馈能式电子负载控制系统及负载模型库的设计与研究

论文摘要

近年来，电力电子技术飞速发展，电力电子装置得到了广泛应用，如LED驱动电源、不间断电源(UPS)、交流稳压电源、直流电源、变频电源等。同时，电动车、手机和光伏离网逆变器等的广泛应用，使各种电池得到了快速发展，如铅蓄电池、锂电池、镍镉电池等。这些产品在出厂前都需要进行各种带载实验，以考核它们的精确度、稳定性和寿命等指标。而传统的测试方法一般采用电阻、电感、电容等负载。这些负载的参数及负载类型不易修改，使用不便；负载值随温度变化而变化，精确度不高；测试时能量以热能的形式耗散掉，能源浪费严重，也不适宜大功率场合。基于提高试验自动化和节约能源的要求，需要一种新型的电源试验装置—电子负载。本文对23kW电子负载进行了整体系统设计，根据设计目标选取了主电路拓扑结构，拓扑为共用直流母线的双PWM结构，前级为单相整流，后级为三相有源逆变。同时确定了电子负载的控制策略，PWM整流侧为滞环比较的跟踪控制策略，PWM逆变侧为三角载波调制法，且为电压外环、电流内环的双闭环控制策略。在确定了主电路和控制策略后，给出了整体系统框图，简述了工作原理和启动顺序。最后给出了电子负载主电路有关参数的选取原则。由于负载种类众多，所以研究和建立了负载模型库。对已知负载进行分类和建模，得到数学模型，并产生不同负载模型下整流侧跟踪指令的递推算法。同时，在PC机上设计了基于LabVIEW的人机界面，利用LabSQL访问Microsoft Access数据库，将负载类型和参数等信息用串口通信方式下传给电子负载，将负载模型库与电子负载有效的联接起来，实现了电子负载参数配置的智能化。由于主电路采取的是共用直流母线的双PWM变换器结构，整流侧和逆变侧可以分开控制。PWM整流侧模拟负载，将被测电源能量存入直流母线电容中，三相PWM逆变侧实现单位功率因数并网，将直流母线上存储的能量馈入电网。在了解了母线电压纹波与两级变换器的关系后，将双闭环调节器均设计为P调节器，利用有差调节减小母线电压纹波对逆变侧电流指令的影响，并给出了调节器的详细设计过程。最后，对所提出的方案及其工作方式进行了实验验证，给出了部分实验结果。结果表明电子负载硬件电路工作正常、程序正确；负载模型库配合人机界面，使负载参数设置简单方便。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 电子负载概述
• 1.2 电子负载的研究背景及研究现状
• 1.2.1 电子负载的研究背景及意义
• 1.2.2 主电路拓扑发展现状
• 1.2.3 控制策略发展现状
• 1.3 本文所作的工作
• 2 馈能式电子负载系统结构
• 2.1 电子负载总体方案
• 2.1.1 设计目标
• 2.1.2 主电路拓扑结构
• 2.1.3 控制方案
• 2.2 电子负载原理
• 2.2.1 负载模拟侧运行原理
• 2.2.2 能量回馈侧运行原理
• 2.3 主电路参数选取
• 2.3.1 负载模拟侧滤波电感选取
• 2.3.2 母线电容选取
• 2.3.3 能量回馈侧共模滤波和差模滤波设计
• 2.3.4 变压器设计
• 2.4 本章小结
• 3 负载模型库及人机界面的研究与设计
• 3.1 负载模型库的研究与设计
• 3.1.1 负载模型的种类及应用场合
• 3.1.2 负载模型库的数据结构
• 3.2 LabVIEW与ACCESS数据库的链接
• 3.2.1 LabVIEW及LabSQL简介
• 3.2.2 ACCESS 数据库简介
• 3.2.3 LabSQL访问ACCESS数据库的基础—DSN
• 3.3 人机界面及通信设计
• 3.3.1 串口通信协议
• 3.3.2 人机界面设计
• 3.4 本章小结
• 4 电子负载控制策略研究
• 4.1 负载模拟侧控制策略设计
• 4.1.1 不同负载模型下电流（电压）指令的产生算法
• 4.1.2 滞环比较控制策略设计
• 4.2 逆变侧控制策略设计
• 4.2.1 逆变侧电流调节器设计
• 4.2.2 逆变侧电压调节器设计
• 4.2.3 逆变侧并网电流指令的产生
• 4.3 本章小结
• 5 电子负载的硬件设计
• 5.1 ARM及其外围电路设计
• 5.1.1 ARM供电设计
• 5.1.2 RS232转TTL
• 5.1.3 逆变侧三相SPWM输出及过连锁保护电路
• 5.1.4 电压、电流检测电路
• 5.2 基于 HCPL316J 的驱动电路及过流电路设计
• 5.2.1 驱动电路设计
• 5.2.2 过流连锁保护和复位电路设计
• 5.3 本章小结
• 6 电子负载的软件设计
• 6.1 ARM程序总体方案
• 6.2 外设程序模块
• 6.2.1 PWM波形生成模块
• 6.2.2 A/D采样模块
• 6.3 本章小结
• 7 实验研究
• 7.1 实验平台介绍
• 7.2 人机界面验证
• 7.3 软硬件调试
• 7.3.1 ADC程序调试
• 7.3.2 三相SPWM波生成程序及主控板调试
• 7.3.3 驱动及过流保护电路调试
• 7.3.4 逆变侧开环调试
• 7.4 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