CN1603849A

CN1603849A - 电气负载通用模拟装置

Info

Publication number: CN1603849A
Application number: CN 200410036183
Authority: CN
Inventors: 王广柱
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2005-04-06

Abstract

本发明提供了一种电气负载通用模拟装置，包括两个桥式电压型变换器主电路，其直流侧与电容器并联，组成了模拟负载的功率电流发生器主电路和能量回馈主电路；功率电流发生器交流输出端通过电感和滤波电路与被测电源相连，能量回馈主电路交流输出端通过电感和滤波电路与供电电网相连；功率电流发生器由一模拟负载指令电流运算器和电流跟踪控制器控制；能量回馈由直流侧电容器电压控制器、正弦信号发生器和电流跟踪控制器控制。本发明不仅可模拟电气负载，而且也可模拟一些电气试验设备，如蓄电池充电试验电源等，被测电源可以是一个电压源，也可以是一个无源电路。

Description

电气负载通用模拟装置

(一)技术领域

本发明涉及一种电气负载模拟装置。

(二)背景技术

各种电气设备中，交直流电源装置占有相当大的比重，如蓄电池、交直流稳压电源、不间断电源(UPS)、逆变电源等。这些电源设备在设计组装完成之后，都需要接上实际的电气负载对其性能参数进行测试，测试工作极为不便。另外，在高校及科研院所在科研或实验中也经常需要一些特殊电气负载，如谐波电流、非线性负载等。

目前，电气负载模拟装置分为“直流电子负载”和“交流电子负载”两种，前者用于被测电源为直流电压源的系统，后者用于被测电源为交流电压源的系统。专利号为CN1137388C的中国专利提供了一种《直流电子负载模拟装置》，其输出电流由一个功率管和控制电路组成，电流不能改变方向。专利号为CN1137536C的中国专利提供了一种《交流电子负载模拟装置》，由两个功率管和控制电路及输入电压移相电路组成，能输出超前、滞后和同相于输入交流电压的交流电流，即能模拟容性、感性和阻性交流负载，但不能模拟谐波或非线性负载。另外，现有“电子负载”不具备能量回馈功能，模拟阻性负载时的负载功率全部由“电子负载”吸收，因此用于大功率场合时“电子负载”的发热问题难以解决。

(三)发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可模拟各种交直流电气负载的电气负载通用模拟装置。

本发明采用的解决方案是：

电气负载通用模拟装置包括两个桥式电压型变换器主电路，其直流侧与电容器并联，组成了模拟负载的功率电流发生器主电路和能量回馈主电路；功率电流发生器交流输出端通过电感和滤波电路与被测电源相连，能量回馈主电路交流输出端通过电感和滤波电路与供电电网相连；功率电流发生器由一模拟负载指令电流运算器和电流跟踪控制器控制，使其向被测电源输出一个满足模拟负载关系的功率电流；能量回馈由直流侧电容器、电压控制器、正弦信号发生器和电流跟踪控制器控制，使其向供电电网输出一个与电网电压同频的正弦电流，将模拟负载装置“吸收”的有功功率回馈到电网，并保持装置供电功率因数为±1。

模拟负载指令电流运算器根据被测电源电压与负载电流的关系运算出电流指令值，即

i_ref(t)＝f(e(t))式中e(t)表示被测电源电压，i_ref(t)表示模拟负载电流指令值，f(.)表示其函数关系。该电流指令值可以是直流量、交流量、非线性及谐波等任意波形信号，也可以是与被测电源电压无关的任意指定信号。电流跟踪控制器根据电流运算器输出的指令电流值与输出电感电流之间的误差控制输出脉冲，由驱动电路控制功率电流发生器主电路中的开关功率管，使电感电流跟踪指令电流。滤波电路用于滤除输出电流中的开关谐波成分。主电路直流侧电容器电压控制器由电容器电压给定值与其检测值之差控制，其输出控制供电电源电流的幅值和极性。正弦电流发生器得到与供电电网电压同频同相的正弦信号，该信号与电容电压控制器输出相乘后，得到能量回馈电流指令值，然后由电流跟踪控制器控制能量回馈主电路中的开关功率管。

