专利名称：一种多功能大功率电子负载及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种多功能大功率电子负载及其控制方法，用于各种电 力、电子设备行业，属于电子产品领域。
背景技术：
随着电力电子技术与工业技术的发展，各种电子电力装置广泛地应用 于电力、冶金、钢铁、化工系统及高校教学演示平台等领域，如变频器、
有源电力滤波装置、UPS装置、蓄电池充电器等，这些设备在研发与生产
过程中都需要配置相应负载，以支持实验平台或者生产老化平台。
传统设备所选用的负载均为实际负载或者与实际负载特性较为接近 的负载。如变频器一般选择电机，有源电力滤波装置选择三相不控整流桥
谐波源，UPS装置选择电阻箱，蓄电池充电器选择电阻箱或者可控硅控制
回馈型电子负载。但这些负载大多为耗能型负载，因为能耗直接与被研制 对象实验容量相关，对于电网这个庞大的网络系统而言，能耗浪费更大。 虽然目前在电网中普遍采用可控硅控制回馈性电子负载，然而可控硅控制 回馈性电子负载使用时，其回馈电网电流包含很大的无功和谐波，对电网 危害较大。因此，研究和开发新型的节能型的电子负载即成为一项有意义 的工作。
发明内容
本发明的目的旨在提出一种多功能大功率电子负载及其控制方法， 既可模拟交流或者直流状态时的纯阻性、纯感性、纯容性以及阻容性、阻感性和任意波形电子负载，同时又具有节能、回馈电网电流功率因数为1
和低谐波特点；并且使整机效率不低于90%，与所模拟的负载比较效率更高。
这种多功能大功率电子负载，其特征在于它由整流器、逆变器和储
能电容C组成，其中整流器的三个输入端即为电子负载的三个输入端ina、 inb、 inc，逆变器的三个输出端即为电子负载的三个输出端outa、 outb、 outc，整流器和逆变器之间有一共用储能电容C相连，整个电子负载通过 逆变器的三个输出端outa、 outb、 outc分别与系统电压的三相线连接。
所述的整流器包括整流逆变控制电路和控制电路，其中的整流逆变控 制电路由逆变桥、高频滤波电路构成，其中的控制电路包括电压、电流检 测电路、数字信号处理器、人机接口和驱动电路；所述的电压、电流检测 电路输入端连接整流器的三个输入端ina、 inb、 inc，其输出端连接人机 接口、并通过人机接口依序和数字信号处理器、驱动电路及组成逆变电桥 的大功率开关管相连；逆变桥的正端与储能电容C的正端相连，逆变桥的 负端与储能电容C的负端相连。
所述的电压、电流检测电路包括电压互感器、电流互感器以及电压电 流信号调理电路。
所述的数字信号处理器以Ti数字信号处理芯片为核心构筑的数字信 号处理电路，包括数字信号处理芯片(TMS320F1812)、 AD转换芯片、电源 芯片、电平转换芯片。
所述的驱动电路采用2sd315为核心构筑驱动电路。
所述的高频载波纹波滤除电路，由采用三角形联接的三组C型滤波器构成，其中的C型滤波器由电容C广C6、电感L7 L9、电阻R广R3构成三 支结构相同的滤波支路，三支滤波支路采用三角形联接；三支滤波支路的 上端分别通过电感与三相电源及逆变电路桥臂的中点联接。这种多功能大功率电子负载其控制方法分为整流器控制采用同步旋 转坐标系下的电压外环和电流内环的双闭环串级控制策略；逆变器控制采 用同步旋转坐标系下的电流单环控制策略。整流器控制方法如下a) 由整流器1在与输入电压同步状态下、通过锁相环进行锁相处理；b) 其次进行输入电压前馈处理，使输入电压uina、 uinb和uinc经旋转 坐标变换后得到dq坐标系下的量uind、 uinq， uind、 uinq经输入电压前馈 后得到输入电压前馈量uindf、 uinqf;c) 而后进行外环电压环调节，即对udc与电压给定udcr进行比较，经 过电压外环调节器，产生控制直流侧参考电压的d轴指令电流idcd;随后 进行内环电流环调节，即输入电流iina、 iinb和iinc经旋转坐标变换后得 到dq坐标系下的量iind、 iinq;d) 最后将iind、 iinq、 irefd、 irefq、 uindf、 uinqf经内环电流调节后得 到dq坐标系下的指令ido、 iqo。 