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电力电子负载的设计与研究
摘要：为给大功率电力电子负载(PEL)工程化设计与应用提供经验,研究了一种结构简单的PEL用以进行电源出厂实验并给出了它用于直流电源和各种三相电源的测试控制方式和连接方案。以建立的数学模型为基础设计简便、可靠的控制方案;以控制理论朱利稳定判据、动态系数分析法、频域分析法为基础从定性和定量两个方面给出参数对系统稳定性和精度的影响。搭建10 kVA电力电子负载样机并进行了实验和仿真。结果证明方案和分析正确,其分析结论为和理论同样适用以PWM VSR为构件的APF、STATCOM、UPQC、UPFC等电力电子设备。
关键词:电力电子负载；控制方案；数学模型；朱利判据；动态系数分析法；频率分析
1 引言
随着电子技术与供电技术的发展,各种电源产品被广泛地生产出来,诸如交流稳压电源、变频电源、不间断电源(UPS)、电机驱动电源、直流电源等在出厂之前都需要进行各种带载实验,以考核它们的技术指标和可靠性。各国研究人员进行了广泛地研究以寻求一种灵活、节能的测试方式。1990年Suresh Gupta等人首次提出在被测试电源与电网之间串联一个幅值、相位可调的变压器调节UPS输出的有功与无功电流来进行电力设备老化实验的概念,接着有学者提出使用PWM变换器将被测电源能量馈回电网的测试方式,且其中的输入变换器经历了由不控整流电路到使用PWM变换器的演变过程。相较已经发表的论文,本文较全面地给出了由PWM电压源型整流器(PWM Voltage Source Rectifier, PWM VSR)构成的电力电子负载(Power Electronic Load, PEL)应用于单相交流、直流、各种三相电源的控制和接线方案。并对PEL的功能和结构进行分析,依据电路结构建立了控制系统模型,建立了简单可靠的控制系统,借助控制理论的朱利稳定判据、动态系数分析法、频域分析法对参数于控制系统稳定性和精度的影响给出了定性和定量的分析,仿真与实验都验证了分析的正确性;搭建了10kVA单相电力电子负载样机,李萨如图表征了简化控制系统的良好控制效果;整机效率曲线的绘制,验证了PEL良好的节能效果。文中分析结论为大功率PEL工程化设计与应用提供了经验,其理论分析同样适用于以PWM VSR为构件的APF、STATCOM、UPQC、UPFC等电力电子设备。
2 电力电子负载的基本结构及其应用
本文采用PWM VSR作为PEL的负载模拟变换器(imitation converter, IC)与并网变换器(grid-connection converter, GCC)的背靠背式的主电路拓扑结构[10,11],其主电路如图1所示,T11- T14为IC的主开关器件,L1为输入电感,通过改变输入电流信号发生器的指令,负载模拟变换器可完成设备容量允许范围内近乎无级的各种负荷的模拟；T21-T24为GCC的主开关器件,L2为并网电感,TR为并网变压器,保障输入输出电路的电气隔离,GCC将电能高效地馈回电网,为国家节约大量电能,也降低了设备生产成本。
图2将单相PEL与被测设备连接,忽略谐波影响，若保证馈网功率因数为-1，则可得
（1）
式中，表示电网输入的有功功率与无功功率；、表示被试电源输入端的有功功率与无功功率；、表示PEL经过隔离变压器向电网回馈的有功与无功功率。
若令被试电源的效率为,PEL与隔离变压器的效率（计及线路损耗）为，则可得
(2）
若ge;90%，ge;90%，则，从而节省了大量的有功功率。若不计及无功,原有的被试车间在电力容量不变的情况下可以同时进行5倍数目电源设备的测试。为避免被试电源的输入无功污染电网,有学者提出使用电子负载补偿部分或全部无功功率,这样从电网看来只馈入有功功率。
（3）
如图3(a)所示,单相PEL可以连接成合适的方式,方便地适用于三相三线、三相四线被试电源,只需要将零线公共点与相应点进行连接即可。如图3(b)所示,通过对IC的开关器件进行特殊的控制,该系统同时可以完成对直流电能设备的
