交流電子負(fù)載的發(fā)展過(guò)程及展望

1 概述

交流電源在研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中或產(chǎn)品出廠前都需要進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)以檢驗(yàn)電源的電氣性能和輸出能力。目前，電源試驗(yàn)和性能檢測(cè)一般都是通過(guò)無(wú)源負(fù)載進(jìn)行的。無(wú)源負(fù)載包括阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載以及阻感容混合負(fù)載等。無(wú)源負(fù)載在電源試驗(yàn)中，有功電能均通過(guò)阻性負(fù)載消耗，能耗大、發(fā)熱量大、穩(wěn)定性差，并且還存在負(fù)載調(diào)節(jié)不便等缺點(diǎn)。

交流電子負(fù)載是指能模擬真實(shí)負(fù)載某些特性的電子設(shè)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(duì)于非線性負(fù)載的某些特性也可模擬。電子負(fù)載通過(guò)控制輸入電流達(dá)到模擬各種負(fù)載的目的，具有調(diào)節(jié)方便、通用性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是電源試驗(yàn)測(cè)試用負(fù)載的發(fā)展方向。

交流電子負(fù)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(fù)載模擬功能強(qiáng)、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。但能量消耗型電子負(fù)載從電源吸收的有功電能仍須通過(guò)電阻消耗，而能量回饋電網(wǎng)型電子負(fù)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(guān)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(guān)狀態(tài)，與一般工作在放大狀態(tài)的電子負(fù)載相比它可很容易地實(shí)現(xiàn)大功率應(yīng)用的要求，因而具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

能量回饋型電子負(fù)載的關(guān)鍵技術(shù)是無(wú)污染回饋電網(wǎng)技術(shù)和負(fù)載電流特性模擬技術(shù)。目前，采用晶閘管有源逆變回饋電網(wǎng)的技術(shù)在國(guó)內(nèi)是成熟技術(shù)，該技術(shù)在繞線式交流異步電機(jī)串級(jí)調(diào)速、直流電動(dòng)機(jī)四象限調(diào)速運(yùn)行等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用;在電子負(fù)載應(yīng)用方面，也已用于蓄電池生產(chǎn)過(guò)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(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)形成污染，限制了它的推廣應(yīng)用。

2 交流電子負(fù)載發(fā)展過(guò)程

2.1 針對(duì)UPS老化測(cè)試的電子負(fù)載

針對(duì)UPS老化測(cè)試的交流電子負(fù)載的學(xué)術(shù)研究已有10余年[1-8]。最初的方案[1-2]相當(dāng)于在UPS和電網(wǎng)間串入一受控電壓源，通過(guò)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(fù)雜而且有功和無(wú)功控制不解耦。

文獻(xiàn)[3-6]提出的主電路結(jié)構(gòu)與圖1 相似，圖1虛線框包圍的部分為交流電子負(fù)載，AC/DC 部分為任意形式的整流器，其余部分實(shí)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(hào)，借助適當(dāng)?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(duì)于大多數(shù)UPS而言，輸入級(jí)為不控整流，從而可能導(dǎo)致IS含有大量諧波造成對(duì)電網(wǎng)的污染。

文獻(xiàn)[7-8]為解決電流諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，提出將電網(wǎng)電流IS控制成正弦波。這相當(dāng)于用電子負(fù)載的并網(wǎng)部分實(shí)現(xiàn)有源濾波器的功能，涉及到諧波的提取及補(bǔ)償?shù)确矫娴膬?nèi)容，須要大量的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難。為簡(jiǎn)化控制，在給定I RE為正弦信號(hào)時(shí)，將原并網(wǎng)電流IRE的反饋取為電網(wǎng)電流IS，強(qiáng)迫電網(wǎng)電流為正弦波形[7-8]。從給出的實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)正弦波形相差較多。

2.2 具有模擬任意線性負(fù)載特性功能的電子負(fù)載

文獻(xiàn)[9]利用V/I轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電流放大器，從而具有負(fù)載模擬功能，分離元件很多、控制復(fù)雜、不易實(shí)現(xiàn)大功率應(yīng)用。

