交直流馈能型电子模拟负载装置及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力电子技术领域，特别是一种交直流馈能型电子模拟负载装置及其 控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子装置应用的日益广泛，新产品、新技术越来越多。目前，各种电力电 子装置出厂实验、使用前的可靠性实验(主要是老化实验)一般都是采用电阻能耗放电的办 法进行物理实验，同时对其它负荷特性难W进行测试与试验。为克服运一问题，需要通过电 子模拟功率负载进行试验。它是一种利用电力电子技术、计算机控制技术及电力系统自动 化技术设计实现的，用于对各种直流电源进行考核试验的实验装置。
[0003] 本设计与一般电子负载的区别在于:一方面，它从被试电源吸收的电能最大量的 可为被试电源循环使用，其损耗仅仅是PWM变流器的开关损耗和线路损耗，从而最大限度的 节约了能量；另一方面，由于所采用的PWM变流器工作在开关状态，与一般工作在放大状态 的电子负载相比它很容易实现大功率应用的要求，从而具有更广阔的应用领域。
[0004] 本发明用于替代传统电阻型功率负载进行相关的功率实验，也可应用于仪器设备 的测试实验，并且满足IEEE-519标准。本发明与电阻型负载相比它有W下的优点:①因为它 的工作方式是利用电力电子变换技术在完成测试功率实验的前提下，将待试设备的输出能 量反馈到电网，节约了能源，另一方面又不产生大量的热量，避免了试验场所环境溫度升高 的问题;②体积小、重量轻。由于该电子负载没有把试验的功率变成热量，因此不必使用体 积庞大的电阻箱及冷却设备，因而节约了安装空间；③所模拟的功率连续可调。众所周知， 电阻负载在功率较高时不得不采用有级调节，在使用时受到很大限制，用户在具体使用时 可通过计算机界面设定所需要的功率(或电源输出电流)-时间变化曲线，设备起动后其负 载大小就严格按设定运行;④由于采用的是能量回馈方式，因此，试验场所不必配备较大的 电源容量。已有的电子反馈负载功能单一，难W满足高速发展的电力电子技术需求。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种交直流馈能型电子模拟负载装置及其控 制方法，该装置负载测试研究节电优势明显，具有灵活模拟各种负载特性、交直流反馈的特 点。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种交直流馈能型电子模拟负载装置，其特点在于该装置包括:控制器、输入侧变 换单元、输入侧Η桥逆变单元、隔离高频变压器、输出侧Η桥整流单元、输出侧变换单元、输入 电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器、直流电压互感器、输入交 流端子、输出交流端子、输出直流端子和显示单元，
[000引所述的输入侧变换单元的输入端与所述的输入交流端子相连，该输入侧变换单元 的输出端与所述的输入侧Η桥逆变单元的输入端相连，该输入侧Η桥逆变单元的输出端与所 述的隔离高频变压器的输入端相连，该隔离高频变压器的输出端与所述的输出侧Η桥整流 单元的输入端相连，所述的输出侧Η桥整流单元的输出端和所述的输出侧变换单元的输入 端相连，所述的输出侧变换单元的输出端与所述的输出交流端子相连;所述的输出直流端 子接所述的输出侧Η桥整流单元的输出端;所述的直流电压传感器的输入侧与所述的输出 侧Η桥整流单元的输出端相连；
[0009] 所述的输入电压互感器的输入侧与所述的输入侧变换单元的输入端的主电路相 连，所述的输入电压互感器的电压信号输出端与所述的控制器对应的输入电压信号输入端 口相连;所述的输入电流互感器串接在所述的输入侧变换单元和所述的输入交流端子之间 的电路中，该输入电流互感器的交流电流信号输出端与所述的控制器的交流输入电流信号 的输入端口相连；
