具備快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和良好的指令跟蹤性能。

傳統(tǒng)的線性功率放大器效率較低，功率處理能力受限，而且體積較大[5-6]。以D類放大器為代表的開關(guān)式功率放大器具有效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，更適合于音頻功放和其他功率放大應(yīng)用場(chǎng)合。新型寬禁帶功率器件的應(yīng)用進(jìn)一步提升了開關(guān)式功率放大器的功率密度[7-9]。在波形回放的應(yīng)用中，重點(diǎn)關(guān)注功率放大器的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)?；趥鹘y(tǒng)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)反饋控制的功率放大器由于環(huán)路幅頻特性的限制，往往帶寬有限，指令跟蹤性能一般[10-11]。文獻(xiàn)[12-13]通過添加一套具有高速動(dòng)態(tài)性能的小功率放大器電路來補(bǔ)償主功率放大器的紋波和電壓暫態(tài)，提升主功率放大器的動(dòng)態(tài)性能；但是電路架構(gòu)比較復(fù)雜，控制難度較高。文獻(xiàn)[14-18]將單周期控制技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)式功率放大器，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制電路簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)；但是由于積分電容復(fù)位時(shí)間的存在，實(shí)際測(cè)試效果與理論分析結(jié)果存在偏差。文獻(xiàn)[19]對(duì)傳統(tǒng)單周期控制電路進(jìn)行改進(jìn)，將積分器移出反饋回路，通過增加單脈沖發(fā)生器來控制驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，從而實(shí)現(xiàn)定頻工作和快速動(dòng)態(tài)；但是在單脈沖發(fā)生電路中依然使用了積分器，因此并未從根本上解決積分電容復(fù)位時(shí)間所導(dǎo)致的問題；此外，傳統(tǒng)單周期控制沒有負(fù)載側(cè)反饋控制，因此負(fù)載調(diào)整率較差。

由于功率放大器在波形回放應(yīng)用中一般處于空載狀態(tài)，因此無需對(duì)負(fù)載變化進(jìn)行反饋控制。考慮到單周期控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)極快，將其應(yīng)用于波形回放功率放大器控制非常合適。本文初步選擇較為簡(jiǎn)單的半橋電路作為功率放大器的主電路拓?fù)鋪眚?yàn)證波形回放的相關(guān)思路和設(shè)想。在傳統(tǒng)單周期控制電路的基礎(chǔ)上，增設(shè)1組額外的積分電路，以2組積分電路交替工作的方式來解決積分電容復(fù)位時(shí)間的問題。通過對(duì)比實(shí)際采集的用電側(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)與波形回放數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證功率放大電路的指令跟蹤能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

1 模擬檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

非介入終端模擬檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。核心結(jié)構(gòu)主要是上位機(jī)測(cè)試主站和下位機(jī)波形回放裝置。測(cè)試主站是控制中心，管理整個(gè)測(cè)試環(huán)境的硬件、案例庫(kù)及執(zhí)行全過程，主站的案例庫(kù)是家庭用電場(chǎng)景的錄制數(shù)字波形；波形回放裝置包括可控的電壓源及電流源，具有可控性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、波形跟蹤能力強(qiáng)和低功耗的特點(diǎn)，可模擬真實(shí)居民用戶電壓、電流波形，其核心部分為功率放大電路和輸出控制電路。

圖1 非介入終端模擬檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of detection emulation system for non-intrusive device

工作過程簡(jiǎn)述為：現(xiàn)場(chǎng)采集的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲(chǔ)后作為案例下發(fā)到波形回放裝置，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出參考指令到改進(jìn)型單周期控制器。改進(jìn)型單周期控制器控制半橋功率放大電路的輸出快速跟蹤參考指令，從而實(shí)現(xiàn)特定波形回放的目標(biāo)?；胤诺碾妷骸㈦娏鞑ㄐ畏謩e輸入到非介入式辨識(shí)設(shè)備中進(jìn)行負(fù)荷辨識(shí)。辨識(shí)結(jié)果通過數(shù)字接口輸出后與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比，最后將辨識(shí)結(jié)果及對(duì)比誤差生成相關(guān)報(bào)告。

可見，波形回放系統(tǒng)主要用來模擬用電側(cè)各種復(fù)雜場(chǎng)景下電器負(fù)荷的電壓、電流波形，用于考核具備負(fù)荷辨識(shí)能力設(shè)備的辨識(shí)性能。功率放大電路需要具備快速跟蹤和復(fù)現(xiàn)復(fù)雜模擬小信號(hào)的能力。同時(shí)，功率放大電路應(yīng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低。

