模塊化能饋型直流模擬負載單元設計

薛家祥，羅海松，賀天鵬

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；2.貴州民族大學工程訓練中心，貴州 貴陽 550025)

模塊化能饋型直流模擬負載單元設計

薛家祥1，羅海松1，賀天鵬2

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；2.貴州民族大學工程訓練中心，貴州 貴陽 550025)

針對能量回饋電網型（能饋型)直流負載多樣化的負載測試需求，提出基于交錯并聯Boost的模擬負載單元模塊化設計方案，設計電流均值跟蹤和電流峰值保護兩者兼備的信號調理電路，研究基于逐個周期電流峰值限制的負載模擬雙環控制策略。通過建立單個模擬負載模塊電流控制的小信號模型，得到模擬負載模塊輸入電流的傳遞函數，并基于小信號模型設計PI調節器，改善模擬負載模塊的性能。仿真與實驗結果表明：模擬負載模塊在啟動后12ms即可進入穩定工作狀態，并且能在0.21μs內完成過流保護動作，恒流模式下負載模擬相對誤差絕對值為3.602%。與目前市場產品相比，該方案動態響應快，精度高，更加穩定安全。

能量回饋；負載模擬；控制策略；小信號模型

0 引 言

能饋型電子負載已經成為開關電源、儲能電池、不間斷電源（UPS)、新能源汽車動力電池出廠前老化試驗提高能源利用率，節省試驗成本的重要途徑之一。近年來，能饋型直流電子負載以其功率密度高，滿足多樣化的負載測試需求等優點成為研究熱點[1]。目前國內外對能饋型直流電子負載的研究主要集中在高升壓比負載模擬拓撲[2-3]、并網逆變拓撲[4]、負載模擬控制算法[5]及逆變控制算法[6]等方面。

目前，負載模擬控制算法大多采用數字控制，存在控制延時、無法迅速完成系統保護動作等問題。鑒于模塊化模擬負載單元具有提高功率上限，滿足多個電源測試需求的優點，本文提出了一種基于交錯并聯Boost的模塊化模擬負載單元硬件設計方案，設計了基于逐個周期電流峰值限制的數字外環、模擬內環的負載模擬控制策略，通過軟件仿真和樣機實驗分析了該方案的穩定性、安全性與精度。

1 能饋型直流電子負載總體結構

能饋型直流電子負載的硬件系統包括主電路、控制電路、輔助電源3部分，其控制策略與算法由軟件系統架構、負載模擬控制策略、功率平衡控制策略、逆變控制算法4部分組成。

本文所設計的模塊化模擬負載單元適用于直流被測設備，其輸入電壓范圍為20～50 V，因此設計了如圖1所示的能饋型直流電子負載硬件系統。其中主電路包括基于交錯并聯Boost的模塊化模擬負載單元、雙推挽升壓電路、全橋逆變電路。為了達到更高的升壓比，適應更寬的被測電壓范圍，采用Boost+雙推挽兩級拓撲方案。在被測設備的放電試驗中，通過Boost電路完成負載模擬和初步升壓功能，然后通過雙推挽電路將逆變直流側母線電壓升壓至400V，再經過全橋逆變電路將能量回饋至公共電網。

控制電路中的傳感器與信號調理模塊對主電路的選定檢測點進行采樣，采樣結果經過TI的TMS320F28035芯片運算后輸出對應的控制指令，通過模擬負載控制模塊、雙推挽升壓控制模塊、全橋逆變控制模塊作用于對應的控制對象，完成指定動作。輔助電源電路選用基于UCC28610的準諧振反激電路，輸出多路隔離的12，5，3.3V電壓，為控制電路中的各個模塊供電。

控制策略與算法中選用基于逐個周期電流峰值限制的數字外環、模擬內環的負載模擬控制策略；功率平衡控制策略作用于雙推挽電路和全橋逆變電路，可以平衡主電路前后級的能量；逆變控制算法采用基于預測算法的無差拍并網算法。

2 模擬負載單元設計

2.1 直流變換電路設計

模塊化能饋型直流電子負載主電路中的模擬負載單元和雙推挽升壓部分如圖2所示。其中模擬負載單元采用并聯輸入并聯輸出（input-parallel output-parallel，IPOP)連接方式，并且采用交錯Boost控制方式減少Boost母線電流紋波，輸出并接至Boost母線電容Cb。雙推挽電路用并聯輸入串聯輸出（input-parallel output-series，IPOS)連接方式，實現前后級電氣隔離和升壓轉換。逆變控制算法采用電壓源電流控制，逆變直流側母線電容CBUS可以儲存能量和緩沖無功功率，同時對直流變換與全橋逆變之間小信號進行解耦。