ido、 iqo经空间矢量发生器后得到最终的 控制信号，用来驱动整流器的开关器件。逆变器的控制方法如下a) 由逆变器在与电网电压同步状态下、通过锁相环进行锁相处理；b) 其次，进行电网电压前馈处理，使电网电压usa、 usb和usc经旋转 坐标变换后得到dq坐标系下的量usd、 usq，并使usd、 usq经电网电压前馈后得到输入电压前馈量usdf、 usqf;c) 而后进行电流环调节，即对输出电流iouta、 ioutb和ioutc经旋转坐 标变换后得到dq坐标系下的量ioutd、 ioutq;d) 最后将ioutd、 ioutq、 ioutrd、 ioutrq、 usdf、 usqf经电流调节后得到 dq坐标系下的指令id、 iq，使ido、 iqo经空间矢量发生器后得到最终的控制 信号，用来驱动逆变器的开关器件。这种多功能大功率电子负载及其控制方法，主要优点如下 该电子负载中的整流器，采用同步旋转坐标系下的电压外环和电流内 环的双闭环串级控制策略，构成三相多功能大功率电子负载的输入端，可 模拟纯阻性、纯感性、纯容性以及阻容性、阻感性或者任意波形电子负载。 提高了设备的稳定性和抗扰性；该电子负载中的逆变器，采用同步旋转坐 标系下的电流环控制策略，构成三相多功能大功率电子负载的输出端，使 得回馈电网电流功率因数为1，回馈电网无功和谐波电流含量小，减少了 无功和谐波对电网的危害。而且，由于采用整流器和逆变器共用储能电容 Cl，构成整机背靠背工作方式，电路简单，从而大大降低成本，提高整机 工作效率。
图1为本发明的主体系统示意图； 图2为本发明整流器或者逆变器电路结构示意图； 图3为组成C型滤波器的高频载波纹波滤除电路图; 图4本发明的整流器控制流程示意图；图5本发明的逆变器控制流程示意图。图中1-整流器 2-逆变器 3-C型滤波器 4-数字信号处理器 5-人机接口 6-驱动电路 7-逆变桥 9-电压、电流检测电路 IO-高频滤波电路 11-锁相环 12-旋转坐标变换 13-外环电压调节 14-参考指令 15-内环电流调节 16-空间矢量发生器 17-锁相环 18-旋转坐标变换 19-电网电压前馈 20-参考指令 21-电流调节 22-空间矢量发生器具体实施方式
这种三相多功能大功率电子负载及其控制方法，由整流器1、逆变器2 和储能电容C及控制电路组成。其特征在于:设有三个电子负载输入端ina、 inb、inc的整流器1和接入电网电压u、v、w上的三个电子负载输出端outa、 outb、 outc相接的逆变器2分别接入储能电容C的两端；整流器通过整流 逆变控制电路与逆变器连接，储能电容C的两端分别通过载波纹波滤除电 路与整流器和逆变器连接。所述的整流逆变控制电路由逆变桥7、高频滤波电路10构成，其特征 是控制电路包括电压、电流检测电路9、数字信号处理器4、人机接口5 和驱动电路6，所述的电压、电流检测电路输入端连接整流器的三个输入 端ina、 inb、 inc，其输出端连接人机接口 5、并通过人机接口 5依序和 数字信号处理器4、驱动电路6及组成逆变电桥7的大功率开关管相连； 逆变桥7的正端与储能电容C的正端相连，逆变桥7的负端与储能电容C 的负端相连。其中，数字信号处理器4分别与电压、电流检测电路9、人机接口 5 和驱动电路6相连，驱动电路6与逆变桥7臂上大功率开关管Si 、 S2 、 S3 、 S4 、 S5 、 S6相连。其中，电压、电流检测电路9包括电压互感器、电流互感器以及电压 电流信号调理电路。数字信号处理器4以Ti数字信号处理芯片为核心构筑 的数字信号处理电路，包括数字信号处理芯片(TMS320F1812)、 AD转换 芯片、电源芯片、电平转换芯片。