張同懷，雷新穎

(1.西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077;2.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

能量反饋型電子負(fù)載的研究

張同懷1，雷新穎2

(1.西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077;2.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

為了能量反饋型電子負(fù)載能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，采用STM32單片機(jī)作為控制器，通過對(duì)系統(tǒng)分析，提出較為實(shí)用的控制模型。經(jīng)過Simulink仿真，采用滯環(huán)算法和PID算法控制系統(tǒng)，可以得到滿意的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：整流級(jí)的電流相位可以滯后或超前其電壓相位任何角度，逆變級(jí)工作在功率因數(shù)是1的逆變狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)的控制模型正確，控制方案可行。

電子負(fù)載；滯環(huán)算法；PID算法；功率因數(shù)

0 引言

能量反饋型電子負(fù)載與普通的電子負(fù)載相比，可將普通電子負(fù)載消耗為熱能的能量反饋到電網(wǎng)，如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可以節(jié)約大量能源。能量反饋型電子負(fù)載系統(tǒng)比較復(fù)雜，控制任務(wù)比較繁重，對(duì)控制器性能要求比較高。為了簡(jiǎn)化其控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性和降低成本，本文通過對(duì)系統(tǒng)的分析，提出較為簡(jiǎn)單的控制模型，即使用滯環(huán)控制算法控制整流級(jí)和逆變級(jí)，采用PID算法控制整流器輸出直流電壓，采用STM32單片機(jī)作為控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

能量反饋型電子負(fù)載結(jié)構(gòu)包括主電路和控制電路兩大部分。主電路通常具有兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)為PWM整流級(jí)，后級(jí)為PWM逆變級(jí)，如圖1所示。圖1中電容C左側(cè)電路是整流級(jí)，充當(dāng)電子負(fù)載的作用，其功能是從電源Vs吸收能量，將吸收的能量存儲(chǔ)在大電容C上，并在控制器的控制下實(shí)現(xiàn)阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載等各種不同的工作狀態(tài)。圖1中電容C右側(cè)的電路為逆變級(jí)，其功能是將大電容C上存儲(chǔ)的能量反饋回電網(wǎng)，并在控制器的控制下按照單位功率因數(shù)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)的控制

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，大電容C上電壓值必須穩(wěn)定。實(shí)際選取中容量值應(yīng)足夠大，保證在交流電的一個(gè)周期內(nèi)工作時(shí)，其電壓變化很小?？刂齐娐房驁D如圖2所示，其中電壓控制環(huán)的采樣周期可以采用交流電的周期，此處忽略了交流電的波動(dòng)。電流控制環(huán)采用滯環(huán)控制，其控制周期遠(yuǎn)小于電壓控制環(huán)的控制周期，電流控制環(huán)整體可以看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，這樣做可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)分析。

下面的推導(dǎo)過程中，均采用交流電的有效值計(jì)算。設(shè)大電容C上的電壓為u，流入大電容的電流為i，整流級(jí)輸入端電壓有效值為u1，流入整流級(jí)的基波電流有效值為i1，逆變級(jí)輸出端電壓有效值為u2，逆變級(jí)輸出基波電流有效值為i2，忽略損耗，根據(jù)功率平衡，各量之間有如下關(guān)系：

u1i1cosφ=ui+u2i2

(1)

其中φ是i1與u1之間的相位夾角。根據(jù)電容的定義有：

(2)

將(1)帶入(2)得：

(3)

把i1看成干擾，并省去負(fù)號(hào)，則(3)式變?yōu)椋?/p>

兩邊取拉氏變換得大電容的傳遞函數(shù)：

(4)

可以看出這是一個(gè)積分環(huán)節(jié)。

被控對(duì)象是積分環(huán)節(jié)，可以采用常規(guī)的PID算法進(jìn)行控制。為了考慮交流電的波動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，在仿真時(shí)對(duì)控制器輸出的信號(hào)乘了交流信號(hào)的絕對(duì)值，如圖3所示。圖4為仿真的階躍響應(yīng)曲線，效果理想。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

主電路中IGBT選用FGA25N120型號(hào)。STM32單片機(jī)是32位的單片機(jī)，其工作速度較高，自帶2個(gè)12位的AD轉(zhuǎn)換器，非常適合用于對(duì)能量反饋型電子負(fù)載的控制。本文選取STM32F103RBT6單片機(jī)作為控制器，驅(qū)動(dòng)電路采用A316J，采用霍爾電流傳感器測(cè)量主電路中的電流。

