（电力电子与电力传动专业论文）能馈式交流电子模拟负载的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 法，由数字信号处理器实时计算出该给定负载模式下的指令电流值。使用交流小 信号分析法得到了系统的频域方块图，并对主电路元件参数以及调节器进行了优 化设计。针对大功率开关管开关频率存在的限制，本文提出了几种提高电流跟踪 精度的改进方法，取得了良好的效果。整个系统在p s i m 平台上进行了不同工作 模式下的仿真，仿真结果表明方案切实可行。最后依据仿真方案设计基于 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的控制系统和功率电路，使用p r o t e l 软件进行了原理图的绘制。 关键词：电子负载；能量回馈；电压型变换器；滞环p w m 电流控制；双 闭环；p w m 整流器 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , v a r i o u st y p e so fp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e sa r ea p p l i e di nm o r ea n dm o r ea r e a s t h e s ed e v i c e sn e e dt ob et e s t e d u s i n gd i f f e r e n tl o a d sb e f o r et h e ya r ep u ti n t ot h em a r k e t t e s t su s i n gc o n v e n t i o n a lr e a l l o a dh a sm a n yp r o b l e m so fl a r g ee n e r g yl o s s ，p o o rv a r i a b i l i t y , e t c ，w h i c hm a k e si t h a r dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ev a r i o u st e s t i n go c c a s i o n s t os o l v et h ep r o b l e m ， t h i sp a p e rp r o p o s e sat h e o r yo fa l t e r n a t i n gc u r r e n te l e c t r o n i cl o a db a s e do np o w e r e l e c t r o n i cc o n v e r t e r t h ea l t e r n a t i n gc u r r e n te l e c t r o n i cl o a di sak i n do fd e v i c ew h i c hu s e sp o w e r e l e c t r o n i cc o n v e r t e r st os i m u l a t ec o n v e n t i o n a lr e a ll o a de x a c t l yi n c l u d i n gc o m m o n l i n e a ra n dn o n 1 i n e a rl o a d m o r e o v e r , t h ee n e r g ya b s o r b e df r o mt h et e s t e dp o w e r s u p p l yc a n b ef e db a c kt ou t i l i t y 鲥da tu n i tp o w e rf a c t o rs ot h a ti tc a nd e c r e a s et h e t e s t i n gc o s ta n de n r i c ht h et e s t i n gl o a dt y p e sg r e a t l y a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho na c e l e c t r o n i cl o a dm a i n l ya i m sa tc o n t r o l l i n gt h ea v e r a g ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v e p o w e rs u p p l i e db ya cs o u r c ed e v i c e s b u ti nt h e s ec a s e