一种回馈式电源负载设计

孙前双，邱玉家

（扬州通信设备有限公司，江苏扬州，225009）

0 引言

目前市场上有一些能量回馈负载产品，开始逐步代替传统的检测负载各种功能的电源出厂试验，例如老化试验、突加载、突断载试验、输出精度特性试验等等，有些产品也已经达到了比较好的性能。但是由于电源产品种类繁多，并且功能不同，存在着有很多问题，急需改进和开发，例如很多回馈负载依然属于能耗型负载，未达到环保节约的目的，并且还有一些回馈负载功能模式简单，不能满足实际电源特殊的测试需要[1～2]。

故本论文研发了一种智能回馈负载，在满足通用电源的测试的前提下，针对电源的特殊性，设计了适用于电源的智能回馈负载，满足输入/输出电压范围、精度、并网质量、控制模式等需求。

1 系统总体分析

回馈式负载由两级电路组成，如图1 所示。

图1 系统总图

系统由前级电压升压部分和后级逆变部分组成。其能量流动方向为被测直流负载向电网方向流动。

2 系统各部分组成

首先对直流升压电路进行分析，如图2 所示。电路具有两个功能，根据负载的要求的不同需要实现三种控制模式以及模式之间的切换；作为前级结构，对负载的电压进行升压，为后级实现并网做能量储备。

图2 系统前级升压电路总图

根据控制模式的需求参考量为指令电流、指令功率，以及指令电压，通过选择控制模块对三种模式进行切换控制，产生相应的占空比，达到跟随指令的目的。

为了进一步阐述模式切换的控制，如图3 所示为选择控制模块的结构图。其原理为：根据模式的选择，进行内部自动切换，根据输入端的不同计算出相应的指令进而对指令进行载波，通过滞环比较器得到PWM 波，对开关管进行控制获得跟随指令的作用。

图3 选择控制模块内部控制原理

直流升压原理在前文中已有阐述，同时相对应的电路参数上位已给出，并通过仿真进行了论证。前级升压与后级逆变的连接点在直流母线，因此直流升压与后续直流母线有着至关重要的联系。前级的输出对应着后级逆变的输入，为了能够逆变成功，需要把母线电压稳定在高于电网幅值的数值，依靠前级电路的MOS2 管以及后级的电流来控制。

后级电路逆变整体结构如图4 所示。前级与后级连接通过Ud 进行，负载通过升压电路把能量汇集到直流母线上，逆变器通过直流母线回馈到电网侧，能量的汇集与并网的能量需要达到一种动态平衡，对于母线的稳定起着至关重要的作用[3～5]。

图4 系统后级电路总图

3 系统仿真验证

图5 为整个系统的仿真图，直流升压模块被封装成Subsystems1 中的子模块中，仅留出两个输出端子与后级逆变器进行连接，通过仿真软件自带的示波器进行并网电压电流波形的显示，同时通过仿真软件的分析工具，对其有功功率、无功功率、功率因数以及点电流畸变率进行分析。

图5 系统Simulink 仿真分析总图

图6 是对Subsystems1 内部结构的展开图。被测电源用三相不控整流代替；在进行仿真时，MOS2 管除了需要根据直流母线电压进行控制外，还需要考虑到占空比不能比MOS1 管的占空比大，所以添加了一个乘法器进行控制。对于负载不同模式的控制通过CONTROL Subsystems 进行实现，模块进行了封装，预留出该模块的输入输出[6]，其内部结构如图7 所示。

图6 子模块中电容储能型Cuk 电路图

图7 CONTROL Subsystems 模块中的控制结构

图7 是整个系统的仿真搭建结构拓扑图，下面进行仿真，并对仿真结果进行分析，以恒流模式为例。

仿真基本参数：仿真的时长：0.5s；算法：离散、ode23t；仿真步长：默认；控制周期：5e-8s；参考电流 ：38A。

图8 中，第一个波形为被测电源的电压输出波形，第二张波形为直流母线的电压波形图，第三张图为电流波形图。可以从图中得出，被测电源的电压波动较大，但是输出电流非常稳定，符合系统的设计要求。不足的地方是，直流母线在启动阶段有4%左右的波动，同时动态时间较长。电流动态响应时间较长，但基本能够满足系统的设计要求。

