基于双PWM变换器的能馈型交流电子负载研究

王洪希+鲁长贺+田伟

摘 要： 为了替代传统负载和能耗型电子负载，研究一种基于双PWM变换器的能量回馈型交流电子负载。主电路采用双PWM变换器构成背靠背系统的拓扑结构，负载模拟变换器采用滞环的电流单闭环控制策略，并网变换器采用直流电压外环和电网侧交流电流内环的双环闭控制策略。通过Matlab/Simulink仿真试验，证明了该方案可以实现对负载模拟侧电流精确控制，模拟所需负载特性的功能，同时将测试电能回馈电网，并网逆变侧功率因数接近于1。仿真结果表明该方案可行且有效。

关键词： 双PWM变换器； 负载特性模拟； 能量回馈； 交流电子负载； 滞环控制； 双环控制

中图分类号： TN146+.5?34； TM464 文献标识码： A 文章编号： 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

各种交流电源装置在出厂时都需要进行严格的老化实验和相关的动态、稳态带载实验[1]，以检验其电气性能和质量。当今常运用的测试手段主要有传统负载放电测试和能耗型交流电子负载测试，但传统负载存在“负载存在调节不便、调节精度不高、能耗大、发热量大、稳定性差”等的问题，能耗型交流电子负载仍存在“能耗大”的不足。本文研究一种基于双PWM变換器的能量回馈型三相交流电子负载，它不仅能准确控制被试电源放电电流，模拟不同数值的电阻、电感、电容的组合，而且将所测试的电源释放的能量回馈到电网中，具有通用性强、精度高、节能、稳定性好等优点，是一种具有广阔应用前景的测试实验设备。

1 能馈型交流电子负载的主电路拓扑

本文采用双PWM变换器构成背靠背系统的主电路拓扑如图1 所示，三相能馈型交流电子负载主要由模拟负载变换器与并网变换器构成，其基本结构都是一个三相电压型PWM整流器（VSR），VSR具有网侧功率因数高、网侧电流正弦化、能量可双向流动、直流侧电压可控和动态响应快等优点[2]。

负载模拟器包括开关管VT1～VT6构成的三相电压型PWM整流桥、滤波电抗器和交流侧等效电阻该部分控制其输入电流准确、快速地跟踪由负载指令算法计算出来的电流指令，从而灵活模拟各种负载特性；并网逆变器是由开关管VT1′～VT6′构成的三相电压型PWM逆变桥、滤波电抗器和交流侧等效电阻组成，该部分主要功能一方面是将模拟负载变换器吸收的有功高效、快速地回馈电网以维持直流母线电压的恒定，另一方面使电网交流侧电流接近正弦[3]，功率因数接近-1，而且可补偿被试电源产生的部分无功及谐波；中间电容器是电能存储单元；变压器用于输出电路的电气隔离。

2 系统的控制方案

2.1 负载模拟变换器的控制策略

直接电流控制技术中的滞环电流控制算法具有快速的电流响应和限幅能力[4]，而且由于被试电源不允许能量倒灌，故负载模拟器采用滞环电流单闭环控制策略，控制被测试电源输出电流的幅值和相位，实现被测试电源功率因数可调，达到需要模拟的负载特性要求。负载特性模拟部分控制的目标是控制放电电流为设定所需值[4]，保证与被测试电源输出电压具有某种幅值和相位关系。负载特性模拟部分的控制策略框图如图2所示，其核心部分是（或，）的给定电流的产生环节，其中表示负载特性模拟部分的给定信号，此信号产生以后与采样的电流信号（或，）作差，得到误差信号，把输入比例控制的电流调节器再送入滞环比较单元，产生负载特性模拟部分6个功率开关管VT1～VT6的驱动信号，闭环调节后使被测电源输出电流（或，）始终精确跟踪，以实现模拟不同性质的负载。endprint

2.2 并网变换器（能量回馈部分）的控制策略

当负载特性设定后，被试电源输出的有功功率就确定了，通过调节馈网电流的大小来实现电子负载输入、输出功率平衡。此平衡情况可通过直流侧电压的变化来反映，而馈网电流的调节方向可以根据电压变化的情况来控制，以保证电子负载两侧功率平衡[2]。

具体控制策略如图3所示，系统采用电压电流双环闭控制，外环采用直流电压作为控制量，而内环则采用电网侧交流电流作为控制量。系统首先将直流电压给定与实际母线电压进行比较运算得到误差信号，将获得的误差信号送至直流电压PI调节器进行调节，调节后得到的输出即为输入电流值的幅值，将其与电网同频同相正弦波做相乘运算便可得到输入电流给定信号，将得到的给定信号和实际输入电流值，，进行比较，经电流调节器送入滞环比较单元，将滞环输出信号用于并网变换器的六个开关管VT1′～VT6′的驱动信号，以实现电流单位功率因数回馈电网，且输出电流的频率与相位须与电网一致。

3 仿真研究

利用Matlab/Simulink工具箱[4]，搭建基于双PWM变换器的能馈型交流电子负载系统仿真模型，通过设置负载模拟器中的电流指令，模拟了不同值电阻、电感、电容的组合负载特性。在纯阻负载、阻感负载（电流相位滞后电压）及阻容负载（电流相位超前电压）时测试电源输出电压和电流仿真波形如图4～图6所示。

将电流波形放大10倍，从图4～图6可看出，其能快速、精确地模拟设定的负载特性。

图7为模拟阻感时并网逆变侧电流电压波形，图8为模拟阻感时并网逆变侧电流波形FFT分析，从图7和图8可看出，并网电流是与电网电压同频同相，并网侧功率因数为-1，达到功率因数要求，且并网电流谐波总含量（THD）为1.17%，完全足满并网THD标准的要求。

4 结 语

针对传统负载和能耗型电子负载的不足，本文研究一种基于双PWM变换器的能馈型交流电子负载。在给出能馈型交流电子负载拓扑结构的基础上，确定了模拟负载变换器及并网变换器部分的控制方案。负载模拟变换器采用带有滞环电流单闭环控制策略，控制被测电源输出电流的相位和幅值，以准确模拟负载特性；并网变换器采用直流电压外环和电网侧交流电流内环的双环闭控制策略，以实现网侧单位功率因数以及电流波形正弦化。通过应用 Matlab软件进行仿真验证，该能馈型交流电子负载既能准确模拟电阻、电感、电容的组合所需要负载特性，又能将电能无污染的回馈电网，随着电源测试集成化、一体化的发展趋势，在新能源利用和能源短缺的今天，其是一种具有广阔应用前景的测试实验设备。

注：本文通讯作者为鲁长贺。

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