s ，t h ea cs o u r c eo u t p u t c u r r e n ti so f t e nd i s t o r t e da n dd i f f e r e n tf r o mt h a ti nr e a ll o a dt e s t i n gc i r c u m s t a n c e t h e r eh a v e b e e ns o m ea ce l e c t r o n i cl o a dp r o d u c t si nt h em a r k e t , w h i c hc a nm a k et h e o u t p u tc u r r e n ts a m e 嬲t h a ti nr e a ll o a dc i r c u m s t a n c e ，b u tt h e i rp o w e ri sn o ts ol a r g e a n dt h et e s t e de n e r g yi su s e du pd u r i n gt e s t s ，w h i c hc a u s e sm u c hw a s t e i nt h i sp a p e ra n e wt y p eo fa ce l e c t r o n i cl o a di ss t u d i e d ，w h i c hc o n v e r g e st h ea d v a n t a g e so ft h et w o t y p e so f e l e c t r o n i cl o a dm e n t i o n e da b o v e t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fh i g hp o w e re n e r g yf e e d b a c ka ce l e c t r o n i c l o a da n dd cl i n ka c - d c a cc o n v e r t e rw a sa d o p t e da st h em a i nt o p o l o g ys t r u c t u r e t h ei n p u tr e c t i f i e ra n do u t p u ti n v e r t e rw e r eb o t hc o n s i s t e do fv o l t a g es o u r c ep w m r e c t i f i e rw h i c hc a nr u ni nf o u rq u a d r a n t s t h ea m p l i t u d ea n dp h a s eo fi n p u tc u r r e n ta t t h ea cp o w e rs u p p l yb e i n gt e s t e ds i d em u s tb es t r i c t l yc o n t r o l l e db yp w mr e c t i f i e rs o t h a ti ti sj u s tl i k et h es p e c i a lt y p eo fl o a dt h a tw eh a v es e t t e d a tt h es i d eo fa cp o w e r 山东大学硕士学位论文 鲥d ，t h eo u t p u tc u r r e n ts h o u l dh a v et h es a m ef r e q u e n c ya n dp h a s ew 池t h ev o l t a g ei n o r d e rt of e e dt h ee n e r g yb a c kt op o w e rg r i da tu n i tp o w e rf a c t o r m e a n w h i l e ，t h e a m p l i t u d eo fo u t p u tc u r r e n ts h o u l da l s ob ec o n t r o l l e dt ok e e pt h ed cb u sv o l t a g e s t a b l e c o n v e n t i o n a ld o u b l ec l o s e d - l o o pc o n t r o lw a sa d o p t e di nt h ec o n t r o lo ft h e p w mi n v e r t e r t h ei n s i d ec u r r e n tl o o pa s s u r e sa c t u a lc u r r e n