鄺宇++曾令燎++易其亨

摘 要：針對能饋型電子負(fù)載在電磁爐老化中的應(yīng)用，本文提出一種應(yīng)用于能量回饋型電子負(fù)載直流母線電壓控制方法。基于電子負(fù)載吸收能量、直流母線電容存儲能量和逆變交流輸出能量守恒分析，在該分析的基礎(chǔ)上得到一個快速的直流母線電壓控制器，可以采用更小的直流母線電容，降低系統(tǒng)的體積和成本，最后應(yīng)用上述方案設(shè)計2kW電子負(fù)載實驗樣機。

關(guān)鍵詞：電磁爐老化；電子負(fù)載；直流母線

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.112

1 引言

目前電源和家電等產(chǎn)品在工廠生產(chǎn)過程中，須經(jīng)老化工序測試合格才能出廠。產(chǎn)品老化測試的方法有多種多樣，有用實際使用的負(fù)載測試，也有用模擬等效負(fù)載來測試。針對能饋型電子負(fù)載在電磁爐老化中的應(yīng)用，本文提出一種應(yīng)用于能量回饋型電子負(fù)載直流母線電壓控制方法。本項目源自廣東省省級科技計劃項目——新一代能量回饋式電磁爐老化測試生產(chǎn)線（ 2015B020238015）。

2 系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了模擬電磁爐老化測試，可將耦合線圈放置在電磁爐加熱面上，通過無線輸電的原理把電磁爐的磁場能量耦合到線圈，把能量傳遞到電子負(fù)載的輸入，然后回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)能量循環(huán)利用。當(dāng)電子負(fù)載把電磁爐作為負(fù)載時，其輸入端耦合的能量形式為交流電源。因此，該電子負(fù)載屬于交流電子負(fù)載，且具有能量回饋功能。

電子負(fù)載主電路采用兩級AC/DC/AC變換結(jié)構(gòu)，其功率電路拓?fù)淇煞譃?部分。圖1所示為兩級能量回饋電子負(fù)載的電路，前級DC/DC變換器采用的是BOOST升壓變換器，通過采用適當(dāng)?shù)目刂品绞秸{(diào)節(jié)流過輸入電感L1的電流，從而模擬各種負(fù)載特性，考核待測交流電源的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。直流母線電容作為功率解耦部件，能穩(wěn)定前級負(fù)載模擬器輸出的直流電壓，并將穩(wěn)定的直流電壓作為逆變模塊的輸入。逆變模塊通過控制流過L4的電流，將前級負(fù)載模擬變換器吸收的有功功率通過回饋電網(wǎng)。

3 控制策略

3.1 前級BOOST模塊

為了能夠?qū)崿F(xiàn)電磁爐實現(xiàn)無水老化，模擬鍋具負(fù)載，耦合線圈需平穩(wěn)的從電磁能獲取功率，否則電磁爐將不能正常工作而關(guān)機，因此引入BOOST模塊對接收的功率進(jìn)行控制。耦合線圈通過電磁耦合到高頻感應(yīng)電壓后，輸給D1～D4整流，把幾十KHz高頻的交流電整流以兩倍工頻為包絡(luò)線的饅頭波，之后由C1、L1組成的濾波電路把高頻去掉，剩下兩倍工頻的饅頭波。整流濾波后輸入到由電感L2，二極管D5和MOSFET開關(guān)器件Q5組成的 BOOST的升壓轉(zhuǎn)換電路。Boost模塊輸出電壓通過后級逆變模塊進(jìn)行穩(wěn)定，前級只控制輸入電流，讓其輸入電流跟蹤在使電磁爐能夠正常工作而不關(guān)機。

BOOST轉(zhuǎn)換電路的作用輸入電容C2兩端的電壓穩(wěn)定在參考電壓的范圍內(nèi)，通過控制電壓來間接控制功率。將能量耦合拾取電路的輸出電壓與給定的電壓參考值進(jìn)行比較，通過PI算法后，產(chǎn)生占空比控制開關(guān)管Q5通斷，這樣能量耦合電路的輸出電壓就可以保持在給定的參考電壓范圍內(nèi)，達(dá)到控制功率目的。

3.2 直流母線電容計算及其紋波分析

為分析簡單，假設(shè)逆變模塊輸出功率因數(shù)為1，電網(wǎng)電壓和逆變輸出并網(wǎng)電流可分別表示為

（1）

（2）

則逆變輸出功率為

（3）

式中：iac、Iac分別為并網(wǎng)電流的瞬時值和幅值；vac 、Vac分別為電網(wǎng)電壓的瞬時值和幅值；w 為電網(wǎng)電壓角頻率；pac為逆變模塊瞬時輸出功率。