圖3 Boost輸入電流信號調理電路

2.2 信號調理電路設計

當Boost工作在電流連續模式時，Boost輸入電流與電感電流波形同為鋸齒波，為了實現基于電流峰值限制、電流均值跟蹤的負載模擬控制策略，設計如圖3所示的Boost輸入電流信號調理電路。

Boost輸入電流經高精密電流檢測電阻采樣后得到與之對應的鋸齒波電壓信號從IS_IN端口輸入，經過同相比例運算放大后分別通過電壓跟隨器電路，再經過R1C1、R2C2濾波后，分別得到輸入電流的鋸齒波實時值信號與平滑的平均值信號，分別從IS、ISAVE_ADC端口輸出。

通過PSIM對所設計的輸入電流信號調理電路進行仿真。仿真設定Boost工作在電流連續模式，輸入電流平均值為10A，峰-峰值為10A，并為輸入電流信號疊加正態分布偽隨機噪聲，開關管工作頻率為100kHz，仿真結果如圖4所示。結果表明輸入電流信號調理電路符合設計要求和具有抗干擾能力。

2.3 模擬負載控制模塊設計

圖4 電流信號調理仿真

圖1中的模擬負載控制模塊選用MC33152驅動芯片，芯片內置圖騰柱有助于增強驅動能力。單塊MC33152芯片可以驅動兩個模擬負載模塊的Boost開關管，由快恢復二極管和電阻組成的保護電路可以有效保護Boost開關管和驅動芯片。

3 模擬負載單元控制策略

3.1 控制對象歸一化

直流模擬負載模塊具有恒流、恒阻、恒功率3種負載模擬模式，對應的控制對象分別為輸入電流ISET、等效電阻RSET、輸入功率PSET，控制對象歸一化便于后期控制環路與算法的設計。電流控制模式不僅動態響應快，而且能夠實現逐個周期電流峰值限制。因此控制對象歸一化的核心思想是將不同模式的控制轉換成對輸入電流的控制。通過式（1)運算得到Boost輸入電流參考值Iin_ref，完成控制對象歸一化。

3.2 負載模擬雙環控制策略

所設計的能饋型直流模擬負載有系統自檢和正常工作兩個階段，在系統自檢階段需要穩定Boost母線和逆變直流側母線的電壓才能通過系統軟硬件自檢，此時通過主控芯片的軟件算法進行狀態切換，選用電壓環PI控制；而在正常工作階段需要對輸入電流進行控制才能實現負載模擬功能，因此此時采用電流環PI控制。

數字控制精度高，控制策略靈活，既可以完成電壓環、電流環的切換，又可以實現多種模式的負載模擬，但是數字控制存在控制延時，出現過流、過壓故障時無法迅速完成保護動作。而模擬控制響應快[7]，所以使用模擬控制環作為負載模擬輸入電壓、輸入電流的保護控制環，可以保障被測設備和能饋型直流模擬負載的運行安全。

因此根據不同工作階段的控制任務需求與數字控制、模擬控制的優缺點，設計了電壓環與電流環分時控制，數字外環、模擬內環的負載模擬雙環控制策略，如圖5所示。

圖5 負載模擬雙環控制策略

3.3 模擬負載模塊小信號建模

假設模擬負載模塊正常工作時Boost電感電流連續，且二極管D1導通壓降可以忽略，其電路簡圖及參數如圖6所示。

圖6 模擬負載模塊工作簡圖

描述開關管Q1導通、關斷階段電路的矩陣方程分別為

定義狀態變量的開關周期平均值為

因為各個階段的狀態變量變化率可以近似為常數，可以求出在導通階段末與關斷階段末的狀態變量值，結合歐拉公式可得：

當系統工作在穩態工作點時，狀態變量的導數為0，即可解得：

式中 D′=1-D，其中 IL、Uc、Uin、D 分別為穩態時，Boost電感電流、輸出電容電壓、輸入電壓、占空比的開關周期平均值。

由于上述狀態空間平均方程式（6)為非線性方程，所以采用擾動法對小信號模型進行求解，對電感電流量、輸出電容電壓量、輸入電壓量、占空比均在穩態工作點附近作微小擾動，即與穩態的開關周期平均值相比，擾動后各參數的開關周期平均值發生細微變化，具體如下：