tf o l l o w st h ec h a n g eo fi t s i n s t r u c t i o n ，a n dt h eo u t s i d ev o l t a g el o o pk e e p sd cv o l t a g et ob eas p e c i a lc o n s t a n t t h ec o n t r o lo ft h ep w mc o n v e r t e r sc o m b i n e sa n a l o gm e t h o d 、) l ，i t l ld i g i t a lm e t h o dt o m a k et h ec u r r e n tt r a c ki t si n s t r u c t i o nq u i c k l ya n da c c u r a t e l y t h es p e c i f i ct y p ea n dp r o p e r t i e so ft h el o a dc a nb es e tb yt h em a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，a n dt h ec u r r e n tv a l u ec a nb ec a l c u l a t e db yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri nr e a l t i m e t h i sp a p e ro b t a i n e dt h ef r e q u e n c yd o m a i nb l o c kd i a g r a mu s i n ga cs m a l l - s i g n a l a n a l y s i sm o d e la n dt h ep a r a m e t e r so fm a i nc i r c u i tc o m p o n e n t sw e r ed e s i g n e dp r o p e r l y a g a i n s tt h ef r e q u e n c yr e s t r i c t i o no ft h eh i g hp o w e re l e c t r o n i cs w i t c h e s ，t h ep a p e r p r o p o s e ds e v e r a li m p r o v e dm e t h o d st oi n c r e a s et r a c k i n ga c c u r a c yo ft h ec u r r e n t t h e s y s t e ms i m u l a t e ds e v e r a ld i f f e r e n tl o a dt y p e so np s i mp l a t f o r m t h er e s u l t sp r o v e d t h em e t h o d st ob ep r a c t i c a la n de f f e c t i v e i nt h ee n d ，t h ep o w e rc i r c u i ta n dc o n t r o l s y s t e mw e r ed e s i g n e da n dt h es c h e m a t i cd i a g r a mw a sd r e wu s i n gp r o t e l s o f t w e a r k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cl o a d ；p o w e rf e e d b a c k ；v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ；h y s t e r e s i s p w mc u r r e n tc o n t r o l ；d o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o l ；p w mr e c t i f i e r 山东大学硕士学位论文 滞环宽度 电网侧变换器串联电感 符号说明 0 参考电流 k 参考电流幅值 电源侧变换器串联电感 电压幅值 直流侧电容 角频率 开关周期 母线直流电压 瓦 直流侧电压周期平均值 u 电压有效值 f 电流跟踪误差信号 q 尸 无功功率 有功功率 k参考电流幅值中的直流成分 直流侧电流周期平均值 k 参考电流幅值中的谐波成分 鲜 p i 调节器比例系数 髟 电流变换系数 虬 电网电压 待测电源电压 l 电流幅值 ，电流有效值 电网侧变换器输出电流 电源输出电流 v h l 厶 c r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名i 立五逾一一 e t 期：垫缉址 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：建五途导师签名：丑纠! ! 