测试。图3(b)粗线所示为直流测试时电特性模拟变换器中电流通路,此时开关管T11、T13关断,T14恒导通,T12为受控开关器件;进一步可以简化为如图3(c)所示的电路结构,图中虚线内为一个boost电路,由它调节直流母线电压
3 工作原理与数学模型的建立
3.1 负载模拟变化器工作原理
若负载模拟变换器指令电流为正弦信号，与输入电压信号呈一定相位关系，就能模拟不同线性负载，将输入电压与电流的夹角定义为phi;，若lt;phi;lt;,则模拟一个组感性负载；若lt;phi;lt;,则IC模拟一个阻容性负载，若phi;=0，则模拟一个纯阻性负载。若指令为非线性信号,通过傅立叶分解成基波和若干次谐波信号的叠加,保证在一定频带的波形跟踪效果,可完成对非线性载的模拟。
3.2 PEL数学模型
图1中第一部分为电感环节，为输入电感，为被测电源设备输出电压，为输入变换器交流侧电压，为交流侧等效电阻（等效输入连线、接触电阻与变换器死区等效电阻），为输入电流，可得
(4)
第二部分可得
(5)
式中，为负载模拟器开关函数；为负载模拟器直流侧电流，即
(6)
第三部分为直流环节，为并网变换器直流侧电流，为直流电容电压，为流过直流电容的电流，可得
(7)
第四部分为并网变换器环节，可得
(8)
式中S2为并网变换器的开关函数，即
(9)
第五部分为馈网电感环节，为输入电感，为电网电压，为输出变换器交流侧电压，为交流侧等效电阻（等效输入连线、等效电阻）为输入电流，可得接触电阻与变换器四区
(10)
为了控制电感电流，输入与输出环节均可以等效为一个一阶惯性环节，即
(11)4 系统控制框图
PWM整流器的直接电流控制方式具有较快的响应速度,目前运用较多的有预测电流控制、无差拍控制、滑模变结构控制、单周期控制、模糊控制等多种控制方式。本文采用比例环节(P)作为电流控制内环,可以保证系统具有良好的动态响应效果,系统结构简单,对系统参数不敏感,适用性强,适合工程化应用,若为降低静差,也可改为比例)积分(PI)控制。当比例值足够大,该控制方式也可称为小惯性环节控制,电流环比例控制器与被控对象一同构成一个小惯性环(忽略等效电阻),该环节的时间常数为开关周期Ts;可认为电感电流在经过一个开关周期后跟踪上电流指令,指令电流与输出响应相差一拍,也可称作差拍控制。
(12)
图6所示为IC的控制框图,图中PLL为锁相控制环,保证输入电感电流与输入电压的相位关系,并产生合适的指令信号, 采用电网电压前馈可以减弱因电网电压抖动而对系统波形的影响, 表征系统因为采样、计算延迟和PWM重载延迟肇成的整体延时。图7所示为并网变换器控制框图,直流电压的差值经过PI控制器和滤波器后,最终与锁相控制环共同生成指令电流波形;由式(12),电容电流经过直流电容生成直流母线电压.
5 系统参数设计
将PWM信号调制过程看成一个零阶保持环节，控制信号的延迟时间可以看作延时S=(1-m)Ts，这样电流内环的简图(见图8)可以表述为：对上图进行广义z变换[6]，得到:
(13)
由此建立闭环传递函数
(14)
它的特征多项式为
(15)
依据朱利判据，可以得到：
(16)
若令L=1.0mH，T=（1/12800）s，忽略寄生电阻作用，则由式(16),的取值范围为图9(a)中阴影所示部分。为更明显表示寄生电阻r对比例控制器KP的影响,将r取为2,将KP的稳定区域绘制如图9(b)所示。
图中实线区域内为不考虑寄生电阻r,的取值范围;而虚线区域内为考虑寄生电阻后,的取值范围。因此,总体说来,因为寄生电阻给系统带来了阻尼,提高了系统的稳定裕度。实际控制系统,由于采样和计算的延时不可避免,它们虽小于一个开关周期时间,但为避免可能出现的控制量丢失情况,采用滞后一拍控制策略,这样系统的延时应在1拍以上,由式(16),lt;L/T。