[0010] 所述的输出电压互感器的输入侧与所述的输出侧变换单元的输出端的主电路相 连，所述的输出电压互感器的电压信号输出端与所述的控制器的输出交流电压信号的输入 端口相连;所述的输出电流互感器串接在所述的输出侧变换单元的输出端的电路中，该输 出电流互感器的电流信号输出端与所述的控制器的输出电流信号输入端口相连;所述的直 流电压传感器的电压信号输出端与所述的控制器的直流电压信号输入端口相连；
[0011]所述的控制器的输出脉宽调制信号PWMs123、PWM日123端日分别与所述的输入侦峻换 单元的P丽控制信号端、所述的输出侧变换单元的P丽控制信号端相连;所述的控制器的本 地通讯端口与所述的显示单元的通讯端口相连，所述的控制器的远端通讯端口与上位机通 讯相连。
[0012] 所述输入侧变换单元与输出侧变换单元均包括与交流Ξ相连接的Ξ相逆变结构 和公共直流母线电容，其中每相逆变结构都包括:第一绝缘栅双极型晶体管（简称为IGBT) 和第二IGBT，所述的第一 IGBT的发射极连接所述的第二IGBT的集电极，所述的第一 IGBT的 集电极通过所述公共直流母线电容与所述的第二IGBT的发射极连接，作为逆变单元的控制 端的所述的第一 IGBT和第二IGBT的控制端，其与对应相逆变单元PWM信号对应的控制单元 的逆变单元PWM信号输出端相连，所述第一 IGBT和第二IGBT的控制端的信号相反，第二IGBT 的集电极为逆变单元的交流输出端，所述公共直流母线电容两端为逆变单元的直流输入 端，其电压为逆变单元的直流电压化C ;
[0013] 由于第一 IGBT的控制端和第二IGBT的控制端的控制信号相反，控制单元的逆变单 元PWM信号输出端输出的逆变单元PWM信号可经外部反相器或者由控制单元内部生成相反 的逆变单元PWM信号，然后将逆变单元PWM信号和相反的逆变单元PWM信号对应输入第一 IGBT的控制端和第二IGBT的控制端。
[0014] 所述的输入侧Η桥逆变单元和输出侧Η桥逆变单元均包括:第一 IGBT、第二IGBT、第 ^IGBT、第四IGBT，所述的第一 IGBT的发射极连接所述第^IGBT的集电极，第一 IGBT的集电 极通过公共直流母线电容与所述的第^IGBT的发射极连接;所述的第二IGBT的发射极连接 所述的第四IGBT的集电极，所述的第二IGBT的集电极通过所述公共直流母线电容与所述第 四IGBT的发射极连接；
[0015] 所述的第一 IGBT的控制端和第SIGBT的控制端的控制信号相反，第二IGBT的控制 端和第四IGBT的控制端的控制信号相反;第一 IGBT的控制端和第四IGBT的控制端的控制信 号相同，第二IGBT的控制端和第SIGBT的控制端的控制信号相同，所述的控制信号由本地 产生，为10k~50曲z频率、50%占空比的信号。
[0016] 所述的交直流馈能型电子模拟负载装置的控制方法，其特点在于该方法包括输出 侧变换单元控制方法、输入侧变换单元控制方法和能量反馈优化方法。
[0017] 于所述的输出侧变换单元控制方法包括下列步骤：
[0018] ①给定第1比例积分器、第2比例积分器、第3比例积分器的控制参数：Kkp^lOO、 0.1<1^<10、1<1^2<100、0.1<山2<10、1<1^3<100、0.1<山3<10，测量输出侧交流电压11。、交流电 流i。，并由此得到输出侧交流电压幅值Us、输出侧交流电流幅值Id、IqW及输出侧交流电压 与交流电流的功角9;
[0019] ②设定直流电压给定值化Cref，测量直流电压化C，将设定直流电压给定值化Cref和测 量的直流电压化C之差经第1比例积分器控制的输出值Udo为：
[0020] UdQ = kpl*(UDCref-UDC)+kil*J(UDCref-UDC)dt
[002。 其中，UDCref是直流电压给定值，标么值为1~1.2 ;
[0022] ③将第1比例积分器的输出值，结合测量得到的输出侧交流电压化与电流Id，经第2 比例积分器得到逆变单元的有功功率控制量Ud，具体公式如下：
[0023] Ud = kp2*(u 加-Id)+ki2*J (山i〇-Id)dt+Us
[0024] ④测量得到的输出侧交流电流I