日期：翌! ：芏! ! ： 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 自第一只晶闸管问世以来，电力电子技术逐渐登上了现代电气传动技术的 舞台，成为国际上竞争最激烈的高新技术领域之一。随着电力电子技术的发展， 各类电力电子装置也应运而生，并且得到了越来越广泛的应用，如有源电力滤波 器( a c t i v ep o w e rf i l t e r - a p f ) 、不间断电源( u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs u p p l y - u p s ) 等、静态无功补偿器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r s v g ) 、交直流稳压电源、通讯电源、 柴油发电机、蓄电池、车载电源等，这些产品的出厂试验，如可靠性试验( 老化 放电试验) 、输出特性试验等场合都要用到负载测试，以考察其技术指标和性能。 与这些电子产品的发展不协调的是目前国内外对这些产品的测试技术却未得到 相应的发展1 1 1 ，一般都采用传统的静态负载( 如电阻、电阻箱、滑线变阻器等) 能 耗放电的办法进行【2 训。但它们存在如下一些缺点【5 q o ： ( 1 ) 电阻一般采用有级调节，很难满足阻值连续变化情况以及负载形式灵 活变化的要求； ( 2 ) 传统的负载形式单一，实际应用中很多负载都要求是动态变化的，如 消耗功率是温度、时间、频率等的函数，也可能是要求恒定电流、恒定电压、恒 定阻抗、不同功率因数或非线性形式的负载等。传统的静态负载模拟不了复杂的 负载形式。 ( 3 ) 电阻功率较小，在长时间大电流试验环境下容易造成电阻老化和烧损； ( 4 ) 试验电能全部消耗在电阻上，造成巨大的浪费； ( 5 ) 负载设备体积庞大，占用很大空间，且不容易满足大功率试验的场合； ( 6 ) 传统负载消耗的能量最终转化为热量，对散热造成巨大的负担。 由于传统试验方式存在诸多缺点，国内外的学者一直致力于研究更好的电 源试验装黄，主要解决负载的灵活调节以及试验电能的回馈问题。模拟电子负载 就是为了克服上述实验设备的缺点而研制的一种电力电子装置，是微机测控技 术、电力电子技术和自动控制技术的综合应用【l l 】。它可以实现各种试验场合的负 载条件，在传统的负载不能满足条件的情况下，如动态负载、非线性负载等，更 山东大学硕士学位论文 能显示出其性能的优越性，对负载形式的调节可以通过软件形式来实现。它体积 小、安装使用方便，能够将待测设备的输出功率无污染的反馈给电网，其损耗仅 仅是p w m 变流器的开关损耗和线路损耗，从而在很大程度上减少试验过程中的 能量损耗，有效的降低了试验成本。由于在这过程中能量消耗很少，所以省去了 庞大的散热设备，节约了安装空间，并且对于能源问题日益严峻的今天，研究模 拟电子负载具有很大的经济意义，是科学发展观在科技学术问题上的指导和应 用。因此，电子负载模拟装置在实验室及电源等生产过程中有很大的应用空间， 其市场前景非常广阔。 1 2 基于电力电子技术的电子负载 电力电子技术是近年来发展迅速的一种高新技术，它是集电力技术、微电 子技术和信息控制技术于一体的- 1 7 新学科，广泛应用于机电一体化、电气传动、 新能源、航天、核电、激光、材料等领域，有专家预言，在2 l 世纪高度发展的 自动化领域内有两项重要的技术，那就是计算机技术和电力电子技术。随着半导 体技术的不断发展，功率半导体开关器件性能不断提高，而功率半导体开关器件 技术的进步，又促进了电力电子变流技术的迅速发展，尤其是各种电流控制技术 不断出现和应用，这些成果为电力电子技术在电源测试领域的应用提供了理论和 应用的基础。 电源的测试，本质上就是使电源按照一定的电流进行放电【1 2 彤l 。当负载恒 定时，放电电流也恒定；当负载动态变化时，放电电流也相应地变化。因此可以 设想，如果采用电力电子变流装置作为负载对电源进行试验，精确控制电源的放 电电流，那么从电源侧来看就如同对一个真实负载进行放电，从而可以模拟一个 传统的自然负载。进一步而言，如果采用有效的电流控制技术，能够在大范围内 控制放电电流，就能模拟各种负载，包括一些动态变化的负载、谐波负载和非线 性负载，使得一个电子负载就能满足任何试验场合。再结合逆变技术，将试验能 量全部无污染的回馈给电网，就能在完成对电源正常试验的同时有效地解决电能 浪费问题。