本发明采用现代电力电子技术及微电子技术实现了一种功率电流发生器。该功率电流能准确的跟踪指令电流信号，因此可模拟各种交直流电气负载和试验设备。

本发明的电气负载通用模拟装置可编程，其功率可双向流动，因此不仅可模拟电气负载，而且也可模拟一些电气试验设备，如蓄电池充电试验电源等。可向无源负载输出可编程电流，因此被测电源可以是一个电压源，也可以是一个无源电路。

(四)附图说明

图1是本发明单相电气负载通用模拟装置原理框图。

图2是本发明功率电流发生器部分控制原理框图。

图3是本发明能量回馈部分原理框图。

图4是本发明功率电流发生器电流跟踪误差波形示意图。

图5是本发明电流跟踪波形示意图图。

图6是本发明模拟直流变化负载电流波形图例。

图7是本发明模拟交流谐波负载电流波形图例。

图8是本发明带工频隔离变压器时的局部原理图。

图9是本发明带高频隔离变压器时的局部原理图。

图中，1.被测电源，2.电感线圈，3.开关频率滤波器，4.模拟负载功率电流发生器部分主电路，5.能量回馈部分主电路，6.电感线圈，7.工频隔离变压器，8.供电电源，9.开关频率滤波器，10.主电路直流测储能电容器，11.模拟负载电流参考值运算单元，12.模拟负载电流跟踪控制单元，13.能量回馈控制单元，14.功率开关管M1～M4驱动器，15.功率开关管M5～M8驱动器，16a～16d.功率开关管，18a～18d.功率开关管，17a～17d.超快恢复二极管(或在功率开关管中内含)，19a～19d.超快恢复二极管(或在功率开关管中内含)，20.加法器，21.施密特比较器，22.施密特比较器的滞环运算器，23.过零比较器，24.正弦波发生器，25.加法器，26.PID调节器，27.乘法器，28.加法器，29.施密特比较器，30.高频隔离变压器，31.带高频变压器隔离的双向功率DC/DC变换器，e为被测电源1的端电压，u_s为供电电源8端电压，U_c为主电路直流测电容9端电压，i_e为模拟负载电流，i_L1为模拟负载功率电流发生器主电路部分4的输入电流，i_f1为滤波器3的电流，i_e2为供电电源8的电流，i_L2为能量回馈部分主电路5输出电流，f()为给定的被测电源电压与模拟负载电流之间的数学关系，i_ref为模拟负载电流指令值，Δi1为指令值i_ref与实际值i_L1之间的误差，U_cref为主电路直流测电容电压的给定值，I_m2为能量回馈部分电流指令值i_ref2的幅值，φ0为供电电源8经比较器23转换后的方波信号，sin()为正弦波发生器，i_sin为与u_s同相位的单位幅值正弦信号，i_ref2为能量回馈部分电流指令值，Δi2为指令值i_ref2与实际值i_L2之间的误差，h1为施密特比较器21的滞环，h2为施密特比较器29的滞环，T_p为M1(M4)导通时间，T_n为M2(M3)导通时间，T_r为开关周期，Δi_r为模拟负载指令电流i_ref在一个开关周期T_r内的增量。

(五)具体实施方式

图1给出了本发明单相电气负载通用模拟装置原理框图。电流发生器主电路4和能量回馈主电路5为两个电压型桥式变换器，其直流侧与电容器10并联。主电路4通过电感2和滤波电路3与被测电源1相连。主电路5通过电感6和滤波电路9与供电电源8相连。变换器本桥臂功率开关的上下两个为互补，对角两个为同步，即M1和M4同步，M2和M3同步，M5和M8同步，M6和M7同步。首先由给定的负载关系f(.)根据被测电源电压e由模拟负载电流参考值运算单元11计算出模拟负载电流指令值i_ref，然后通过模拟负载电流跟踪控制单元12输出主电路4功率开关管16a～16d的控制信号，由驱动器14驱动16a～16d，使模拟负载电流i_L1跟踪电流指令值i_ref，经滤波后得到所需模拟负载电流i_e。

