模塊化能饋型直流模擬負(fù)載單元設(shè)計(jì)

薛家祥，羅海松，賀天鵬

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.貴州民族大學(xué)工程訓(xùn)練中心，貴州 貴陽(yáng) 550025)

模塊化能饋型直流模擬負(fù)載單元設(shè)計(jì)

薛家祥1，羅海松1，賀天鵬2

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.貴州民族大學(xué)工程訓(xùn)練中心，貴州 貴陽(yáng) 550025)

針對(duì)能量回饋電網(wǎng)型（能饋型)直流負(fù)載多樣化的負(fù)載測(cè)試需求，提出基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost的模擬負(fù)載單元模塊化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)電流均值跟蹤和電流峰值保護(hù)兩者兼?zhèn)涞男盘?hào)調(diào)理電路，研究基于逐個(gè)周期電流峰值限制的負(fù)載模擬雙環(huán)控制策略。通過(guò)建立單個(gè)模擬負(fù)載模塊電流控制的小信號(hào)模型，得到模擬負(fù)載模塊輸入電流的傳遞函數(shù)，并基于小信號(hào)模型設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，改善模擬負(fù)載模塊的性能。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：模擬負(fù)載模塊在啟動(dòng)后12ms即可進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，并且能在0.21μs內(nèi)完成過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，恒流模式下負(fù)載模擬相對(duì)誤差絕對(duì)值為3.602%。與目前市場(chǎng)產(chǎn)品相比，該方案動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，精度高，更加穩(wěn)定安全。

能量回饋；負(fù)載模擬；控制策略；小信號(hào)模型

0 引 言

能饋型電子負(fù)載已經(jīng)成為開(kāi)關(guān)電源、儲(chǔ)能電池、不間斷電源（UPS)、新能源汽車動(dòng)力電池出廠前老化試驗(yàn)提高能源利用率，節(jié)省試驗(yàn)成本的重要途徑之一。近年來(lái)，能饋型直流電子負(fù)載以其功率密度高，滿足多樣化的負(fù)載測(cè)試需求等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)能饋型直流電子負(fù)載的研究主要集中在高升壓比負(fù)載模擬拓?fù)鋄2-3]、并網(wǎng)逆變拓?fù)鋄4]、負(fù)載模擬控制算法[5]及逆變控制算法[6]等方面。

目前，負(fù)載模擬控制算法大多采用數(shù)字控制，存在控制延時(shí)、無(wú)法迅速完成系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作等問(wèn)題。鑒于模塊化模擬負(fù)載單元具有提高功率上限，滿足多個(gè)電源測(cè)試需求的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost的模塊化模擬負(fù)載單元硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了基于逐個(gè)周期電流峰值限制的數(shù)字外環(huán)、模擬內(nèi)環(huán)的負(fù)載模擬控制策略，通過(guò)軟件仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析了該方案的穩(wěn)定性、安全性與精度。

1 能饋型直流電子負(fù)載總體結(jié)構(gòu)

能饋型直流電子負(fù)載的硬件系統(tǒng)包括主電路、控制電路、輔助電源3部分，其控制策略與算法由軟件系統(tǒng)架構(gòu)、負(fù)載模擬控制策略、功率平衡控制策略、逆變控制算法4部分組成。

本文所設(shè)計(jì)的模塊化模擬負(fù)載單元適用于直流被測(cè)設(shè)備，其輸入電壓范圍為20～50 V，因此設(shè)計(jì)了如圖1所示的能饋型直流電子負(fù)載硬件系統(tǒng)。其中主電路包括基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost的模塊化模擬負(fù)載單元、雙推挽升壓電路、全橋逆變電路。為了達(dá)到更高的升壓比，適應(yīng)更寬的被測(cè)電壓范圍，采用Boost+雙推挽兩級(jí)拓?fù)浞桨浮Ｔ诒粶y(cè)設(shè)備的放電試驗(yàn)中，通過(guò)Boost電路完成負(fù)載模擬和初步升壓功能，然后通過(guò)雙推挽電路將逆變直流側(cè)母線電壓升壓至400V，再經(jīng)過(guò)全橋逆變電路將能量回饋至公共電網(wǎng)。

控制電路中的傳感器與信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)主電路的選定檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果經(jīng)過(guò)TI的TMS320F28035芯片運(yùn)算后輸出對(duì)應(yīng)的控制指令，通過(guò)模擬負(fù)載控制模塊、雙推挽升壓控制模塊、全橋逆變控制模塊作用于對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象，完成指定動(dòng)作。輔助電源電路選用基于UCC28610的準(zhǔn)諧振反激電路，輸出多路隔離的12，5，3.3V電壓，為控制電路中的各個(gè)模塊供電。