2 半橋功率放大器電路

2.1 功率放大器主電路

半橋功率放大器電路如圖2所示，其中：S1、S2為組成半橋電路的功率開關(guān)；C1—C3為濾波電容器；R為負(fù)載；L為濾波電感器；D1、D2分別為S1、S2的寄生體二極管；U1、U2為C1、C2的電壓；up為橋臂中點(diǎn)電壓；Uo為輸出電壓峰值；Ug1、Ug2為門極驅(qū)動(dòng)脈沖。改進(jìn)型單周期控制電路部分在后文中詳述。主功率級(jí)采取雙極性調(diào)制的方式，以輸出波形的正半部分為例，當(dāng)S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通時(shí)，橋臂中點(diǎn)電壓up的電平為-U2，此時(shí)D1反向偏置關(guān)斷，U2與Uo之和加在L兩端，流過L的電流線性下降。當(dāng)S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷時(shí)，橋臂中點(diǎn)電壓up的電平為U1，此時(shí)D2反向偏置關(guān)斷，U1與Uo之差加在L兩端，流過L的電流線性上升。U1與U2通常設(shè)計(jì)為相等，均記作Uin。up作為受控開關(guān)變量輸入改進(jìn)型單周期控制器進(jìn)行積分處理，積分結(jié)果與參考指令進(jìn)行比較后產(chǎn)生脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后，分別生成門極驅(qū)動(dòng)脈沖Ug1、Ug2來控制功率開關(guān)S1、S2的通斷。

圖2 半橋功率放大器電路Fig.2 Circuit of half-bridge power amplifier

半橋功率放大器的器件電壓應(yīng)力見表1。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，由于器件和線路寄生參數(shù)的存在，開關(guān)S1、S2的額定電壓通常選擇理論應(yīng)力值的1.5倍，電容C1、C2、C3的額定電壓通常選擇理論應(yīng)力值的1.2倍。由于波形回放應(yīng)用中的功率放大器工作在空載狀態(tài)，因此并不過多關(guān)注器件的電流應(yīng)力。另外，為了防止開關(guān)S1、S2直通，需要在它們的門極驅(qū)動(dòng)之間適當(dāng)加入可調(diào)節(jié)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)的存在會(huì)影響功率變換的效率，也會(huì)對(duì)電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)、器件應(yīng)力等造成一定影響，因此需要在實(shí)際測(cè)試中反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化。

表1 主要器件的電壓應(yīng)力Tab.1 Voltage stress of main components

2.2 改進(jìn)型單周期控制器

2.2.1 工作原理

改進(jìn)型單周期控制電路如圖3所示，其中：Uc為積分電路輸出信號(hào)；S3—S6為復(fù)位開關(guān)；R1為積分電阻；C4、C5為積分電容；U1為誤差放大器；U2為高速比較器；U3為RS觸發(fā)器；U4為D觸發(fā)器。開關(guān)S3、S4和電容C4組成1套積分復(fù)位電路，開關(guān)S5、S6和電容C5組成1套積分復(fù)位電路，2套積分復(fù)位電路交替工作，工作頻率為開關(guān)頻率的一半。雙通道積分復(fù)位電路能夠有效解決傳統(tǒng)單周期控制電路中積分電容非理想放電影響控制精度的問題，大幅改善控制性能。

圖3 改進(jìn)型單周期控制電路Fig.3 Circuit of modifiedone-cycle control

單周期控制的核心理念在于對(duì)開關(guān)變量進(jìn)行積分控制，使其在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值能夠快速跟蹤參考指令[20]。本文以圖2中橋臂中點(diǎn)電壓up為開關(guān)變量，將其采樣到雙通道積分電路進(jìn)行積分運(yùn)算，所得輸出Uc與參考指令信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號(hào)來復(fù)位觸發(fā)器U3。時(shí)鐘信號(hào)的頻率為開關(guān)S1、S2的開關(guān)頻率。觸發(fā)器U3的/Q端輸出PWM脈沖，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后給到開關(guān)S1、S2的門極。同時(shí)，/Q端的輸出作用于觸發(fā)器U4，產(chǎn)生雙通道積分復(fù)位電路中相應(yīng)開關(guān)動(dòng)作所需的窄脈沖信號(hào)。其中，開關(guān)S3、S5的動(dòng)作一致，開關(guān)S4、S6的動(dòng)作一致，2組開關(guān)分別工作在相鄰的開關(guān)周期。

