基于物理模型的直流用電網電流負載模擬方法

王德璋

（新疆輕工職業技術學院，新疆烏魯木齊 830021）

對直流電網進行更深入的研究，需要一個綜合負載，這使得對直流電網的測試更加方便和精確[1]。所以，在直流電網的研究中應用模擬負載，不僅可以滿足直流電網的測試要求，而且可以將測試需要的能量回饋給直流電網。因此，對直流電網電流負載仿真的研究具有很強的現實意義和實用價值[2]。針對傳統測試方法存在的諸多不足，國內外學者一直在努力研究更好的功率測試設備，主要是針對負載的柔性調節和測試功率的反饋[3]。為了克服上述實驗設備的不足，研制了模擬電子負載的電力電子器件。以往采用傳統的線性負載模擬法和耗能電流負載模擬法，用電力電子器件構成饋能電源實驗平臺，在直流電網實驗中用控制方法模擬電流負載[4]。在直流電網設備上建立模擬電子負載實驗平臺，在測試過程中，不能通過功率反饋單元將大量的能量反饋給電網，從而消耗大量的能量。基于物理模型，提出了一種直流電網電流負載仿真的新方法。所建物理模型能滿足仿真條件，適應實際負載，達到精確仿真的目的。

1 直流用電網電流負載拓撲結構分析

1.1 用工頻變壓器隔離負載拓撲結構

負載模擬裝置跟隨一個升壓轉換器，控制輸入電流，進行負載模擬，并提供相應的母線電壓供后續階段使用[5]。后級采用全橋逆變器，使前級輸出電流變為正弦交流電，為防止直流并網時其他電流元件進入并網對周圍設備產生干擾，變頻器與電網隔離[6]。

1.2 隔離負載拓撲與高頻轉換器

因為高頻變壓器能在高頻率條件下工作，所以在相同功率下，高頻變壓器比工頻變壓器體積小得多[7]。采用直流/直流高頻變流器實現直流電子負載仿真功能，并通過全橋并網實現能量反饋和交流并網。用高頻DC/DC 變換器對電網進行隔離，消除了工頻變壓器，極大地縮小了大功率電子負載設備的體積[8]。

1.3 負載拓撲和負載模擬轉換器

前級采用移相全橋DC/DC 變換器作為模擬電子負載轉換器，后級采用單相全橋DC/AC 變換器作為直流并網轉換器[9]。

2 基于物理模型的負載模擬控制方法研究

負載模擬部分的控制系統主要通過控制被測直流用電網的輸出電流和輸出電壓來精確顯示需要測試的各種負載特性，為了解決這一控制難題，研究了在負載模擬部分生成命令值的方法，以及跟蹤命令值控制策略的動態性能和精度。

2.1 參考值生成

用模擬負荷代替直流電網所需的負載，要對直流電網進行精確的測試，就必須對負載進行高精度的仿真，在這些參數中，模擬負載參考值的生成方法至關重要[10]。不但要準確地產生模擬負載的參考值，而且要保證整個直流網絡的動態特性。采用數值計算的參考值生成法生成直流電網電流負載的參考值，不僅滿足參考值生成的精度，而且具有良好的動態特性，而且原理簡單[11]。

三相全橋電壓型PWM 負載模擬變換器可設計其中一相的控制結構，其他階段的控制結構與之相同，圖1 顯示了其中一個階段的控制結構。

圖1 負載模擬變換器控制框圖

在測試系統中，由于輸出電流的幅值和相位僅取決于模擬負載特性參數，而與其他參數無關，所以采用了單電流環控制策略。

在測試系統中產生輸出電流的方法是根據模擬負載的特性而改變的[12]。在對線性負載特性進行模擬時，采用數值計算方法產生參考值，系統輸出電流可表示為：

式（1）中，A表示振幅；t表示周期；ω表示函數在Y軸方向上的壓縮程度；θ表示初相位[13]。

將輸出電壓作為基準向量，計算各相所需的模擬負載阻抗：

式（2）中，R表示電阻；j表示電阻率；L表示線圈；C表示電容。

由此可推導出電流參考值振幅和相位計算公式：

式（3）中，Umax表示最大輸出電壓值。對逆變器輸出電流參考值生成過程進行非線性負載特性仿真，利用物理模型進行實時計算，或者用傅里葉分析方法得到所需的波形，得到每個子波形的參數，然后將其疊加，得到參考值[14-16]。圖2 中顯示了基于該物理模型的直流電網電流負載電路。