控制策略與算法中選用基于逐個(gè)周期電流峰值限制的數(shù)字外環(huán)、模擬內(nèi)環(huán)的負(fù)載模擬控制策略；功率平衡控制策略作用于雙推挽電路和全橋逆變電路，可以平衡主電路前后級(jí)的能量；逆變控制算法采用基于預(yù)測(cè)算法的無(wú)差拍并網(wǎng)算法。

2 模擬負(fù)載單元設(shè)計(jì)

2.1 直流變換電路設(shè)計(jì)

模塊化能饋型直流電子負(fù)載主電路中的模擬負(fù)載單元和雙推挽升壓部分如圖2所示。其中模擬負(fù)載單元采用并聯(lián)輸入并聯(lián)輸出（input-parallel output-parallel，IPOP)連接方式，并且采用交錯(cuò)Boost控制方式減少Boost母線電流紋波，輸出并接至Boost母線電容Cb。雙推挽電路用并聯(lián)輸入串聯(lián)輸出（input-parallel output-series，IPOS)連接方式，實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電氣隔離和升壓轉(zhuǎn)換。逆變控制算法采用電壓源電流控制，逆變直流側(cè)母線電容CBUS可以儲(chǔ)存能量和緩沖無(wú)功功率，同時(shí)對(duì)直流變換與全橋逆變之間小信號(hào)進(jìn)行解耦。

圖3 Boost輸入電流信號(hào)調(diào)理電路

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

當(dāng)Boost工作在電流連續(xù)模式時(shí)，Boost輸入電流與電感電流波形同為鋸齒波，為了實(shí)現(xiàn)基于電流峰值限制、電流均值跟蹤的負(fù)載模擬控制策略，設(shè)計(jì)如圖3所示的Boost輸入電流信號(hào)調(diào)理電路。

Boost輸入電流經(jīng)高精密電流檢測(cè)電阻采樣后得到與之對(duì)應(yīng)的鋸齒波電壓信號(hào)從IS_IN端口輸入，經(jīng)過(guò)同相比例運(yùn)算放大后分別通過(guò)電壓跟隨器電路，再經(jīng)過(guò)R1C1、R2C2濾波后，分別得到輸入電流的鋸齒波實(shí)時(shí)值信號(hào)與平滑的平均值信號(hào)，分別從IS、ISAVE_ADC端口輸出。

通過(guò)PSIM對(duì)所設(shè)計(jì)的輸入電流信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行仿真。仿真設(shè)定Boost工作在電流連續(xù)模式，輸入電流平均值為10A，峰-峰值為10A，并為輸入電流信號(hào)疊加正態(tài)分布偽隨機(jī)噪聲，開(kāi)關(guān)管工作頻率為100kHz，仿真結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明輸入電流信號(hào)調(diào)理電路符合設(shè)計(jì)要求和具有抗干擾能力。

2.3 模擬負(fù)載控制模塊設(shè)計(jì)

圖4 電流信號(hào)調(diào)理仿真

圖1中的模擬負(fù)載控制模塊選用MC33152驅(qū)動(dòng)芯片，芯片內(nèi)置圖騰柱有助于增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。單塊MC33152芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)模擬負(fù)載模塊的Boost開(kāi)關(guān)管，由快恢復(fù)二極管和電阻組成的保護(hù)電路可以有效保護(hù)Boost開(kāi)關(guān)管和驅(qū)動(dòng)芯片。

3 模擬負(fù)載單元控制策略

3.1 控制對(duì)象歸一化

直流模擬負(fù)載模塊具有恒流、恒阻、恒功率3種負(fù)載模擬模式，對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象分別為輸入電流ISET、等效電阻RSET、輸入功率PSET，控制對(duì)象歸一化便于后期控制環(huán)路與算法的設(shè)計(jì)。電流控制模式不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，而且能夠?qū)崿F(xiàn)逐個(gè)周期電流峰值限制。因此控制對(duì)象歸一化的核心思想是將不同模式的控制轉(zhuǎn)換成對(duì)輸入電流的控制。通過(guò)式（1)運(yùn)算得到Boost輸入電流參考值Iin_ref，完成控制對(duì)象歸一化。

3.2 負(fù)載模擬雙環(huán)控制策略

所設(shè)計(jì)的能饋型直流模擬負(fù)載有系統(tǒng)自檢和正常工作兩個(gè)階段，在系統(tǒng)自檢階段需要穩(wěn)定Boost母線和逆變直流側(cè)母線的電壓才能通過(guò)系統(tǒng)軟硬件自檢，此時(shí)通過(guò)主控芯片的軟件算法進(jìn)行狀態(tài)切換，選用電壓環(huán)PI控制；而在正常工作階段需要對(duì)輸入電流進(jìn)行控制才能實(shí)現(xiàn)負(fù)載模擬功能，因此此時(shí)采用電流環(huán)PI控制。