驱动电路6采用2sd315为核心构筑驱动 电路。高频载波纹波滤除电路，由采用三角形联接的三组C型滤波器3构成。 其特征是电容Ci C6、电感Li L3、电阻Ri R3构成三支结构相同的滤波 支路，三支滤波支路采用三角形联接；三支滤波支路的上端分别通过电感 与三相电源及逆变电路桥臂的中点联接。本发明介绍的三相多功能大功率电子负载的控制方法分为整流器控 制采用同步旋转坐标系下的电压外环和电流内环的双闭环串级控制策略； 逆变器控制采用同步旋转坐标系下的电流单环控制策略。其中整流器的控制方法.由锁相处理、旋转坐标变换、外环电压调节 处理、参考指令、输入电压前馈、内环电流调节和空间矢量发生器动作构 成。由带有三相输入电压的A相uina、 B相uinb、 C相uinc分别通过锁相 环11接入旋转坐标变换器12 —端，旋转坐标变换器12与三相输入电压连 接的一端还与A相iina、 B相iinb、 C相iinc三相输入电流相接；旋转坐 标变换器12上的三相输入电压通过d-q坐标系下的d轴、q轴转换成的电 压分量uind、 uinq接入输入电压前馈15，然后得到输入电压前馈量uindf、uinqf;此时，输入电压前馈量uindf、 uinqf与旋转坐标变换器12上的三相 输入电流通过d-q坐标系下的d轴和q轴转换成的输入电流分量iind、 iinq 及d-q坐标系下的参考指令14irefd、 irefq和带有直流侧参考电压udcr、直 流侧电压udc的外环电压调节器13产生后的d轴指令电流idcd，同时接入 内环电流调节器16;最后通过控制信号产生的ido、 iqo输入空间矢量发生 器17。通过控制参考指令14irefd与irefq的数值，可模拟纯阻性、纯感性、纯 容性以及阻容性、阻感性或者任意波形电子负载，具体如下当irefd为正直流量，并且irefq为0时，整流器1输入电流与输入电压 相位完全一致，对外整流器表现为纯阻性负载。当irefd为0，并且irefq为正直流量时，整流器1输入电流超前输入电 压9(f，对外表现为纯容性。当irefd为0，并且irefq为负直流量时，整流器1输入电流滞后输入电 压90°，对外表现为纯感性。当irefd为正直流量，并且irefq为正直流量时，整流器1输入电流超前 输入电压的角度介于O ° 90。，具体数值与irefd及irefq的相对大小有关， 对外表现为阻容性。当irefd为正直流量，并且irefq为负直流量时，整流器1输入电流滞后 输入电压的角度介于O ° 9(f，具体数值与irefd及irefq的相对大小有关， 对外表现为阻感性。当irefd为任意交流量，并且irefq为任意交流量时，整流器1输入电流可表现为相应的任意波形。所述整流器的具体控制步骤如下① 进行锁相。整流器l通过锁相环(11)与输入电压同步② 得到输入电压前馈。电网电压uina、 uinb和uinc经旋转坐标变换 (12)后得到dq坐标系下的量uind、 uinq， uind、 uinq经输入电压前馈15后得到输入电压前馈量uindf、 uinqf。③ 通过外环电压环调节，对udc与电压给定udcr进行比较，经过电 压外环调节器13，产生控制直流侧参考电压的d轴指令电流idcd。 内环电流环调节。输入电流iina、 iinb和iinc经旋转坐标变换12 后得至lJ dq坐标系下的量iind、 iinq。 iind、 iinq、 irefd、 irefq、 uindf、 uinqf 经内环电流调节16后得到dq坐标系下的指令ido、 iqo。 ido、 iqo经空间 矢量发生器17后得到最终的控制信号，用来驱动整流器1的开关器件。其中逆变器的控制方法由锁相环17、旋转坐标变换18、参考指令 20、电网电压前馈19、电流调节21和空间矢量发生器22构成。