一种单相全桥交流电子负载单周期控制策略

定美辰

(武汉交通职业学院电子与信息工程学院，湖北 武汉 430065)

一种单相全桥交流电子负载单周期控制策略

定美辰

(武汉交通职业学院电子与信息工程学院，湖北 武汉 430065)

分析基于单相全桥拓扑结构的交流电子负载模拟器原理，介绍该负载模拟器单周期控制策略。在此理论基础上进行仿真实验，并从负载模拟精度和动态响应速度两个方面，将单周期控制策略和PID控制策略进行比较。仿真实验显示，单相全桥AC/DC拓扑结构结合单周期控制方法，不仅可以大大提高电子负载模拟精度，还能快速抑制电源干扰，是一种实用的交流电子负载模拟器控制策略。

交流电子负载； 负载特性模拟； 单周期

为了实现负载特性模拟和能源节约，交流电子负载要取代真实负载对出厂交流电源设备进行功能测试，负载模拟器可以模拟纯阻性、阻容性、阻感性等线性负载，原理是通过控制被测电源放电电流波形，调节输出功率因数来实现被测电源的负载特性模拟[1]。其中负载特性电流指令的生成和对指令的跟踪控制是实现负载模拟的两个重要环节，能否精确跟踪给定电流指令并具有良好的动态跟踪特性，直接决定了负载模拟变换器的实时模拟性能[2]。由于扰动量是不可预测而且快速变化的，故交流电子负载的电流跟踪控制策略必须具有良好的动态性能。

模糊控制、重复控制和滑膜变结构控制等新型控制理论出现前，交流电子负载模拟器习惯采用PID控制[3]、滞环控制[4-5]等模拟控制策略。近几年来，新型控制理论基础上发展了许多新的控制算法，文献[2]提出了将两个PWM整流器共用一个直流侧电容的背靠背式交流电子负载拓扑结构，并给出了电压控制方法，但仅限于功率因数校正电路。文献[6]针对无差拍控制中的延时问题，构建了新的电流状态观测器。通过观测器，可消除无差拍控制延时引起的电流环跟踪误差，缺点是控制算法复杂。文献[7]通过仿真实验数据，分析了PID控制和重复控制在电子负载模拟器中的性能比较，稳态时重复控制可以更精确地模拟纯阻性负载，但对于抑制电源扰动性能和动态响应速度等没有结论。文献[8]利用滑膜变结构控制, 不受系统参数变化和外部扰动影响的特点，将滑模变结构控制应用于能馈型电子负载的负载特性模拟变换器上，虽然可以提高系统的抗扰性和鲁棒性，但由于其不确定参数上下边界难以确定的问题，牺牲了电流波形跟踪精度，得不偿失。

综上所述，本文采用参考文献[2]中提出的主电路前级拓扑，针对交流电子负载特性模拟要求和文献[7]的不足，采用单周期控制策略，应用于交流电子负载模拟器控制部分，从动态响应速度和抗干扰能力两个角度分析，将单周期控制与PID控制进行比较，得到单周期控制不仅负载模拟精度更高，且能在一个周期内完成抑制干扰，响应速度更快的结论。

1 主电路结构

交流电子负载与PWM整流电路具有相同原理，主电路拓扑见图1。单相桥式变换器为电压型变换器(voltage source converter)，为了缓冲PWM过程中的无功功率，功率开关管两端反并联一个续流二极管[9]。us为被测交流电源，把变换器接入被测电源，通过控制功率开关管的关断，使单相桥式变换器的输入电流跟踪参考正弦信号，即可实现输出功率因数调节。us确定不变时，电子负载大小只与变换器输入电流大小有关，电子负载性质决定于输入电流与电源电压之间的功率因数λ，当λ在0～1之间连续调节时，对于电源而言，变换器可以等效为不同性质的负载。交流侧电感L起平衡电路电压、滤除谐波电流的作用。当被测电源电压大小波动时，交流侧输入功率和直流侧输出功率不相等，电容C起到缓冲前后级功率的作用。