除根据闭环系统特征方程选取控制器的取值范围,还应通过绘制控制系统幅频、相频曲线,综合考虑参数选择。根据实践经验,寄生电阻r选为0.58,绘制开环控制对象和选取不同控制参数的波特图,如图7(a)所示,未经校正的控制对象的中低频段均有较大增益;经过控制器校正后,系统在中低频段获得近乎零增益、零相移的特性。但是,若取值过大,系统中、高频段增益变大,恶化了系统特性,导致输出波形含丰富中频谐波,甚至导致PEL无法正常工作。图7(b)为系统选用较大控制器参数后的输出电压电流波形与指令波形,由于中频增益大,系统中的中频谐波被极大地放大。由上面分析,为了保证系统的稳定性,同时减小电流误差值,应该选取合适的比例控制器进行控制。即需要保证工作频率处系统接近零增益、零相移的良好控制特性,同时要保证系统中频增益足够小,保证系统拥有良好的稳态和动态特性。通过Bode图可以确定系统的频率特性以决定系统特性是否符合设计要求。
6 实验验证
为了验证文中推论,搭建一台10 kVA电力电子负载样机,并将其与被试交流电源联接起来进行相关实验。系统选用参数如下:整机容量为10 kVA,被试电源输出电压220 V,电网电压220 V,直流电压400 V,被试电源频率50 Hz,电网频率50 Hz,开关频率12.8 kHz。图8所示为PEL模拟60b阻感性与60b阻容性负荷时的电流与电压波形,系统工作稳定,且波形平滑,谐波含量小;从李萨如图来看,线性度良好。图9所示为GCC的交流电压与交流电流波形,馈网功率因素接近-1,从李萨如图图形来看,已经进入第2、4象限,表示功率回馈电网,但是受电网电压谐波和控制器自身影响,波形不光滑,相位有一定偏差。图10所示为当IC控制器选取不同参数时,电网电压与输入电流波形,从图中可见由于输入寄生电阻r的存在,其电感电流幅值随着比例控制器的减小而显著减小,而相位也发生移动。图11为PEL的直流母线电压波形与模拟变换器输入电压波形,从图中可见,直流电压中明显叠加了交流分量,且为2倍基波频率。图12为PEL在模拟不同纯阻负载,恒流模式下的整机效率,纵轴表示回馈功率与输入功率百分比,横轴表示输入电流有效值,随着系统功率的上升,整机效率显著增高,整机效率基本gt;85%,具有良好的节能效果,系统工作稳定。
7 结语
基于PWM整流器直接电流控制原理的电力电子负载不仅能模拟各种负荷,同时能将能量馈回电网,极大地节约了能源,且可灵活地应用于直流和单相、三相等不同电源测试的场合。本文从电路分析入手给出了它的数学模型,并以此为基础建立了简洁、可靠的控制系统,并借助控制理论的朱利稳定据、动态系数分析法、频域分析法对参数于控制系统稳定性和精度的影响给出了定性和定量的分析, 本文针对其与小功率电路级测试设备、电子负载概念上易于混淆的问题,给出了电力电子负载的定义,它是由大功率电力电子元件构成,利用电力电子控制技术对各种电源设备进行节能、环保考核的电源测试设备. 本文研究的是一种用于交流电源测试的能量回馈型交流电力电子负载。它通过控制被试电源的放电电流等效为被试电源所带负载的特性就可以模拟各种负载；后级逆变部分具有能量回馈功能，不仅实现能量的再生利用，且实现单位功率因数馈网。
本文通过分析电力拖动的结构，分析了直流电机的数学模型，并详细分析了用背靠背型H桥电路模拟电机的运行特性。完成了模拟直流电机电力电子负载系统的硬件设计，以及主电路、控制电路、采样电路、驱动电路的设计与分析。最后通过理论分析和仿真对比验证了利用电力电子变换器构成电机模拟器的方案一方面可以灵活准确的模拟电机的各种运行工况，另一方面还可以将所吸收的电能及时的回馈到电网，实现绿色节能。文章给出了它应用于不同测试场合如直流电源测试、三相交流电压测试等不同场合测试时控制和接线方式,并分析了电力电子负载对交、直流纯阻、阻感、阻容模拟原理,给出非线性负荷电路方程并建立数学模型以利于对其实现准确模拟,针对不同工作模式,如恒阻恒流恒功率等不同应用场合,给出它们的指令设定方法;并根据系统要求给出了
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