基于雙PWM變換器的能饋型交流電子負載研究

王洪希+魯長賀+田偉

摘 要： 為了替代傳統負載和能耗型電子負載，研究一種基于雙PWM變換器的能量回饋型交流電子負載。主電路采用雙PWM變換器構成背靠背系統的拓撲結構，負載模擬變換器采用滯環的電流單閉環控制策略，并網變換器采用直流電壓外環和電網側交流電流內環的雙環閉控制策略。通過Matlab/Simulink仿真試驗，證明了該方案可以實現對負載模擬側電流精確控制，模擬所需負載特性的功能，同時將測試電能回饋電網，并網逆變側功率因數接近于1。仿真結果表明該方案可行且有效。

關鍵詞： 雙PWM變換器； 負載特性模擬； 能量回饋； 交流電子負載； 滯環控制； 雙環控制

中圖分類號： TN146+.5?34； TM464 文獻標識碼： 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行嚴格的老化實驗和相關的動態、穩態帶載實驗[1]，以檢驗其電氣性能和質量。當今常運用的測試手段主要有傳統負載放電測試和能耗型交流電子負載測試，但傳統負載存在“負載存在調節不便、調節精度不高、能耗大、發熱量大、穩定性差”等的問題，能耗型交流電子負載仍存在“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載，它不僅能準確控制被試電源放電電流，模擬不同數值的電阻、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中，具有通用性強、精度高、節能、穩定性好等優點，是一種具有廣闊應用前景的測試實驗設備。

1 能饋型交流電子負載的主電路拓撲

本文采用雙PWM變換器構成背靠背系統的主電路拓撲如圖1 所示，三相能饋型交流電子負載主要由模擬負載變換器與并網變換器構成，其基本結構都是一個三相電壓型PWM整流器（VSR），VSR具有網側功率因數高、網側電流正弦化、能量可雙向流動、直流側電壓可控和動態響應快等優點[2]。

負載模擬器包括開關管VT1～VT6構成的三相電壓型PWM整流橋、濾波電抗器和交流側等效電阻該部分控制其輸入電流準確、快速地跟蹤由負載指令算法計算出來的電流指令，從而靈活模擬各種負載特性；并網逆變器是由開關管VT1′～VT6′構成的三相電壓型PWM逆變橋、濾波電抗器和交流側等效電阻組成，該部分主要功能一方面是將模擬負載變換器吸收的有功高效、快速地回饋電網以維持直流母線電壓的恒定，另一方面使電網交流側電流接近正弦[3]，功率因數接近-1，而且可補償被試電源產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 系統的控制方案

2.1 負載模擬變換器的控制策略

直接電流控制技術中的滯環電流控制算法具有快速的電流響應和限幅能力[4]，而且由于被試電源不允許能量倒灌，故負載模擬器采用滯環電流單閉環控制策略，控制被測試電源輸出電流的幅值和相位，實現被測試電源功率因數可調，達到需要模擬的負載特性要求。負載特性模擬部分控制的目標是控制放電電流為設定所需值[4]，保證與被測試電源輸出電壓具有某種幅值和相位關系。負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，）的給定電流的產生環節，其中表示負載特性模擬部分的給定信號，此信號產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節器再送入滯環比較單元，產生負載特性模擬部分6個功率開關管VT1～VT6的驅動信號，閉環調節后使被測電源輸出電流（或，）始終精確跟蹤，以實現模擬不同性質的負載。endprint

2.2 并網變換器（能量回饋部分）的控制策略

當負載特性設定后，被試電源輸出的有功功率就確定了，通過調節饋網電流的大小來實現電子負載輸入、輸出功率平衡。此平衡情況可通過直流側電壓的變化來反映，而饋網電流的調節方向可以根據電壓變化的情況來控制，以保證電子負載兩側功率平衡[2]。

具體控制策略如圖3所示，系統采用電壓電流雙環閉控制，外環采用直流電壓作為控制量，而內環則采用電網側交流電流作為控制量。系統首先將直流電壓給定與實際母線電壓進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調節器進行調節，調節后得到的輸出即為輸入電流值的幅值，將其與電網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，，進行比較，經電流調節器送入滯環比較單元，將滯環輸出信號用于并網變換器的六個開關管VT1′～VT6′的驅動信號，以實現電流單位功率因數回饋電網，且輸出電流的頻率與相位須與電網一致。

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載系統仿真模型，通過設置負載模擬器中的電流指令，模擬了不同值電阻、電感、電容的組合負載特性。在純阻負載、阻感負載（電流相位滯后電壓）及阻容負載（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、精確地模擬設定的負載特性。

圖7為模擬阻感時并網逆變側電流電壓波形，圖8為模擬阻感時并網逆變側電流波形FFT分析，從圖7和圖8可看出，并網電流是與電網電壓同頻同相，并網側功率因數為-1，達到功率因數要求，且并網電流諧波總含量（THD）為1.17%，完全足滿并網THD標準的要求。

4 結 語

針對傳統負載和能耗型電子負載的不足，本文研究一種基于雙PWM變換器的能饋型交流電子負載。在給出能饋型交流電子負載拓撲結構的基礎上，確定了模擬負載變換器及并網變換器部分的控制方案。負載模擬變換器采用帶有滯環電流單閉環控制策略，控制被測電源輸出電流的相位和幅值，以準確模擬負載特性；并網變換器采用直流電壓外環和電網側交流電流內環的雙環閉控制策略，以實現網側單位功率因數以及電流波形正弦化。通過應用 Matlab軟件進行仿真驗證，該能饋型交流電子負載既能準確模擬電阻、電感、電容的組合所需要負載特性，又能將電能無污染的回饋電網，隨著電源測試集成化、一體化的發展趨勢，在新能源利用和能源短缺的今天，其是一種具有廣闊應用前景的測試實驗設備。

注：本文通訊作者為魯長賀。

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