定美辰

(武漢交通職業(yè)學院電子與信息工程學院，湖北 武漢 430065)

一種單相全橋交流電子負載單周期控制策略

定美辰

(武漢交通職業(yè)學院電子與信息工程學院，湖北 武漢 430065)

分析基于單相全橋拓撲結(jié)構(gòu)的交流電子負載模擬器原理，介紹該負載模擬器單周期控制策略。在此理論基礎(chǔ)上進行仿真實驗，并從負載模擬精度和動態(tài)響應(yīng)速度兩個方面，將單周期控制策略和PID控制策略進行比較。仿真實驗顯示，單相全橋AC/DC拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)合單周期控制方法，不僅可以大大提高電子負載模擬精度，還能快速抑制電源干擾，是一種實用的交流電子負載模擬器控制策略。

交流電子負載； 負載特性模擬； 單周期

為了實現(xiàn)負載特性模擬和能源節(jié)約，交流電子負載要取代真實負載對出廠交流電源設(shè)備進行功能測試，負載模擬器可以模擬純阻性、阻容性、阻感性等線性負載，原理是通過控制被測電源放電電流波形，調(diào)節(jié)輸出功率因數(shù)來實現(xiàn)被測電源的負載特性模擬[1]。其中負載特性電流指令的生成和對指令的跟蹤控制是實現(xiàn)負載模擬的兩個重要環(huán)節(jié)，能否精確跟蹤給定電流指令并具有良好的動態(tài)跟蹤特性，直接決定了負載模擬變換器的實時模擬性能[2]。由于擾動量是不可預(yù)測而且快速變化的，故交流電子負載的電流跟蹤控制策略必須具有良好的動態(tài)性能。

模糊控制、重復(fù)控制和滑膜變結(jié)構(gòu)控制等新型控制理論出現(xiàn)前，交流電子負載模擬器習慣采用PID控制[3]、滯環(huán)控制[4-5]等模擬控制策略。近幾年來，新型控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展了許多新的控制算法，文獻[2]提出了將兩個PWM整流器共用一個直流側(cè)電容的背靠背式交流電子負載拓撲結(jié)構(gòu)，并給出了電壓控制方法，但僅限于功率因數(shù)校正電路。文獻[6]針對無差拍控制中的延時問題，構(gòu)建了新的電流狀態(tài)觀測器。通過觀測器，可消除無差拍控制延時引起的電流環(huán)跟蹤誤差，缺點是控制算法復(fù)雜。文獻[7]通過仿真實驗數(shù)據(jù)，分析了PID控制和重復(fù)控制在電子負載模擬器中的性能比較，穩(wěn)態(tài)時重復(fù)控制可以更精確地模擬純阻性負載，但對于抑制電源擾動性能和動態(tài)響應(yīng)速度等沒有結(jié)論。文獻[8]利用滑膜變結(jié)構(gòu)控制, 不受系統(tǒng)參數(shù)變化和外部擾動影響的特點，將滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于能饋型電子負載的負載特性模擬變換器上，雖然可以提高系統(tǒng)的抗擾性和魯棒性，但由于其不確定參數(shù)上下邊界難以確定的問題，犧牲了電流波形跟蹤精度，得不償失。

綜上所述，本文采用參考文獻[2]中提出的主電路前級拓撲，針對交流電子負載特性模擬要求和文獻[7]的不足，采用單周期控制策略，應(yīng)用于交流電子負載模擬器控制部分，從動態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力兩個角度分析，將單周期控制與PID控制進行比較，得到單周期控制不僅負載模擬精度更高，且能在一個周期內(nèi)完成抑制干擾，響應(yīng)速度更快的結(jié)論。

1 主電路結(jié)構(gòu)

