基于電流型PWM整流器的電子模擬負載系統研究

　前言

　　通常，直流電源出廠(chǎng)前都需要進(jìn)行老化試驗及電源輸出特性試驗，國外發(fā)達國家一般都采用電子模擬負載系統進(jìn)行類(lèi)似的試驗，將試驗過(guò)程的能量回饋電網(wǎng)。由于這樣的系統一般都比較昂貴，因此我國只有極少數電源生產(chǎn)廠(chǎng)商在出廠(chǎng)考核時(shí)使用電子模擬功率負載。

　　對于有些場(chǎng)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(lái)實(shí)現，但因其功率因數差，諧波含量高，不能滿(mǎn)足相關(guān)的國際及國家的諧波標準，因而不適合大功率的應用場(chǎng)合。

　　為解決這一問(wèn)題我們曾經(jīng)研制了利用電壓型PWM整流器實(shí)現的電子模擬功率負載，它是一種利用電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)及電力系統自動(dòng)化技術(shù)設計實(shí)現，用于對各種直流電源進(jìn)行考核試驗的實(shí)驗裝置。盡管由電壓型PWM整流器實(shí)現的電子模擬負載系統能進(jìn)行恒壓輸出的電源系統試驗，然而對于輸出電壓在一定范圍內變化的直流電源及蓄電池電源（端電壓在放電過(guò)程中逐漸下降），因為電壓型PWM整流器的直流側至交流側具有降壓的特性，所以很難設計利用電壓型PWM整流器實(shí)現的電子模擬功率負載，以滿(mǎn)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(guò)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)現的電子模擬功率負載系統。該系統除了具有電壓型PWM整流器功率因數高、輸出連續可調的優(yōu)點(diǎn)外，還能滿(mǎn)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(shí)現交流至直流及直流至交流的能量變換，但因其電路結構不同而各有其特點(diǎn)。從濾波結構上看，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(mǎn)足試驗系統的要求，然而對于被試電源輸出電壓不恒定的情況，由于電壓型PWM整流器的直流側電壓要大于等于其交流側電壓的峰值，從很好的滿(mǎn)足試驗要求的角度出發(fā)，很難實(shí)現對整流器的設計，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(shí)設計交流額定電壓的等級，則在100％的額定電壓工作時(shí)會(huì )使得交流電流很大；若按100％額定電壓設計，則在直流電壓較低時(shí)逆變上網(wǎng)的電流會(huì )隨直流電壓的降低出現越來(lái)越嚴重的畸變現象。對于蓄電池的測試，因其在放電時(shí)輸出電壓會(huì )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)現電子模擬負載，可以方便的實(shí)現實(shí)驗電能的回饋電網(wǎng)。

　　基本原理

　　電子負載模擬原理

　　電子模擬負載應用系統原理如圖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，該直流作為模擬負載系統的輸入。圖1中的“負載模擬單元”即本文所述系統的核心部分，主要由電流型PWM整流器及濾波元件實(shí)現，用以取代傳統的電阻能耗型負載。它的逆變能量經(jīng)隔離變壓器Tr后被實(shí)驗系統循環(huán)使用，以此達到節約能源的目的。能量流動(dòng)方向如圖1所示。

圖1 電子模擬負載系統原理

　　若設被試電源VDC從電網(wǎng)吸收的電能容量為100kW，效率為95％；負載模擬單元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；模擬負載輸出：P3=95kW×95％=90.25kW。變壓器輸出：P4=90.25kW×98%=88.5kW。由此可見(jiàn)實(shí)驗系統的總耗能為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(shí)驗系統對供電的要求。

　　對于蓄電池放電實(shí)驗，與上述系統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(hù)使用，此時(shí)的工況相當于電力系統中發(fā)電機的并網(wǎng)運行。

　　由上述分析可知，若要實(shí)現對阻性負載的模擬，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向交流側流動(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(kāi)關(guān)管IGBT；C：交流側儲能濾波電容；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標準而設置，它的引入可減少濾波儲能電容的值；Ld：直流側濾波電感，主要作用是存儲電能變換過(guò)程中的無(wú)功能量；LEM：直流側電壓檢測。

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(xiàn)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