基于双PWM变换器的交流电子负载研究_图文

1、#930#第34卷第5期2008年 5月高 电 压 技 术H igh Voltage Engineering Vol. 34No. 5M ay 2008基于双PWM 变换器的交流电子负载研究李 芬, 邹旭东, 王成智, 陈 伟(华中科技大学电气与电子工程学院, 武汉430074摘 要:为节省能源和简化电源设备测试的投入, 研究了一种结构简单、可测试交流电能装置各种电特性并将试验电能回馈至电网的交流电子负载。根据其主电路的两级A C/DC/A C 变换结构, 分析了起传递能量桥梁作用的直流母线电容工作和谐波产生机理, 提出了将两级PW M 变换器分开控制的方案即前级变换器采用固定开关频率的单P

2、环直接电流控制, 后级变换器采用三角波调制的经典电压外环和电流内环的双闭环结构。基于32位定点T M S320F 2812D SP 控制器设计控制系统, 实现了上述设计方案并应用于小功率交流电子负载实验样机。实验论证表明, 该方案控制简单易行, 可以实现对单相测试电源的阻抗特性精确模拟, 同时完成功率因数接近于1的有源逆变, 将测试电源电能回馈电网。关键词:交流电子负载; 负载特性模拟; 能量回馈; 功率平衡; 电压型变换器; 直接电流控制; 固定开关频率中图分类号:T M 461文献标志码:A文章编号:1003-6520(2008 05-0930-05Research on AC Elect

3、ronic Load for Testing AC PowerBased on Dual Single -phase PWM ConverterLI Fen, ZOU X -dong, WANG Cheng -zhi, CH EN Wei(Scho ol of Electrical and Electronic Eng ineering, H uazho ng U niversity of Science andTechnolo gy, Wuhan 430074, ChinaAbstract:A simple kind of A C electr onic load w ith po wer

4、recover y based o n dual sing le -phase PW M conver ter of the voltage -so ur ce ty pe is studied and especially the pr inciple o f dc link capacito r and its har monic phenomeno n ar e pres -ented in detail. Based on the topolog y o f A C/DC/A C conver ters, a co nt ro l str ateg y -an independent

5、co ntr ol for the two st ag es including the triang le w ave modulation is put for wa rd. T he f ixed sw itching f requency of sing le P direct cur rent co nt ro l for the AC/DC stag e and the classica l dua-l loo p co ntr ol (vo ltag e lo op and cur rent lo op for the D C/AC stag e, which is suitab

6、le for so ft sta rt, ar e applied. T he co nt ro l system based on 32-bit T M S320F 2812DSP con -tr oller is desig ned and used successfully in a low pow er pr otot ype of A C electro nic load. T he ex per imenta l results show that the char acter istics bo th in simulating the specified impedance a

7、ppr ox imately and r ealizing near unity po wer facto r o per ation v er ify the described method to be simple and effectiv e. T he dc bus voltage r egulat ion starting fro m co ld st ate wit h g oo d dynamic response is also achieved. T he research can perfor m pow er r ecycle, save the energ y, re

8、duce the test co st and is prov ed to be practical in po wer recov ery.Key words:AC electro nic load; simulating load char acter istics; pow er recov ery ; po wer balance; vo ltag e so urce con -v erter; direct curr ent contr ol; fix ed sw itching fr equency0 引 言目前的交流电能装置(交流稳压电源、交流UPS 、交流电机驱动器等 在出厂时

9、都需要进行严格的老化实验和相关的动态、稳态带载实验, 以保证出厂电源的优良品质。传统上常常选用电阻等能耗型元件作为负载的方法, 导致电能被无谓地消耗为热能, 同时也存在调节不便、自动化程度低的缺点。如果采用电力电子元器件构成的电能回馈型交流电子负载进行相应的实验, 不仅测试设定简单灵活, 而且可以大量地节省测试时消耗的电能, 是一种实用、高基金资助项目:湖北省自然科学基金资助项目(2007ABA051 。Projectsupportedby H ubeiNatural S cien ce Fou ndation(.效的方案, 具有广阔的工业应用前景。文献1-3中均提出一种适用于交流UPS 老化

