一种交直流共用电子负载的制作方法

一种交直流共用电子负载的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种交直流共用电子负载，适用于负载接入交流电网的技术领域。
【背景技术】
[0002]负载是电源系统的重要组成部分，衡量电源质量的重要指标，尤其在电源设备的研发测试实验中，经常需要利用负载与交直流电源设备配套，连接在交直流电源输出与电网之间，把交直流电源电能回馈到电网，用于模拟实际工作环境负荷。传统的多为纯阻性负载，这种负载容易造成电源输出能量白白转化为热能消耗掉，增加了电源设备的研发测试成本;还有一种是直流电子负载，但是直流电子负载具有效率低、谐波含量大等缺点，这样会导致不平衡回馈至电网，容易对电网造成污染。因此，为了弥补此类缺陷，在进行负载接入电网测试中常采用交直流的输出方式转成三相平衡交流电能输送至电网，但是，现有技术中应用交直流电源电能回馈至电网的过程中，并不能实现对交流电和直流电进行灵活的控制，导致负载可实施的工作模式单一，并不利于针对复杂交直流电源的测试。

【发明内容】

[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种交直流共用电子负载，解决了负载对交直流电源进行电能回馈至电网测试时适用性差的问题。
[0004]本发明是通过如下方案予以实现的:
[0005]—种交直流共用电子负载，其特征在于，所述的交直流共用电子负载包括AC/DC功率单元、DC/DC功率单元、DC/AC功率单元、交流输入端和直流输入端;其中，AC/DC功率单元的输入端与交流输入端相连;DC/DC功率单元的输入端与直流输入端相连;AC/DC功率单元和DC/DC功率单元的输出端接入直流母线，直流母线通过接入DC/AC功率单元用于连接电网；其中，AC/DC功率单元和交流输入端之间，以及DC/DC功率单元和直流输入端之间分别接入有开关。
[0006]进一步的，所述的AC/DC功率单元中的电路结构为三电平单相全桥电路;所述的DC/DC功率单元中的电路结构为Buck-Boost电路;所述的AC/DC功率单元中的电路结构为三电平全桥逆变电路。
[0007]进一步的，AC/DC功率单元与其交流输入端处还接入有交流熔断器、LCL滤波回路和并联在开关两端的预充电支路;DC/DC功率单元与其直流输入端处还接入有直流熔断器和并联在开关两端的预充电支路。
[0008]进一步的，DC/AC功率单元的输出端与电网之间还接有LCL滤波回路、断路器和熔断器。
[0009]进一步的，所述交直流共用电子负载采用的主控制板由数字信号处理器DSP复杂可编程逻辑元件CPLD组成和2片数字信号处理器DSP;其中，2片数字信号处理器DSP分别为:逻辑数字信号处理元件LOGIC DSP和控制信号处理CONTROL DSP，并分别接入复杂可编程逻辑元件CPLD相应的端口 ；AC/DC功率单元、DC/DC功率单元以及DC/AC功率单元也和复杂可编程逻辑元件CPLD相应的端口连接
[0010]本发明和现有技术相比的有益效果是:
[0011]本发明提出了一种交直流共用电子负载，该负载中分别设置有DC/DC功率单元、AC/DC功率单元和DC/AC功率单元;该负载的工作方式采用二级变换式，其中，AC/DC功率单元的交流输入端与交流电源相连，将获得的交流整流成直流;DC/DC功率单元的直流输入端与直流电源相连，AC/DC功率单元和DC/DC功率单元的输出端接于母线上，母线通过接入DC/AC功率单元用于连接电网，将交流源、直流源输出转换为三相平衡电能输送至电网，交流输入端与AC/DC功率单元以及直流输入端与DC/DC功率单元之间都接有开关，可以实现多种应用方式，即单相直流输出、单相交流输出和交直流输出。本发明提出的交直流共用电子负载可以按需求改变交直流电源中电能的传输，使负载应用性更加全面，具有较强的适用性。
[0012]本发明提出的交直流共用负载相对于传统负载将电能转换为热能消耗以及将单相交直流电源装换为单相不平衡电能输送至电网，具有传输效率高、谐波含量低、减少能量消耗等优点。
【附图说明】
[0013]图1是本发明实施例的一种共用交直流电子负载的原理图；
[0014]图2是本发明实施例的AC/DC功率单元电路拓扑图；
[0015]图3是本发明实施例的DC/DC功率单元电路拓扑图；
[0016]图4是本发明实施例的DC/AC功率单元电路拓扑图；
[0017]图5是本发明实施例的共用交直流电子负载的总电路拓扑图；
[0018]图6是本发明实施例的AC/DC功率单元控制框图；
[0019]图7是本发明实施例的DC/DC功率单元控制框图；
[0020]图8是本发明实施例的DC/AC功率单元控制框图；
[0021 ]图9是本发明实施例的主控制板的控制框图；
[0022 ]图10是本发明实施例的AC/DC、DC/DC、DC/AC功率单元的协调控制、保
