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能馈型电子负载电流跟踪控制及电路设计.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.42M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 能馈型电子负载电流跟踪控制及电路设计 刘美茵，王明彦，李彬彬* （哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨 150001） 摘要：能馈型电子负载的核心功能为负载模拟与能量回馈，通过控制输入电流与并网逆变器 输出电流实现对电子负载模拟部分及并网部分的控制。本文阐述了电子负载的工作原理及两 部分电流控制策略，在对电子负载建模的基础上，通过 MATLAB 仿真软件，对电子负载动、 静态环境下输入侧电流跟踪情况进行仿真，对仿真结果进行分析比较，并设计了采用 DSP2812 作为控制单元的电子负载硬件电路，具有良好的工作特性。 关键词： 电子负载；电流跟踪；并网逆变器；DSP 中图分类号：TP316 Current Tracking control of energy feedback eletronic power load and the circuit design LIU Meiyin, WANG Mingyan, Li Binbin (Department of Electrical Engineering, Harbin Institute Of Technology, Harbin 150001) Abstract: The core functions of electronic power load are load simulation and energy feedback to the grid.By controlling the input current and the output current of grid-connected inverter, implement the control of the load simulation and the grid-connected inverter of electronic power load.This paper depict the principle of the electronic power load and the current control stategy of two parts.On the base of establish the electronic power load modeling, through MATLAB simulation software, simulate the situation of tracking input current for electronic power load in the static and dynamic state, analysis and compare the result of the simulation,and design the hardware circuit of electronic power load using DSP2812 as the control unit, having well work characterstic. Key words: electronic power load; current control; grid-connected inverter; DSP 0 引言 电源在出厂前必须进行电源老化试验、电源带载试验与输出特性试验等检测，以满足性 能指标符合出厂要求，传统的方法是运用对传统的静态电阻作为负载对其进行测试[1]，但由 于实际电源所接负载的形式较为复杂，且测试时会造成大量的能量损耗，而能馈型电子负载 可以满足实际负载的动态性能要求，同时将电能回馈至电网达到节约能源的目的。 1 电子负载基本原理及建模 能馈型直流电子负载结构分为负载模拟部分与能量回馈两部分，其中前级 Boost 电路用 于实现负载的模拟部分，即实现电子负载的恒电流、恒功率、恒阻抗的各种工作模式；后级 逆变电路主要用于将前级的能量逆变成与电网电压同频同向的交流电回馈至电网，承担系统 的能量回馈功能，逆变器输出电流的大小取决于被测电源发出有功功率的大小[2]。 根据电子负载工作原理，建立数学模型为： 当阻抗呈现为纯阻性时： Ri U d = (1) 作者简介：刘美茵（1986-），女，硕士研究生，主要研究方向：能馈型电子负载. E-mail: meiyinsmgin@126.com - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 当阻抗呈现为阻感性时： U d = 当阻抗呈现为阻容性时： I C = Ri L + (2) d U Ri ( ) (3) di dt − d dt 电子负载工作模式一般包括恒电流、恒阻抗和恒功率模式[4]。在恒电流模式中,电子负载 可以不论输入电压大小的变化,根据给定电流参考值来吸收电流，相当于被测电源为恒定的 电流源。在恒阻抗模式中，根据给定的电阻阻值，通过电子负载模型计算出电流参考值，吸 收与输入电压成比例的电流。