10、放电试验并将测试电源回馈电网的交流电子负载装置。文献1采用三级AC/DC/DC/AC 变换结构, 通过DC/DC 环节的电感传递能量, 其中间环节多、增加损耗、降低系统效率。文献2提出使用三相PWM 逆变器将被测UPS 电源输出的电能反馈到U PS 电源的输入端, 并通过对逆变器输出电流控制以补偿UPS 电源输入引起的电网谐波电流达到维持电网电流为较好正弦波, 但是这种测试装置的输入端采用不控整流桥, 无法模拟各种负荷电特性且U PS 输出电流谐波严重。文献3研究了一种基于两级AC/DC/AC 变换结构的交流电子负载, 其主电路结构两端各引入一个滤波电容, 以滤除输入、输,2008年5月高 电

11、 压 技 术第34卷第5期#931#题, 如果滤波器设计及控制策略不合适, 会破坏系统的稳定性4, 同时滤波电容也引起无功电流导致电流控制算法复杂; 而且文献3中采用滞环PWM 电流控制, 导致开关频率随电流变化率变化而波动, 滤波电感难以设计5。本文对文献3中主电路拓扑进行简化, 去掉两端的滤波电容, 研究了一种基于双单相电压型PWM 变换器适用于交流电源测试的交流电子负载, 详细分析了起传递能量桥梁作用的直流母线电容工作机理, 提出将两级PWM 变换器分开控制的方案, 采用固定开关频率PWM 电流控制技术6, 实验样机证明了系统的简单和有效性。图1 能量回馈型电子负载应用电路框图Fig.

12、1 Block diagram of power recovery for testing power电源的动态和稳态特性; 能量回馈器将电特性模拟变换器吸收的有功功率通过变压器送回电网。1 能量回馈型交流电子负载主电路和工作原理图1所示为能量回馈型电子负载应用的基本结构图, 由图可见, 能量回馈型电子负载串联在被测试电源设备的输出侧, 它一方面要模拟各种线性负载、非线性负载、特殊负载的电特性, 达到对被测设备各种电特性的测试目的; 另一方面, 它要将吸收的电能通过并联在电网上的变压器回馈到被测电源设备的输入端, 从而让这部分能量可以在被测电源设备中循环利用, 这样电网只用提供被测电源容量的部

13、分能量就能完成整个测试, 同时节省了测试场地的电源容量。图2为基于双单相PWM 变换器的交流电子负载主电路结构, 采用了两级AC/DC/AC 变换结构, 可以划分为5个部分:¹被测试电源; º负载模拟变换器; »直流母线电容; ¼能量回馈器; ½隔离变压器与电网。通过适当的控制手段调节流过被测电源电感的电流值, 从而模拟各种负载特性来考核被测2 直流母线电容电压控制由图2可知, 交流电子负载采用了两级AC/DC/A C 变换结构, 通过母线直流电容在两级变换器中传递能量, 因此可以将两级单相电压PWM 变换器的整流和逆变分开控制。本实验装置集中

14、于分析与电网电压同频同相的单相UPS 测试, 设单相交流测试电源电压u 1为标准的正弦波, 负载模拟器模拟阻抗负载特性, 则u 1=U m1sin X t; i s1=I m1sin (X t -U 1 。(1式中, U m1为测试电源基波电压幅值; I m1为输入基波电流幅值; U 1为测试电源基波电压和输入基波电流相位角。能量回馈器为功率因数的有源逆变, 设u s2=U m2sin X t ; i s2=I m2sin (X t -U 2 。(2式中, U m2为能量回馈器基波电压幅值; I m2为输出基波电流幅值; U 2为能量回馈器基波电压U s2 和输出图2 基于双单相PWM 整流器

