陈强， 杨志超， 张建忠， 章心因， 吕干云， 祁建民

(1.南京工程学院电力工程学院，江苏南京211167;2.东南大学 电气工程学院，江苏南京210096;3.江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京211102)

0 引言

电能回馈直流模拟负载将放电测试的电能回馈电网，用它来取代传统耗能负载，可起到明显的节能增效作用。但蓄电池、开关电源等直流电源种类繁多，工作电流电压范围、功率等级均有差异，采用单路输入的模拟负载难以满足多种电源的需求，且单路的功率受限［1-2］。由于直流电源输出电压偏低，文献［3］采用基于移相全桥电路的并联输入串联输出(input-paralleled output-series，IPOS)的工作方式来扩大容量，这能够实现低输入直流电压高输出直流电压以满足并网的直流母线电压要求，但各支路的独立性差，且单路的工作不稳定会导致直流母线电压的波动，进而影响设备正常的并网逆变。

电力电子控制中，数字控制因其具有精度高、温漂小、控制策略灵活等优点，得到越来越多的应用［4］，但数字控制也有控制延时的问题，为提高直流变换器动静态特性，在DC/DC变换器中延时补偿的算法被深入研究［5-7］，但算法比较复杂，实现有一定难度。

为提高各个直流模拟模块工作的独立性，文中采用并联输入并联输出(input-paralleled outputparalleled，IPOP)的工作方式。高频隔离升压电路实现直流母线电压的变换，提高了直流母线电压。采用数字控制外环和模拟控制内环的控制方式实现输入电流的控制，兼顾数字控制精确和模拟控制响应快的优点，在很大程度上减少了数字控制控制延时的影响，实现各个直流模块输入电流的高精度独立控制。

并网的功率因数和电流总谐波畸变率(THD)是电能质量最重要的两个指标。单相电网锁相通常采用过零点锁相［8］，容易受到谐波、多个过零点等干扰，造成锁相失败。本文采用基于离散傅里叶变换的闭环锁相方法，有效滤除干扰的影响，提高了锁相的精度和可靠性。采用LCL滤波器［9-10］，并引入并网电流瞬时P控制和重复控制的复合控制策略，有效抑制谐波和周期性脉动。

1 主电路拓扑结构

多路输入电能回馈直流模拟负载主电路分直流变换和并网逆变两部分。直流变换电路如图1所示，虚线框部分为直流负载模拟模块，各模拟模块由DC/DC电路构成，输出并接至电容C2，经高频隔离电路实现电气隔离。高频隔离电路实现电容C2和C3之间电压的变换和C3的稳压控制，以SG3525为控制芯片，用内嵌的运放构成PI控制器，实现对C3电压的闭环控制，经Q1-Q4构成的全桥电路变为高频方波，经高频变压器T电气隔离，然后经D1-D4、L3和C3整流滤波成直流。并网逆变电路如图2所示，全桥逆变后经LCL滤波器接入电网。

图1 直流变换电路Fig.1 DC conversion circuit

图2 逆变并网电路Fig.2 Grid-connected inverter circuit

2 直流负载模拟模块

数字控制的延时由A/D采样延时、计算控制延时和PWM生成延时等构成。本系统采用的控制芯片为TI的TMS320F2812，主频150 M，采样和计算控制延时影响较小，主要是生成PWM延时影响控制性能。

图3 模拟模块控制策略Fig.3 Control strategy of simulated load

图1中，流经电感L2的电流iL2是高频锯齿波，经L1C1滤波得到较平滑的直流电流iL1。图4为模拟模块电路控制系统框图，iDCref为DSP控制系统输出的直流电流给定值，Kd为功率管脉宽调制增益。

图4 模拟模块电路控制系统框图Fig.4 Control system diagram of simulated module circuit

3 电网锁相闭环控制

并网锁相控制对于提高并网功率因数提高电能质量是非常关键的。本文采用基于离散傅里叶变换的闭环锁相方法，有效消除了谐波、多个过零点等的干扰。

3.1 控制原理

电网电压的傅里叶变换三角函数展开式为

式中:Uac0为直流分量;ω为基波角频率;基波的n次分量对于基波分量，可以用式(2)～式(4)求解得到相角关系，式中基波载波比N=1/(f1TPR)，f1为基波频率，TPR为载波周期，Δθ1为每个锁相控制周期的起始相角。

本文调节每次锁相控制周期的起始相角和基波载波比，固定载波周期，则第k+1次锁相控制周期的基波载波比可用式(5)求得:

通过式(5)可以进而求得f1，Δθ1由图5所示的基于离散傅里叶变换的闭环锁相控制给出，Gloop(z)为闭环控制器。

图5 基于离散傅里叶变换的闭环锁相控制系统Fig.5 Closed-loop phase-locked control system based on discrete Fourier transform