在恒功率模式下，给定了功率参考值，电子负载将吸收与输入 电压乘积为恒定的电流值。本文将针对恒电流及恒阻抗模式进行分析。 Discrete, Ts = 1e-006 s pow ergui 400 Constant1 PI Divide Subtract3 Scope6 Discrete PI Controller2 Sine Wave Scope8 Scope1 Subtract PI <= 0 Discrete PI Controller Subtract1 Compare T o Zero Scope2 Discrete PWM Generator Discrete PI Controller1 Subtract2 Pulses Uref PI 3 Constant Repeating Sequence + i - CM1 L1 Diode DC Voltage Source Mosfet g d m s v+ - VM3 C1 v+ - VM1 Universal Bridge + - g A B Out1 1 Scope9 Scope4 + i - CM2 L2 L3 Series RLC Branch + i - CM3 grid v+ - VM4 v+ - VM2 Scope5 图 1 电子负载系统建模 Fig.1 Electronic power load modeling Scope7 Scope3 Scope 2 电流控制策略 由电子负载的工作原理可知，电路需要对两部分电流进行控制，包括前级输入电流与后 级逆变器输出电流，控制框图如下： Grid SPWM波 PI Udc - U* dc Io PI Iref - 电网电压同步信号sinωt 图 2 输入侧电流控制策略 图 3 并网电流控制策略 Fig.2 Control stategy of input current Fig.3 Control stategy of grid-connected current 2.1 输入侧电流控制策略 前级电路的控制策略如图 2 所示，首先要确定电子负载的工作模式，根据被测电源的输 出电压 inU 计算出给定电流参考值 refI 。其中当电源输出电压恒定时（线性电源、开关电源等）， 可直接计算电流参考值，当电源输出变化时（电池类直流电源等），需要实时跟踪电源的输 出电压，计算出实时变化的电流参考值 refI ，将两种情况下计算出的 refI 与检测到的输入电流 inI 做差值，产生的误差信号通过 PI 调节器进行处理，生成的波形与三角波进行比较产生对 应的 PWM 信号，经过驱动电路控制电路中开关器件的通断。 - 2 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 2.2 并网逆变器输出电流控制策略 前级电路的控制策略如图 3 所示，给定直流母线参考电压 * dcU ，将其与检测到的直流母 线电压 dcU 做比较，生成的误差信号通过 PI 调节产生电流信号 oI ，同时检测到电网电压同步 信号 sin tω ，将两者相乘所得的信号 refI 作为输出电流参考值，将其与检测到的逆变器输出电 流值进行比较，产生的误差信号经过 PI 调节器进行调整，调整后的波形与三角波进行比较， 产生相应的 SPWM 信号，从而控制开关器件的通断[3]。 3 仿真分析 本文采用 MATLAB 仿真软件，对直流电子负载及交流电子负载稳态时各种工作模式进 行仿真分析，并对其在动态环境中电流跟踪情况进行仿真分析。 3.1 稳态时直流电子负载工作模式的仿真分析 直流电子负载仿真系统参数设定：直流电源输出电压 dU 为 180 V ，储能电感为 5 mH ， 直流母线电容为 2300 µF ，电网电压为 220 V ，频率为 50 Hz 。 在恒电流模式中，本文给定电流参考值 refI 为 6 A ，通过调节 PI 参数，得出电流跟踪波 形如下图所示。 图 4 参考电流为 6A 时电流跟踪情况 Fig.4 Current tracking situation while referenced current is 6A 由仿真波形可以看出，当给定电流参考值为 6 A 时，输入电流 inI 在 0.01s 处可以跟踪到 给定值，电流在 5.96~6.04 A 之间波动，误差为 0.6%，由于仿真电路中电感的内阻设定值很 小，因此在电路刚导通时，电流的冲击值很大。 在恒电阻模式中，给定电阻值设定为 20 Ω ，得出给定电流参考值为 11 A ，则电流跟踪 波形如下图所示。 图 5 给定电阻为 20Ω 时电流跟踪情况 Fig.5 Current tracking situation while referenced impedance 可以看出电流跟踪速度也较快，在 0.01s 附近跟踪到给定电流，输出电流在 10.9~11.04 A 之间波动，误差为 0.36%，跟踪效果比较理想。 - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 3.2 动态时直流电子负载工作情况的仿真分析 上述分析为电子负载工作在静态的环境下，给定的命令均为恒定值，没有外界扰动的影 响。当参考值在任意时刻变化或者外部条件发生突变时，考察电子负载的电流跟踪情况，是 否仍然可以快速、准确的跟踪到给定值，稳定的进行工作。本文中对输入电流参考值 refI 发 生跃迁这种情况进行分析。 