張金瑞，李 萍，李明月，高 瑩

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192)

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基于雙閉環(huán)控制的單向整流器研究

張金瑞，李 萍，李明月，高 瑩

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192)

摘要：研究三相單開關(guān)BOOST整流器與單向整流器并聯(lián)構(gòu)成的混合整流器控制方法。分析了混合整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作機(jī)理，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)控制混合整流器直流側(cè)母線輸出電壓具有良好的動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能，電流內(nèi)環(huán)控制交流側(cè)輸入電流波形正弦化，使混合整流器系統(tǒng)的功率因數(shù)為1。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)控制策略的可行、有效。

關(guān)鍵詞：三相整流器；控制策略；功率因數(shù)；畸變率

1引言

整流器是民用與工業(yè)領(lǐng)域中常見的電氣裝置，整流器的電路結(jié)構(gòu)有二極管不控整流、晶閘管相控整流，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、輸出效率高，但會(huì)向電網(wǎng)注入大量的諧波，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量[1]，通常會(huì)附加無源濾波器進(jìn)行濾波，可這種措施往往不能滿足預(yù)期要求。從電能質(zhì)量角度考慮，PWM整流器具有低諧波畸變率和高功率因數(shù)，但其成本高、可靠性低、輸出效率低等特點(diǎn)[4]。目前研究整流器在追求單位功率因數(shù)、低諧波畸變率的同時(shí)，還要適用于中、高壓電氣等級(jí)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積小、重量輕、低成本、高功率密度。將三相二極管不控整流串接對(duì)稱BOOST電路即三相單開關(guān)整流器(Single Switch Three-Phase Rectifier，SSTPR)和三相單向PWM整流電路在直流母線與電網(wǎng)間簡(jiǎn)單并聯(lián)[2～4]。這種混合整流器既可以實(shí)現(xiàn)不控整流的低頻運(yùn)行、承載較大功率的功能，又可以調(diào)節(jié)PWM整流器工作于高頻、低功率狀態(tài)下[4]，集中體現(xiàn)了兩種整流器的優(yōu)點(diǎn)：魯棒性、簡(jiǎn)潔性、高效性、高功率密度。本文的研究混合整流器工作原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述電壓電流雙閉環(huán)控制方法，滿足直流側(cè)輸出電壓動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度，及交流側(cè)電流跟蹤控制精度。通過搭建三相三電平混合整流器系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了控制策略的可行性，電網(wǎng)電流畸變率及功率因數(shù)顯著提高。

2混合整流器工作原理

三相單向混合整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種包括VIENNA三開關(guān)型[2]、VIENNA六開關(guān)型、T型等。本文研究以六開關(guān)型為主，如圖1所示。由兩類整流器在直流母線電容與三相電網(wǎng)間并聯(lián)而成，分別為三相單開關(guān)BOOST整流器和三相單向PWM整流器電路。直流母線串聯(lián)的兩對(duì)稱電容中點(diǎn)電位為三電平單向PWM整流器中點(diǎn)電位。

圖1混合整流器電路構(gòu)成示意圖(以VIENNA六開關(guān)為例)

三相單開關(guān)BOOST整流器中的升壓開關(guān)管主要負(fù)責(zé)直流母線電壓的控制及該整流器輸入電流波形控制。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，直流母線上兩個(gè)電感充電，負(fù)載電壓、電流主要由輸出電容放電提供；當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，輸出端電容充電，并提供負(fù)載電壓、電流。在一個(gè)開關(guān)周期中，電容充電電量大于電容放電電量時(shí)，輸出電壓會(huì)升高；當(dāng)電容充、放電電量相同時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定。

單向PWM整流器主要用于控制整流器輸入電流大小、方向，每一相可以視為關(guān)于直流側(cè)中點(diǎn)對(duì)稱的BOOST電路，上橋臂工作在電源電壓為正半周，下橋臂工作在電源電壓為負(fù)半周。以圖2中混合整流器并聯(lián)VIENNA六開關(guān)整流器a相為例，闡述其工作原理，其工作模態(tài)如圖2所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓ua為正時(shí)，若此時(shí)交流側(cè)電感電流小于給定電流時(shí)，控制a相上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，如圖2(a)所示；若大于給定電流，a相上橋臂開關(guān)管關(guān)斷，圖2(b)所示；當(dāng)電網(wǎng)電壓ua為負(fù)時(shí)，若交流側(cè)電感電流小于給定電流時(shí)，控制a相下橋臂開關(guān)管關(guān)斷，圖2(c)所示，若大于給定電流，開關(guān)管導(dǎo)通圖2(d)所示。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的通斷及占空比，控制電流跟蹤給定電流的變化。與單開關(guān)BOOST整流電路并聯(lián)的VIENNA型、T型整流電路工作原理類似。

圖2三電平單向PWM整流器工作模態(tài)(以三電平VIENNA六開管整流器為例)

3混合整流器控制方法

從電路結(jié)構(gòu)分析中我們知道，混合整流器直流母線電壓主要由三相單開關(guān)BOOST整流器中的功率開關(guān)管控制。而并聯(lián)的三相單向PWM電路以利用直流側(cè)電壓控制網(wǎng)側(cè)電流波形，其工作中會(huì)影響直流母線電容電壓大小，及三電平電路結(jié)構(gòu)中上、下端電容電壓的平衡?？紤]到直流母線電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、穩(wěn)定性及穩(wěn)壓精度等方面的要求，采用雙閉環(huán)即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制方法，設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)滯環(huán)跟蹤控制；電壓外環(huán)PI控制方式[5]，電壓外環(huán)控制量作為電流內(nèi)環(huán)給定量。雙閉環(huán)控制不但可提高輸出電壓的抗擾性，還可調(diào)整兩種并聯(lián)整流器輸出功率的比例關(guān)系。雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

