基于DSP控制的交流电子负载的研究

论文摘要

各类交流电源在产品开发过程中都需要进行长时间的带载测试,以检验其电气性能。传统使用电阻、电感和电容这类无源元件作为负载的测试方法存在参数调节不方便、发热量大、耗能等诸多缺点。为克服传统测试方法的不足,本文研究了一种带能量回馈功能的交流电子负载装置,采用交直交变换结构,由具有公共直流母线的两级电压型PWM整流器组成。通过控制前级PWM整流器的输入功率因数,在其输入端模拟不同阻抗特性的负载;后级PWM整流器工作在并网逆变状态,将被测试电源发出的电能回馈至电网进行循环利用。交流电子负载属于一种测试设备,需要实现用户交互、通讯、监控等功能,因此采用了以DSP芯片为核心的数字控制方案。本文首先探讨了数字控制技术对变换器性能的影响,重点讨论了当数字脉宽调制器精度不足时会引起输出产生极限环振荡的问题。分析了极限环振荡产生的原因,并以BUCK、BOOST和BUCK-BOOST三种基本变换器的数字控制器设计为例,推导出了为避免极限环振荡,数字脉宽调制器应满足的最小精度要求。在MATLAB中建立了数字控制器的仿真模型,设计了一台数字控制BUCK变换器实验样机,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。根据处理电能方式的不同,交流电子负载可分为能量消耗型和能量回馈型两大类。本文首先针对交流电源产品的功能性测试应用场合,提出了一种新的能量消耗型交流电子负载结构和相应的控制方法。然后重点介绍了能量回馈型交流电子负载的工作原理及其控制策略。分析了功率电路中主要元件参数的选取方法。其中,对工作在任意功率因数情况下的单相PWM整流器中交流滤波电感的取值作了重点讨论。在Saber软件中建立了系统的仿真模型,设计了一台以TMS320F2812 DSP芯片为控制核心的能量回馈型交流电子负载原理样机,仿真和实验结果验证了系统方案的可行性和正确性。最后针对交流电子负载的并网能量回馈功能,初步分析了一种基于正反馈思想的并网系统孤岛检测方法,并进行了仿真验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 交流电子负载概述
• 1.1.1 传统交流电源测试方法存在的问题
• 1.1.2 基于电力电子技术的交流电源测试装置
• 1.1.3 交流电子负载发展现状
• 1.2 数字控制技术概述
• 1.2.1 数字控制技术发展现状
• 1.2.2 模拟控制技术的优势与不足
• 1.2.3 数字控制技术的优势与不足
• 1.3 课题研究的意义和目标
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 数字控制技术对电源性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 数字PWM 控制器结构
• 2.3 ADC 模块精度的要求
• 2.4 数字脉宽调制器与极限环振荡
• 2.4.1 DPWM 工作原理
• 2.4.2 极限环振荡产生的原因
• 2.4.3 避免极限环振荡的条件
• 2.4.4 高精度数字脉宽调制器的应用
• 2.5 MATLAB 仿真分析
• 2.6 实验验证
• 2.7 本章小结
• 第三章 交流电子负载基本原理
• 3.1 引言
• 3.2 电压型PWM 整流器工作原理
• 3.3 能量消耗型交流电子负载
• 3.3.1 电阻耗能方案拓扑结构
• 3.3.2 输入有功功率反馈控制方案
• 3.3.3 直流侧电压直接反馈控制方案
• 3.4 能量回馈型交流电子负载
• 3.4.1 系统整体结构
• 3.4.2 系统控制策略
• 3.4.3 系统仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 功率电路元件的分析与设计
• 4.1 交流侧滤波电感的设计
• 4.1.1 满足动态电流波形品质
• 4.1.2 满足交流侧稳态矢量关系
• 4.1.3 负载特性模拟部分中交流电感的取值
• 4.1.4 能量回馈部分中交流电感的取值
• 4.2 直流侧电容参数的选择
• 4.3 本章小结
• 第五章 控制电路的设计与实现
• 5.1 高精度数字正弦基准信号的实现
• 5.2 数字相位同步环节的实现
• 5.3 电流环的分析与设计
• 5.3.1 电压型PWM 整流器电流控制技术
• 5.3.2 三态滞环DPM 控制原理
• 5.4 数字PID 调节器的设计与实现
• 5.4.1 模拟PID 调节器数学模型
• 5.4.2 数字PID 调节器基本原理
• 5.4.3 数字控制器的软件实现
• 5.5 模数转换（ADC）和数模转换（DAC）电路的设计
• 5.5.1 ADC 转换调理电路
• 5.5.2 外部DAC 扩展
• 5.6 实验结果分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 并网孤岛检测方法的研究
• 6.1 引言
• 6.2 并网系统孤岛形成时等效模型
• 6.3 并网系统反孤岛检测标准
• 6.4 孤岛检测技术概述
• 6.4.1 被动检测方法
• 6.4.2 主动检测方法
• 6.5 基于正反馈思想的反孤岛检测方法
• 6.5.1 基本原理
• 6.5.2 正反馈孤岛检测方法的实现
• 6.6 反孤岛检测方法的仿真分析
• 6.6.1 过/欠压和过/欠频检测方法的盲区
• 6.6.2 频率正反馈思想的反孤岛检测方法
• 6.7 总结
• 第七章 总结与后续研究展望
• 7.1 本文所做工作总结
• 7.2 后续研究展望
• 7.2.1 数字控制技术的深入研究
• 7.2.2 尝试新的主电路拓扑
• 7.2.3 电气隔离的方案
• 7.2.4 实现交流电子负载模块并联
• 7.2.5 实现交直流通用型电子负载
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录