一种非线性电力电子负载以及能量反馈的方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种非线性电力电子负载以及能量反馈的方法。

背景技术：

随着电力电子技术的发展以及开关器件性能的提高，使得越来越多的电力电子设备进入到我们的日常生活和工业生产中，比如用于电网电源中断后备的不间断电源(ups)，大型电力电子设备如交流电动机传动系统的变频电源，和一些我们身边个人所用的小型的电力电子设备，比如个人电脑，手机电源适配器，mp3等等。

这些电力电子设备给我们带来便利的同时也对电网造成了很严峻的考研，无论是电力电子设备接入电网时对电网反馈高次谐波，还是由于电力电子设备效率低下从而浪费大量的电能，对电网来说都是不利的因素。所以为了保证电力电子设备，尤其是附带电力电子设备的电源在实际工作时的稳定和可靠，在其出厂之前都要对这些电源设备进行长时间，各种负载情况的的老化测试，输入输出特性测试，复杂情况下的鲁棒性测试等等，以检验这些被测试电源的可靠性以及其各项技术指标和电气性能。

传统的无馈能式的电力电子负载，由于要将测试电源的电能消纳，使用电阻箱作为被试电源的负载。一方面，被测试电源输出的能量绝大部分被电阻吸收转变成热量；另一方面，需要大量的专门的通风系统来散热，在一定的转机容量的厂房下同时可测试的数量有限，且存在较大的安全风险。另外，电力电子负载大多采用全控型器件，能为测试电源提供感性或容性负载，而模拟非线性负载采用较为复杂的控制算法，且成本较高。

电力电子负载可以替代传统负载且满足小功率小电流、大功率大电流或者高压电池组的测试工作。根据能量的分配和去处不同可以分为能量消耗型和能量回馈型两类。其中馈能型电力电子负载中电能经过后级并网逆变器回馈至电网，工作中仅存在开关器件导通损耗和线路损耗，电能实现重复利用。馈能型电力电子负载一般采用两级式结构。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是设计一种基于非线性电力电子负载以及能量反馈的方法，减少了能量的损耗，为测试电源提供了非线性负载，增加了测试电源测试的全面性。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种非线性电力电子负载以及能量反馈的方法，包括，

将测试电源输入的三相交流电经整流侧进行不控整流；

通过直流侧稳定直流侧输出电压；

通过逆变侧在逆变控制模块的控制下对输出电压单相逆变；

经过馈能侧输入电网。

作为本发明所述非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的一种优选方案，其中：所述逆变控制模块对所述逆变侧的控制过程为：

电流检测模块获取电网的电网实测电流值iref和逆变侧的输出电流i0得出调制信号；

将所述调制信号输入给逆变器得到逆变信号反馈给所述逆变侧。

作为本发明所述非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的一种优选方案，其中：所述调制信号由电网实测电流值iref和逆变侧的输出电流i0做差再通过电流调节器获得。

作为本发明所述非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的一种优选方案，其中：所述三相交流电在三相静止坐标系下的电压为：

其中a0，b0，c0为三相测试电源的三相线电压，ω为三相电源角频率，ua,ub,uc为电压的瞬时值。

作为本发明所述非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的一种优选方案，其中：经过不可控整流电路实现的非线性负载；其次通过直流侧并联的电容，稳定直流侧输出电压；

输出直流侧电压平均值：

其中，α为导通角由电池本身决定，u2为输入测线电压，即

作为本发明所述非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的一种优选方案，其中：逆变侧在逆变控制模块下的平均模型值：

uab＝km*um

其中，uab为逆变侧输出的交流电压，其中ud直流侧电压平均值，utrm为调之信号时变量，um为调制信号。

作为本发明所述非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的一种优选方案，其中：所述整流侧使用不控器件，对测试电源输入的三相电源进行不控整流。

作为本发明所述非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的一种优选方案，其中：所述逆变侧为桥式可控逆变电路，将直流电能转化为单相交流电。

作为本发明所述非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的一种优选方案，其中：所述直流侧为两个串联的电容，为直流侧稳压。

作为本发明所述非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的一种优选方案，其中：所述馈能侧为隔离变压器。

本发明的有益效果：输入侧使用不控整流，对于测试电源相当于是一个非线性负载，测试了电源多种不同工况下的运行情况，有利于测试人员更好的对测试电源做出更加准确的评估。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明提供的一种实施例所述的非线性电力电子负载以及能量反馈的方法的整体电路结构原理图；

图2为本发明提供的一种实施例所述的非线性电力电子负载以及能量反馈的方法中单相spwm逆变电路控制原理图；

图3为本发明提供的一种实施例所述的非线性电力电子负载以及能量反馈的方法中输入侧直流电压仿真波形；

图4为本发明提供的一种实施例所述的非线性电力电子负载以及能量反馈的方法中馈能侧电压仿真波形；

图5为本发明提供的一种实施例所述的非线性电力电子负载以及能量反馈的方法中馈能侧电压电流仿真波形；

图6为本发明提供的一种实施例所述的非线性电力电子负载以及能量反馈的方法中馈能侧电压总谐波失真率；

图7为本发明提供的一种实施例所述的非线性电力电子负载以及能量反馈的方法中单相桥式pwm逆变电路原理框图；

图8为本发明提供的一种实施例所述的非线性电力电子负载以及能量反馈的方法中单极性pwm控制方式波形。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1～8，本实施例提供了一种非线性电力电子负载以及能量反馈的方法，其特征在于：包括，