正常工作時(shí)，大電容C上的電壓要大于逆變級(jí)交流側(cè)電壓的最大值，并適當(dāng)設(shè)置高一些。否則，逆變級(jí)輸出電流的波形將不正常。當(dāng)大電容C上的電壓小于變壓器副邊交流電壓絕對(duì)值時(shí)，不管怎么控制4個(gè)IGBT，將不能自由調(diào)整逆變級(jí)中流過電感電流的增大或減小。

4 電路調(diào)試

電路的調(diào)試過程先調(diào)試逆變級(jí)，再調(diào)試整流級(jí)，最后聯(lián)調(diào)。調(diào)試逆變級(jí)時(shí)，大電容C直接接直流穩(wěn)壓電源。整流級(jí)單獨(dú)工作時(shí)，當(dāng)流入整流級(jí)的電流相量與加在整流級(jí)輸入端的電壓相量的夾角小于90°時(shí)，大電容C上的電壓將進(jìn)一步升高，當(dāng)它們同頻同相時(shí)，大電容C上的電壓升高速度最快。所以單獨(dú)調(diào)試整流級(jí)時(shí)，必須在大電容兩端并聯(lián)合適的電阻，作為模擬負(fù)載，否則由于大電容C上電壓一直上升，造成過壓損壞。

系統(tǒng)整體工作時(shí)，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。啟動(dòng)要平緩，開始時(shí)應(yīng)該使整流級(jí)流入大電容的電流小一些，并可以將流入整流級(jí)電流的幅值設(shè)置一個(gè)較小的值，或者將流入整流級(jí)電流的相角設(shè)置一個(gè)較大的值，等到系統(tǒng)工作穩(wěn)定后可以用電位器緩慢調(diào)節(jié)到設(shè)定值。

圖5、圖6是不同負(fù)載下的電路工作波形圖，其中直線表示大電容上電壓，可以看出正常工作時(shí)，大電容上的電壓平穩(wěn)。電容電壓下方的正弦波表示電源電壓，與其反相的另一條帶毛刺的正弦波表示逆變電流，剩余的一條帶毛刺的正弦波表示整流級(jí)的電流。圖5是整流級(jí)阻性狀態(tài)運(yùn)行，其電流與電壓同相。圖6是整流電流滯后電壓45°。

5 結(jié)語

經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，PWM整流級(jí)的電流可以滯后或超前其電壓任何角度，用于模擬不同性質(zhì)的負(fù)載。逆變級(jí)通常工作在功率因數(shù)為1的狀態(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)的控制模型正確，控制方案可行。尤其在電源產(chǎn)品老化的情況下，使用能量反饋型電子負(fù)載可以節(jié)約大量的能源。

[1] 周紅標(biāo),應(yīng)根汪,蔣恒,等.基于STM32的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表,2015,52(19)：62-66.

[2] 柯程虎,張輝.小功率單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(12)：2866-2873.

[3] 雷新穎,常振杰,鄭天良.基于STM32單片機(jī)的單相并網(wǎng)逆變研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,24(1)：141-143.

[4] 楊亞萍,王成,雷新穎.電壓型PWM整流電路研究與控制實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,4(15)：154-156.

[5] 張興,張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012:21-31.

[6] 沙占有.開關(guān)電源設(shè)計(jì)入門[M].北京：中國(guó)電力出版社,2013:61-65.

[7] 劉雨棣,雷新穎. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,2013:59-61.

[8] 韓曉冬,李梅,張潔. 電力電子技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2012:192-194.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：東 艷]

Research on Energy-feedback Electronic Load

ZHANGTong-huai1,LEIXin-ying2

(1.Xi'an Aeronautical University,Xi'an 710077,China; 2.School of Electronic Engineering,Xi'an Aeronautical University,Xi'an 710077,China)

With STM32 microcontroller as the controller,the paper presents a relatively practical control model through system analysis in a bid to ensure the continuous and stable operation of energy-feedback electronic load.Via Simulink simulation,hysteresis algorithm and PID control system can produce the satisfactory results.Experimental results show that current phase at the rectifier stage can lag behind or lead voltage phase at any angle;with the power factor being 1 at the inverter stage,the system can work stably and continuously;the control model of the system is correct,and the control scheme is feasible.

electronic load;hysteresis algorithm;PID algorithm;power factor

2016-10-09

陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(14JK1364)

張同懷(1962-)，男，陜西鳳翔人，西安航空學(xué)院副院長(zhǎng)，副教授，主要從事測(cè)控技術(shù)研究。

TM714

A

1008-9233(2017)01-0042-03