由带有三 相输入电压的A相usa、 B相usb、 C相use分别通过锁相环17接入旋转 坐标变换器18，通过d-q坐标系下的d轴、q轴变换成电压分量usd、 usq， 接入电网电压前馈19，得到输入电压前馈量usdf、 usqf后接入电流调节器 21;旋转坐标变换器18与三相输入电压连接的一端还与三相输出电流A 相iouta、 B相ioutb、 C相ioutc相接，旋转坐标变换器18上的三相输出电 流通过d-q坐标系下的d轴和q轴转换成输出电流分量ioutd、ioutq后也接 入电流调节器21;接受d-q坐标系下的参考指令20产生的负直流量ioutrd、 直流量ioutrq也接入电流调节器21;然后，电流调节器(21)通过控制信 号id、 iq连接到矢量发生器22。12本发明逆变器2的控制方法，采用同步旋转坐标系下的电流环控制策 略，当控制参考指令20的ioutrd为负直流量，ioutrq为0，则逆变器2输 出电流与电网电压完全反相，将变换后的能量回馈电网。逆变器具体步骤如下① 锁相。逆变器2通过锁相环17与电网电压同步② 电网电压前馈。电网电压usa、 usb和usc经旋转坐标变换18后得 到dq坐标系下的量usd、 usq， usd、 usq经电网电压前馈19后得到输入电 压前馈量usdf、 usqf。③ 电流环调节。输出电流iouta、 ioutb和ioutc经旋转坐标变换18后 得至lj dq坐标系下的量ioutd、 ioutq。 ioutd、 ioutq、 ioutrd、 ioutrq、 usdf、 usqf 经电流调节21后得到dq坐标系下的指令id、 iq。 id、 iq经空间矢量发生 器22后得到最终的控制信号，用来驱动逆变器2的开关器件。从上可知，整流器1和逆变器2硬件原理基本相同，不同的是，对于 整流器1来说，附图2整流器或者逆变器电路结构示意图中的a、 b、 c即 为三个电子负载输入端ina、 inb、 inc。对于逆变器来说，附图2整流器或 者逆变器电路结构示意图中a、 b、 c即为三个电子负载输出端outa、 outb、 out"综上所述，整流器1构成三相多功能大功率电子负载的输出端，逆变器2构成三相多功能大功率电子负载的输出端，将变换后的能量回馈电网。 此种特征结构的输入端，可模拟纯阻性、纯感性、纯容性以及阻容性、阻感性或者任意波形电子负载。提高了电子设备的稳定性。而输出端，回馈电网电流功率因数为1，回馈电网无功和谐波电流含量小，增强了电网的安全性。整流器1和逆变器2共用储能电容C，构成整机背靠背工作方式。既 降低了生产成本，又提高了整机工作效率，实现了节能降耗。
权利要求
1、一种多功能大功率电子负载，其特征在于它由整流器(1)、逆变器(2)和储能电容(C)组成，其中整流器(1)的三个输入端即为电子负载的三个输入端ina、inb、inc，逆变器(2)的三个输出端即为电子负载的三个输出端outa、outb、outc，整流器(1)和逆变器(2)之间有一共用储能电容(C)相连，整个电子负载通过逆变器的三个输出端outa、outb、outc分别与系统电压的三相线连接。
2、 如权利要求1所述的一种多功能大功率电子负载，其特征在于 所述的整流器(1)包括整流逆变控制电路和控制电路，其中的整流逆变 控制电路由逆变桥(7)、高频滤波电路(10)构成，其中的控制电路包括 电压、电流检测电路(9)、数字信号处理器(4)、人机接口 (5)和驱动 电路(6);所述的电压、电流检测电路(9)输入端连接整流器(1)的三 个输入端ina、 inb、 inc，其输出端连接人机接口 (5)、并通过人机接口(5)依序和数字信号处理器(4)、驱动电路(6)及组成逆变电桥(7) 的大功率开关管相连；逆变桥(7)的正端与储能电容C1的正端相连，逆 变桥(7)的负端与储能电容C的负端相连。
3、 如权利要求1所述的一种多功能大功率电子负载，其特征在于 电压、电流检测电路(9)包括电压互感器、电流互感器以及电压电流信 号调理电路。