输入电流参考值 refI 由 3 A 跃迁至 6 A 时，电流的跟踪情况由下图所示。可以看出当电流 给定值 refI 发生变化时，输入电流 inI 可以很好的跟踪到 refI ，响应时间较快。 图 6 输入电流发生跃迁 Fig.6 Input current transition occurs 3.3 稳态时交流电子负载工作模式的仿真分析 通过仿真波形分析工作在恒电流及恒阻抗模式下交流电子负载的工作情况，其中系统参 数设定为：交流电源输出为 220 V ，频率为 50 Hz ，电网电压为 220 V ，频率为 50 Hz ，直 流母线电容为 4700 µF 。为了保证观察的准确性，输入电压 inU 的幅值设定为实际值的 1/11。 及 在恒电流工作模式中，设定给定电流参考值分别为10A ，10 60∠ ，10 120∠ ，10 120 ，仿真波形如下图所示。 60∠ − 10 ∠ − a) 电流参考值为 10A b) 电流参考值为 10A,角度为 60o a) Current referenced is 10A b) Current referenced is 10A, angle equal to 60o c) 电流参考值为 10A,角度为 120o d) 电流参考值为 10A,角度为-60o c) Current referenced is 10A, angle equal to 120o d) Current referenced is 10A, angle equal to -60o - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn e) 电流参考值为 10A,角度为-120o e) Current referenced is 10A, angle equal to- 120o 图 7 不同电流参考值下的电流跟踪情况及电压与电流间的相位波形 Fig.7 Simulation results for different current referenced and the wave of phase between voltage and current 通过波形可以看出，每种情况下，输入电流都能较快速的跟踪到给定电流参考值 refI ， 并且可以根据给定命令，得到电流滞后电压 60 、120 、 60− 、 120− 的波形，即说明了交 流电子负载可以根据给定在四象限运行。 在恒阻抗工作模式中，设定给定阻抗值分别为 20 Ω 、20 20j − 、20+20j ，可以分别求得 给定电流参考值 refI ，仿真波形如下图所示。 a) 给定阻抗值为 20Ω b) 给定阻抗为 20-20j a) Impedance referenced is 20Ω b) Impedance referenced is20-20j c) 给定阻抗为 20+20j c) Impedance referenced is 20+20j Fig.8 Current tracking situation in different impedance and the wave of phase between voltage and current 图 8 不同阻抗值下的电流跟踪情况及电压与电流的相位波形 三种阻抗值分别代表纯阻性、阻容性、阻感性的负载模式，通过仿真波形可以看出，输 入电压 inU 及输入电流 inI 在相位上分别相差 0 、 45 、 45− ，并且输入电流 inI 在 0.01 s 处跟 踪到了给定电流参考值 refI ，电流误差均不超过 1%，能够对给定的阻抗值进行准确的模拟。 3.4 动态情况下交流电子负载的电流跟踪情况 通过上述分析，得知当系统工作在稳定环境时可以有效的跟踪到给定指令，讨论在交流 电子负载受到扰动时是否可以快速准确地对给定进行模拟，分析在以下几种动态情况下交流 电子负载的电流跟踪情况。 吸收电流设定值产生跃迁时，设定初始给定电流参考值为10A ，在 0.04 s 处使其跃迁至 - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 20A ，观察此时输入电流的跟踪情况，仿真波形如下。 图 9 输入电流发生跃迁 Table 1 Input current transition occurs 通过仿真波形观察到输入电流 inI 基本可以跟踪到给定电流值，在 0.04s 处较平稳的跟踪 到了 refI ，误差电流幅值在 0.1 A 左右，误差仅为 1%，当电流增到至 20A 时，误差电流并没 有变化，仍然保持较低的误差值。 在恒阻抗工作模式下，给定阻抗参考值发生变化时，在阻抗值为 20+20j 的恒阻抗工作模 式中，0.04s 时使给定阻抗值变化为10 10j + ，仿真波形如下。 图 10 给定阻抗值发生变化 Fig.10 Impedance referenced changes 通过观察发现 0.04s 处电流产生 5.5 A 的变化，输入电流与给定电流间的误差约为 0.3 A ，误差为 3%，随即其迅速跟踪到了给定电流，使误差恢复到 1%。 4 硬件电路设计 4.1 功率器件的选择 本系统选择三菱公司生产的 PV-IPM50B4LB060，此 IPM 耐压 600V，耐流 50A，最大 开关频率 20kHz，内部包含四个 IGBT，含有 IGBT 驱动及过电压、过电流、高温保护等保 护电路，满足系统要求。 