交流電子負載的發(fā)展過程及展望

1 概述

交流電源在研發(fā)生產過程中或產品出廠前都需要進行負載試驗以檢驗電源的電氣性能和輸出能力。目前，電源試驗和性能檢測一般都是通過無源負載進行的。無源負載包括阻性負載、感性負載、容性負載以及阻感容混合負載等。無源負載在電源試驗中，有功電能均通過阻性負載消耗，能耗大、發(fā)熱量大、穩(wěn)定性差，并且還存在負載調節(jié)不便等缺點。

交流電子負載是指能模擬真實負載某些特性的電子設備，它不僅可模擬不同數(shù)值的電阻、電感、電容及它們的組合，而且對于非線性負載的某些特性也可模擬。電子負載通過控制輸入電流達到模擬各種負載的目的，具有調節(jié)方便、通用性強、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是電源試驗測試用負載的發(fā)展方向。

交流電子負載又分為能量消耗型和能量回饋型兩類，由于輸入電流受控，兩者均具有電子負載模擬功能強、控制精度高的優(yōu)點。但能量消耗型電子負載從電源吸收的有功電能仍須通過電阻消耗，而能量回饋電網(wǎng)型電子負載與它的區(qū)別在于：一方面，它從被試電源吸收的電能可最大量的為被試電源循環(huán)使用，損耗僅僅是變流器的開關損耗和線路損耗，從而最大限度地節(jié)約了電能;另一方面，由于所采用的PWM變流器工作在開關狀態(tài)，與一般工作在放大狀態(tài)的電子負載相比它可很容易地實現(xiàn)大功率應用的要求，因而具有更廣闊的應用領域。

能量回饋型電子負載的關鍵技術是無污染回饋電網(wǎng)技術和負載電流特性模擬技術。目前，采用晶閘管有源逆變回饋電網(wǎng)的技術在國內是成熟技術，該技術在繞線式交流異步電機串級調速、直流電動機四象限調速運行等領域已經(jīng)得到廣泛應用;在電子負載應用方面，也已用于蓄電池生產過程中的極板化成放電和電池放電。但存在回饋電網(wǎng)的電流諧波大、功率因數(shù)低等缺點，對電網(wǎng)形成污染，限制了它的推廣應用。

2 交流電子負載發(fā)展過程

2.1 針對UPS老化測試的電子負載

針對UPS老化測試的交流電子負載的學術研究已有10余年[1-8]。最初的方案[1-2]相當于在UPS和電網(wǎng)間串入一受控電壓源，通過改變受控電壓源的電壓幅值和相位，使有功能量可返回電網(wǎng)。這種控制方案類似于電壓源并入電網(wǎng)，控制策略復雜而且有功和無功控制不解耦。

文獻[3-6]提出的主電路結構與圖1 相似，圖1虛線框包圍的部分為交流電子負載，AC/DC 部分為任意形式的整流器，其余部分實際為一PWM 整流

器，只要直流母線電壓高于電網(wǎng)電壓峰值，并網(wǎng)電流IRE可位于任一象限。若將IRE控制為與電網(wǎng)電壓相位相差180°，有功能量可返回電網(wǎng)。由于IRE的給定為正弦信號，借助適當?shù)目刂撇呗?，IRE的波形很接近正弦，但是UPS 的輸入電流IIN若含有諧波，則電網(wǎng)電流IS也將含有諧波。對于大多數(shù)UPS而言，輸入級為不控整流，從而可能導致IS含有大量諧波造成對電網(wǎng)的污染。

文獻[7-8]為解決電流諧波對電網(wǎng)的污染，提出將電網(wǎng)電流IS控制成正弦波。這相當于用電子負載的并網(wǎng)部分實現(xiàn)有源濾波器的功能，涉及到諧波的提取及補償?shù)确矫娴膬热?，須要大量的計算，實現(xiàn)起來很困難。為簡化控制，在給定I RE為正弦信號時，將原并網(wǎng)電流IRE的反饋取為電網(wǎng)電流IS，強迫電網(wǎng)電流為正弦波形[7-8]。從給出的實驗波形看，電網(wǎng)電流IS雖比原方案[3-6]的波形畸變小，但與標準正弦波形相差較多。