图8 前级电路输入电压、电流、输出电压波形

图9 中，波形为输入电流，由于采用滞环电流控制方法，输出波形为锯齿状，锯齿幅度为滞环宽度，从图中得出，输入电流稳定在38.2A 左右，误差符合设计要求，能够实现恒流控制模式。

图9 输入电流波形细节

图10 为并网电流与电网电压的波形，在系统进入稳态阶段后，电流呈现正弦波，并且与电网电压同相位、同频率，由此可以得出并网功率的无功功率较小，功率因数较高，同时电流谐波较小，实现了较高的并网电能质量。

图10 输入电网的电流与电网电压波形

图11 为单独的并网电流，从图中看出在0.075s 时出现了电流波动较大的现象，因为在此时直流母线出现了较大的波动导致并网电流的波动，在0.075 时，母线电压降低导致并网失败，电网功率进行的倒送现象。当直流母线稳定时，并网电流的波形呈现正弦波，并且幅值随着母线电压进行波动，最后趋于稳定状态[7]。

图11 并网电流波形

通过仿真软件自带的分析工具对波形进行分析，得出，并网电流的无功功率一直处于较低的水平，功率因数接近于1；电流总谐波在0.01 范围内，此参数可以通过改变滞环宽度来进行调节[8～9]。通过采用Powergui 中的FFT 分析，得到结果如图12 所示。

图12 输出波形的频谱分析

通过FFT 分析可得出波形的频谱，从频谱中得出基波占据绝大多数份额，其余频率集中在开关频率附近，可以通过特定滤波器进行滤除。

改变CONTROL Subsystems 模块中的CONTROL 的设置，可切换成恒功率模式进行验证。恒功率模式为输出功率为恒定值，因计算较为复杂，数据量较大，所以本仿真时间较小，但依旧能够真实反映控制规律及控制效果，仿真波形如图13 所示。

图13 恒功率模式下被试电源输出电压、电流、功率

图13 中，第一个波形为被测电源的电压输出波形，第二张波形为直流母线的电压波形图，第三张图为输出功率波形图。通过波形可以看出电压和电流的趋势相反，因输出功率为电流与电压的成绩，故以此来控制功率的恒定输出。

图14 的波形为输出功率，因滞环控制的作用使得输出波形为锯齿状，宽度范围为滞环控制宽度。由图可得输出功率波形基本稳定，符合系统控制要求，满足系统误差。

图14 电源输出功率细节波形

图15 波形为并网电流与电网电压波形，从图中可知并网电流与电网电压的相位与频率保持着严格的同步，保证了并网质量。具体并网电流如图16 所示。

图15 并网电压电流波形

图16 并网电流波形

从图16 中看出并网电流呈现非常标准的正弦波，通过仿真软件自带的分析工具可得出功率因数以及电网谐波均满足并网要求。

图17 的波形为并网的功率波形，可得出并网的功率约为1000W，效率较低，并且波动较大，但未产生震荡。最终被测电源的功率输送到了电网中，完成了本系统功率回馈的功能。

图17 输送到电网的功率波形

综合上述分析，通过仿真对系统的设计进行了验证，并且从仿真波形以及效果得出本设计基本能够满足回馈功能，并且能够切换三种控制模式，满足各项指标的基本要求[10～11]。

4 结论

本文针对电源的测试进行设计，回馈负载具有三种控制模式。分为前级升压模块，后级逆变模块，通过分析各个模块的主要拓扑电路结构，以及主流的控制思想分别对各个模块进行理论分析与仿真验证。

根据电源的特性对前级控制模式的确定，以及控制算法的确定，并完成拓扑结构以及控制算法进行了仿真分析。确定了后级逆变模块的拓扑结构，并选取了全桥逆变电路，以及附属电路，主要包括隔离变压器、滤波器等，并确定了控制算法。通过仿真验证了所选取的主控电路以及器件参数的正确性。

最后对两个模块进行连接作为一个整体进行验证仿真，同时通过波形来对并网电压、电流、功率进行具体地分析，最终结论能够实现设计的基本指标。