能量回馈型电子负载的原理介绍
党三磊，丘东元，张波
（华南理工大学电力学院广州510640）
Study on the Theory of Energy Recycling Electronic Load
DANG Sanlei, QIU Dongyuan
(Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
摘要：能量回馈型电子负载是一种用于各种电源出厂试验的能够模拟实际电阻负载特性的新型电力电子装置。它能够实现对所模拟电阻值的无级调节，并能够实现电能的再生利用，具有节能、体积小、重量轻、节省安装空间、试验性能优良等优点。本文简要描述了交直流电子负载的结构、原理和控制方式，并对主要影响系统性能的PWM整流器的工作原理和控制方法进行了重点分析。
关键字：电子负载，能量回馈，PWM整流器ABSTRACT:The energy recycling electronic load is a new type power electronics instrument that can run with the same function as resistors in the all kinds of power source burn-in test. It can be regarded as a resistor whose value can change smoothly. The device saves energy by feeding burn-in test power back to the utility system. It is lighter, smaller and has a better performance in the test than the normal electronic load. This paper describes the structure, principle and control strategy of AC and DC energy recycling electronic load briefly. The principle and control strategy of the PWM rectifier are studied in-depth.
KEYWORDS: electronic load, energy recycling, PWM rectifier
1引言
电子负载是指能模拟真实负载某些特性的电子设备，它不仅可模拟不同数值的电阻、电感、电容及它们的组合，而且可模拟非线性负载的某些特性。电子负载具有调节方便、通用性强、精度高、稳定性好等优点，是电源试验测试用负载的发展方向。电子负载作为电源测试的重要手段，随着电源测试集成化、一体化的发展趋势，其重要性越发明显。
能量回馈型电子负载既能模拟各种负载特性，又能将电能无污染的回馈电网，是当前电子负载发展的必然趋势。与普通电阻负载相比，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，将被测电源的输出能量循环再生利用，既节约了能源又不产生大量的热量，避免了试验场所环境温度升高的问题。该电子负载未将试验功率转变为热能，因此不必使用体积庞大的电阻箱及冷却设备，节约了安装空间。由于采用的是能量回馈的方式，因此试验场所不必配备较大的电源容量，降低了供电容量的成本[1]。
本文分别介绍了交直流电子负载的结构，工作原理和相应的控制方式，并重点分析了PWM整流器的工作原理和不同控制方式的优缺点。
2能量回馈型交流电子负载
图1给出了单相能量回馈型交流电子负载系统结构图，采用具有中间直流环节的AC/DC/AC双级变换结构，分开控制电子负载的输入电流i u、输出电流i r，并且能使输入和输出工作在不同的频率满足某些特殊电源测试需要。AC/DC整流单元与DC/AC逆变单元均采用电压型PWM整流器，前级整流单元控制被测电源的输出电流i u，模拟被测电源需要的负载特性；后级整流单元控制直流侧电压V dc和并网电流i r。控制上前后级是解耦的，可以分开进行分析和设计[2]。
前级整流器的功率因数在-1至1间可调，后级逆变器功率因数一般为-1，被测电源输出的电能（除去开关损耗）经逆变回馈电网。 2.1 负载特性模拟功能的实现
图2给出了负载特性模拟控制系统图，其中P ref 、V u 和i u 分别指模拟负载的功率、被测电源输出电压和被测电源输出电流，i uref 和i uf 分别指被测电源输出电流控制目标值和被测电源输出电流反馈值。前级PWM 整流的主要目的是模拟阻感负载特性，并把能量从被测电源传递给能量回馈单元。对于前级整流单元而言，后级整流单元相当于直流电压源，只有一个控制量i u ，对i u 进行闭环控制。电子负载作为被测电源的负载，要能模拟RL 负载特性，因而图中移相电路是必需的[3]。P ref 经过移相后与V u 通过乘法器产生模拟负载输入电流（即被测电源输出电流）控制目标值i uref ，i uref 再与反馈电流i uf 比较生成电流误差值，误差值经过电流调节器和PWM 发生器形成相应的PWM 脉冲使开关管开通或关断，达到i u 对i uref 快速跟踪，这样就实现了负载特性的模拟功能。
2.2 能量回馈功能的实现
图3给出了能量回馈系统控制系统图。后级整流单元控制直流侧电压V dc 和并网电流i r ，使并网电流正弦化和并保持功率因数为-1是后级控制的
主要目标。如控制系统框图所示，V ref 为直流母线给定电压，V dc 为直流母线电压，i r 为并网电流，V s 为与电网电压同相的单位正弦信号。根据对直流母线电压误差的比例积分调节，控制系统自动选取能量流动方向，PI 调节器的输出与V s 相乘生成的正弦信号作为并网电流的控制目标值，电流目标值与反馈值的电流误差经过电流调节器调节后生成信号波与载波比较产生驱动信号。只要选择合适的控制系统参数，可维持母线电压恒定的同时能量自动选取流动方向做到了能量平衡，网侧电流可为与电网同相或反相的正弦波形且THD 很小[2]。反馈电流和电压通过高频噪声滤波和凹槽滤波器可以进一步减少谐波含量[4]，改善电子负载的性能。
2.3 电压型PWM 整流器
交流电子负载中的负载特性模拟和能量回馈两个功能的实现都依赖于电压型PWM 整流器，因而选择合适的PWM 整流器拓扑结构和相应有效的控制方式决定了电子负载的性能。
PWM 整流器是应用脉宽调制技术（PWM ）发展起来的一种新型电源变流器，既可以将电网输入的交流整流为输出的直流，也可方便地将直流逆变为交流，回馈到电网中去，因而PWM 整流器也被称为脉冲变流器或四象限变流器。目前，应用最为广泛的是电压型桥式变流器，三相电压型PWM 整流器即是其中的一种，交流电子负载的负载特性模拟单元与能量回馈单元，直流电子负载的逆变部分都采用这种整流器。对于此类电压型桥式电路的分析，应当从其基本的组成单元半桥单元入手。
由三相电压型PWM 整流器三相电压的对称性可以知道，直流侧中点电位与电网中线等电位。以此电位为参考地电位，理想情况下三相电压型PWM 整流器半桥单元的理想拓扑结构如图4所示。若以正弦脉宽调制规律控制开关S1、S2，可在A 点得到基波为正弦波的脉宽调制波U s ，其基波幅值：
2/d S U U α= (1)
图1交流电子负载系统 Fig.1 AC electronic load system
V S
整流单元
逆变单元
图2 负载特性模拟控制系统
Fig.2 Control system of load characteristic simulation
unit
图3 能量回馈控制系统
Fig.3 Control system of energy feedback unit
