基于物理模型的直流用电网电流负载模拟方法

王德璋

（新疆轻工职业技术学院，新疆乌鲁木齐 830021）

对直流电网进行更深入的研究，需要一个综合负载，这使得对直流电网的测试更加方便和精确[1]。所以，在直流电网的研究中应用模拟负载，不仅可以满足直流电网的测试要求，而且可以将测试需要的能量回馈给直流电网。因此，对直流电网电流负载仿真的研究具有很强的现实意义和实用价值[2]。针对传统测试方法存在的诸多不足，国内外学者一直在努力研究更好的功率测试设备，主要是针对负载的柔性调节和测试功率的反馈[3]。为了克服上述实验设备的不足，研制了模拟电子负载的电力电子器件。以往采用传统的线性负载模拟法和耗能电流负载模拟法，用电力电子器件构成馈能电源实验平台，在直流电网实验中用控制方法模拟电流负载[4]。在直流电网设备上建立模拟电子负载实验平台，在测试过程中，不能通过功率反馈单元将大量的能量反馈给电网，从而消耗大量的能量。基于物理模型，提出了一种直流电网电流负载仿真的新方法。所建物理模型能满足仿真条件，适应实际负载，达到精确仿真的目的。

1 直流用电网电流负载拓扑结构分析

1.1 用工频变压器隔离负载拓扑结构

负载模拟装置跟随一个升压转换器，控制输入电流，进行负载模拟，并提供相应的母线电压供后续阶段使用[5]。后级采用全桥逆变器，使前级输出电流变为正弦交流电，为防止直流并网时其他电流元件进入并网对周围设备产生干扰，变频器与电网隔离[6]。

1.2 隔离负载拓扑与高频转换器

因为高频变压器能在高频率条件下工作，所以在相同功率下，高频变压器比工频变压器体积小得多[7]。采用直流/直流高频变流器实现直流电子负载仿真功能，并通过全桥并网实现能量反馈和交流并网。用高频DC/DC 变换器对电网进行隔离，消除了工频变压器，极大地缩小了大功率电子负载设备的体积[8]。

1.3 负载拓扑和负载模拟转换器

前级采用移相全桥DC/DC 变换器作为模拟电子负载转换器，后级采用单相全桥DC/AC 变换器作为直流并网转换器[9]。

2 基于物理模型的负载模拟控制方法研究

负载模拟部分的控制系统主要通过控制被测直流用电网的输出电流和输出电压来精确显示需要测试的各种负载特性，为了解决这一控制难题，研究了在负载模拟部分生成命令值的方法，以及跟踪命令值控制策略的动态性能和精度。

2.1 参考值生成

用模拟负荷代替直流电网所需的负载，要对直流电网进行精确的测试，就必须对负载进行高精度的仿真，在这些参数中，模拟负载参考值的生成方法至关重要[10]。不但要准确地产生模拟负载的参考值，而且要保证整个直流网络的动态特性。采用数值计算的参考值生成法生成直流电网电流负载的参考值，不仅满足参考值生成的精度，而且具有良好的动态特性，而且原理简单[11]。

三相全桥电压型PWM 负载模拟变换器可设计其中一相的控制结构，其他阶段的控制结构与之相同，图1 显示了其中一个阶段的控制结构。

图1 负载模拟变换器控制框图

在测试系统中，由于输出电流的幅值和相位仅取决于模拟负载特性参数，而与其他参数无关，所以采用了单电流环控制策略。

在测试系统中产生输出电流的方法是根据模拟负载的特性而改变的[12]。在对线性负载特性进行模拟时，采用数值计算方法产生参考值，系统输出电流可表示为：

式（1）中，A表示振幅；t表示周期；ω表示函数在Y轴方向上的压缩程度；θ表示初相位[13]。

将输出电压作为基准向量，计算各相所需的模拟负载阻抗：

式（2）中，R表示电阻；j表示电阻率；L表示线圈；C表示电容。

由此可推导出电流参考值振幅和相位计算公式：

式（3）中，Umax表示最大输出电压值。对逆变器输出电流参考值生成过程进行非线性负载特性仿真，利用物理模型进行实时计算，或者用傅里叶分析方法得到所需的波形，得到每个子波形的参数，然后将其叠加，得到参考值[14-16]。图2 中显示了基于该物理模型的直流电网电流负载电路。