15、的交流电子负载主电路图Fig. 2 Main circuit of AC electronic load based on dual VSI PWM rectifier#932#M ay 2008H ig h Voltage Engineeringp 2(t =u s2(t i s2(t =Vol. 34No. 5m2m2co s U 2-2基波电流I s2相位角。根据文献5可知为实现单相电压型PWM 整流器的正常工作, 其直流电容电压必须满足u dc U m1, 且u dc U m2。2. 1 稳态直流母线电容电压忽略PWM 整流器桥路损耗、电感内阻和电容损耗, 测试设备投入稳态运行时在前级

16、负载模拟器交、直流侧的有功功率平衡为U m1I m1P 1=cos U 1=P dc =u dc i dc1。2所以稳态时直流侧电流i dc1应满足m1m1i dc1=cos U 1。2u dc(3U m2I m2cos (2X t U m2I m2sin (2X t co s U 2-cos U 2。22(14 由于能量回馈器的输出功率是通过直流电容传送的, 由(14 可知直流侧电容电压上不可避免的存在基于电网电压频率的2次谐波。同理分析可得, 直流侧电容电压上不可避免的存在基于测试交流电源电压频率的2次谐波7(4, 因为本实验装置集中于分析与电网电压同频同幅同相的单相U PS 测试, 故可

17、简化即直流电容电压存在电网电压频率的二次谐(5波。同时能量回馈器采用经典的电压外环和电流内环的双闭环PI 控制结构, 输出电流指令i *s2由直流电压指令与实际值相减后乘电网同步信号所得, 因此不可避免的存在3次谐波, 因此需要采取措施减小直流电压谐波对回馈到电网电流质量的影响8。本实验中采用在电压外环中加入对采样得到的直流(7电压值进行二阶低通滤波来滤除谐波干扰对控制的影响, 起到较好效果。在后级能量回馈器的交、直流侧的有功功率平衡为m2m2cos U 2=P dc =u dc i dc2。P 2=2所以稳态时直流侧电流i dc2应满足i dc2=m2m2cos U 2。2u dc(6测试电

18、源的能量是通过直流电容传送到电网, 由上述分析可知, 要实现测试设备投入后电子负载的正常工作, 稳态运行时有功功率必须保持平衡, 即P 1=P 2。也即u dc (i dc1-i dc2 =0。因此稳态直流母线电压须维持恒定, 即u dc (t =U dc (常数 , 当t >=0。由图2可知直流母线电容电压为u dc (t =C(102. 2 测试电源投运前直流电容电压初始值设定(9 (83 电子负载控制方案电子负载的核心组成部分如图2所示, 是两级单相电压型PWM 变换器, 因此对交流电子负载的控制也即协调控制两级单相电压型PWM 变换器, 实现功率流的平衡。因为采用了两级A C/D

19、C/AC 变换结构, 通过母线直流电容在两级变换器中传递能量, 可以将整流和逆变分开控制。前级负载模拟器通过对输入电感电流i s1的控制实现要求的负载特性的模拟, 后级能量回馈器通过输出电感电流i s2和母线直流电容电压的控制, 实现单位功率因数的逆变和稳定直流母线电压, 将测试电源能量稳定回馈给电网。实质上后级能量回馈器是一个实现有源逆变的PWM 整流器。目前, 应用较多的电压型PWM 整流器的控制技术可分为间接电流控制技术和直接电流控制技术9-11, 其中直接电流控制主要有线性PI 控制、谐振控制、预测电流控制和滞环电流控制等。经比较本装置中采用开关频率固定的线性PI 直接电流控制技术,