图 1 AC/DC电子负载主电路

图2所示为稳态条件下，单相交流电子负载在模拟纯阻性、阻感性和阻容性3种工作特性时变换器输入侧矢量关系。Us为测试电源电压，IL为输入电流，假设|IL|不变，则|UL|=ωL|IL|也保持不变，单相全桥中点交流电压矢量UAB的端点运动轨迹构成一个以|UL|为半径的圆。如果只考虑基波分量，Us与IL同频，通过控制电压矢量UAB即可实现各种交流电子负载特性模拟[10]。

图 2 交流电子负载工作特性

2 负载模拟器控制策略

目前全桥整流控制方式主要有双极性控制和单极性控制两类，双极性控制指对角开关管为同步开关，桥臂上下开关管为互补开关，控制简单，但是开关损耗高，存在很大的开关谐波[11]。如图3所示，单极性控制方式为正半波时v2工作于高频，v3常闭，v1和v4关断；负半波时v1工作于高频，v4常闭，v2和v3关断，这样可降低功率管的开关损耗。负载模拟器主要任务是控制输入电流跟踪精度，电流控制方式分为间接电流控制和直接电流控制，相对于间接电流控制，直接电流控制算法动态响应速度更快且受系统参数影响较小。为实现输入侧高精度电流控制，本文采用符合单极性控制特点和直接电流控制特点的单周期控制策略。

图 3 AC/DC电子负载控制策略

2.1 单周期技术原理

图 4 负载模拟器的单周期控制原理

单周期控制电路见图4，每个时钟周期起始点，RS脉冲触发器使开关S1闭合，积分器复位清零。由于误差存在，积分电流iint的绝对值从零逐渐上升，变换器输入电流il开始跟踪给定正弦波信号iref，当RS触发器输出端Q为低电平时经逻辑电路驱动v1，Q为高电平时驱动v2；同时，当参考信号iref处于正半周期时，过零比较器驱动v3，iref处于负半周期时，过零比较器驱动v4。误差存在且iref处于正或负半周期内，桥臂两对对角开关只有一对导通，另一对截至，此时，il从时钟周期点经过积分后得到

式中：Ts为开关周期，Ton为一个开关周期内的导通时间。当积分电流viint上升至参考电流iref的瞬间，误差信号Δil=iref-il,说明电流跟踪误差为零，比较器动作，Q为低电平，功率开关管停止导通，同时S1闭合，积分器复位成功。积分电容两端电压下降到零，并保持直到下个周期到来，此时输入交流电流为

il(t)=iref(t)

因此，单周控制在一个周期内就可以控制输入电流信号等于参考电流信号。单周控制器由比较器，RS触发器、过零比较器、积分器及积分复位电路组成(图5)。

图 5 单周控制器框图

一般情况下，直流侧电容电压Udc存在纹波，输入电流il的幅值随之波动。为保证输入电流控制精度，电压外环应实时控制参考电流Ivref正比于Udc纹波幅值。iref与实际电流il比较后的误差信号送入比较器，il送入积分器，积分完成后，时钟脉冲触发器输出的PWM信号和过零比较信号经过逻辑电路产生单极性调制波，调节主电路四个功率开关管占空比，使单相全桥输入电流在一个周期内快速跟踪上参考电流，实现负载模拟器功能。为了使负载模拟器模拟正弦信号，PWM变换器应在四象限内交、直流两侧均可控，因此还需电压外环控制直流母线电压高于交流侧电源电压峰值。

电压外环与电流内环电路见图6。

图 6 电压外环与电流内环电路

2.2 输入扰动抑制原理

PID控制原理是通过比较放大后的误差信号与参考信号得到PWM占空比的，当输入电源受外界影响电压波动时，PID调节器不能在电压突变瞬间做出反应，引起误差信号波动后才起调节作用。输出波形会出现抖动，甚至畸变，需要经过较长时间调节，才能恢复稳态。