數(shù)字控制精度高，控制策略靈活，既可以完成電壓環(huán)、電流環(huán)的切換，又可以實(shí)現(xiàn)多種模式的負(fù)載模擬，但是數(shù)字控制存在控制延時(shí)，出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓故障時(shí)無(wú)法迅速完成保護(hù)動(dòng)作。而模擬控制響應(yīng)快[7]，所以使用模擬控制環(huán)作為負(fù)載模擬輸入電壓、輸入電流的保護(hù)控制環(huán)，可以保障被測(cè)設(shè)備和能饋型直流模擬負(fù)載的運(yùn)行安全。

因此根據(jù)不同工作階段的控制任務(wù)需求與數(shù)字控制、模擬控制的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電壓環(huán)與電流環(huán)分時(shí)控制，數(shù)字外環(huán)、模擬內(nèi)環(huán)的負(fù)載模擬雙環(huán)控制策略，如圖5所示。

圖5 負(fù)載模擬雙環(huán)控制策略

3.3 模擬負(fù)載模塊小信號(hào)建模

假設(shè)模擬負(fù)載模塊正常工作時(shí)Boost電感電流連續(xù)，且二極管D1導(dǎo)通壓降可以忽略，其電路簡(jiǎn)圖及參數(shù)如圖6所示。

圖6 模擬負(fù)載模塊工作簡(jiǎn)圖

描述開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通、關(guān)斷階段電路的矩陣方程分別為

定義狀態(tài)變量的開(kāi)關(guān)周期平均值為

因?yàn)楦鱾€(gè)階段的狀態(tài)變量變化率可以近似為常數(shù)，可以求出在導(dǎo)通階段末與關(guān)斷階段末的狀態(tài)變量值，結(jié)合歐拉公式可得：

當(dāng)系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)為0，即可解得：

式中 D′=1-D，其中 IL、Uc、Uin、D 分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)，Boost電感電流、輸出電容電壓、輸入電壓、占空比的開(kāi)關(guān)周期平均值。

由于上述狀態(tài)空間平均方程式（6)為非線性方程，所以采用擾動(dòng)法對(duì)小信號(hào)模型進(jìn)行求解，對(duì)電感電流量、輸出電容電壓量、輸入電壓量、占空比均在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近作微小擾動(dòng)，即與穩(wěn)態(tài)的開(kāi)關(guān)周期平均值相比，擾動(dòng)后各參數(shù)的開(kāi)關(guān)周期平均值發(fā)生細(xì)微變化，具體如下：

忽略二階交流項(xiàng)可得：

可得Boost電感電流對(duì)占空比的傳遞函數(shù)：

因?yàn)閭鬟f函數(shù)的零點(diǎn)、極點(diǎn)均在S平面的左半平面，所以Boost采用電流控制是最小相位系統(tǒng)[8-9]。

同理可得Boost電感電流對(duì)輸入電壓、輸出電壓的傳遞函數(shù)：

綜上所述，基于小信號(hào)模型的模擬負(fù)載模塊控制框圖如圖7所示。

3.4 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

下面通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證上述結(jié)論的正確性，并且設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。假設(shè)所模擬的負(fù)載工況的輸入電壓為 30 V，Boost電感 L=104 μH，Boost開(kāi)關(guān)頻率fs=100kHz，Boost母線支撐電容 C=2200μF，Boost母線電壓為50 V，10 A恒流負(fù)載模擬模式，等效電阻R=8.3Ω。

圖7 基于小信號(hào)模型的模擬負(fù)載模塊控制框圖

由圖8可知，未串聯(lián)PI調(diào)節(jié)器時(shí)，其剪切頻率fc為76.5kHz。通過(guò)串聯(lián)PI調(diào)節(jié)器，PI參數(shù)Kp=0.135，Ki=0.001，系統(tǒng)的剪切頻率 fc=11.5kHz，約為 fs/10，且以-20dB/dec斜率穿越0dB線[10]。串聯(lián)PI調(diào)節(jié)器后系統(tǒng)具有更高的抗噪聲干擾能力，以及快速平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖8 模擬負(fù)載模塊Bode圖

假設(shè)輸入電壓存在±0.25V的波動(dòng)，通過(guò)Matlab仿真檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器的性能，仿真結(jié)果如圖9所示。負(fù)載模擬啟動(dòng)后12ms即可進(jìn)入恒流負(fù)載模擬模式，電感電流超調(diào)量為14.2%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 恒流負(fù)載模擬仿真