如果采用大功率开关器件，就能使得电子负载具有足够大的容量，完 成对大功率电源的试验。另外，采用电子负载进行试验后，由于不存在大功率的 耗能电阻，因此负载的体积较小，可以有效节约安装空间。因此从理论上而言， 山东大学硕士学位论文 采用电子负载完全可以解决采用传统负载进行电源试验时存在的各种缺点【3 1 。 1 3 电子负载模拟装置的发展现状 电子负载包括直流电子负载和交流电子负载。直流电子负载是专门应用于 直流电源试验的电子负载，如通信电源，蓄电池等。直流电子负载一般直接采用 逆变的方法( d c a c 变换或d c d c 与d c a c 相结合) 1 4 - 17 】，将直流电源的电 能回馈到交流电网中。由于其电压波形恒定，针对不同的负载形式产生相应的电 流波形比较容易，设备设计和调试过程相对简单，所以目前直流电子负载的研究 己较成熟，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，分别用于d c d c 电源、电力电源、 u p s 电源以及通讯电源的测试，电能回收率达到9 0 以上。 交流电子负载指令信号产生比较困难，需要在测量当前电压波形的同时z 根据不同的负载形式计算出相应的指令电流波形。在工作过程中，既要求电压测 量准确，又要求快速的计算出指令电流波形，实时跟踪电压波形的变化。目前交 流电子负载的研究主要是针对u p s 老化试验【1 8 - 2 2 1 ，这些文献中有的直接以u p s 的输入整流器作为电子负载的一部分1 1 9 】，输出功率受到u p s 的a c d c 变换器功 率的限制，有的则要求u p s 与公用电网同频率【2 0 1 ，因此不能作为交流电源通绸 的试验设备。文献 2 3 贝j j 提出了一种对各种交流电源都适用的老化试验装置，如 u p s 、交流电机驱动器等，该装置主要由d c a c 变换器和a c d c 变换器构成， 两个环节可以分开控制，文献中简单指出了可以通过对试验电源输出电流的控制 来模拟各种特性的负载，但没有给出详细的方案。另外，很多方案共同的特点就 是它们仅以试验功率可调和能量回馈为目标，而并不在意试验电源输出电流的特 性，即这些方案不需要试验装置同传统的真实负载拥有同样的电流特性，其主要 目的是按照功率大小完成试验并且实现能量的回馈。因此它们都算不上严格意义 上的交流电子负载。 目前市场上交流电子负载的产品很少，国内只有少数厂家供应，如台湾博 计电子等，国外有美国n hr e s e a r c h 推出4 6 0 0 系列交流电子负载。这些交流电 子负载产品有的仅能实现模拟一个可控负载的功能，试验电能未能实现回馈电网 而是全部消耗掉了。具有能馈功能的电子负载有北京索英电气技术有限公司有 3 山东大学硕士学位论文 g b e l 系列、北京大华无线电仪器厂的d h 2 7 系列等，但这些产品主要针对试验 电源的恒流或恒压放电，结构简单，功能单一，效果并不理想，因此具有能量回 馈特性并能够实现电流精确控制的交流电子负载产品的研究仍处于起步阶段。 1 4 本文的研究目的 以上分析可见，目前能量回馈式交流电子负载的研究还不成熟，本文将要 研究的是既能严格控制电源放电电流也能实现试验电能无污染反馈电网的新型 交流电子负载，有效的解决了目前电源测试中所遇到的难题，并克服了已有电子 负载的缺点。 本文目的在于研制一种交流电子负载，能对其输入侧实现精确控制，使其 输入特性与传统的真实负载完全一致，因此可以代替各种形式的负载，如静态阻 抗、动态变化的阻抗以及谐波负载和非线性负载等，并且能够将试验电能回馈给 电网，节约了试验成本。并且电子负载的功率模块能够进行双向能量流动，即装 置不仅可以将吸收的试验电能回馈给电网，也可以从电网向试验电源输出能量， 因此可以模拟负阻情况。如这种新型交流电子负载的理论及产品走向成熟，可以 弥补国内外技术的不足，并将获得广泛应用，具有很大的经济意义。 1 5 本文研究的主要工作 1 介绍了电子负载的研究现状，归纳了各类负载的优缺点，指出了研究电 能反馈型电子负载的重要性及其经济意义。 2 详细分析能馈型电子负载的模拟原理，并对比几种电子负载的实现方案， 说明了本文所采用方案的优越性。电子负载实现方案采用了两个全桥变换器，采 用模拟控制与数字控制相结合的方法，实现对两个全桥变换器的控制。 3 研究了交流电子负载的拓扑结构，确定其主电路结构为中间直流环节 ( d cl i n k ) 的a c a c 变换结构，输入整流器和输出逆变器均采用可四象限运行 的电压型p w m 整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r - v s r ) 。 4 确定采用直接电流控制中的滞环p w m 电流控制作为电子负载的控制方 式，采用双极性调制方式作为输入、输出变换器的调制方式。 