(1)模拟负载电流指令指的产生

模拟负载电流指令值运算单元11内置一部分典型模拟负载关系f(.)软件实时算法或硬件运算电路，如电阻R、电感L、电容C、复合R-L-C、不可控整流、可控整流、谐波及常用波形等，使用者只需在本机或上位机上修改其参数即可。另外，使用者还可在上位机以原理图或程序的方法提供负载类型及参数。

(2)模拟负载电流跟踪控制及恒频滞环预测算法

电流跟踪控制有很多方法，本发明给出一种新的恒频滞环电流控制算法实例。

设模拟负载功率电流发生器输出电流i_L1与指令值i_ref之间的误差Δi1为：

Di₁＝i_ref-i_L1正常工作时，有U_c＞|e_max|，即直流侧电压高于被测电源电压绝对值峰值。由Δi1通过施密特比较器21控制功率开关管M1～M4的导通与截止，其控制规律为：当Di₁＞h1，M1和M4导通(ON)，M2和M3截止(OFF)，有

L₁di_L1/dt＝e+U_c＞0输出电流i_L1近似线性上升。当Di₁＜-h1时，有M1和M4截止(OFF)，M2和M3导通(ON)，

L1di_L1/dt＝e-U_c＜0输出电流i_L1近似线性下降。其误差电流波形如图4所示，电流跟踪波形如图5所示。

为了使开关周期恒定，运算器22实现滞环h1的下列恒频预测算法：因为开关周期时间很短，假设在一个开关周期内Uc和e为常量，即它们的变化可以忽略，指令电流i_ref为直线变化，则由图5得：

D i_{p} = 2 h 1 + t_{p} \frac{D i_{r}}{T_{r}}

D i_{n} = 2 h 1 - t_{n} \frac{D i_{r}}{T_{r}}

t_p+t_n＝T_r

设

S_{p} = \frac{D i_{p}}{t_{p}} = \frac{U_{c} + e}{L 1}

S_{n} = \frac{D i_{n}}{t_{n}} = \frac{U_{c} - e}{L 1}

S_{r} = \frac{D i_{r}}{T_{r}}

则

h 1 = \frac{(S_{p} - S_{r}) (S_{n} + S_{r})}{2 (S_{p} + S_{r})} T_{r}

因此根据给定的开关周期T_r及电压Uc、e测量值，以及电流指令值i_ref的在一个开关周期中的变化量Δi_r，可以预测计算出下一个开关周期的滞环h1。由该滞环实现施密特比较器控制可使开关频率保持恒定。

上述算法是在理想情况下得出的，比如要求L1和电压Uc、e测量值必须精确，否则实际的开关周期就会有误差。为此本发明采用了下列一种新的开关周期闭环校正技术，可有效补偿电路参数漂移或变化所造成的影响：

α(k+1)＝α(k)+β(T_r-T(k))

α(0)＝1式中，k表示本次开关周期，T(k)为实测的本次开关周期值，β为正系数，α为预测滞环的校正系数。式(11)将改为：

h 1 (k + 1) = a (k + 1) \frac{(S_{p} - S_{r}) (S_{n} + S_{r})}{2 (S_{p} + S_{r})} T_{r}

(3)能量回馈控制

能量回馈部分用于将模拟负载吸收的有功功率回馈电网，并通过控制使功率因数为±1。能量回馈控制主要根据直流侧电容器10的电压Uc反馈控制来实现。当电容器10吸收有功时，其电压值Uc会上升，当电容器10放出有功时，其电压值Uc会下降。根据此规律可以设计一PID调节器26，电容电压给定值U_cref和电容电压测量值Uc之差作为PID调节器输入，其输出I_m2控制指令电流i_ref2的幅值，该指令电流的形状由电源8电压u_s决定，或者由图3中的23和24求得与电源8电压u_s同频同相的正弦信号i_sin决定。能量回馈控制单元输出功率管18a～18d的控制信号，由驱动器15驱动18a～18d，使主电路5的电流i_L2跟踪电流指令值i_ref2，经滤波后得到电源8的有功电流电流i_e2。