将测试电源输入的三相交流电经整流侧进行不控整流；

通过直流侧稳定直流侧输出电压；

通过逆变侧在逆变控制模块的控制下对输出电压单相逆变；

经过馈能侧输入电网。

逆变控制模块为单相spwm逆变电路。

逆变控制模块对逆变侧的控制过程为：

电流检测模块获取电网的电网实测电流值iref和逆变侧的输出电流i0得出调制信号；

将调制信号输入给逆变器得到逆变信号反馈给逆变侧。

调制信号由电网实测电流值iref和逆变侧的输出电流i0做差再通过电流调节器获得。

逆变侧在逆变控制模块下的平均模型值：

uab＝km*um

其中，uab为逆变侧输出的交流电压，其中ud直流侧电压平均值，utrm为调之信号时变量，um为调制信号。

整流侧使用不控器件，对测试电源输入的三相电源进行不控整流。

逆变侧为桥式可控逆变电路，将直流电能转化为单相交流电。

直流侧为两个串联的电容，为直流侧稳压。

馈能侧为隔离变压器。

本方法运用二极管的不控整流，提供一个非线性负载，再通过馈能侧的单相全桥逆变输出单相正弦交流电。首先测试电源输出三相交流电。所述三相交流电在三相静止坐标系下的电压为：

其中a0，b0，c0为三相测试电源的三相线电压，ω为三相电源角频率，ua,ub,uc为电压的瞬时值。

经过不可控整流电路实现的非线性负载；其次通过直流侧并联的电容，稳定直流侧输出电压。

输出直流侧电压平均值：

其中，α为导通角由电池本身决定，u2为交流侧电压，即

通过馈能侧全桥全控型逆变电路，通过spwm调制输出单相正弦交流电。单极性spwm控制方式由图7和图8可知。调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。在ur的正半周，v1导通，v2关断，在ur>uc时使v4导通，v3关断，u0＝ud；在ur<uc时v3导通，v4关断，u0＝0。在ur的负半周，v1保持断态，v2导通，在ur<uc时v3导通，v4关断，u0＝-uc；在ur>uc时使v4导通，v3关断，u0＝0。这样就得到了pwm波形u0。

调制信号的获得是通过将电网实测电流值iref和逆变侧的输出电流(交流电)i0做差再通过电流调节器获得。电流调节器即pi调节器。

逆变侧在逆变控制模块下的平均模型值：

uab＝km*um

其中，uab为逆变侧输出的交流电压，其中ud直流侧电压平均值，utrm为调之信号时变量，um为调制信号。

逆变侧为桥式可控逆变电路，将直流电能转化为单相交流电。

最后将交流电输出到隔离变压器vt，将能量单相传输回电网，相较于传统电力电子负载减少了能量的损耗。

整流侧使用不控器件，对测试电源输入的三相电源进行不控整流。三相不控整流运用二极管的单向导电的特性，对输入的交流电进行相控整流。因为相控整流后直流部分有大量的非线性部分，因此可以用三相不控整流桥实现对测试电源的非线性负载输出。

直流侧由两个电容串联后并联在整流侧两侧，当前端不控整流工作时，为直流侧保持电压。

因为输入侧采用的是不控整流，且测试电源的充能来自于三相电网，所以认为输入侧的三相交流电电压为大电网电压，及380v。所以再通过直流侧，进行pwm逆变时，在没有电压器的情况下，三相电压无法升至380v。因此选择220v单相交流电作为逆变侧侧逆变目标。逆变时，如图2将电网实测电流值iref和逆变侧的输出电流i0做比较，经过pi控制器，与三角载波进行比较，得出的控制信号去控制馈能侧的全控桥上的igbt器件,，实现输出单相正弦交流电。

馈能侧利用隔离变压器vt将逆变侧与电网相隔离，避免发生电网从输入侧直接通过中间串联之路直接与馈能侧相连的短路故障，同时加入隔离变压器滤除了逆变侧的直流分量，提高并网的电能质量。

将测试电源连接三相电网，实现对测试电源的充电，然后将测试电源的放电端连接到电力电子负载的输入端，整流侧将测试电源的交流电进行不控整流，对于测试电源连接了一个非线性负载，通过直流侧电容稳压后，直流电进入逆变侧。本发明采用spwm逆变电路，由于一般测试电源功率装置不大，故而采用三角载波比较法产生开关信号。一般三角载波比较法将电网实测电流值iref与逆变侧的输出电流i0做差后，经过电流调节器得到逆变器的输出电压的参考值，参考值与三角载波作比较，得到各个开关管的控制信号，控制逆变器输出相应的电压。电力电子负载的逆变侧主要是向电网回馈高功率因素的基波电流，因此在逆变器的输出端电压再加一个pi控制器，提高逆变侧的输出功率因素。最后，由隔离变压器将逆变侧输出电压单相传输回电网，实现了电力电子负载的馈能。由图5可以看出，电流电压同相位，因此在馈能侧可以提供功率因素接近1的电能的反馈。同时，馈能侧电压的总谐波失真率为1.69％，符合入网电能质量要求。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。