交流電子負載與PWM整流電路具有相同原理，主電路拓撲見圖1。單相橋式變換器為電壓型變換器(voltage source converter)，為了緩沖PWM過程中的無功功率，功率開關(guān)管兩端反并聯(lián)一個續(xù)流二極管[9]。us為被測交流電源，把變換器接入被測電源，通過控制功率開關(guān)管的關(guān)斷，使單相橋式變換器的輸入電流跟蹤參考正弦信號，即可實現(xiàn)輸出功率因數(shù)調(diào)節(jié)。us確定不變時，電子負載大小只與變換器輸入電流大小有關(guān)，電子負載性質(zhì)決定于輸入電流與電源電壓之間的功率因數(shù)λ，當λ在0～1之間連續(xù)調(diào)節(jié)時，對于電源而言，變換器可以等效為不同性質(zhì)的負載。交流側(cè)電感L起平衡電路電壓、濾除諧波電流的作用。當被測電源電壓大小波動時，交流側(cè)輸入功率和直流側(cè)輸出功率不相等，電容C起到緩沖前后級功率的作用。

圖 1 AC/DC電子負載主電路

圖2所示為穩(wěn)態(tài)條件下，單相交流電子負載在模擬純阻性、阻感性和阻容性3種工作特性時變換器輸入側(cè)矢量關(guān)系。Us為測試電源電壓，IL為輸入電流，假設(shè)|IL|不變，則|UL|=ωL|IL|也保持不變，單相全橋中點交流電壓矢量UAB的端點運動軌跡構(gòu)成一個以|UL|為半徑的圓。如果只考慮基波分量，Us與IL同頻，通過控制電壓矢量UAB即可實現(xiàn)各種交流電子負載特性模擬[10]。

圖 2 交流電子負載工作特性

2 負載模擬器控制策略

目前全橋整流控制方式主要有雙極性控制和單極性控制兩類，雙極性控制指對角開關(guān)管為同步開關(guān)，橋臂上下開關(guān)管為互補開關(guān)，控制簡單，但是開關(guān)損耗高，存在很大的開關(guān)諧波[11]。如圖3所示，單極性控制方式為正半波時v2工作于高頻，v3常閉，v1和v4關(guān)斷；負半波時v1工作于高頻，v4常閉，v2和v3關(guān)斷，這樣可降低功率管的開關(guān)損耗。負載模擬器主要任務(wù)是控制輸入電流跟蹤精度，電流控制方式分為間接電流控制和直接電流控制，相對于間接電流控制，直接電流控制算法動態(tài)響應(yīng)速度更快且受系統(tǒng)參數(shù)影響較小。為實現(xiàn)輸入側(cè)高精度電流控制，本文采用符合單極性控制特點和直接電流控制特點的單周期控制策略。

圖 3 AC/DC電子負載控制策略

2.1 單周期技術(shù)原理

圖 4 負載模擬器的單周期控制原理

單周期控制電路見圖4，每個時鐘周期起始點，RS脈沖觸發(fā)器使開關(guān)S1閉合，積分器復(fù)位清零。由于誤差存在，積分電流iint的絕對值從零逐漸上升，變換器輸入電流il開始跟蹤給定正弦波信號iref，當RS觸發(fā)器輸出端Q為低電平時經(jīng)邏輯電路驅(qū)動v1，Q為高電平時驅(qū)動v2；同時，當參考信號iref處于正半周期時，過零比較器驅(qū)動v3，iref處于負半周期時，過零比較器驅(qū)動v4。誤差存在且iref處于正或負半周期內(nèi)，橋臂兩對對角開關(guān)只有一對導(dǎo)通，另一對截至，此時，il從時鐘周期點經(jīng)過積分后得到

式中：Ts為開關(guān)周期，Ton為一個開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時間。當積分電流viint上升至參考電流iref的瞬間，誤差信號Δil=iref-il,說明電流跟蹤誤差為零，比較器動作，Q為低電平，功率開關(guān)管停止導(dǎo)通，同時S1閉合，積分器復(fù)位成功。積分電容兩端電壓下降到零，并保持直到下個周期到來，此時輸入交流電流為

il(t)=iref(t)

因此，單周控制在一個周期內(nèi)就可以控制輸入電流信號等于參考電流信號。單周控制器由比較器，RS觸發(fā)器、過零比較器、積分器及積分復(fù)位電路組成(圖5)。

