基于電流型PWM整流器的電子模擬負(fù)載系統(tǒng)研究

　前言

　　通常，直流電源出廠前都需要進(jìn)行老化試驗(yàn)及電源輸出特性試驗(yàn)，國外發(fā)達(dá)國家一般都采用電子模擬負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行類似的試驗(yàn)，將試驗(yàn)過程的能量回饋電網(wǎng)。由于這樣的系統(tǒng)一般都比較昂貴，因此我國只有極少數(shù)電源生產(chǎn)廠商在出廠考核時(shí)使用電子模擬功率負(fù)載。

　　對于有些場合，電源的放電也可以采用由晶閘管組成的有源逆變電路來實(shí)現(xiàn)，但因其功率因數(shù)差，諧波含量高，不能滿足相關(guān)的國際及國家的諧波標(biāo)準(zhǔn)，因而不適合大功率的應(yīng)用場合。

　　為解決這一問題我們曾經(jīng)研制了利用電壓型PWM整流器實(shí)現(xiàn)的電子模擬功率負(fù)載，它是一種利用電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，用于對各種直流電源進(jìn)行考核試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置。盡管由電壓型PWM整流器實(shí)現(xiàn)的電子模擬負(fù)載系統(tǒng)能進(jìn)行恒壓輸出的電源系統(tǒng)試驗(yàn)，然而對于輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化的直流電源及蓄電池電源（端電壓在放電過程中逐漸下降），因?yàn)殡妷盒?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/PWM">PWM整流器的直流側(cè)至交流側(cè)具有降壓的特性，所以很難設(shè)計(jì)利用電壓型PWM整流器實(shí)現(xiàn)的電子模擬功率負(fù)載，以滿足在被試電源輸出電壓較低時(shí)或蓄電池因放電而輸出電壓降低時(shí)整個(gè)范圍的要求。

　　針對上述分析，通過對電壓型及電流型PWM整流器特性的比較，提出了一種利用電流型PWM整流器直、交流變換的升壓特性實(shí)現(xiàn)的電子模擬功率負(fù)載系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了具有電壓型PWM整流器功率因數(shù)高、輸出連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)外，還能滿足輸出電壓變化的電源的試驗(yàn)要求，且具有可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

　　方案選擇

　　電壓型PWM整流器與電流型PWM整流器的特點(diǎn)比較

　　盡管電壓型PWM整流器與電流型PWM整流器均能實(shí)現(xiàn)交流至直流及直流至交流的能量變換，但因其電路結(jié)構(gòu)不同而各有其特點(diǎn)。從濾波結(jié)構(gòu)上看，二者具有對偶特性，如表1所示。

表1 電壓型PWM整流器與電流型PWM整流器的特性

　　采用電流型PWM整流器的原因

　　對于輸出電壓恒定的被試電源，采用電壓型PWM整流器能夠很好的滿足試驗(yàn)系統(tǒng)的要求，然而對于被試電源輸出電壓不恒定的情況，由于電壓型PWM整流器的直流側(cè)電壓要大于等于其交流側(cè)電壓的峰值，從很好的滿足試驗(yàn)要求的角度出發(fā)，很難實(shí)現(xiàn)對整流器的設(shè)計(jì)，如被試直流電源的電壓變化范圍為20％～100％的額定電壓，則若按20％額定電壓時(shí)設(shè)計(jì)交流額定電壓的等級，則在100％的額定電壓工作時(shí)會使得交流電流很大；若按100％額定電壓設(shè)計(jì)，則在直流電壓較低時(shí)逆變上網(wǎng)的電流會隨直流電壓的降低出現(xiàn)越來越嚴(yán)重的畸變現(xiàn)象。對于蓄電池的測試，因其在放電時(shí)輸出電壓會下降，所以與輸出電壓變化的電源具有同樣的性質(zhì)。由上述分析可以看出在這種情況下利用電流型PWM整流器實(shí)現(xiàn)電子模擬負(fù)載，可以方便的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)電能的回饋電網(wǎng)。

　　基本原理

　　電子負(fù)載模擬原理

　　電子模擬負(fù)載應(yīng)用系統(tǒng)原理如圖1所示，被試電源從工業(yè)電網(wǎng)取得交流電能，其輸出為直流，該直流作為模擬負(fù)載系統(tǒng)的輸入。圖1中的“負(fù)載模擬單元”即本文所述系統(tǒng)的核心部分，主要由電流型PWM整流器及濾波元件實(shí)現(xiàn)，用以取代傳統(tǒng)的電阻能耗型負(fù)載。它的逆變能量經(jīng)隔離變壓器Tr后被實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)循環(huán)使用，以此達(dá)到節(jié)約能源的目的。能量流動(dòng)方向如圖1所示。

圖1 電子模擬負(fù)載系統(tǒng)原理

　　若設(shè)被試電源VDC從電網(wǎng)吸收的電能容量為100kW，效率為95％；負(fù)載模擬單元SL的效率為95％，變壓器的效率為98％，則被試電源吸收功率：P1=100kW；被試電源輸出：P2=100kW×95％=95kW；模擬負(fù)載輸出：P3=95kW×95％=90.25kW。變壓器輸出：P4=90.25kW×98%=88.5kW。由此可見實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總耗能為P0＝P1－P4＝11.5kW。即要完成100kW的功率試驗(yàn)，其能源功率消耗僅為11.5kW，這大大降低了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對供電的要求。

　　對于蓄電池放電實(shí)驗(yàn)，與上述系統(tǒng)不同的是其所釋放出的電能完全被電網(wǎng)所吸收，以供其他用電用戶使用，此時(shí)的工況相當(dāng)于電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行。

　　由上述分析可知，若要實(shí)現(xiàn)對阻性負(fù)載的模擬，同時(shí)將電能反饋電網(wǎng)，只要利用圖2所示的PWM整流器進(jìn)行逆變控制使其電能從直流側(cè)向交流側(cè)流動(dòng)即可。

　　電流型PWM整流器控制

　　電流型PWM整流器原理圖如圖2所示。

圖2 PWM整流器原理圖

　　圖2中VT1～VT6：主開關(guān)管IGBT；C：交流側(cè)儲能濾波電容；LA、LB、LC：PWM整流器至電網(wǎng)之間的濾波電感，為使得PWM整流器逆變到電網(wǎng)的電流諧波符合IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)置，它的引入可減少濾波儲能電容的值；Ld：直流側(cè)濾波電感，主要作用是存儲電能變換過程中的無功能量；LEM：直流側(cè)電壓檢測。

圖3為PWM整流器A相的等效電路，圖中us，IP分別為電網(wǎng)電壓矢量和電流型逆變器輸出的A相電流基波的矢量，RS為線路電阻，Cs為儲能濾波電容。

圖3 PWM整流器A相的等效電路

　　逆變工況的基波矢量圖如圖4所示。

圖4 逆變工況的基波矢量圖