[0023]护与通信框图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
[0025](一)一种交直流共用电子负载
[0026]本发明所述的一种交直流共用电子负载，如图1所示，该电子负载主要包括:AC/DC功率单元、DC/DC功率单元、DC/AC功率单元、交流输入端和直流输入端。其中，AC/DC功率单元的输入端与交流输入端相连;DC/DC功率单元的输入端与直流输入端相连;AC/DC功率单元、DC/DC功率单元的输出端接入到直流母线上，直流母线通过接入DC/AC功率单元用于连接到电网上，实现将交直流电源的电能回馈至电网。其中，AC/DC功率单元和交流输入端之间，以及DC/DC功率单元和直流输入端之间分别接入有开关。下面就各个模块的具体结构进行详细的说明:
[0027]1)AC/DC功率单元:如图2所示，AC/DC功率单元中的电路拓扑图主要采用三电平单相全桥电路，AC/DC功率单元的交流输入端L和N端分别接入到直流电源，采用三电平高频PWM技术将单相交流整流为直流;在AC/DC功率单元的交流输入端处还接入有熔断器、开关、和开关并联的预充电支路、LCL滤波回路，
[0028]2)DC/DC功率单元:如图3所示，DC/DC功率单元中的电路拓扑图采用Buck-Boost电路结构，本实施例中的Buck-Boost电路结构主要包括2个IGBT元件和1个电感元件为:2个IGBT元件的一端依次串联，另一端分别接入直流母线的正端和负端，电感元件和2个IGBT元件的连接点相连;DC/DC功率单元的直流输入端DC+和DC-分别接入直流电源，直流电源输出的电流可以通过DC/DC功率单元中的Buck-Boo s t电路升至母线电压。在DC/DC功率单元的输入端口还接入有直流熔断器、开关和开关并联的预充电支路。
[0029]3)DC/AC功率单元:如图4所示，DC/AC功率单元中的电路拓扑图主要采用三电平中点钳位(NPC)电路拓扑，DC/AC功率单元的输入端DC+和DC-端分别连接在母线上的正负端，DC/AC功率单元的输出端经过LCL滤波回路、断路器和熔断器与电网相连;直流电源和交流电源分别通过AC/DC功率单元和DC/DC功率单元将电流经母线传输至DC/AC功率单元，DC/AC功率单元通过“1”型三电平全桥逆变为三相平衡交流电并回馈至电网。
[0030]本实施例中的DC/AC功率单元采用有源功率因数校正技术和有源滤波技术，网侧的功率因数可达0.999以上，电流谐波畸变率小于3%，不会对电网产生谐波污染。
[0031]交流电子共用负载的具体工作方式为:通过交 流输入端将电流传输给AC/DC功率单元，经AC/DC功率单元将交流整流为直流并传输给母线;再通过直流输入端将电流传输给DC/DC功率单元，经DC/DC功率单元将电压升至母线电压并传输给母线。母线将分别获取的来自交流输入端和直流输入端的电流通过DC/AC功率单元经“1”型三电平全桥逆变为三相平衡交流电回馈至电网。
[0032]本发明通过控制交流输入端和AC/DC之间的开关以及直流输入端和DC/DC之间的开关实现对直交流负载装置的三种不同应用方式:1)单相交流输出:开启AC/DC功率单元处的开关，关闭DC/DC功率单元处的开关;2)单相直流输出:关闭AC/DC功率单元处的开关，开启DC/DC功率单元处的开关;3)交直流输出:全部开启AC/DC功率单元处的开关和DC/DC功率单元处的开关。
[0033]本实施例中交直流共用电子负载的主控制板主要包括复杂可编程逻辑元件CPLD和2片数字信号处理元件DSP。其中，CPLD是DSP的逻辑执行单元，2片数字信号处理元件分别为逻辑数字信号处理元件LOGIC DSP和控制信号处理元件CONTROL DSP，所述的两个数字信号处理元件分别接入到CPLD对应的端口，AC/DC功率单元、DC/DC功率单元和DC/AC功率单元也同样接入到CPLD对应的端口，该负载的主控制板实现对电流传输的驱动控制，LOGIC DSP和CONTROL DSP的具体工作原理如下:
[0034]LOGIC DSP主要是执行逻辑时序功能和通信数据交换(RS485、CAN通讯)及保护逻辑，分别如下:
[0035]1)通信过程:通讯数据交换过程中LOGIC DSP发送的Txd信号给CPLD 1/0接收端口，CPLD再通过1/0输出端口发送给CAN接收模块;CAN模块将接收的Rxd信号发送给CPLD的接收端1/0口，CPLD再通过1/0输出端口上送给LOGIC DSP，完成一次通信过程。
[0036]2)保护过程:保护过程中CPLD通过1/0端把开入的故障信号I_0VER_CPLD交流硬件故障信号、BUS_0V_CPLD直流硬件过压故障信号、P0WER_FAULT_CPLD辅助电源故障信号、FAN_FAULT_CPLD散热风机故障信号、FUSE_FAULT_CPLD功率模块0C故障信号、SINF_FAULT_CPLD散热器过热故障信号，经过I/O端口 LogicGp17、LogicGp1 16、LogicGp1 17、LogicGp1l8、LogicGp126、LogicGp127上送给LOGIC DSP,LOGIC DSP接收CPLD上传的故障状态信号分析处理使设备告警或停机，从而实现对设备的保护。