4.2 驱动电路设计 驱动电路分为两个部分。其一为开关管的驱动，DSP 控制器发出的 PWM 控制信号需要 经过驱动电路放大后才能用于驱动功率开关管。另一部分为继电器动作所需要的驱动。对于 开关管的驱动电路，选择英飞凌公司生产的 1ED020I12-F 作为升压电路的驱动芯片，继电器 驱动选择 TLP521。 4.3 以 DSP2812 为核心的控制电路设计 控制电路采用 DSP2812，其最高主频可达 150MHz，12 位的 A/D 转换器，拥有 16 通道， - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 128K16 位的 Flash 存储器和 18K 的 SRAM，两个事件管理器（EVA、EVB），SPI、SCI 串 行外围设备模块，56 个独立可编程多用途输入输出引脚（GPIO），三个外部中断和中断扩 展（PIE）模块等。DSP2812 的众多 I/O 口需要与驱动电路和检测电路进行数据交互，因此 设计了与功率电路接口匹配的接口。 4.4 供电电源设计 本系统共采用两路+15V 输出、一路 15± V 输出、一路+5V 输出。该电源既可以使用 85V~265V 交流供电，也可以使用 70~360V 直流供电，增加了电路设计的灵活性。其中 IPM 需要三个相互隔离的+15V 电压供电，因此我们选用恒率公司的 S15(H)15 电源，使一路+15V 的输入转变为相互隔离的三个+15V 电源，而 DSP 需要+3.3V 为其供电，我们采 用 AMS1117-3.3 对+5V 电压进行变换，保证供给 DSP 稳定的电压。在设计时，每种电压值我 们留有多个接口，尽可能的提高供电电源的利用率。 4.5 光耦隔离电路的设计 为了避免控制电路输出的信号与主电路的信号之间存在干扰，在电路中我们对其进行电 气隔离，因为系统中开关管的开关频率较高，普通光耦达不到电路要求，为了保证信号的完 整性，我们采用快速光耦 HCPL4504, 该光耦为安捷伦公司专门为 IPM 等功率器件设计的 光耦芯片，正向输入电流最大值为 25mA，输出电流最大值为 8mA。 4.6 电压检测器件选择 电压检测采用瑞士 LEM 公司生产的 LV-28P 型霍尔电压传感器，具有出色的精度、低 温漂、良好的线性度和很强的抗外界干扰能力，可以用来测量交流、直流和脉冲电压，本系 统的交流和直流电压均选取的 LV-28P 型霍尔电压传感器。 5 结论 本文阐述了电子负载工作原理及电流控制策略，通过仿真分析直流电子负载及交流电子 负载，在稳态及动态环境下输入侧电流的跟踪情况，可以看出在各种环境下，只要设定合适 的 PI 参数，电子负载都可以准确的跟踪到给定的参考物理量，满足系统快速性及稳定性的 需求。同时，设计了采用 DSP2812 作为核心控制器的硬件电路，简述了几种电路中主要器 件的选择情况，该设计满足电路的功率要求及功能需求，具有良好的实用性能。 [参考文献] (References) [1] Chu,C L Chu,C L Huang. A Study on the Test UPS by Energy Feedback Method. [C] IEEE ISCAS,1991.3015-3018 [2] 潘诗锋. 大功率交流电子负载的研究. 东南大学硕士学位论文. 2005 [3] Ming-Tsung Tsai, Charles Tsai. Energy Recycling for Electrical AC Power Source Burn-In Test. IEEE transactions on industrial electronics, vol.47,no.4, August 2000 [4] 于峰昌,黄云生,张泰山.能馈型电子负载的研究.中南大学硕士学位论文. [5] 邹云屏,王智成.单相电力电子负载研究与设计. 华中科技大学博士学位论文. 2008 [6] Naser M. Abdel-Rahim, J.E. Quaicoe. Analysis and Design of a Multiple Feedback Loop Control Strategy for Single-Phase Voltage-Source UPS Inverters. IEEE Transaction on Power Electronics, 1996, 11(4): 532-541 [7] T. Kawabata, T. Miyashita, N. Saahida, Y. Yamamoto. Three Phases Parallel Processing UPS Using Multi-functional Inverter. IEEE IAS’89, 1989: 982-987. [8] M.T. Tsai, T.J.Cheng,Charles Tsai. High-Eifficiency Energy Recycling System for AC Powerr Source Burn-In Test. IEEE1999 international conference on power electronics and drive systems, PEDS’99, July 1999, HongKong - 7 -
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