忽略二階交流項可得：

可得Boost電感電流對占空比的傳遞函數：

因為傳遞函數的零點、極點均在S平面的左半平面，所以Boost采用電流控制是最小相位系統[8-9]。

同理可得Boost電感電流對輸入電壓、輸出電壓的傳遞函數：

綜上所述，基于小信號模型的模擬負載模塊控制框圖如圖7所示。

3.4 PI調節器設計

下面通過Matlab仿真驗證上述結論的正確性，并且設計PI調節器。假設所模擬的負載工況的輸入電壓為 30 V，Boost電感 L=104 μH，Boost開關頻率fs=100kHz，Boost母線支撐電容 C=2200μF，Boost母線電壓為50 V，10 A恒流負載模擬模式，等效電阻R=8.3Ω。

圖7 基于小信號模型的模擬負載模塊控制框圖

由圖8可知，未串聯PI調節器時，其剪切頻率fc為76.5kHz。通過串聯PI調節器，PI參數Kp=0.135，Ki=0.001，系統的剪切頻率 fc=11.5kHz，約為 fs/10，且以-20dB/dec斜率穿越0dB線[10]。串聯PI調節器后系統具有更高的抗噪聲干擾能力，以及快速平穩的動態響應。

圖8 模擬負載模塊Bode圖

假設輸入電壓存在±0.25V的波動，通過Matlab仿真檢驗所設計PI調節器的性能，仿真結果如圖9所示。負載模擬啟動后12ms即可進入恒流負載模擬模式，電感電流超調量為14.2%，滿足設計要求。

圖9 恒流負載模擬仿真

4 實驗分析

4.1 系統保護實驗

根據本文方案，研制出一臺能饋型直流電子負載樣機。模擬負載模塊采用電流控制，能夠實現對每個開關周期的電流峰值進行限制。所設計的基于數字外環、模擬內環的負載模擬控制策略使系統能夠迅速完成過流保護動作。過流保護實驗結果如圖10所示，結果表明，該策略可實現逐個周期電流峰值保護控制，且過流保護動作時間僅為0.21μs，所設計控制策略有效可行。

圖10 系統保護實驗

4.2 負載模擬實驗

根據所設計的負載模擬控制策略，恒流模式的精度間接反映所設計的模擬負載單元性能，因此設計恒流負載模擬實驗測試模擬負載單元性能。被測設備輸出電壓分別為30，40V，對被測設備輸出電流進行測量，實驗結果如表1所示。結果表明，本文所設計的模擬負載單元性能滿足要求。

表1 恒流負載模擬實驗

5 結束語

本文研制了一款模塊化能量回饋型直流模擬負載單元，設計了一種數字外環、模擬內環的負載模擬控制策略。仿真與實驗結果表明，所設計的模擬負載單元具有動態響應好、負載模擬準確度高的特點，并且可以實現逐個周期電流峰值保護，保護動作迅速。

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Design of modular simulated load unit for energy-feedback type DC load

XUE Jiaxiang1， LUO Haisong1， HE Tianpeng2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Engineering Training Center，Guizhou Minzu University，Guiyang 550025，China)

In order to meet the various testing demands of energy feedback grid type DC electronic load，a modular design scheme of simulated load unit based on parallel boost was proposed，a signal conditioning circuit was designed to realize both mean current tracking and peak current protection，the load simulation double-loop control strategy based on the by-cycle peak current limit was studied.The transfer function of the input current in the simulated load module was obtained by establishing a current controlling small-signal model of the single simulated load module.The PI regulator was designed based on the small-signal model to improve the performance of the simulated load module.Simulated and experimentalresults indicated that simulated load module can enter a steady state after 12ms since the start and can accomplish overcurrentprotective action within 0.21 μs， the absolute relative errorof load simulation in constant current mode was 3.602%.Compared with the current commercial products，this design has a faster dynamic response， higher precision， and it is much more stable and safer.

energy feedback； load simulation； control strategy； small-signal model

A

1674-5124（2017）10-0086-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.017

2017-03-27；

2017-05-03

廣東省自然基金項目（S2013010015875，2015A030313675)；廣東省協同創新與平臺環境建設專項資金（2016B090918067)；2015年東莞市引進第三批創新科研團隊項目（2017360004004)；廣州市產學研協同創新重大專項（201604010111)

薛家祥（1963-)，男，江蘇徐州市人，教授，博導，研究方向為光伏并網逆變器及其分布式發電系統、數字化開關電源及智能控制、智能傳感技術及網絡化測控。

（編輯：徐柳）