[0037]CONTROL DSP主要执行完成控制算法功能以及与信息交换，CONTROL DSP控制信号通过CPLD I/O端口 ControllerGp17、ControllerGp1l6、Cont;rollerGp1l7、Contro11erGp118、Contro1lerGp120、ControllerGp121、ControllerGp122、ControllerGp123控制底层装置的CL0CK_CPLD硬件复位、MAIN_C0NTR0L_CPLD交流主接触器、S0FT_C0NTR0L_CPLD交流预充电控制、10_01_CPLD主流主接触器、Contactor_CPLD直流预充电、FAN_C0NTR0L_CPLD散热风扇、I_A_CPLD同步信号输出、I_C_CPLD开关机信号输出的控制及AD采样数据离散化、控制算法和PWM脉宽调制波产生等用途。
[0038]下面就各个功率模块在控制主板的驱动下如何进行电能传输的作具体说明:
[0039]如图6所示，在所述AC/DC采用基于PI控制策略的电流环控制回路中，将从交流输入端获取的电流值和误差信号电流值进行比较，得到的偏差值经PI调节器后转换为电压参考信号，叠加直流母线电压后，将输出的信号值根据加载的脉冲信号经处理后得到输出开关信号值。如图7所示，直流输入DC/DC控制方式同AC/DC的控制方式。如图8所示，对于DC/AC的控制方式中，按照上述AC/DC控制和DC/DC控制的方式，采用基于PI控制的电压外环电流内环控制策略，将母线电压环和母线电流环输出信号叠加直流母线电压后，根加载的脉冲信号经处理，最终获取所需的开关信号值。
[0040]在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种交直流共用电子负载，其特征在于，所述的交直流共用电子负载包括AC/DC功率单元、DC/DC功率单元、DC/AC功率单元、交流输入端和直流输入端;其中，AC/DC功率单元的输入端与交流输入端相连;DC/DC功率单元的输入端与直流输入端相连;AC/DC功率单元和DC/DC功率单元的输出端接入直流母线，直流母线通过接入DC/AC功率单元用于连接电网；其中，AC/DC功率单元和交流输入端之间，以及DC/DC功率单元和直流输入端之间分别接入有开关。2.根据权利要求1所述的一种交直流共用电子负载，其特征在于，所述的AC/DC功率单元中的电路结构为三电平单相全桥电路；所述的DC/DC功率单元中的电路结构为Buck-Boos t电路;所述的AC/DC功率单元中的电路结构为三电平全桥逆变电路。3.根据权利要求1所述的一种交直流共用电子负载，其特征在于，AC/DC功率单元与其交流输入端处还接入有交流熔断器、LCL滤波回路和并联在开关两端的预充电支路;DC/DC功率单元与其直流输入端处还接入有直流熔断器和并联在开关两端的预充电支路。4.根据权利要求1所述的一种交直流共用电子负载，其特征在于，DC/AC功率单元的输出端与电网之间还接有LCL滤波回路、断路器和熔断器。5.根据权利要求1所述的一种交直流共用电子负载，其特征在于，所述交直流共用电子负载采用的主控制板由数字信号处理器DSP复杂可编程逻辑元件CPLD组成和2片数字信号处理器DSP;其中，2片数字信号处理器DSP分别为:逻辑数字信号处理元件LOGIC DSP和控制信号处理CONTROL DSP，并分别接入复杂可编程逻辑元件CPLD相应的端口；AC/DC功率单元、DC/DC功率单元以及DC/AC功率单元也和复杂可编程逻辑元件CPLD相应的端口连接。
【专利摘要】本发明涉及一种交直流共用电子负载，该交直流共用电子负载包括AC/DC功率单元、DC/DC功率单元、DC/AC功率单元、交流输入端和直流输入端；其中，AC/DC功率单元的输入端与交流输入端相连；DC/DC功率单元的输入端与直流输入端相连；AC/DC功率单元和DC/DC功率单元的输出端接入直流母线，直流母线通过接入DC/AC功率单元用于连接电网；其中，AC/DC功率单元和交流输入端之间，以及DC/DC功率单元和直流输入端之间分别接入有开关。本发明提出的交直流共用电子负载可以按需求改变交直流电源中电能的传输，使负载应用性更加全面，具有较强的适用性。
【IPC分类】H02J4/00
【公开号】CN105490313
【申请号】CN201510844784
【发明人】韩海伦, 吕海超, 于文斌, 陈天锦, 曹智慧, 陈世锋, 陈晓楠
【申请人】许继电源有限公司, 许继电气股份有限公司, 许继集团有限公司, 国网陕西省电力公司, 国家电网公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月27日