图2 直流用电网电流负载电路

为方便研究，参考非线性负载模拟模型，直接生成非线性负载命令信号。

2.2 电流电压波动影响直流用电网质量原因

中间直流电压控制方法采用一台电压调节器，以保证输入电流与输出电流在中间直流环节中相等，达到有功功率平衡，维持直流侧电压均值不变。在模拟非线性负载时，采用调压方法可保证有功功率平衡和直流侧电压恒定，但由于前、后两级有功功率平衡系统馈线电流失真，因此不能满足电网连接的质量要求。在模拟负载稳定运行下，通过调压器，中间直流链路电压保持恒定均值，但不能消除两电容电压VC1 和VC2 的波动。要抑制中间直流链路的电压稳定性对馈线网电流的影响是不可能的。电容器的电压波动可通过增加直流侧电容和增加滤波器来抑制，但不能完全消除直流侧电压波动的影响。这就需要改进整个双闭环控制，使变换器对直流中间电压波动不敏感，并能正常工作，保证电流质量。

直流侧电压V1与变换器桥路增益k的关系式为：

式（4）中，V2表示三角载波峰值，在变换器调制过程中，可将变换器视为一个比例环节，从中可看出电压波动变化。

2.3 直流用电网电流负载模拟结构

相对于其他拓扑结构，该系统整体拓扑对负载模拟转换器有更好的控制灵活性，便于模拟不平衡负载，采用较低的中间直流电压，有效地降低了开关管的成本。为避免电馈模拟负载直接连接配电网络与直流电网，给设备和人员带来安全隐患，在输入输出端增设了变压器隔离。图3 显示了直流电网电流负载模拟结构。

图3 直流用电网电流负载模拟结构

DC 网电流负载是专用于测试通讯电源、蓄电池等直流电源的DC 网电流负载。一般情况下，直流电网电流负载直接采用逆变方式将直流电源的电能回馈给直流电网电流负载仿真。其等压波形变化也会产生不同形式的电流。

3 模拟实验

为了验证基于物理模型的直流用电网电流负载模拟方法的合理性，进行模拟实验验证分析。

3.1 模拟实验参数

电路各个部分参数如表1 所示。

表1 电路各个部分参数

3.2 模拟负载仿真

在进行模拟负载仿真时，负载特性的电压、电流仿真波形如图4 所示。

图4 负载特性的电压、电流仿真波形

在0～0.45 s 内，模拟电路中只存在纯电阻负载情况，设定电阻值为30 Ω。电流值在时间为0.025 s、0.125 s、0.225 s 时，电流波形达到峰值状态，最高为9 A；而电压分别在时间为0.025 s、0.125 s、0.225 s、0.325 s、0.425 s 时，电压波形达到峰值状态，最高为350 V。从电压、电流波动幅度可看出，基于物理模型的直流用电网动态性能良好。

直流用电网有功和无功功率输出结果如图5所示。

图5 直流用电网有功和无功功率输出结果

从波形图中可看出，在时间为0.15～0.30 s 内发生突变，出现误差毛刺，但其余时间误差均在允许范围内，这也体现了基于物理模型直流用电网动态性能良好。

基于此，分别使用传统的带线性负载模拟方法和耗能型电流负载模拟方法和基于物理模型模拟方法，研究在时间为0.15～0.30 s 内直流用电网有功和无功功率输出结果，如表2 所示。

表2 不同方法下直流用电网有功和无功功率输出结果对比分析

由表2 可知，基于物理模型模拟方法与实际负载特性的电压、电流仿真结果基本一致，而其余两种方法与实际情况相差较大。由此可知，基于物理模型模拟方法模拟效果较好。

4 结束语

对基于物理模型的直流电网电流负载仿真方法进行了研究，它既能对各种负载特性进行仿真，又能满足直流电网的试验要求，还能对直流电网进行电流负载仿真，实验所需能量可回馈至直流电网，实现能量再生。尽管该方法基本上达到了预期的目的，但仍有很多变流器控制理论和控制方法是第一次尝试，与此同时，由于大功率逆变器的控制和设计缺乏经验，不可避免地存在着一些缺陷：模拟负载的变化和复杂性决定了电子负载的控制算法。如马达负载、焊机负载等，这类负载的运行往往十分复杂，难以找出运行规律，所以，通过计算电流值来提高跟踪能力是非常困难的。对复杂负载情况下指令电流的计算与跟踪是今后的研究方向，为简化电子负载系统，可提供丰富多样的人机界面，方便操作者使用。