交流電子負載的發(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(chǎng)前都需要進(jìn)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(guò)無(wú)源負載進(jìn)行的。無(wú)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(wú)源負載在電源試驗中，有功電能均通過(guò)阻性負載消耗，能耗大、發(fā)熱量大、穩定性差，并且還存在負載調節不便等缺點(diǎn)。

交流電子負載是指能模擬真實(shí)負載某些特性的電子設備，它不僅可模擬不同數值的電阻、電感、電容及它們的組合，而且對于非線(xiàn)性負載的某些特性也可模擬。電子負載通過(guò)控制輸入電流達到模擬各種負載的目的，具有調節方便、通用性強、精度高、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，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(lèi)，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(diǎn)。但能量消耗型電子負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)型電子負載與它的區別在于：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(kāi)關(guān)損耗和線(xiàn)路損耗，從而最大限度地節約了電能;另一方面，由于所采用的PWM變流器工作在開(kāi)關(guān)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(shí)現大功率應用的要求，因而具有更廣闊的應用領(lǐng)域。

能量回饋型電子負載的關(guān)鍵技術(shù)是無(wú)污染回饋電網(wǎng)技術(shù)和負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)在國內是成熟技術(shù)，該技術(shù)在繞線(xiàn)式交流異步電機串級調速、直流電動(dòng)機四象限調速運行等領(lǐng)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(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、功率因數低等缺點(diǎn)，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(guò)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(xué)術(shù)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(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(lèi)似于電壓源并入電網(wǎng)，控制策略復雜而且有功和無(wú)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(xiàn)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(shí)際為一PWM 整流

器，只要直流母線(xiàn)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，借助適當的控制策略，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(shí)現有源濾波器的功能，涉及到諧波的提取及補償等方面的內容，須要大量的計算，實(shí)現起來(lái)很困難。為簡(jiǎn)化控制，在給定I RE為正弦信號時(shí)，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(shí)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(xiàn)性負載特性功能的電子負載

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

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(shí)現模擬任意線(xiàn)性負載特性的功能。圖2給出了示意圖，虛線(xiàn)框內為電子負載，直流母線(xiàn)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[10，11，21]提出了針對非正弦波形的模擬方案，對跟蹤非線(xiàn)性負載電流波形、階躍電流波形等

進(jìn)行了一些分析，但對于穩定性、穩態(tài)誤差、響應時(shí)間等沒(méi)有進(jìn)行定量的分析。

文獻[18-21]提出了一種消除功率管開(kāi)關(guān)引起的電流諧波的方案，在輸入級增加了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中，使開(kāi)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)驗結果沒(méi)有與文獻[10-17]的結果進(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(gè)PWM 整流器共用一個(gè)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(xiàn)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(shí)現任意線(xiàn)性負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(wú)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PI 或PID 調節器，對于正弦信號，輸出肯定有穩態(tài)誤差。

3 交流電子負載的市場(chǎng)現狀

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

現有的交流電子負載產(chǎn)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(chǎn)品規格齊全，單機從0.7 ~ 5.2 kV·A 共7 個(gè)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(chǎn)品性能類(lèi)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(chǎn)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(gè)規格。國外產(chǎn)品均沒(méi)有能量回饋功能和任意功率因數線(xiàn)性負載模擬功能。

西安愛(ài)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(wú)污染(效率>80%，并網(wǎng)電流THD2%)。模擬正弦電流時(shí)，功率因數和電流有效值可設定，解決了同類(lèi)產(chǎn)品只能模擬阻性負載的問(wèn)題。各個(gè)公司產(chǎn)品性能及價(jià)格如表1所列。

4 結語(yǔ)

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

越明顯。

在能源短缺的今天，新能源利用和節約能源已引起了世界各國的高度重視。各類(lèi)電源在進(jìn)行各種實(shí)驗時(shí)，尤其是老化試驗時(shí)耗費大量電能，因此無(wú)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(hù)而言，電子負載和實(shí)際負載的差別是其關(guān)注的主要指標之一?；诠β书_(kāi)關(guān)的電氣設備均會(huì )引入開(kāi)關(guān)諧波，如何消除諧波使電子負載的電流波形更接近實(shí)際負載是亟待解決的問(wèn)題。

專(zhuān)門(mén)針對動(dòng)態(tài)測試的電子負載也是未來(lái)的發(fā)展方向。一些電源須進(jìn)行諧波負載實(shí)驗，如何有效且準確地產(chǎn)生諧波電流源是現存的主要問(wèn)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(shí)現它，還有很長(cháng)的路要走。