3.2 仿真分析

采用基于Matlab/Simulink的模型对本文提出的电网闭环锁相控制法进行仿真验证。图6为50 Hz电网电压叠加3次谐波和4次谐波的闭环锁相波形。图7为50 Hz基波过零点受多个过零点干扰的锁相波形。图6、图7的电网电压T=0时刻相位均为0 rad，图6在t=15 ms时刻开始锁相，图7在t=5 ms时刻开始锁相。从图中可以看出，经过几个工频周期调节，能准确地实现锁相。

通过仿真验证可以得到基于离散傅里叶变换的闭环锁相控制对于谐波和过零点干扰均具有较强的抑制能力，能够实现成功锁相。

图6 叠加谐波的闭环锁相波形Fig.6 Closed-loop phase-locked waveform on superposition of harmonic

图7 多个过零点的闭环锁相波形Fig.7 Closed-loop phase-locked waveform on multiple zero-crossing point

4 DC/AC并网逆变

图8为DC/AC并网逆变电路系统控制结构图，并网电流控制采用瞬时P控制与重复控制的复合控制策略，以满足并网控制的动态性能和稳态性能要求［11-14］，通过对并网电流参考值的调节实现电容C2端电压的稳压控制。UC2为电容C2端电压，iacref为给定并网电流参考值，η1为高频隔离电路和并网逆变电路的整体效率，e为电网电压有效值，Gdc(s)为电压外环控制器，为PI控制器，GP(s)为电流内环控制器，为P控制器，GRC(s)为重复控制器，KPWM为逆变器增益，iac为并网电流，Uac为电网电压瞬时值，UC1为C1的端电压。

图8 DC/AC逆变电路的系统控制结构图Fig.8 Control System diagram of DC/AC Inverter circuit

重复控制离散化传递函数为

式中:N为电网基波周期内的采样点数;Q为积分衰减数;C(z)为控制对象补偿环节。

重复控制的控制对象为含阻尼的LCL滤波器，其传递函数为

取 L4为 1.2 mH、L5为 0.6 mH、C4为 16 μF、R为2 Ω，将式(7)离散化得

当C(z)GLCL(z)在中低频段具有零增益零相移特性，重复控制系统具有最好的控制性能。C(z)由超前滞后环节与低通滤波串联组成，超前滞后环节实现对中低频段控制对象增益的校正，低通滤波器提高高频衰减能力。超前滞后环节传递函数为

为了实现中低频段的零增益零相移特性，式(9)的系数可以通过式(10)选取:

为了提高高频段的衰减能力，采用二阶低通滤波器，截止频率1 000 Hz，离散化后的传递函数为

经超前滞后环节和二阶低通滤波串联补偿后，为补偿低频相位差，引入zk进行超前相位补偿。Kr为重复控制器增益，小于1的常数，增加Kr，误差收敛变快，稳态误差减小，减小Kr，收敛变慢，稳定裕度增加。补偿环节传递函数为

C(z)补偿效果波特图如图9所示，实线为GLCL(z)的波特图，虚线为补偿后的C(z)GLCL(z)的波特图。从图中可以看出，经过C(z)补偿后在中低频段得到近似零增益零相移特性，同时加快了高频段幅频特性的衰减，有利于减少高频干扰。

图9 C(z)补偿效果波特图Fig.9 Bode diagram of the compensation effect of C(z)

5 实验分析

根据本文方案，研制了一台5路输入的样机，单路额定功率为1 kW，总额定功率为5 kW，控制电路主控芯片采用TI的DSP芯片TMS320F2812。图10为直流输入电流和并网电流实验波形，直流电流设定值为4 A，电流实测值为4.03 A，误差控制在1%以内，实现了直流模拟模块对输入电流的高精度控制。

图10 直流输入电流和并网电流实验波形Fig.10 Experimental waveforms of grid-connected current and DC input current

图11为额定功率并网电流实验波形，功率因数达到0.99以上，并网电流THD为0.7%，这验证本文提出的闭环锁相控制能够实现准确锁相，同时重复控制算法有效的抑制周期脉动引起的电流畸变，实现了极高的并网电能质量。

图11 额定功率下并网电流实验波形Fig.11 Experimental waveforms of grid-connected current under rated power

6 结语

本文设计了多路输入电能回馈直流模拟负载，从电路拓扑和控制方法进行了详细阐述。每路直流负载模拟模块能实现了对输入电流的独立高精度控制，高频隔离电路可实现宽范围的输入电压和低成本小体积的电气隔离。着重介绍了基于离散傅里叶变换的闭环锁相控制，仿真给出了闭环锁相的精确和可靠。并网控制引入重复控制，对补偿环节进行了详细设计。通过实验给出了并网电流波形和直流输入电流波形，实验验证直流控制精度达到1%以内，并网功率因数达到0.99以上，并网电流THD为0.7%，实现了高并网电能质量。

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