嚴勤，傅萌，夏鵬，王永生，秦偉

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077；2. 江蘇智臻能源科技有限公司，江蘇 南京 219600)

非介入式負荷辨識技術(shù)屬于客戶側(cè)電力物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一，應(yīng)用于居民家庭、商業(yè)樓宇、工業(yè)企業(yè)等多個場景[1-3]。當前該類技術(shù)還處在技術(shù)探索期，市面上具備負荷辨識功能的各種設(shè)備參差不齊，性能差異很大，面對規(guī)模化推廣應(yīng)用，亟需明確設(shè)備性能的評價方法與標準，實現(xiàn)準確的批量化檢測[4]，其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是使用數(shù)字信號控制的功率放大器來復(fù)現(xiàn)多樣化用電場景下負荷的電壓、電流波形。波形回放過程中，功率放大器一般工作在空載狀態(tài)，且要求具備快速的動態(tài)響應(yīng)和良好的指令跟蹤性能。

傳統(tǒng)的線性功率放大器效率較低，功率處理能力受限，而且體積較大[5-6]。以D類放大器為代表的開關(guān)式功率放大器具有效率高、體積小等優(yōu)點，更適合于音頻功放和其他功率放大應(yīng)用場合。新型寬禁帶功率器件的應(yīng)用進一步提升了開關(guān)式功率放大器的功率密度[7-9]。在波形回放的應(yīng)用中，重點關(guān)注功率放大器的快速動態(tài)響應(yīng)?；趥鹘y(tǒng)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)反饋控制的功率放大器由于環(huán)路幅頻特性的限制，往往帶寬有限，指令跟蹤性能一般[10-11]。文獻[12-13]通過添加一套具有高速動態(tài)性能的小功率放大器電路來補償主功率放大器的紋波和電壓暫態(tài)，提升主功率放大器的動態(tài)性能；但是電路架構(gòu)比較復(fù)雜，控制難度較高。文獻[14-18]將單周期控制技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)式功率放大器，具有動態(tài)響應(yīng)快、控制電路簡單等優(yōu)勢；但是由于積分電容復(fù)位時間的存在，實際測試效果與理論分析結(jié)果存在偏差。文獻[19]對傳統(tǒng)單周期控制電路進行改進，將積分器移出反饋回路，通過增加單脈沖發(fā)生器來控制驅(qū)動脈沖的寬度，從而實現(xiàn)定頻工作和快速動態(tài)；但是在單脈沖發(fā)生電路中依然使用了積分器，因此并未從根本上解決積分電容復(fù)位時間所導(dǎo)致的問題；此外，傳統(tǒng)單周期控制沒有負載側(cè)反饋控制，因此負載調(diào)整率較差。

由于功率放大器在波形回放應(yīng)用中一般處于空載狀態(tài)，因此無需對負載變化進行反饋控制?？紤]到單周期控制的動態(tài)響應(yīng)極快，將其應(yīng)用于波形回放功率放大器控制非常合適。本文初步選擇較為簡單的半橋電路作為功率放大器的主電路拓撲來驗證波形回放的相關(guān)思路和設(shè)想。在傳統(tǒng)單周期控制電路的基礎(chǔ)上，增設(shè)1組額外的積分電路，以2組積分電路交替工作的方式來解決積分電容復(fù)位時間的問題。通過對比實際采集的用電側(cè)負荷數(shù)據(jù)與波形回放數(shù)據(jù)，來驗證功率放大電路的指令跟蹤能力和動態(tài)響應(yīng)速度。

1 模擬檢測系統(tǒng)架構(gòu)

非介入終端模擬檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。核心結(jié)構(gòu)主要是上位機測試主站和下位機波形回放裝置。測試主站是控制中心，管理整個測試環(huán)境的硬件、案例庫及執(zhí)行全過程，主站的案例庫是家庭用電場景的錄制數(shù)字波形；波形回放裝置包括可控的電壓源及電流源，具有可控性高、動態(tài)響應(yīng)快、波形跟蹤能力強和低功耗的特點，可模擬真實居民用戶電壓、電流波形，其核心部分為功率放大電路和輸出控制電路。

圖1 非介入終端模擬檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of detection emulation system for non-intrusive device

