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)行老化試驗及電源輸出特性試驗，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，將試驗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)、計算機(jī)控制技術(shù)及電力系統(tǒng)自動化技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)，用于對各種直流電源進(jìn)行考核試驗的實驗裝置。盡管由電壓型PWM整流器實現(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，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），因為電壓型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)計利用電壓型PWM整流器實現(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或蓄電池因放電而輸出電壓降低時整個范圍的要求。

　　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，從很好的滿足試驗要求的角度出發(fā)，很難實現(xiàn)對整流器的設(shè)計，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％額定電壓時設(shè)計交流額定電壓的等級，則在100％的額定電壓工作時會使得交流電流很大；若按100％額定電壓設(shè)計，則在直流電壓較低時逆變上網(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整流器實現(xiàn)電子模擬負(fù)載，可以方便的實現(xiàn)實驗電能的回饋電網(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后被實驗系統(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。由此可見實驗系統(tǒng)的總耗能為P0＝P1－P4＝11.5kW。即要完成100kW的功率試驗，其能源功率消耗僅為11.5kW，這大大降低了實驗系統(tǒng)對供電的要求。

　　對于蓄電池放電實驗，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，若要實現(xiàn)對阻性負(fù)載的模擬，同時將電能反饋電網(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