混合整流器中并聯(lián)的三相單向PWM整流器，輸出電壓有三種電位+Vdc/2、零、-Vdc/2，可定義為電壓輸出狀態(tài)“1”，“0”，“-1”，代表了輸出電壓為直流母線的正極、中點(diǎn)、負(fù)極，三相電壓狀態(tài)量按相序組合表示為電壓矢量。每一相輸出的電位由該開關(guān)管狀態(tài)決定。對(duì)于某一相橋臂而言，開關(guān)S導(dǎo)通，整流器輸出電壓鉗位于直流母線中點(diǎn)；當(dāng)開關(guān)S關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為直流母線+Vdc/2或-Vdc/2，具體是正電壓還是負(fù)電壓取決于電流方向。

滯環(huán)跟蹤控制是非線性控制方法，當(dāng)電流偏差超越+h或-h時(shí)，其中h為滯環(huán)寬度，功率開關(guān)管按照一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行切換，強(qiáng)迫電流誤差減小，達(dá)到跟蹤指令電流的效果。環(huán)寬h選取需權(quán)衡電感及開關(guān)頻率，h越小，開關(guān)頻率越高，電流跟蹤精度越高，但往往受到功率開關(guān)頻率限制而不能過高。針對(duì)單向PWM整流器電流控制采用滯環(huán)跟蹤比較方法，當(dāng)電流方向不同時(shí)，滯環(huán)比較器開關(guān)邏輯也不一樣，功率開關(guān)工作邏輯為：

(1)

針對(duì)三相單開關(guān)BOOST整流器電流控制時(shí)，滯環(huán)比較器開關(guān)邏輯為：

(2)

4仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了證明混合整流器控制方法的可行性，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，搭建了VIENNA六開關(guān)型三電平混合整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路模型，并加入控制算法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)為：電源線電壓為，直流母線電壓輸出，直流母線串聯(lián)電容C1=C2=4700uF，單向PWM整流輸入端電感L=2.6mH，單開關(guān)三相整流器中串接電感Lb=0.5mH，開關(guān)頻率fpwm=50k，最大輸出功率Pmax=10kW。

圖4為混合整流器輸出直流電壓動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)波形，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.03 s，穩(wěn)態(tài)精度為5‰?；旌险髌魅鄦伍_關(guān)BOOST整流器波形圖5，及三電平單向PWM 整流器電流控制波形如圖6。圖7為混合整流器中兩種并聯(lián)整流器輸出波形的匹配關(guān)系，這樣的匹配關(guān)系合成出的電流波形如圖8所示，畸變率較低的正弦電流。圖9為對(duì)圖8波形的諧波電流進(jìn)行FFT分析與畸變率測(cè)試結(jié)果，畸變率為2.1%?；旌险髌麟妷弘娏魍辔?、同頻率，為單位功率因數(shù)，如圖10所示。

圖9混合整流器電網(wǎng)電流FFT諧波分析結(jié)果

6結(jié)語

本文分析了混合整流器電路結(jié)構(gòu)，對(duì)兩種并聯(lián)整流器在整個(gè)系統(tǒng)中所起的作用、功能進(jìn)行了分析，并針對(duì)各功能的實(shí)現(xiàn)提出了控制策略。提出了采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法，實(shí)現(xiàn)了直流母線電壓控制及交流側(cè)輸入電流波形正弦化的目標(biāo)。通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建了混合整流器控制系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果證明了混合整流器控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，網(wǎng)側(cè)電流畸變率顯著降低，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，直流母線輸出電壓紋波小的特點(diǎn)。

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Study on Unilateral Rectifier Based on Double-loop Control

Zhang Jinrui,Li Ping,Li Mingyue,Gao Ying

(CollegeofAutomation,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100192,China)

Abstract:This article presents the control schemes of the hybrid rectifiers which assembled by the parallel connection ofa three-phase single-switchBOOST rectifier and aunilateral rectifier.Through the analysis of the topological structure and working mechanism of hybrid rectifier systems and the adoption of control strategy of voltage and current double close-loop,theoutput voltage from side bus of hybrid rectifier controlledby voltage loop has good dynamic and steady-state performance.Current inner-loop controls the waveform of AC-side input current and makes it as sinusoidal wave,which make power factor of Hybrid rectifier system to be 1.Through the simulation experiment,the article proves that the feasibility and effectiveness of the system control strategy.

Key words:three-phase rectifier;control strategy;power factor;distortion factor

文章編號(hào)：1674-9944(2016)02-0172-04

中圖分類號(hào)：TM461

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

通訊作者：李萍(1971—)，女，北京人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事電力電子裝置及高性能整流、逆變技術(shù)研究。

作者簡(jiǎn)介：張金瑞(1995—)，男，北京人，北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院大學(xué)生。

收稿日期：2015-12-02

資金項(xiàng)目：北京市教委PXM2015_014224_000050本科生培養(yǎng)-大學(xué)生科研訓(xùn)練(市級(jí))項(xiàng)目