2.2.2 控制函數(shù)

結(jié)合半橋功率電路的工作模式，改進(jìn)型單周期控制電路中主要變量的波形如圖4所示，其中：CLK為時(shí)鐘信號(hào)；Ts為開關(guān)周期；uref為參考指令；t為時(shí)間。

圖4 控制電路中主要變量的波形Fig.4 Main variables waveforms in control circuit

根據(jù)單周期控制工作原理，電路的控制函數(shù)可表述為

(1)

式中：R1為積分電阻R1的阻值；Cint為積分電容(即電容C4或C5)的容值。

由式(1)可得每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)變量up的平均值

(2)

k=R1Cint/Ts.

(3)

式中k為增益系數(shù)。

在波形回放功率放大器的應(yīng)用中，與開關(guān)周期相比，參考指令的變化通常很慢。根據(jù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)原則，開關(guān)變量up在單個(gè)開關(guān)周期的平均值能夠快速追蹤參考指令的變化。

2.2.3 雙通道積分復(fù)位電路

在單周期控制電路中，傳統(tǒng)的單通道積分復(fù)位電路中存在電容放電時(shí)間，導(dǎo)致控制精度受到影響，尤其在占空比接近100%的情況下。圖3所包含的雙通道積分復(fù)位電路中，2組積分電路交替工作，有1個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間用于保證積分電容的完全復(fù)位。雙通道、單通道積分復(fù)位電路的性能對(duì)比如圖5所示?？梢郧逦乜闯觯瑔瓮ǖ婪e分復(fù)位電路中控制波形存在一定的放電時(shí)間，而雙通道積分復(fù)位電路中控制波形實(shí)現(xiàn)了瞬間放電。

圖5 2種積分復(fù)位電路的性能比較Fig.5 Performance comparisons of two types of resettable integration circuit

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

PSIM軟件具有器件模型全、收斂速度快、界面友好和易于使用的優(yōu)點(diǎn)。使用PSIM對(duì)基于改進(jìn)型單周期控制器的半橋波形回放電路進(jìn)行仿真，主要參數(shù)見表2。D觸發(fā)器的輸出作用于電容與電阻串聯(lián)組成的微分電路后，產(chǎn)生窄脈沖來驅(qū)動(dòng)積分電容復(fù)位開關(guān)S3—S6。圖6為仿真與硬件實(shí)驗(yàn)框圖。

表2 主要的仿真參數(shù)Tab.2 Main simulation parameters

圖6 仿真與硬件實(shí)驗(yàn)框圖Fig.6 Block diagram of simulation and hardware experiments

改進(jìn)型單周期控制器穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)如圖7所示，可以看出控制電路的性能表現(xiàn)符合前文的理論分析。改進(jìn)型單周期控制器動(dòng)態(tài)表現(xiàn)如圖8所示，指令變化出現(xiàn)在開關(guān)周期內(nèi)積分電容復(fù)位之后，在下一個(gè)開關(guān)周期控制電路已經(jīng)快速跟上新的參考指令。

圖7 改進(jìn)型單周期控制器穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)Fig.7 Steady-state behaviors of modified one-cycle controller

圖8 改進(jìn)型單周期控制器動(dòng)態(tài)表現(xiàn)Fig.8 Dynamic behaviors of modified one-cycle controller

如果指令變化出現(xiàn)在開關(guān)周期內(nèi)積分電容復(fù)位之前，則控制電路在當(dāng)前開關(guān)周期即可跟上新的參考指令?？梢姼倪M(jìn)型單周期控制器具備極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，適用于波形回放電路。工頻周期時(shí)間尺度下，輸出電壓對(duì)參考指令的跟蹤情況如圖9所示，可以看出功率放大電路的輸出波形在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下都能夠快速跟蹤參考指令。

圖9 輸出電壓對(duì)參考指令的跟蹤情況Fig.9 Tracking performance of output voltage to reference command