5 对前级整流器和后即逆变器提出了有效的控制策略，给出特定负载模式 4 山东大学硕士学位论文 l l 1 1 ii,i 舅皇皇曼曼鼍舅曼曼皇曼皇曼笪曼曼 下整流和逆变环节参考电流值的获取算法，并针对几种常见的负载形式对算法进 行了验证，使功率模块电路电流准确快速地跟踪指令电流信号的变化。通过分析 对系统元件参数和调节器进行优化设计，设计出系统的控制电路、驱动电路。 6 在能量回馈部分，采用电压电流双闭环控制方式，在稳定直流母线电压 的同时，使输出电流跟踪电网波形的变化，以实现电能无污染回馈给电网的目的。 7 完成对整个系统模块的仿真，验证变换器中闭环控制系统、主电路参数 设计的正确性。 8 提出几种提高电流跟踪精度的方案，并进行理论分析和仿真验证。 9 进行系统的硬件电路设计，并绘制出p r o t e l 原理图。 最后，本文对电子负载研究所取得的成果和存在的问题做了总结，同时为 今后深入研究做了展望，期待对能馈型电子负载设计时所存在的问题进行更深入 的探讨，为进一步完善和改进能馈型电子负载的设计有所贡献。 山东大学硕士学位论文 第二章交流电子负载的结构介绍 交流电子负载的工作原理是：针对试验电源e ( t ) ，根据需要的负载形式z ， 测量电源的电压波形，由j = e z 可计算出相应的电流波形。它们之间的关系也 可用i , e ( t ) = ( p ( r ) ) 来表示，式中e ( t ) 表示待测交流电源电压，o ( f ) 表示电子负 载电流指令值，坟) 表示其函数关系，它只与负载形式有关。对于确定的电压信 号，设备只要计算出合适的电流波形，加以跟踪就可以模拟不同的负载形式，包 括动态变化的负载、非线性负载等。也就是说交流电子负载相当于一个输出电流 可以为任意波形的电流源，即可以模拟任意形式的负载。工作时，其输入为待测 交流电源，输出接低压电网2 2 0 3 8 0 v ，以实现装置的电能回馈功能，交流电子 负载的应用示意图如图2 1 所示。 l 一一矍竺竺奎篓! 竺j 图2 1 交流电子负载应用示意图 2 1 交流电子负载的整体结构 书圈 交流电子负载模拟装置 ：一一一j 图2 2 交流电子负载整体结构框图 模拟电子负载归根到底是对一双向电流源的设计，它主要由三部分组成： 6 山东大学硕士学位论文 指令信号产生环节、电流跟踪环节和能量回馈环节。其整体结构图如图2 2 所示。 由图可见，模拟负载一端接交流试验电源，一端接低压交流电网。工作后， 该装置采样电源电压波形信号，输入到指令电流产生环节，根据设定的负载形式， 由指令信号产生环节计算得到指令电流信号，电流跟踪部分迅速而准确的跟踪指 令信号的变化，产生相应的实际电流波形，从而使装置模拟各种形式负载的功能。 能量回馈部分将装置吸收的电能实现单位功率因数( 1 ) 回馈给电网，实现能 量的循环利用。 2 2 交流电子负载的主电路设计 从图2 1 可以看出，电子负载的输入、输出侧都为交流电压，因此总体而言， 它是一个交交( a c a c ) 变换器。交交变换器根据中间功率传递环节分为三种： 直流连接、交流连接和直接连接。 中间交流环节a c a c 变换器1 2 4 】，如图2 3 所示，其中间环节为一高频l c 谐振电路。由于谐振电路电流过零时可以迫使晶闸管自然换向，因此这种电路的 开关元件可以不选择全控器件，一般的晶闸管即可满足应用。但这种电路也有很 多缺点，由于提供给负载的能量完全从谐振电路通过，因此谐振电路的电感和电 容元件需要很大的额定容量，功率双向流动和高频母线的控制较复杂，开关管数 量多，为中间直流环节变换器的两倍，因此中间交流环节变换器的成本远大于中 间直流环节的变换器1 2 5 1 。 兰相土c 电 相 c 电源 图2 3 中间交流环节的a c a c 变换器 直接a c a c 变换器，也称矩阵式交交变换器1 2 6 】，如图2 4 所示，没有中 间储能元件，可控制输入电流的功率因数为任意值，而输出可接滞后功率因数的 负载，且输出电压频率可变。但其开关器件需要采用双向全控开关，即两个全控 7 山东大学硕士学位论文 型器件反向串联，因此需要总共1 8 个全控开关器件，成本较高，且1 8 个开关器 件的驱动信号必须按严格的逻辑程序控制其形成和分配，且任意负载端绝不能同 时接到两个交流电源相电压，以确保不会发生交流电源两相短路等问题。 v 曩 v c 工 图2 4 矩阵式交交变换器电路图 对于电压源型变换器，中间直流环节的a c a c 变换器，如图2 5 所示，其 中间直流环节由一个直流电容构成，这种电路结构简单，易于控制，是目前最常 见的a c a c 变换电路。但由于它采用硬开关方式，因此在频率较高时开关损耗 较大。 