圖2 直流用電網電流負載電路

為方便研究，參考非線性負載模擬模型，直接生成非線性負載命令信號。

2.2 電流電壓波動影響直流用電網質量原因

中間直流電壓控制方法采用一臺電壓調節器，以保證輸入電流與輸出電流在中間直流環節中相等，達到有功功率平衡，維持直流側電壓均值不變。在模擬非線性負載時，采用調壓方法可保證有功功率平衡和直流側電壓恒定，但由于前、后兩級有功功率平衡系統饋線電流失真，因此不能滿足電網連接的質量要求。在模擬負載穩定運行下，通過調壓器，中間直流鏈路電壓保持恒定均值，但不能消除兩電容電壓VC1 和VC2 的波動。要抑制中間直流鏈路的電壓穩定性對饋線網電流的影響是不可能的。電容器的電壓波動可通過增加直流側電容和增加濾波器來抑制，但不能完全消除直流側電壓波動的影響。這就需要改進整個雙閉環控制，使變換器對直流中間電壓波動不敏感，并能正常工作，保證電流質量。

直流側電壓V1與變換器橋路增益k的關系式為：

式（4）中，V2表示三角載波峰值，在變換器調制過程中，可將變換器視為一個比例環節，從中可看出電壓波動變化。

2.3 直流用電網電流負載模擬結構

相對于其他拓撲結構，該系統整體拓撲對負載模擬轉換器有更好的控制靈活性，便于模擬不平衡負載，采用較低的中間直流電壓，有效地降低了開關管的成本。為避免電饋模擬負載直接連接配電網絡與直流電網，給設備和人員帶來安全隱患，在輸入輸出端增設了變壓器隔離。圖3 顯示了直流電網電流負載模擬結構。

圖3 直流用電網電流負載模擬結構

DC 網電流負載是專用于測試通訊電源、蓄電池等直流電源的DC 網電流負載。一般情況下，直流電網電流負載直接采用逆變方式將直流電源的電能回饋給直流電網電流負載仿真。其等壓波形變化也會產生不同形式的電流。

3 模擬實驗

為了驗證基于物理模型的直流用電網電流負載模擬方法的合理性，進行模擬實驗驗證分析。

3.1 模擬實驗參數

電路各個部分參數如表1 所示。

表1 電路各個部分參數

3.2 模擬負載仿真

在進行模擬負載仿真時，負載特性的電壓、電流仿真波形如圖4 所示。

圖4 負載特性的電壓、電流仿真波形

在0～0.45 s 內，模擬電路中只存在純電阻負載情況，設定電阻值為30 Ω。電流值在時間為0.025 s、0.125 s、0.225 s 時，電流波形達到峰值狀態，最高為9 A；而電壓分別在時間為0.025 s、0.125 s、0.225 s、0.325 s、0.425 s 時，電壓波形達到峰值狀態，最高為350 V。從電壓、電流波動幅度可看出，基于物理模型的直流用電網動態性能良好。

直流用電網有功和無功功率輸出結果如圖5所示。

圖5 直流用電網有功和無功功率輸出結果

從波形圖中可看出，在時間為0.15～0.30 s 內發生突變，出現誤差毛刺，但其余時間誤差均在允許范圍內，這也體現了基于物理模型直流用電網動態性能良好。

基于此，分別使用傳統的帶線性負載模擬方法和耗能型電流負載模擬方法和基于物理模型模擬方法，研究在時間為0.15～0.30 s 內直流用電網有功和無功功率輸出結果，如表2 所示。

表2 不同方法下直流用電網有功和無功功率輸出結果對比分析

由表2 可知，基于物理模型模擬方法與實際負載特性的電壓、電流仿真結果基本一致，而其余兩種方法與實際情況相差較大。由此可知，基于物理模型模擬方法模擬效果較好。

4 結束語

對基于物理模型的直流電網電流負載仿真方法進行了研究，它既能對各種負載特性進行仿真，又能滿足直流電網的試驗要求，還能對直流電網進行電流負載仿真，實驗所需能量可回饋至直流電網，實現能量再生。盡管該方法基本上達到了預期的目的，但仍有很多變流器控制理論和控制方法是第一次嘗試，與此同時，由于大功率逆變器的控制和設計缺乏經驗，不可避免地存在著一些缺陷：模擬負載的變化和復雜性決定了電子負載的控制算法。如馬達負載、焊機負載等，這類負載的運行往往十分復雜，難以找出運行規律，所以，通過計算電流值來提高跟蹤能力是非常困難的。對復雜負載情況下指令電流的計算與跟蹤是今后的研究方向，為簡化電子負載系統，可提供豐富多樣的人機界面，方便操作者使用。