本发明给出的能量回馈电流跟踪控制实例是由施密特比较器29和滞环h2的计算单元22组成，实现了能量回馈部分的恒频滞环电流控制。

图8和图9是本发明的带隔离变压器的实施方案。当被测电源与供电电源之间有电气联系(无电气隔离)时，需用该方案。图8采用工频变压器隔离，在供电电源8与模拟负载装置之间采用工频隔离变压器7。图9采用高频变压器隔离，在主电路4和5之间增加一个双向高频功率DC/DC变换器31。

本发明给出的实例为单相电气负载通用模拟装置，其原理同样适用于三相电气负载通用模拟装置。

Claims

1.一种电气负载通用模拟装置，其特征是：包括两个桥式电压型变换器主电路，其直流侧与电容器并联，组成了模拟负载的功率电流发生器主电路和能量回馈主电路；功率电流发生器交流输出端通过电感和滤波电路与被测电源相连，能量回馈主电路交流输出端通过电感和滤波电路与供电电网相连；功率电流发生器由一模拟负载指令电流运算器和电流跟踪控制器控制，使其向被测电源输出一个满足模拟负载关系的功率电流；能量回馈由直流侧电容器电压控制器、正弦信号发生器和电流跟踪控制器控制，使其向供电电网输出一个与电网电压同频的正弦电流，将模拟负载装置“吸收”的有功功率回馈到电网。

2.根据权利要求1所述的电气负载通用模拟装置，其特征是：所述模拟负载指令电流运算器根据负载形式确定被测电源电压与负载电流的关系，即：i_ref(t)＝f(e(t))，式中e(t)为被测电源电压，i_ref(t)为模拟负载电流指令值，f(.)为其函数关系，模拟负载指令电流运算器通过软件实时算法及硬件运算电路之一实时运算出模拟负载电流指令值。

3.根据权利要求1所述的电气负载通用模拟装置，其特征是：下列恒频滞环预测算法可用于所述的电流跟踪控制器，该算法通过被测电源电压、直流侧电容器电压、电流指令值以及给定的开关周期，实现对下一个开关周期的滞环进行预测计算，即：

hl = \frac{(S_{p} - S_{r}) (S_{n} + S_{r})}{2 (S_{p} + S_{r})} T_{r}

其中：

hl为模拟负载电流跟踪控制器的施密特比较器的滞环；

Tr为功率电流发生器的开关功率管通/断的开关周期；

S_{p} = \frac{U_{c} + e}{Ll};

S_{n} = \frac{U_{c} - e}{L 1};

S_{r} = \frac{{Di}_{r}}{T_{r}};

其中：

Uc为模拟负载主电路直流侧电容器电压；

e为被测电源电压；

L1为模拟负载功率电流发生器交流输出侧的串联电感的电感量；

Di_r为模拟负载电流指令值在开关周期Tr内的变化增量。

4.根据权利要求1或3所述的电气负载通用模拟装置，其特征是：下列带有开关周期闭环校正的恒频滞环预测算法可用于所述的电流跟踪控制器：

hl (k + 1) = α (k + 1) \frac{(S_{p} - S_{r}) (S_{n} + S_{r})}{2 (S_{p} + S_{r})} T_{r}

其中：

k表示本开关周期；

k+1表示下一个开关周期；

α为校正系数，有

α(k+1)＝α(k)+β(T_r-T(k))

α(0)＝1

其中：

T(k)为本开关周期的实测周期时间值；

β为正系数。

5.根据权利要求1所述的电气负载通用模拟装置，其特征是：所述该模拟装置与供电电源之间采用工频变压器隔离。

6.根据权利要求1所述的电气负载通用模拟装置，其特征是：所述功率电流发生器主电路和能量回馈主电路之间采用带高频变压器的双向功率DC/DC变换器进行电气隔离。