文献【5 】采用了中间直流环节的a c a c 变换器作为交流电子负载的主电路 结构，分别给出了恒流和恒阻抗模式下输入和输出电流指令值的详细计算方法， 其主电路结构两端各引入一个滤波电容，以滤除输入、输出电流的高次谐波，但 由于l c 滤波器本身存在谐振问题，如果滤波器设计及控制策略不合适，会破坏 系统的稳定性。本文对文献中主电路拓扑简化，去掉两端的滤波电容，分析了简 化后系统的功率平衡的机理，从文献提出的控制方案角度出发，采用电压、电流 双闭环复合控制方法，提高输入电流的跟踪能力，能够较好地满足系统对指令电 流、电压跟踪精度以及快速性和稳定性的要求。 8 山东大学硕士学位论文 ? 5 皋v 廷5 去 广r mj _ j 达一 净q i 一 c _ 露 _ 誓泞 g _ 蒂泞 v v p 图2 5 单相交流电子负载的主电路结构图 经分析和比较，这里采用中间直流环节的交直交变换器结构为电子负载的 主电路结构。如图2 5 所示，其中e l 、e 2 分别为试验电源与低压交流电网。 2 3 输入、输出变换器的选择 由图2 5 可看出，交流电子负载的主电路是由整流环节和逆变环节构成，整 流和逆变环节均可选用脉冲宽度调制( p w m ) 整流器。脉宽调错i j ( p w m ) 技术是 实现功率因数校正、逆变器输出正弦化的有效手段，其基本原理是采用一组不同 宽度的脉冲序列来等效正弦波电压或电流。随着高频可关断功率器件的发展和应 用，以及最优控制技术及计算机仿真技术的引入，p w m 技术得到了极大的发展。 p w m 技术的发展主要分为二个阶段【2 引。第一个阶段主要是开环的p w m 控制， 例如载波调制p w m ，预编程p w m 等。此阶段解决的主要问题是减少总谐波畸 变率t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 。第二阶段是对p w m 采用以模拟电路为 基础的实时控制，在改进t h d 的同时使瞬时响应性能得到提高，例如瞬时值 反馈控制等。在现代电力电子技术中，电流控制脉宽调制技术由于其具有快速响 应和精确控制能力，越来越受到人们的青睐，已逐渐成为高性能功率变换器( 如 有源电力滤波器、逆变器、p w m 整流器、新能源发电并网变换器、静止无功发 生器等) 的核心控制技术之一1 2 9 1 。 p w m 整流器拓扑结构与传统的晶闸管整流或二级管整流器基本相同，只是 用全控型功率开关( 如g t o ，i g b t 等) 代替了半控型功率开关( 如晶闸管) 或二极管，在控制方式上以p w m 整流代替了相控整流或不控整流。与传统整流 器相比，p w m 整流器拥有以下优点【5 1 ：网侧电流可为正弦波；网侧功率因数可 9 山东大学硕士学位论文 以控制；电能可以双向传输；较快的动态响应。 p w m 整流器己不是一般传统意义上的a c d c 变换器。由于电能可以双向 传输，当p w m 整流器从电网吸取能量时，其运行于整流工作状态，且可以实现 单位功率因数整流；而当p w m 整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工 作状态，且可以实现单位功率因数逆变。因此p w m 整流器实际上是一个交、直 流侧均可控的四象限运行的变流装置【3 0 1 。 p w m 整流器按照直流储能形式可以分为电压型p w m 整流器( v s r ) 和电流 型p w m 整流器( c u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r - c s r ) ，分别如图2 6 中( a ) 、( b ) 所示。 ) 本) 本 止 j_ j = c ! 一 ) zs ) 么 ( a ) 单相v s r 拓扑结构 ( b ) 单相c s r 拓扑结构 图2 - 6 单相v s r 、c s r 拓扑结构 单相c s r 的显著特点就是直流侧采用电感进行直流储能，从而使c s r 直流 侧呈现高阻抗的电流源特性。除直流储能电感以外，c s r 的交流侧增加了一滤 波电容，其作用是与网侧电感一起组成l c 滤波器，以滤除c s r 网侧谐波电流， 并抑制c s r 交流侧谐波电压。另外，在其功率开关管支路上需顺向串联二极管， 其作用是阻断反向电流，并承担一部分反向电压以提高功率开关管的耐反压能 力。 本文采用电压型p w m 整流器v s r ，如图2 5 以及图2 - 6 ( a ) 所示。这种 结构最显著的特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使v s r 直流侧呈现 低阻抗的电压源特性。由于它可以实现四象限运行，因此只要控制得当整个电子 负载也可以实现四象限运行。功率开关管必须反并联一个续流二极管，为p w m 变换过程提供电流通路。 