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

文獻(xiàn)[10，11，21]提出了針對(duì)非正弦波形的模擬方案，對(duì)跟蹤非線性負(fù)載電流波形、階躍電流波形等

進(jìn)行了一些分析，但對(duì)于穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、響應(yīng)時(shí)間等沒有進(jìn)行定量的分析。

文獻(xiàn)[18-21]提出了一種消除功率管開關(guān)引起的電流諧波的方案，在輸入級(jí)增加了1 個(gè)電感和1個(gè)電容，如圖3所示。通過(guò)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(guān)頻率次諧波電流經(jīng)電容泄放，而L1上只有基波電流通過(guò)。這種方案從理論上是可行的，但給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有與文獻(xiàn)[10-17]的結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)際效果不能確定。

2.3 具有能量回饋功能的通用電子負(fù)載

文獻(xiàn)[11，17，21]提出了具有能量回饋功能的通用電子負(fù)載的設(shè)計(jì)方法，如圖4所示。兩個(gè)PWM 整流器共用一個(gè)直流側(cè)電容，與被測(cè)電源相連的前級(jí)整流器工作在整流狀態(tài)，與電網(wǎng)相連的后級(jí)整流器工作在逆變狀態(tài)。前級(jí)控制器控制被測(cè)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(jí)控制器完成。在控制上，前后級(jí)是解耦的。這種方案在實(shí)現(xiàn)任意線性負(fù)載特性模擬功能的同時(shí)，有功能量以正弦電流的形式返送回電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)污染很小。

對(duì)于被測(cè)電源造成的諧波污染，此方案是無(wú)能為力的。這些文獻(xiàn)針對(duì)的都是電壓源定頻定壓的情況，對(duì)于被測(cè)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(diào)節(jié)器，對(duì)于正弦信號(hào)，輸出肯定有穩(wěn)態(tài)誤差。

3 交流電子負(fù)載的市場(chǎng)現(xiàn)狀

國(guó)外交流電子負(fù)載的生產(chǎn)廠商主要有HH(德國(guó))、NHR(美國(guó))、Chroma(美國(guó)生產(chǎn))等。中國(guó)國(guó)內(nèi)目前只有西安愛科電子有限公司從事交流電子負(fù)載的生產(chǎn)。

現(xiàn)有的交流電子負(fù)載產(chǎn)品均能模擬阻性負(fù)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(guó)HH的產(chǎn)品規(guī)格齊全，單機(jī)從0.7 ~ 5.2 kV·A 共7 個(gè)等級(jí)，最小輸入電壓可達(dá)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(chǎn)品性能類似，有恒功率、恒壓和短路工作模式，可模擬整流負(fù)載。NHR僅有4600一種產(chǎn)品，單機(jī)功率3 kV·A;Chroma 的63800 系列包括1.5 kV·A和45 kV·A共2個(gè)規(guī)格。國(guó)外產(chǎn)品均沒有能量回饋功能和任意功率因數(shù)線性負(fù)載模擬功能。

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

4 結(jié)語(yǔ)

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

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(guó)的高度重視。各類電源在進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)時(shí)，尤其是老化試驗(yàn)時(shí)耗費(fèi)大量電能，因此無(wú)污染地將能量回饋電網(wǎng)是電子負(fù)載發(fā)展的必然趨勢(shì)。

對(duì)于用戶而言，電子負(fù)載和實(shí)際負(fù)載的差別是其關(guān)注的主要指標(biāo)之一。基于功率開關(guān)的電氣設(shè)備均會(huì)引入開關(guān)諧波，如何消除諧波使電子負(fù)載的電流波形更接近實(shí)際負(fù)載是亟待解決的問題。

專門針對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試的電子負(fù)載也是未來(lái)的發(fā)展方向。一些電源須進(jìn)行諧波負(fù)載實(shí)驗(yàn)，如何有效且準(zhǔn)確地產(chǎn)生諧波電流源是現(xiàn)存的主要問題之一。對(duì)任意波形的模擬功能是電子負(fù)載研究的終極目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)它，還有很長(zhǎng)的路要走。