若采用单周期控制策略，由其工作原理可知，输入电压上下波动时，积分参数不变情况下，积分器输出电流iint的上升斜率也随之增大或减小，即积分电流iint等于参考电流iref的时间延长或缩短，使RS触发器输出到变换器的脉冲调节信号变化，直到RS触发器输出积分复位信号为止。一个周期结束后，单周控制始终能保证开关量的平均值等于参考值，这是单周期控制的突出优势，因此，相对于传统PWM控制下的PID调节器，单周期控制策略对电源干扰的抑制速度快得多。从取样点位于低通滤波之前的控制策略，也可以看出，单周期控制其实是一种前馈控制方式，对于输入扰动的抑制能力很强[12]。

3 仿真

为了验证以上分析，使用Matlab/Simulink软件按图2所示主电路结构进行仿真分析。仿真电路的参数为：50Hz测试电源作为输入，其电压有效值为200V，输入交流电感为3mH，直流母线电容2300μF，直流母线电压为350V，采样频率为14.1kHz，R为50 Ω。仿真结果：图7，8，9分别为稳态时纯阻性、阻感性和阻容性3种负载特性下的输入电压电流波形，在t=0.6 s时电源电压有效值由200 V突增为300 V。

(a)PID控制下il、us波形

(b)单周期控制下il、us波形图 7 φ=0°时输入电压电流波形

(a)PID控制下il、us波形

(b)单周期控制下il、us波形图 8 φ=45°时输入电压电流波形

(a)PID控制下il、us波形

(b)单周期控制下il、us波形图 9 φ=-45°时输入电压电流波形

图7可知，单周控制下，输入电流与电源电压严格同相，即φ=0°，0.06～0.07 s期间电源扰动到来时，输入电流在0.07 ～ 0.08 s内恢复稳态跟踪，即在一个周期内完成了扰动抑制，动态性能良好；PID控制时虽然相位能够跟踪，但是谐波太大，且扰动发生后三个周期即0.06～0.12 s内输入电流波形仍有畸变，不能快速抑制谐波从而回到稳态。图8和图9的单周期控制中，输入电流均跟踪电源电压良好，分别实现了φ=45°和φ=-45°的负载特性模拟，也都同时在一个周期内完成了扰动抑制，而PID控制下的电流波形均不能快速抑制扰动，谐波分量较大，不如单周期控制策略下的负载模拟特性好，且动态性能差。

从以上3组仿真波形及数据可知，单周期控制作为本文电子负载模型的控制策略可以很好地完成各种负载特性的模拟，单周期控制方式的抗干扰强、动态响应快的特点在单相交流电子负载中充分体现出来。

4 结论

对单相电子负载主电路工作原理及其控制方案进行了理论分析，为了提高稳态精度和暂态响应速度，尝试将单周期控制应用于交流拓扑中，并对比PID控制策略。仿真实验说明，该控制方案可大大提高电子负载模拟精度和动态性能，具有实用性和有效性，可应用于交流电源测试中。

本文只研究了单周期控制下负载模拟器的输入电流波形精度及其在输入扰动抑制中的动态表现，下一步还要在单周控制与其它控制方法相结合的复合控制中进行动态性能方面的深入研究，非线性负载模拟器也是下一步研究的重点方向。

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[责任编校： 张岩芳]

An OCC Control Strategy of Single Phase AC Electronic Load

DING Meichen

(CollegeofElectronicalandInformationEngin.，WuhanTechnicalCollegeofCommunications，Wuhan430065,China)

The paper first analyzes the principle of AC electronic load simulator based on single phase full bridge topology and introduces the one cycle control strategy of the load simulator. It then carriesout the simulation. The performance of one cycle control strategy and PID control strategy is compared from two aspects of load simulation accuracy and dynamic response speed. The one cycle control method of single phase full bridge AC/DC topology can not only improve electronic load simulation accuracy greatly, but also suppress power interference quickly. The results show that the one cycle control strategy of AC load simulators is effective and practical.

AC electronic load; load characteristic simulation; single cycle control

2015-12-01

国家自然科学基金(61473116)

定美辰(1991-)， 女，湖北赤壁人，工学硕士，武汉交通职业学院助教，研究方向为电力电子技术

1003-4684(2017)02-0073-05

TM46

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