4、 如权利要求1所述的一种多功能大功率电子负载，其特征在于 所述的数字信号处理器(4)以Ti数字信号处理芯片为核心构筑的数字信号处理电路，包括数字信号处理芯片TMS320F1812、 AD转换芯片、电源芯 片、电平转换芯片。
5、 如权利要求1所述的一种多功能大功率电子负载，其特征在于 所述的驱动电路(6)采用2sd315为核心构筑驱动电路。
6、 如权利要求1所述的一种多功能大功率电子负载，其特征在于 所述的高频载波纹波滤除电路，由采用三角形联接的三组C型滤波器(3) 构成，其中的C型滤波器(3)由电容C1 C6、电感L7 L9、电阻R1 R3构 成三支结构相同的滤波支路，三支滤波支路采用三角形联接；三支滤波支 路的上端分别通过电感与三相电源及逆变电路桥臂的中点联接。
7、 如权利要求卜6所述的一种多功能大功率电子负载，其特征在整流器控制采用同步旋转坐标系下的电压外环和电流内环的双闭环串级控制策略；逆变器控制采用同步旋转坐标系下的电流单环控制策略。
8、 如权利要求7所述的一种多功能大功率电子负载，其特长在于-其中整流器控制方法步骤如下-a) 由整流器1在与输入电压同步状态下、通过锁相环(11)进行锁相 处理；b) 其次进行输入电压前馈处理，使电网电压uina、 uinb和uinc经旋转 坐标变换(12)后得到dq坐标系下的量uind、 uinq， uind、 uinq经输入电 压前馈(15)后得到输入电压前馈量uindf、 uinqf;c) 而后进行外环电压环调节，即对udc与电压给定udcr进行比较，经 过电压外环调节器(13)，产生控制直流侧参考电压的d轴指令电流idcd; 随后进行内环电流环调节，即输入电流iina、 iinb和iinc经旋转坐标变换(12)后得到dq坐标系下的量iind、 iinq;d)最后将iind、 iinq、 irefd、 irefq、 uindf、 uinqf经内环电流调节(16) 后得到dq坐标系下的指令ido、 iqo。 ido、 iqo经空间矢量发生器(17)后 得到最终的控制信号，用来驱动整流器(1)的开关器件。
9、如权利要求7所述的一种多功能大功率电子负载，其特长在于 其中逆变器的控制方法步骤如下a) 由逆变器2在与电网电压同步状态下、通过锁相环(11)进行锁相 处理；b) 其次，进行电网电压前馈处理，使电网电压usa、 usb和usc经旋转 坐标变换(18)后得到dq坐标系下的量usd、 usq，并使usd、 usq经电网 电压前馈(19)后得到输入电压前馈量usdf、 usqf;c) 而后进行电流环调节，即对输出电流iouta、 ioutb和ioutc经旋转坐 标变换(18)后得到dq坐标系下的量ioutd、 ioutq;d) 最后将ioutd、 ioutq、 ioutrd、 ioutrq、 usdf、 usqf纟S电流调节(21) 后得到dq坐标系下的指令id、 iq,使ido、 iqo经空间矢量发生器(22)后 得到最终的控制信号，用来驱动逆变器(2)的开关器件。
全文摘要
本发明介绍的一种多功能大功率电子负载及其控制方法，其特征在于它由整流器、逆变器和储能电容组成，其中整流器的三个输入端即为电子负载的三个输入端ina、inb、inc，逆变器的三个输出端即为电子负载的三个输出端outa、outb、outc，整流器和逆变器之间有一共用储能电容相连，整个电子负载通过逆变器的三个输出端outa、outb、outc分别与系统电压的三相线连接。并且，整流器控制采用同步旋转坐标系下的电压外环和电流内环的双闭环串级控制策略；逆变器控制采用同步旋转坐标系下的电流单环控制策略。
文档编号H02J3/38GK101546913SQ20091005710
公开日2009年9月30日 申请日期2009年4月21日 优先权日2009年4月21日
发明者彭华良, 薛建科, 魏学良 申请人:上海追日电气有限公司