工作過程簡述為：現(xiàn)場采集的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲后作為案例下發(fā)到波形回放裝置，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出參考指令到改進型單周期控制器。改進型單周期控制器控制半橋功率放大電路的輸出快速跟蹤參考指令，從而實現(xiàn)特定波形回放的目標?；胤诺碾妷?、電流波形分別輸入到非介入式辨識設(shè)備中進行負荷辨識。辨識結(jié)果通過數(shù)字接口輸出后與原始數(shù)據(jù)進行精度對比，最后將辨識結(jié)果及對比誤差生成相關(guān)報告。

可見，波形回放系統(tǒng)主要用來模擬用電側(cè)各種復(fù)雜場景下電器負荷的電壓、電流波形，用于考核具備負荷辨識能力設(shè)備的辨識性能。功率放大電路需要具備快速跟蹤和復(fù)現(xiàn)復(fù)雜模擬小信號的能力。同時，功率放大電路應(yīng)結(jié)構(gòu)相對簡單、成本相對較低。

2 半橋功率放大器電路

2.1 功率放大器主電路

半橋功率放大器電路如圖2所示，其中：S1、S2為組成半橋電路的功率開關(guān)；C1—C3為濾波電容器；R為負載；L為濾波電感器；D1、D2分別為S1、S2的寄生體二極管；U1、U2為C1、C2的電壓；up為橋臂中點電壓；Uo為輸出電壓峰值；Ug1、Ug2為門極驅(qū)動脈沖。改進型單周期控制電路部分在后文中詳述。主功率級采取雙極性調(diào)制的方式，以輸出波形的正半部分為例，當S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通時，橋臂中點電壓up的電平為-U2，此時D1反向偏置關(guān)斷，U2與Uo之和加在L兩端，流過L的電流線性下降。當S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷時，橋臂中點電壓up的電平為U1，此時D2反向偏置關(guān)斷，U1與Uo之差加在L兩端，流過L的電流線性上升。U1與U2通常設(shè)計為相等，均記作Uin。up作為受控開關(guān)變量輸入改進型單周期控制器進行積分處理，積分結(jié)果與參考指令進行比較后產(chǎn)生脈沖信號。脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動電路后，分別生成門極驅(qū)動脈沖Ug1、Ug2來控制功率開關(guān)S1、S2的通斷。

圖2 半橋功率放大器電路Fig.2 Circuit of half-bridge power amplifier

半橋功率放大器的器件電壓應(yīng)力見表1。在實際電路設(shè)計中，由于器件和線路寄生參數(shù)的存在，開關(guān)S1、S2的額定電壓通常選擇理論應(yīng)力值的1.5倍，電容C1、C2、C3的額定電壓通常選擇理論應(yīng)力值的1.2倍。由于波形回放應(yīng)用中的功率放大器工作在空載狀態(tài)，因此并不過多關(guān)注器件的電流應(yīng)力。另外，為了防止開關(guān)S1、S2直通，需要在它們的門極驅(qū)動之間適當加入可調(diào)節(jié)的死區(qū)時間。死區(qū)的存在會影響功率變換的效率，也會對電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)、器件應(yīng)力等造成一定影響，因此需要在實際測試中反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化。

表1 主要器件的電壓應(yīng)力Tab.1 Voltage stress of main components

2.2 改進型單周期控制器

2.2.1 工作原理

改進型單周期控制電路如圖3所示，其中：Uc為積分電路輸出信號；S3—S6為復(fù)位開關(guān)；R1為積分電阻；C4、C5為積分電容；U1為誤差放大器；U2為高速比較器；U3為RS觸發(fā)器；U4為D觸發(fā)器。開關(guān)S3、S4和電容C4組成1套積分復(fù)位電路，開關(guān)S5、S6和電容C5組成1套積分復(fù)位電路，2套積分復(fù)位電路交替工作，工作頻率為開關(guān)頻率的一半。雙通道積分復(fù)位電路能夠有效解決傳統(tǒng)單周期控制電路中積分電容非理想放電影響控制精度的問題，大幅改善控制性能。

