单相交流电子负载电流闭环控制策略研究

引言

交流电子负载主要应用于各类交流电源的特性测试中,是电源等产品的设计调试与检测过程中不可缺少的测试设备。传统的交流电源测试设备是以消耗电能来模拟阻性、感性和容性等不同负载工作情况。而能馈型电子负载是将原来大量测试消耗的电能高效地回馈至电网,实现了能量的循环再利用,具有节能、体积小、重量轻等优点,具有广阔的市场应用前景。

近年来,国内外专家学者对电流闭环控制策略进行了卓有成效的研究。但仍存在易受干扰、延迟严重和动态响应速度慢等问题。本文提出了一种交流电子负载电流闭环控制策略,即以数字锁相环-比例-准谐振(DPLL-QPR）作为无差调节控制器,以实现低成本、快速、准确、稳定的控制效果。

1主电路拓扑

能馈型单相交流电子负载串联在待测交流电源的输出侧和电网之间。一方面,对于待测电源,需能模拟不同大小的阻抗值和任意功率因数的阻性、容性或感性负载:另一方面,对于电网,其被视为一台分布式电源,能将待测电源提供的能量以单位功率因数的形式并入电网,以实现能量的循环再利用。

本文电子负载主拓扑(图1）采用基于双H桥的AC/DC/AC变换电路,主要由前级负载模拟变换器和后级全桥逆变电路组成,如图1所示。其中输入侧为负载模拟变换器,是采用四象限运行的PwM整流器,通过输入电感连接至待测电源Ex,模拟不同负载特性,从待测电源Ex吸取交流功率。直流侧支撑电容起到储能和稳定电压的作用。输出侧并网逆变器电路采用全桥逆变电路,用于将直流电能逆变为交流电能,通过变压器连接至电网,并且以单位功率因数并网,实现电能回馈。

2电子负载电流闭环控制策略

能馈型单相交流电子负载的输入级为负载模拟变换器,采用交流电流闭环控制,以控制输入电流和相角达到设定值。输出级并网逆变器采用直流电压外环、交流电流闭环的控制策略,保证功率平衡,将前级汲取的电能以单位功率因数并网。输入侧的交流电流波形以及电压电流相角直接关系到模拟的负载特性是否接近真实负载,输出侧的电流畸变率、稳定性以及并网功率因数的好坏会影响公共电网电能质量。故交流电流环的控制无论在前级还是后级的设计中都举足轻重,在整个系统中有着非常重要的地位。

为了提高系统的控制性能,本文采用了如下控制策略。鉴于篇幅有限,本文仅对前级负载模拟变换器输入电流闭环控制的模型建立与控制策略进行分析。该交流电流闭环同样适用于系统后级逆变器控制。

2.1电流闭环控制策略

本文所提出的控制方法是对输入交流电流进行直接电流控制,系统响应速度快,可提高系统的性能指标。数字锁相环-比例-准谐振(DPLL-QPR）电流闭环控制框图如图2所示。

前级负载模拟变换器通过用户设定的阻抗值计算得到相应的电流给定幅值IS*,iS为实际电感电流,即被控电流。输出直流电压Udc构成后级逆变器的电压外环控制。DPLL实时跟踪电压相位,与给定阻抗角9pS叠加后,得到实际所需相角值,再通过正弦计算并与电流设定幅值相乘,得到电流指令信号(瞬时值）,iS*=IS*Sin9in。经过QPR控制器计算得到电感电压指令值UL*,再与交流侧电压Uac和直流侧电压Udc经过SPwM模块调制计算得到H桥的控制信号。通过锁相环DPLL-QPR控制器的实时跟踪调节,使得被控电流满足系统所要求的幅值和相角关系。

2.2锁相环控制环路设计

数字锁相环控制环路由乘法鉴相器(PD）、环路控制器以及数字压控振荡器(VCO）组成。输入信号经过环路的反馈控制,使得输出信号的频率和相位与输入信号锁定一致,不断修正误差直至达到稳定,并具有一定的抗干扰性。数字锁相环的控制结构如图3所示。