圖 5 單周控制器框圖

一般情況下，直流側(cè)電容電壓Udc存在紋波，輸入電流il的幅值隨之波動。為保證輸入電流控制精度，電壓外環(huán)應(yīng)實時控制參考電流Ivref正比于Udc紋波幅值。iref與實際電流il比較后的誤差信號送入比較器，il送入積分器，積分完成后，時鐘脈沖觸發(fā)器輸出的PWM信號和過零比較信號經(jīng)過邏輯電路產(chǎn)生單極性調(diào)制波，調(diào)節(jié)主電路四個功率開關(guān)管占空比，使單相全橋輸入電流在一個周期內(nèi)快速跟蹤上參考電流，實現(xiàn)負載模擬器功能。為了使負載模擬器模擬正弦信號，PWM變換器應(yīng)在四象限內(nèi)交、直流兩側(cè)均可控，因此還需電壓外環(huán)控制直流母線電壓高于交流側(cè)電源電壓峰值。

電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)電路見圖6。

圖 6 電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)電路

2.2 輸入擾動抑制原理

PID控制原理是通過比較放大后的誤差信號與參考信號得到PWM占空比的，當輸入電源受外界影響電壓波動時，PID調(diào)節(jié)器不能在電壓突變瞬間做出反應(yīng)，引起誤差信號波動后才起調(diào)節(jié)作用。輸出波形會出現(xiàn)抖動，甚至畸變，需要經(jīng)過較長時間調(diào)節(jié)，才能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

若采用單周期控制策略，由其工作原理可知，輸入電壓上下波動時，積分參數(shù)不變情況下，積分器輸出電流iint的上升斜率也隨之增大或減小，即積分電流iint等于參考電流iref的時間延長或縮短，使RS觸發(fā)器輸出到變換器的脈沖調(diào)節(jié)信號變化，直到RS觸發(fā)器輸出積分復(fù)位信號為止。一個周期結(jié)束后，單周控制始終能保證開關(guān)量的平均值等于參考值，這是單周期控制的突出優(yōu)勢，因此，相對于傳統(tǒng)PWM控制下的PID調(diào)節(jié)器，單周期控制策略對電源干擾的抑制速度快得多。從取樣點位于低通濾波之前的控制策略，也可以看出，單周期控制其實是一種前饋控制方式，對于輸入擾動的抑制能力很強[12]。

3 仿真

為了驗證以上分析，使用Matlab/Simulink軟件按圖2所示主電路結(jié)構(gòu)進行仿真分析。仿真電路的參數(shù)為：50Hz測試電源作為輸入，其電壓有效值為200V，輸入交流電感為3mH，直流母線電容2300μF，直流母線電壓為350V，采樣頻率為14.1kHz，R為50 Ω。仿真結(jié)果：圖7，8，9分別為穩(wěn)態(tài)時純阻性、阻感性和阻容性3種負載特性下的輸入電壓電流波形，在t=0.6 s時電源電壓有效值由200 V突增為300 V。

(a)PID控制下il、us波形

(b)單周期控制下il、us波形圖 7 φ=0°時輸入電壓電流波形

(a)PID控制下il、us波形

(b)單周期控制下il、us波形圖 8 φ=45°時輸入電壓電流波形

(a)PID控制下il、us波形

(b)單周期控制下il、us波形圖 9 φ=-45°時輸入電壓電流波形

圖7可知，單周控制下，輸入電流與電源電壓嚴格同相，即φ=0°，0.06～0.07 s期間電源擾動到來時，輸入電流在0.07 ～ 0.08 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)跟蹤，即在一個周期內(nèi)完成了擾動抑制，動態(tài)性能良好；PID控制時雖然相位能夠跟蹤，但是諧波太大，且擾動發(fā)生后三個周期即0.06～0.12 s內(nèi)輸入電流波形仍有畸變，不能快速抑制諧波從而回到穩(wěn)態(tài)。圖8和圖9的單周期控制中，輸入電流均跟蹤電源電壓良好，分別實現(xiàn)了φ=45°和φ=-45°的負載特性模擬，也都同時在一個周期內(nèi)完成了擾動抑制，而PID控制下的電流波形均不能快速抑制擾動，諧波分量較大，不如單周期控制策略下的負載模擬特性好，且動態(tài)性能差。