圖3 改進型單周期控制電路Fig.3 Circuit of modifiedone-cycle control

單周期控制的核心理念在于對開關(guān)變量進行積分控制，使其在每個開關(guān)周期內(nèi)的平均值能夠快速跟蹤參考指令[20]。本文以圖2中橋臂中點電壓up為開關(guān)變量，將其采樣到雙通道積分電路進行積分運算，所得輸出Uc與參考指令信號進行比較，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號來復(fù)位觸發(fā)器U3。時鐘信號的頻率為開關(guān)S1、S2的開關(guān)頻率。觸發(fā)器U3的/Q端輸出PWM脈沖，經(jīng)過驅(qū)動電路后給到開關(guān)S1、S2的門極。同時，/Q端的輸出作用于觸發(fā)器U4，產(chǎn)生雙通道積分復(fù)位電路中相應(yīng)開關(guān)動作所需的窄脈沖信號。其中，開關(guān)S3、S5的動作一致，開關(guān)S4、S6的動作一致，2組開關(guān)分別工作在相鄰的開關(guān)周期。

2.2.2 控制函數(shù)

結(jié)合半橋功率電路的工作模式，改進型單周期控制電路中主要變量的波形如圖4所示，其中：CLK為時鐘信號；Ts為開關(guān)周期；uref為參考指令；t為時間。

圖4 控制電路中主要變量的波形Fig.4 Main variables waveforms in control circuit

根據(jù)單周期控制工作原理，電路的控制函數(shù)可表述為

(1)

式中：R1為積分電阻R1的阻值；Cint為積分電容(即電容C4或C5)的容值。

由式(1)可得每個開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)變量up的平均值

(2)

k=R1Cint/Ts.

(3)

式中k為增益系數(shù)。

在波形回放功率放大器的應(yīng)用中，與開關(guān)周期相比，參考指令的變化通常很慢。根據(jù)準穩(wěn)態(tài)原則，開關(guān)變量up在單個開關(guān)周期的平均值能夠快速追蹤參考指令的變化。

2.2.3 雙通道積分復(fù)位電路

在單周期控制電路中，傳統(tǒng)的單通道積分復(fù)位電路中存在電容放電時間，導(dǎo)致控制精度受到影響，尤其在占空比接近100%的情況下。圖3所包含的雙通道積分復(fù)位電路中，2組積分電路交替工作，有1個開關(guān)周期的時間用于保證積分電容的完全復(fù)位。雙通道、單通道積分復(fù)位電路的性能對比如圖5所示?？梢郧逦乜闯?，單通道積分復(fù)位電路中控制波形存在一定的放電時間，而雙通道積分復(fù)位電路中控制波形實現(xiàn)了瞬間放電。

圖5 2種積分復(fù)位電路的性能比較Fig.5 Performance comparisons of two types of resettable integration circuit

3 仿真與實驗

PSIM軟件具有器件模型全、收斂速度快、界面友好和易于使用的優(yōu)點。使用PSIM對基于改進型單周期控制器的半橋波形回放電路進行仿真，主要參數(shù)見表2。D觸發(fā)器的輸出作用于電容與電阻串聯(lián)組成的微分電路后，產(chǎn)生窄脈沖來驅(qū)動積分電容復(fù)位開關(guān)S3—S6。圖6為仿真與硬件實驗框圖。

表2 主要的仿真參數(shù)Tab.2 Main simulation parameters

圖6 仿真與硬件實驗框圖Fig.6 Block diagram of simulation and hardware experiments

改進型單周期控制器穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)如圖7所示，可以看出控制電路的性能表現(xiàn)符合前文的理論分析。改進型單周期控制器動態(tài)表現(xiàn)如圖8所示，指令變化出現(xiàn)在開關(guān)周期內(nèi)積分電容復(fù)位之后，在下一個開關(guān)周期控制電路已經(jīng)快速跟上新的參考指令。

圖7 改進型單周期控制器穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)Fig.7 Steady-state behaviors of modified one-cycle controller

圖8 改進型單周期控制器動態(tài)表現(xiàn)Fig.8 Dynamic behaviors of modified one-cycle controller

如果指令變化出現(xiàn)在開關(guān)周期內(nèi)積分電容復(fù)位之前，則控制電路在當前開關(guān)周期即可跟上新的參考指令?？梢姼倪M型單周期控制器具備極快的動態(tài)響應(yīng)速度，適用于波形回放電路。工頻周期時間尺度下，輸出電壓對參考指令的跟蹤情況如圖9所示，可以看出功率放大電路的輸出波形在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下都能夠快速跟蹤參考指令。

圖9 輸出電壓對參考指令的跟蹤情況Fig.9 Tracking performance of output voltage to reference command