乘法器与陷波滤波器组成了乘法鉴相器PD,对输入电流的频率及相位进行锁定,其输出值反映了输入与输出之间的相位差。与传统鉴相器不同的是,在乘法器后加入陷波滤波器,以抑制谐波干扰,增强系统的鲁棒性,也不影响计算速度和精度。环路控制器主要由PI控制器组成,实现稳态零相差的锁相控制,同时通过PI参数的优化调整,可以提高系统的动态性能,减少对被测电源以及电网的冲击。压控振荡器模拟了实际硬件VCO的特性,根据环路控制器的输出产生对应相位的信号,VCO中将系统额定频率ωo以前馈方式加入锁相环中,有助于系统的快速稳定,提高系统的跟踪性能。

2.3比例-准谐振控制器设计

本文采用了一种比例-准谐振（QPR）控制器,其传递函数为:

式中,ω0为基波角频率:KP为比例增益系数:KR为谐振增益系数:ωc为谐振控制器带宽。

采用QPR控制器进行电流控制,对图2中QPR环节进行系统建模得到S域传递函数框图,如图4所示。

为了对QPR控制器进行参数整定,对图4进行合理简化。合并小时间常数惯性环节,并且忽略干扰量和前馈抑制量。由于实际滤波电感的等效电阻远小于其电感值,故一并略去,得到简化后的系统开环传递函数为:

此时系统为高阶传递函数,有两个参数需要整定。本文在保证系统稳定的情况下,根据根轨迹理论确定控制器参数,选择合适的Kp和KR值,同时优化其动态性能。此时系统有4个极点,一个极点在接近零点处,主要由电感产生:一对极点为共辄极点,靠近零点,对系统的动态性能起到主导作用:另一个极点在远离零点的虚轴上,对系统的影响非常有限。随着Kp的增加,共辄极点开始远离虚轴,接近实轴,系统的稳定性变强。

KR与系统的谐振点的增益有关,谐振增益越高,系统的控制精度越高,响应速度越快。通过增加Kp值,可以减少超调量,增加其稳定性。但是过大的KR会过度减小系统的阻尼性,增加超调量,不利于控制优化。在保证系统的稳定裕量和控制精度的前提下,综合考虑KR、Kp的变化趋势,本文选取KP:KR=l:35,最后计算得KP=2.67,KR=94.35,系统《≈0.707。

3试验样机调试结果

本文自行设计和制作了一台l00VA的交流电子负载样机,采用了DSP控制器TMS320F29069进行数字控制。试验被测交流电源电压为30V/50Hz。样机参数为Ll=l.54mH,直流母线电容Cdc=4700uF。设计开关频率30kHz,H桥由4个功率管FDP3632组成。

3.1DPLL实验结果

图5给出了分别采用传统过零比较法以及本文所述数字锁相环的实验波形。

对比图5(a）和(c）可见,在输入电压(灰线）存在噪声时,传统的过零比较方式相位鉴定波形(黑线）在过零点存在跃变以及相位误差。而DPLL锁相波形(黑线）能准确跟踪电压的频率相位,有效地避免了干扰,具有良好的抗干扰性。

图5(b）和(d）是在被测电源电压相同的条件下,分别采用传统的过零比较方式和数字锁相环方式的实验波形,蓝线为电子负载输入端口电压,红线为被测电流。可以从图5(b）中看出,由于鉴相存在相位误差,造成相位失锁和波形抖动,从而造成电子负载输入端口电压及电流波形的进一步畸变。而从图5(d）中看出,本文所述DPLL方式下电流不受输入电压干扰的影响,波形失真度小,具有良好的鲁棒性。

3.2控制器计算相关算法耗时测试

以试验用DSP28069为例,采用文献实时计算128个点FFT耗时19.8uS,采用本文DPLL耗时仅为4.1uS,DPLL-QPR控制算法耗时仅用4.7uS。由此可见本文提出的控制方法有效地减少了计算带来的延时,实时性好。

4结语

本文详细研究了应用于单相交流电子负载的电流闭环控制策略,提出了一种数字锁相环-比例-准谐振(DPLL-QPR）控制方案及参数优化设计方法,并研制了小功率样机,进行了实验验证。实验结果与理论分析表明:

(1）本文DPLL-QPR控制方法能准确跟踪电压的频率和相位,输入电流精度高,失真度小,稳定性好,具有良好的稳态及动态性能。

(2）该优化设计方法能够有效提高系统的实时性,降低了对控制器计算能力的要求