從以上3組仿真波形及數(shù)據(jù)可知，單周期控制作為本文電子負載模型的控制策略可以很好地完成各種負載特性的模擬，單周期控制方式的抗干擾強、動態(tài)響應(yīng)快的特點在單相交流電子負載中充分體現(xiàn)出來。

4 結(jié)論

對單相電子負載主電路工作原理及其控制方案進行了理論分析，為了提高穩(wěn)態(tài)精度和暫態(tài)響應(yīng)速度，嘗試將單周期控制應(yīng)用于交流拓撲中，并對比PID控制策略。仿真實驗說明，該控制方案可大大提高電子負載模擬精度和動態(tài)性能，具有實用性和有效性，可應(yīng)用于交流電源測試中。

本文只研究了單周期控制下負載模擬器的輸入電流波形精度及其在輸入擾動抑制中的動態(tài)表現(xiàn)，下一步還要在單周控制與其它控制方法相結(jié)合的復(fù)合控制中進行動態(tài)性能方面的深入研究，非線性負載模擬器也是下一步研究的重點方向。

[1] 付俊華.電氣負載模擬裝置的研究[D].濟南：山東大學，2006.

[2] 李芬.單相背靠背綠色節(jié)能試驗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學,2010.

[3] Buso S, Malesani L, Mattavelli P. Comparison of current control techniques for active filter applications [J]. IEEE Transactions On Industrial Electronics, 1998,45(5):722-729.

[4] Komurcugil H. Combined use of double-band hysteresis current and proportional resonant control methods for single-phase UPS inverters[C]// Industrial Electronics Society, IECON 2014 -, Conference of the IEEE. IEEE, 2014:1305-1311.

[5] 潘詩鋒,趙劍鋒,王潯. 大功率交流電子負載的研究[J]. 電力電子技術(shù),2006,01:97-100.

[6] 李春龍,沈頌華,盧家林,張建榮,白小青,石濤. 基于狀態(tài)觀測器的PWM整流器電流環(huán)無差拍控制技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學報,2006,12:84-89.

[7] 王少坤. 一種能量回饋型交流電子負載重復(fù)控制策略[J]. 電工電氣,2014,01:7-10.

[8] Carpita M. Sliding mode controlled inverter with switching optimization techniques[J]. Epe Journal, 1994, 4(3)：30-35.

[9] 宋蕓,馮乃光. 單相全橋PWM整流器輸入電流內(nèi)環(huán)式控制方法的分析與仿真比較[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2013(4):111-114.

[10] 賈月朋,任稷林,祁承超,徐輝. 基于單周期控制的電子負載的研究[J]. 空軍雷達學院學報,2010(6):429-431,442.

[11] 陽岳豐,呂征宇. 全橋逆變單極性SPWM控制方式過零點振蕩的研究[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用,2005(9):16-19.

[12] 楊自力,蔡麗娟,許文香. 單周期技術(shù)和PID調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制方法研究[J]. 通信電源技術(shù),2007(5):25-28.

[責任編校： 張巖芳]

An OCC Control Strategy of Single Phase AC Electronic Load

DING Meichen

(CollegeofElectronicalandInformationEngin.，WuhanTechnicalCollegeofCommunications，Wuhan430065,China)

The paper first analyzes the principle of AC electronic load simulator based on single phase full bridge topology and introduces the one cycle control strategy of the load simulator. It then carriesout the simulation. The performance of one cycle control strategy and PID control strategy is compared from two aspects of load simulation accuracy and dynamic response speed. The one cycle control method of single phase full bridge AC/DC topology can not only improve electronic load simulation accuracy greatly, but also suppress power interference quickly. The results show that the one cycle control strategy of AC load simulators is effective and practical.

AC electronic load; load characteristic simulation; single cycle control

2015-12-01

國家自然科學基金(61473116)

定美辰(1991-)， 女，湖北赤壁人，工學碩士，武漢交通職業(yè)學院助教，研究方向為電力電子技術(shù)

1003-4684(2017)02-0073-05

TM46

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