1 0 山东大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章对交流电子负载模拟装置的整体结构进行了简单的介绍，该模拟装置 一端接待测电源，一端接低压电网，主要有指令信号产生环节、电流跟踪环节以 及能量回馈环节三部分构成。通过比较分析，主电路结构采用中间直流环节的 a c a c 变换器，输入、输出变换器均采用电压型b o o s t p w m 整流器。 山东大学项士学位论文 第三章控制方式的研究 交流电子负载的核心组成部分是两级电压型p w m 变换器，其一端为待测试 交流电源，而另一端为低压交流电网。规定交流电源侧为输入端，交流电网侧为 输出端。因此对交流电子负载的控制也即协调控制两级电压型p w m 变换器，实 现功率流的平衡。由于采用了a c d c a c 变换结构，通过直流电容在两级变换器 中传递能量，可以将整流和逆变部分分开控制。在输入端，要严格控制电流的大 小和相位，以使得电子负载对交流电源呈现设定的负载模式。在输出端则要控制 输出电流与电网同相位，实现电能的单位功率因数回馈电网，并且通过控制输出 电流的大小来稳定直流侧电容电压。由于电子负载可以实现功率的双向流动，故 也可由电网向试验电源充电。要想使交流电子负载成功的实现对输入、输出侧的 控制，良好的控制方式和控制策略是关键，下面对其进行详细的讨论。 3 1 几种电流跟踪方式的比较 要想使交流电子负载准确地模拟实际负载，必须严格控制其输出电流值的 大小。常规的v s r 控制系统一般采用双闭环控制，即电压外环和电流内环控制。 在这样的控制系统中，内环电流控制是关键，因为电压控制也是通过电流的控制 而间接实现的，因此电流控制的动态性能直接影响整个系统的性能。双闭环控制 的主要特点是物理意义清晰、控制结构简单、控制性能优良馘。来捆引用瓦。 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上时，其效果基本相同。p w m 控制技术就是以该结论为理论基础， 对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度 不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对 各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 p w m 控制的基本原理早已提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世 纪8 0 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪8 0 年代，随着全控型电力电子器件 的出现和迅速发展，p w m 控制技术才真正得到应用。 目前应用较多的电压型p w m 整流器的控制技术可分为间接电流控制技术 1 2 山东大学硕士学位论文 和直接电流控制技术。间接电流控制也称为幅值相位控制或幅相控制【3 。通过 p w m 控制在v s r 桥交流侧生成幅值、相位受控的p w m 电压，该p w m 电压与电 网电动势共同作用于v s r 交流侧，达到控制输入电流的目的。其电流控制的依据 是整流器交流侧的稳态相量关系，对电流的控制是开环的，因此是一种间接电流 控制。间接电流控制控制结构简单，无需电流传感器，成本较低。但是由于稳态 模型控制在系统的过渡过程中特性很差，电流动态响应不够快，有较大的电流超 调，电流振荡剧烈，且对系统参数波动较敏感，因而常适合于对v s r 动态响应要 求不高且控制结构要求简单场合，因此实际应用很少。 直接电流控制是针对间接电流控制的缺点而提出来的1 5 】。它对整流器输入电 流进行闭环控制，其控制依据是整流器的动态方程。直接电流控制对瞬时电流波 形进行高精度控制，具有很好的动态性能，可以补偿系统参数变化带来的误差以 及管压降和死区的影响。事实上，高性能的电力电子控制设备大多采用直接电流 控制，在研究p w m 逆变器时提出的电流控制技术基本上都能应用于p w m 整流器 中。直接电流控制的p w m 整流器的控制器都是采用双闭环结构。外环为电压环， 通过控制交流侧输入电流的大小控制直流侧母线电压。内环为电流环，控制交流 侧电流跟随其指令值。电流控制器比较实际电流瞬时值与指令值，产生能使电流 跟踪误差减小的开关信号，因此它具有减小跟踪误差作用，能够获得较高品质的 电流响应【3 。常见的控制方法有固定开关频率p w m 电流控铝l j ( c u r r e n tc o n t r o l w i t hf i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c y - 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