2.2 具有模擬任意線性負載特性功能的電子負載

文獻[9]利用V/I轉換電路實現(xiàn)電流放大器，從而具有負載模擬功能，分離元件很多、控制復雜、不易實現(xiàn)大功率應用。

文獻[10-17]采用PWM整流器作為主電路拓撲，利用PWM整流器可四象限運行的特性，控制輸入電流使其與電源電壓的相位差可調，從而實現(xiàn)模擬任意線性負載特性的功能。圖2給出了示意圖，虛線框內為電子負載，直流母線貯存的能量被消耗掉或通過某種方式將有功能量返送回電網(wǎng)。

文獻[10，11，21]提出了針對非正弦波形的模擬方案，對跟蹤非線性負載電流波形、階躍電流波形等

進行了一些分析，但對于穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、響應時間等沒有進行定量的分析。

文獻[18-21]提出了一種消除功率管開關引起的電流諧波的方案，在輸入級增加了1 個電感和1個電容，如圖3所示。通過將L1的電流、L2的電流和C1的電壓引入控制系統(tǒng)中，使開關頻率次諧波電流經(jīng)電容泄放，而L1上只有基波電流通過。這種方案從理論上是可行的，但給出的實驗結果沒有與文獻[10-17]的結果進行比較，實際效果不能確定。

2.3 具有能量回饋功能的通用電子負載

文獻[11，17，21]提出了具有能量回饋功能的通用電子負載的設計方法，如圖4所示。兩個PWM 整流器共用一個直流側電容，與被測電源相連的前級整流器工作在整流狀態(tài)，與電網(wǎng)相連的后級整流器工作在逆變狀態(tài)。前級控制器控制被測電源的輸出電流，直流母線電壓和并網(wǎng)電流的控制由后級控制器完成。在控制上，前后級是解耦的。這種方案在實現(xiàn)任意線性負載特性模擬功能的同時，有功能量以正弦電流的形式返送回電網(wǎng)，對電網(wǎng)污染很小。

對于被測電源造成的諧波污染，此方案是無能為力的。這些文獻針對的都是電壓源定頻定壓的情況，對于被測電壓源頻率和幅值大范圍變化的情況未作考慮，均采用傳統(tǒng)PI 或PID 調節(jié)器，對于正弦信號，輸出肯定有穩(wěn)態(tài)誤差。

3 交流電子負載的市場現(xiàn)狀

國外交流電子負載的生產廠商主要有HH(德國)、NHR(美國)、Chroma(美國生產)等。中國國內目前只有西安愛科電子有限公司從事交流電子負載的生產。

現(xiàn)有的交流電子負載產品均能模擬阻性負載，工作方式都包含恒流和恒阻模式，輸入電壓頻率范圍為40~500Hz(略有差異)。德國HH的產品規(guī)格齊全，單機從0.7 ~ 5.2 kV·A 共7 個等級，最小輸入電壓可達2 V(RMS)，而且具有諧波模擬功能，最大可模擬9 次諧波(基波400 Hz、諧波含量30%)。NHR和Chroma 的產品性能類似，有恒功率、恒壓和短路工作模式，可模擬整流負載。NHR僅有4600一種產品，單機功率3 kV·A;Chroma 的63800 系列包括1.5 kV·A和45 kV·A共2個規(guī)格。國外產品均沒有能量回饋功能和任意功率因數(shù)線性負載模擬功能。

西安愛科的EL6200 單機功率3 kV·A，有恒功率工作模式，可模擬整流負載。能量回饋功能使有功能量絕大部分返回電網(wǎng)且對電網(wǎng)無污染(效率>80%，并網(wǎng)電流THD2%)。模擬正弦電流時，功率因數(shù)和電流有效值可設定，解決了同類產品只能模擬阻性負載的問題。各個公司產品性能及價格如表1所列。

4 結語

交流電子負載作為電源測試的重要手段，隨著電源測試集成化、一體化的發(fā)展趨勢，其重要性越來

越明顯。

在能源短缺的今天，新能源利用和節(jié)約能源已引起了世界各國的高度重視。各類電源在進行各種實驗時，尤其是老化試驗時耗費大量電能，因此無污染地將能量回饋電網(wǎng)是電子負載發(fā)展的必然趨勢。

對于用戶而言，電子負載和實際負載的差別是其關注的主要指標之一?；诠β书_關的電氣設備均會引入開關諧波，如何消除諧波使電子負載的電流波形更接近實際負載是亟待解決的問題。

專門針對動態(tài)測試的電子負載也是未來的發(fā)展方向。一些電源須進行諧波負載實驗，如何有效且準確地產生諧波電流源是現(xiàn)存的主要問題之一。對任意波形的模擬功能是電子負載研究的終極目標，要實現(xiàn)它，還有很長的路要走。