基于改進型單周期控制的快速動態(tài)波形回放裝置如圖10所示。所采集的家用電器或其他負載的負荷數(shù)據(jù)通過數(shù)字通信接口輸入到波形回放裝置，經(jīng)過功率放大后產(chǎn)生相關(guān)波形包絡(luò)并由波形輸出接口提供給后級的待測負荷裝置。家用空調(diào)負載的電壓、電流波形回放結(jié)果如圖11所示，波形回放裝置較為真實地模擬了正弦電壓波形和沖擊電流波形，回放效果較好。電水壺負載的電壓、電流波形回放結(jié)果如圖12所示，波形回放裝置能夠較好地模擬負載的真實用電特性。

圖10 波形回放裝置的后視圖Fig.10 Rear view of waveform restoration equipment

圖11 空調(diào)的電壓、電流波形回放Fig.11 Current and voltagewaveform restoration of air-conditioner

圖12 電水壺的電壓、電流波形回放Fig.12 Current and voltage waveform restoration of electric kettle

表3和表4分別列出了空調(diào)電壓波形和電流波形部分回放結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的對比以及差異度。記波形回放數(shù)據(jù)為dres，原始數(shù)據(jù)為dorg，定義數(shù)據(jù)差異度指標

表3 空調(diào)電壓波形回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對比Tab.3 Comparisons between restorated data and raw data of air-conditioner voltage waveforms

表4 空調(diào)電流波形回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對比Tab.4 Comparisons between restorated data and raw data of air-conditioner current waveforms

(4)

使用基于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)采集裝置對相應(yīng)參考波形進行二次數(shù)據(jù)采集，以獲得比對所用的原始數(shù)據(jù)。對比電壓數(shù)據(jù)集所有數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的差異度不超過±0.4%，回放效果較好。對比電流數(shù)據(jù)集所有數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的差異度不超過±0.5%?？紤]到空調(diào)電流波形存在較為陡峭突變的情況，回放效果符合實際應(yīng)用需求。

表5和表6分別列出了電水壺電壓波形和電流波形部分回放結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的對比以及差異度。對比電壓和電流數(shù)據(jù)集所有數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)之間的差異度不超過±0.5%，回放效果較好。

表5 電水壺電壓波形回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對比Tab.5 Comparisons between restorated data and raw data of electric kettle voltage waveforms

表6 電水壺電流波形回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對比Tab.6 Comparisons between restorated data and raw data of electric kettle current waveforms

以空調(diào)的電壓波形和電流波形回放為例，比較雙通道積分器的波形回放結(jié)果與單通道積分器的波形回放結(jié)果。通過對回放結(jié)果進行工頻周期內(nèi)20點數(shù)據(jù)采樣并與相應(yīng)參考波形數(shù)據(jù)進行比較，分別得到如圖13、圖14所示的誤差數(shù)據(jù)。其中圖13為2種不同積分器方案下空調(diào)電壓波形回放結(jié)果對比，圖14為2種不同積分器方案下空調(diào)電流波形回放結(jié)果對比。可以看出：單通道積分器的波形回放結(jié)果誤差波動范圍較大，最大誤差超過4%；雙通道積分器的波形回放結(jié)果誤差穩(wěn)定，最大誤差低于2%。對本文探討的波形回放裝置進行長期測試，發(fā)現(xiàn)其誤差指標小于2%，滿足波形回放的實際應(yīng)用要求。

圖13 2種積分器方案下空調(diào)電壓波形回放結(jié)果對比Fig.13 Comparisons of air-conditioner voltage waveform restoration results under two different integrator solutions

圖14 2種積分器方案下空調(diào)電流波形回放結(jié)果對比Fig.14 Comparisons of air-conditioner current waveform restoration results under two different integrator solutions

4 結(jié)束語

針對非介入辨識終端檢測系統(tǒng)中對復(fù)雜電壓、電流波形快速復(fù)現(xiàn)回放的需求，提出一種基于改進型單周期控制的半橋功率放大電路。分析了主電路的工作模態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，詳細介紹了改進型單周期控制器的工作原理，并推導(dǎo)相關(guān)控制函數(shù)。通過增設(shè)額外的積分復(fù)位電路，解決了傳統(tǒng)單周期控制中積分電容復(fù)位時間影響控制精度的問題，實現(xiàn)了快速指令跟蹤和波形回放功能。仿真模擬和硬件測試的結(jié)果驗證了理論分析的有效性和電路方案的可行性。回放數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的相對誤差在可接受范圍之內(nèi)，取得了良好的波形回放效果。