基于改進(jìn)型單周期控制的快速動(dòng)態(tài)波形回放裝置如圖10所示。所采集的家用電器或其他負(fù)載的負(fù)荷數(shù)據(jù)通過數(shù)字通信接口輸入到波形回放裝置，經(jīng)過功率放大后產(chǎn)生相關(guān)波形包絡(luò)并由波形輸出接口提供給后級(jí)的待測(cè)負(fù)荷裝置。家用空調(diào)負(fù)載的電壓、電流波形回放結(jié)果如圖11所示，波形回放裝置較為真實(shí)地模擬了正弦電壓波形和沖擊電流波形，回放效果較好。電水壺負(fù)載的電壓、電流波形回放結(jié)果如圖12所示，波形回放裝置能夠較好地模擬負(fù)載的真實(shí)用電特性。

圖10 波形回放裝置的后視圖Fig.10 Rear view of waveform restoration equipment

圖11 空調(diào)的電壓、電流波形回放Fig.11 Current and voltagewaveform restoration of air-conditioner

圖12 電水壺的電壓、電流波形回放Fig.12 Current and voltage waveform restoration of electric kettle

表3和表4分別列出了空調(diào)電壓波形和電流波形部分回放結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的對(duì)比以及差異度。記波形回放數(shù)據(jù)為dres，原始數(shù)據(jù)為dorg，定義數(shù)據(jù)差異度指標(biāo)

表3 空調(diào)電壓波形回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對(duì)比Tab.3 Comparisons between restorated data and raw data of air-conditioner voltage waveforms

表4 空調(diào)電流波形回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對(duì)比Tab.4 Comparisons between restorated data and raw data of air-conditioner current waveforms

(4)

使用基于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)相應(yīng)參考波形進(jìn)行二次數(shù)據(jù)采集，以獲得比對(duì)所用的原始數(shù)據(jù)。對(duì)比電壓數(shù)據(jù)集所有數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的差異度不超過±0.4%，回放效果較好。對(duì)比電流數(shù)據(jù)集所有數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的差異度不超過±0.5%。考慮到空調(diào)電流波形存在較為陡峭突變的情況，回放效果符合實(shí)際應(yīng)用需求。

表5和表6分別列出了電水壺電壓波形和電流波形部分回放結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的對(duì)比以及差異度。對(duì)比電壓和電流數(shù)據(jù)集所有數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)之間的差異度不超過±0.5%，回放效果較好。

表5 電水壺電壓波形回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對(duì)比Tab.5 Comparisons between restorated data and raw data of electric kettle voltage waveforms

表6 電水壺電流波形回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對(duì)比Tab.6 Comparisons between restorated data and raw data of electric kettle current waveforms

以空調(diào)的電壓波形和電流波形回放為例，比較雙通道積分器的波形回放結(jié)果與單通道積分器的波形回放結(jié)果。通過對(duì)回放結(jié)果進(jìn)行工頻周期內(nèi)20點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣并與相應(yīng)參考波形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分別得到如圖13、圖14所示的誤差數(shù)據(jù)。其中圖13為2種不同積分器方案下空調(diào)電壓波形回放結(jié)果對(duì)比，圖14為2種不同積分器方案下空調(diào)電流波形回放結(jié)果對(duì)比?？梢钥闯觯?jiǎn)瓮ǖ婪e分器的波形回放結(jié)果誤差波動(dòng)范圍較大，最大誤差超過4%；雙通道積分器的波形回放結(jié)果誤差穩(wěn)定，最大誤差低于2%。對(duì)本文探討的波形回放裝置進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其誤差指標(biāo)小于2%，滿足波形回放的實(shí)際應(yīng)用要求。

圖13 2種積分器方案下空調(diào)電壓波形回放結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparisons of air-conditioner voltage waveform restoration results under two different integrator solutions

圖14 2種積分器方案下空調(diào)電流波形回放結(jié)果對(duì)比Fig.14 Comparisons of air-conditioner current waveform restoration results under two different integrator solutions

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)非介入辨識(shí)終端檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)復(fù)雜電壓、電流波形快速?gòu)?fù)現(xiàn)回放的需求，提出一種基于改進(jìn)型單周期控制的半橋功率放大電路。分析了主電路的工作模態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，詳細(xì)介紹了改進(jìn)型單周期控制器的工作原理，并推導(dǎo)相關(guān)控制函數(shù)。通過增設(shè)額外的積分復(fù)位電路，解決了傳統(tǒng)單周期控制中積分電容復(fù)位時(shí)間影響控制精度的問題，實(shí)現(xiàn)了快速指令跟蹤和波形回放功能。仿真模擬和硬件測(cè)試的結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的有效性和電路方案的可行性?；胤艛?shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差在可接受范圍之內(nèi)，取得了良好的波形回放效果。