20、其中调制方法采用三角波调制16。前级负载模拟器为实现对指令电流的快速跟踪采用单P 环电流直接控制; 后级能量回馈采用经典的电压外环和电流内环的双闭环控制结构, 直流电容电压外环控制遵循第2节分析。事实上, 实用化的PWM 整流装置绝大多数采用这种双闭环控制方11-15(i C -t 0ti dc (t d t=Cdc1-(i dc1(t-i dc2(t d t +(11(t -i dc2(t d t 。由上面分析可知测试电源投运电子负载稳定运行时C(itdc1(t -i dc2(t d t =0。(12联立(10 、(11 、(12 可得测试电源投运前的直流母线电容初始值u dc0=u dc

21、(t =C(i-dc1(t-i dc2(t d t=U dc 。(13即测试电源投运前的直流母线电容电压初始值等于其稳态电压值, 且满足式(3 条件, 不小于测试交流电源、电网电源电压峰值。2. 3 直流母线电容电压谐波分析和处理 2008年5月高 电 压 技 术第34卷第5期#933#图3 交流电子负载整流和有源逆变两级变换器控制原理图Fig. 3 An independent control strategy forAC electronic load图4 交流电子负载纯阻性模拟下的实验波形Fig. 4 Experiment wavef orms with resistive load结构

22、简单、控制性能优良。双闭环控制另一个优点是, 由于电流内环的存在, 只要在电压外环调节中对电流指令限幅, 可以使整流器工作于恒流状态, 并且PWM 整流器在软启动时, 对输入电流的限制在半导体可以承受的范围内, 这对半导体开关器件的保护非常有利, 具体如图3所示。4 电子负载的冷启动本实验中, 测试电源未投入前, 对母线直流电容电压的充电无需使用外部充电装置, 可以简化系统。直接投入能量回馈器(带充电电阻 , 先通过能量回馈器的不控整流将直流电容电压升到接近电网电压峰值, 然后使能量回馈器工作于PWM 整流模式对母线电容充电, 当电容电压升到稳态运行指令电压值, 切除充电电阻, 此时投入测试电

23、源。5 实验波形实验采用T I 公司DSP 新产品的高效能32位定点T MS320F2812DSP 处理器作为数字控制系统的核心。基于上面的控制方案, 本实验的基本参数为:电网电压55V, 电网频率50H z, 输入交流电感L s1为5mH , 输出交流电感L s2为5mH , 电感内阻均为0138, 直流侧电容2350L F, 开关频率和采样频率均为1218kH z, 输出直流电压100V 。图4(a 为负载模拟器工作于单P 环电流直接控制下纯阻性模拟电源电压和输入交流电流波形, 图图5 电子负载30b 阻感性负载模拟的实验波形Fig. 5 Experiment waveforms with

24、 30b resistive-inductive load压和电流波形。图5(a 为负载模拟器工作于单P 环电流直接控制下30b 阻感性负载模拟电源电压和 #934#M ay 2008H ig h Voltage Engineeringcations, 1990, 26(5 :880-885.Vol. 34No. 57Rodriguez J R, M oran L, Gon zalez A, et al. H igh voltage mul -tilevel con verter w ith regeneration capabilityCM 30th Ann ual IE EE Pow er

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31、138-142.李 芬1984 , 女, 博士生从事电力电子变换和控制技术研究电话:(027 85773246E -mail:b eck yhust163. com图6 冷启动时直流母线电压波形Fig. 6 Waveform of DC voltage at the moment of cold starting闭环控制下电网电压和电流波形。从图中可以看出输出交流稳态时能较好跟踪电网电压波形, 很接近单位功率因数有源逆变。图6为电子负载冷启动由能量回馈器不控整流到PWM 整流时直流母线电压软充电波形。6 结 语本文对基于双单相电压型PWM 变换器的电子负载主电路和工作原理进行了研究, 详细分析了直流母线电容的工作状况, 提出将两级变换器分开控制:前级负载模拟器采用单P 环电流直接控制, 后级能量回馈器采用双闭环直接电流控制方案, 该方案控制算法简单易