由式（3）可得出逆變模塊的瞬時輸出功率中含有兩倍電網(wǎng)頻率的交流分量，兩倍于電網(wǎng)頻率的輸出功率波動在直流母線電壓產(chǎn)生一個同樣兩倍于電網(wǎng)頻率的電壓波動。為了簡化分析，在理想狀態(tài)下，無能量損耗，逆變直流側(cè)輸入功率等于逆變器輸出功率。前級BOOST模塊輸出功率Pdc為直流無交流分量，功率的解耦只有直流母線電容Cdc承擔(dān)，否則在前級BOOST模塊之前還需要大容量的電容完成前級BOOST模塊和耦合線圈輸入之間的解耦。圖2所示為在一個電網(wǎng)頻率周期內(nèi)的直流母線電壓、電網(wǎng)電壓、前級BOOST模塊輸出功率和逆變模塊輸出功率波形。

通過圖2可以看出直流母線電容實際上作為存儲能量的介質(zhì)，當(dāng)耦合線圈接收到的功率大于逆變的輸出功率時，多余的能量因存儲在直流母線電容上，引起母線電壓上升。從能量守恒的角度分析，在[1/8T，3/8T]時間段內(nèi)，母線電容釋放的能量為

（4）

式中：Vmax為直流母線電壓的最大值；Vmin為直流母線電壓的最小值。由式（3）、（4）得到

（5）

（6）

式中，Vave為直流母線電壓的平均值。

由式（6）可看出，直流母線紋波分量由直流母線電容量、耦合線圈接收功率與并網(wǎng)功率之間的差來決定。因此直流母線電壓只需要滿足不高于器件設(shè)計的安全電壓并且不低于逆變模塊正常工作輸入電壓范圍的條件下，就可以很大程度地減小直流母線的電容量。

針對功率解耦、降低電容容值的問題，目前已提出一些特殊的電路拓?fù)浼翱刂品椒ǎ饕杏性礊V波（APF）法、解耦電路串聯(lián)法、單級反激逆變器變換法、多級逆變器解耦法、三端口解耦法等。忽略能量損耗，逆變器能量守恒關(guān)系可以表示為

（7）

式中：Win為單位時間內(nèi)耦合線圈輸出能量；Wc為單位時間內(nèi)直流母線電容存儲能量；WL為單位時間濾波電感的存儲能量；Wac為單位時間逆變器并網(wǎng)輸出能量。

要分析逆變器在一個開關(guān)周期內(nèi)的能量守恒情況是困難的。為簡單化，通過在半個工頻周期內(nèi)進(jìn)行能量守恒分析，直流母線電壓每半個工頻周期采樣1次，抽樣點同電網(wǎng)電壓的過零點一致，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，在半個工頻周期內(nèi)并網(wǎng)電流不變，存儲在電感的能量就保持不變，T半個工頻周期內(nèi)的能量守恒公式為endprint

（8）

式中：Pin 為耦合線圈輸出功率；Vdc 為當(dāng)前直流母線電壓；為半個工頻周期后的直流母線電壓；Iref為并網(wǎng)電流的參考值；Tg為電網(wǎng)電壓周期。由式（8）得

（9）

式中，fg為電網(wǎng)電壓頻率。

圖3為所提出的預(yù)估直流母線電壓控制算法框圖。

4 實驗結(jié)果

制作了一臺針對電磁爐老化的2 kW能饋型電子負(fù)載樣機并搭建了實驗系統(tǒng)。搭建系統(tǒng)如下，待測電磁爐1臺，耦合線圈1個，電子負(fù)載1臺。

電子負(fù)載樣機設(shè)計參數(shù)如下：

并網(wǎng)電壓220V/50 Hz，直流側(cè)參考電壓Uref= 347 V，輸入濾波電感L1=2mH，L2=1.5mH，直流母線電容C3=2200μF，輸出濾波電感 L4=1.5mH，L5=1.5mH前級開關(guān)頻率為100Hz，后級開關(guān)頻率為20kHz。 圖5示出不同負(fù)載下的實驗波形。

由圖可知，設(shè)計的電子負(fù)載實現(xiàn)了模擬電磁爐老化的負(fù)載，使電磁爐工作耦合能量并將能量回饋電網(wǎng)的功能。

5 結(jié) 論

經(jīng)對基于直流母線控制的電子負(fù)載研究，提出利用直流母線電壓控制將兩級變換器解耦控制：前級負(fù)載模擬部分采用單周期控制方案，后級能量回饋部分采用引入母線電壓預(yù)估的電流控制方案。最后通過實驗驗證了方案的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐裕勇.并網(wǎng)型電磁爐老化測試饋能系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

[2]王翀.兩級式光伏并網(wǎng)逆變器及其功率解耦研究[D].南京航空航天大學(xué).碩士學(xué)位論文，2010.

[3]朱成花，石健將，嚴(yán)仰光.帶有前級DC/DC變換器與逆變器相互作用分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2004，36（05）：574-578.

[4]劉邦銀，段善旭，康勇.單相單級并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中二次功率擾動的分析與抑制[J].太陽能學(xué)報，2008，29（04）：407-411.

[5]任凱，郭前崗，周西峰.兩級單相光伏并網(wǎng)逆變器母線電壓控制策略[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2014（10）：74-77.

作者簡介：鄺宇（1983-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：電力電子。endprint