基于电流型PWM整流器的电子模拟负载系统研究

前言

　　通常，直流电源出厂前都需要进行老化试验及电源输出特性试验，国外发达国家一般都采用电子模拟负载系统进行类似的试验，将试验过程的能量回馈电网。由于这样的系统一般都比较昂贵，因此我国只有极少数电源生产厂商在出厂考核时使用电子模拟功率负载。

　　对于有些场合，电源的放电也可以采用由晶闸管组成的有源逆变电路来实现，但因其功率因数差，谐波含量高，不能满足相关的国际及国家的谐波标准，因而不适合大功率的应用场合。

　　为解决这一问题我们曾经研制了利用电压型PWM整流器实现的电子模拟功率负载，它是一种利用电力电子技术、计算机控制技术及电力系统自动化技术设计实现，用于对各种直流电源进行考核试验的实验装置。尽管由电压型PWM整流器实现的电子模拟负载系统能进行恒压输出的电源系统试验，然而对于输出电压在一定范围内变化的直流电源及蓄电池电源（端电压在放电过程中逐渐下降），因为电压型PWM整流器的直流侧至交流侧具有降压的特性，所以很难设计利用电压型PWM整流器实现的电子模拟功率负载，以满足在被试电源输出电压较低时或蓄电池因放电而输出电压降低时整个范围的要求。

　　针对上述分析，通过对电压型及电流型PWM整流器特性的比较，提出了一种利用电流型PWM整流器直、交流变换的升压特性实现的电子模拟功率负载系统。该系统除了具有电压型PWM整流器功率因数高、输出连续可调的优点外，还能满足输出电压变化的电源的试验要求，且具有可靠性高等优点。

　　方案选择

　　电压型PWM整流器与电流型PWM整流器的特点比较

　　尽管电压型PWM整流器与电流型PWM整流器均能实现交流至直流及直流至交流的能量变换，但因其电路结构不同而各有其特点。从滤波结构上看，二者具有对偶特性，如表1所示。

表1 电压型PWM整流器与电流型PWM整流器的特性

　　采用电流型PWM整流器的原因

　　对于输出电压恒定的被试电源，采用电压型PWM整流器能够很好的满足试验系统的要求，然而对于被试电源输出电压不恒定的情况，由于电压型PWM整流器的直流侧电压要大于等于其交流侧电压的峰值，从很好的满足试验要求的角度出发，很难实现对整流器的设计，如被试直流电源的电压变化范围为20％～100％的额定电压，则若按20％额定电压时设计交流额定电压的等级，则在100％的额定电压工作时会使得交流电流很大；若按100％额定电压设计，则在直流电压较低时逆变上网的电流会随直流电压的降低出现越来越严重的畸变现象。对于蓄电池的测试，因其在放电时输出电压会下降，所以与输出电压变化的电源具有同样的性质。由上述分析可以看出在这种情况下利用电流型PWM整流器实现电子模拟负载，可以方便的实现实验电能的回馈电网。

　　基本原理

　　电子负载模拟原理

　　电子模拟负载应用系统原理如图1所示，被试电源从工业电网取得交流电能，其输出为直流，该直流作为模拟负载系统的输入。图1中的"负载模拟单元"即本文所述系统的核心部分，主要由电流型PWM整流器及滤波元件实现，用以取代传统的电阻能耗型负载。它的逆变能量经隔离变压器Tr后被实验系统循环使用，以此达到节约能源的目的。能量流动方向如图1所示。

图1 电子模拟负载系统原理

　　若设被试电源VDC从电网吸收的电能容量为100kW，效率为95％；负载模拟单元SL的效率为95％，变压器的效率为98％，则被试电源吸收功率：P1=100kW；被试电源输出：P2=100kW×95％=95kW；模拟负载输出：P3=95kW×95％=90.25kW。变压器输出：P4=90.25kW×98%=88.5kW。由此可见实验系统的总耗能为P0＝P1－P4＝11.5kW。即要完成100kW的功率试验，其能源功率消耗仅为11.5kW，这大大降低了实验系统对供电的要求。

　　对于蓄电池放电实验，与上述系统不同的是其所释放出的电能完全被电网所吸收，以供其他用电用户使用，此时的工况相当于电力系统中发电机的并网运行。

　　由上述分析可知，若要实现对阻性负载的模拟，同时将电能反馈电网，只要利用图2所示的PWM整流器进行逆变控制使其电能从直流侧向交流侧流动即可。

　　电流型PWM整流器控制

　　电流型PWM整流器原理图如图2所示。

图2 PWM整流器原理图

　　图2中VT1～VT6：主开关管IGBT；C：交流侧储能滤波电容；LA、LB、LC：PWM整流器至电网之间的滤波电感，为使得PWM整流器逆变到电网的电流谐波符合IEC1000-3-2标准而设置，它的引入可减少滤波储能电容的值；Ld：直流侧滤波电感，主要作用是存储电能变换过程中的无功能量；LEM：直流侧电压检测。

图3为PWM整流器A相的等效电路，图中us，IP分别为电网电压矢量和电流型逆变器输出的A相电流基波的