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 系統(tǒng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)本文方案，研制出一臺(tái)能饋型直流電子負(fù)載樣機(jī)。模擬負(fù)載模塊采用電流控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的電流峰值進(jìn)行限制。所設(shè)計(jì)的基于數(shù)字外環(huán)、模擬內(nèi)環(huán)的負(fù)載模擬控制策略使系統(tǒng)能夠迅速完成過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。過(guò)流保護(hù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，結(jié)果表明，該策略可實(shí)現(xiàn)逐個(gè)周期電流峰值保護(hù)控制，且過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間僅為0.21μs，所設(shè)計(jì)控制策略有效可行。

圖10 系統(tǒng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)

4.2 負(fù)載模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的負(fù)載模擬控制策略，恒流模式的精度間接反映所設(shè)計(jì)的模擬負(fù)載單元性能，因此設(shè)計(jì)恒流負(fù)載模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試模擬負(fù)載單元性能。被測(cè)設(shè)備輸出電壓分別為30，40V，對(duì)被測(cè)設(shè)備輸出電流進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的模擬負(fù)載單元性能滿足要求。

表1 恒流負(fù)載模擬實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了一款模塊化能量回饋型直流模擬負(fù)載單元，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字外環(huán)、模擬內(nèi)環(huán)的負(fù)載模擬控制策略。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模擬負(fù)載單元具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、負(fù)載模擬準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)逐個(gè)周期電流峰值保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作迅速。

[1]陳繼洋，廖冬初，蔡華鋒，等.機(jī)車電源測(cè)試用交流并網(wǎng)型直流電子負(fù)載的研究[J].電氣傳動(dòng)，2017（1)：67-72.

[2]PAHLEVANINEZHAD M， DAS P， DROBNIK J， et al.A novel ZVZCS full-bridge DC/DC converter used for electric vehicles[J].IEEETransactions on Power Electronics，2012，27（6)：2752-2769.

[3]胡義華，陳昊，徐瑞東，等.一種高升壓比直流變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012（9)：224-230.

[4]SOUSA C V D， REZENDE G M D， MATOS F F， et al.Regenerative active electronic load fortesting power transformers under linear and nonlinear conditions[J].Journal of Control Automation and Electrical Systems，2016，27（1)：1-13.

[5]吳振興，王翔，鄒旭東，等.一種三相電力電子負(fù)載的電流控制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010（30)：7-14.

[6]單任仲，肖湘寧，尹忠東，等.能量回饋型電力電子負(fù)載的控制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010（18)：62-66.

[7]TSANG K M，CHAN W L.Fast acting regenerative DC electronic load based on a SEPIC converter[J].Power Electronics IEEE Transactions on，2012，27（1)：269-275.

[8]周林，李懷花，張林強(qiáng)，等.光伏并網(wǎng)系統(tǒng)小信號(hào)動(dòng)態(tài)建模及控制參數(shù)靈敏度分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（5)：1-5.

[9]UPADHYAY S， MISHRA S， JOSHI A.A wide bandwidth electronic load[J].IEEE Transactions on Industrial，2012，59（2)：733-739.

[10]馮奕，林鶴云，房淑華，等.飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能量回饋的精確小信號(hào)建模及控制器設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015（2)：27-33.

Design of modular simulated load unit for energy-feedback type DC load

XUE Jiaxiang1， LUO Haisong1， HE Tianpeng2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Engineering Training Center，Guizhou Minzu University，Guiyang 550025，China)

In order to meet the various testing demands of energy feedback grid type DC electronic load，a modular design scheme of simulated load unit based on parallel boost was proposed，a signal conditioning circuit was designed to realize both mean current tracking and peak current protection，the load simulation double-loop control strategy based on the by-cycle peak current limit was studied.The transfer function of the input current in the simulated load module was obtained by establishing a current controlling small-signal model of the single simulated load module.The PI regulator was designed based on the small-signal model to improve the performance of the simulated load module.Simulated and experimentalresults indicated that simulated load module can enter a steady state after 12ms since the start and can accomplish overcurrentprotective action within 0.21 μs， the absolute relative errorof load simulation in constant current mode was 3.602%.Compared with the current commercial products，this design has a faster dynamic response， higher precision， and it is much more stable and safer.

energy feedback； load simulation； control strategy； small-signal model

A

1674-5124（2017）10-0086-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.017

2017-03-27；

2017-05-03

廣東省自然基金項(xiàng)目（S2013010015875，2015A030313675)；廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺(tái)環(huán)境建設(shè)專項(xiàng)資金（2016B090918067)；2015年?yáng)|莞市引進(jìn)第三批創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2017360004004)；廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)（201604010111)

薛家祥（1963-)，男，江蘇徐州市人，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)逆變器及其分布式發(fā)電系統(tǒng)、數(shù)字化開(kāi)關(guān)電源及智能控制、智能傳感技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控。

（編輯：徐柳）