李志遠(yuǎn),張洪陽(yáng),時(shí)振堂,張志鋒

(1.中國(guó)石化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理部，北京 100728;2.中國(guó)石化撫順石油化工研究院 電力技術(shù)部，遼寧 撫順 113001;3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110023)

0 引 言

PWM(Pulse Width Modulation)整流器因具有功率雙向流動(dòng)、功率因數(shù)高和控制靈活等諸多優(yōu)勢(shì)，已廣泛地應(yīng)用在船舶推進(jìn)、機(jī)車(chē)牽引等領(lǐng)域，特別是近些年隨著風(fēng)光儲(chǔ)等新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，三相PWM整流器設(shè)計(jì)和控制技術(shù)得到了越來(lái)越多的研究，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)各類(lèi)電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備之一[1-3]。針對(duì)PWM整流的研究主要集中在控制算法的優(yōu)化上面，文獻(xiàn)[4]在分析電壓型PWM整流器(VSR)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出了負(fù)載電流前饋的策略以求提高電壓型PWM整流器的抗擾動(dòng)能力；文獻(xiàn)[5]分析了預(yù)測(cè)控制中電壓空間一個(gè)矢量作用后k+1時(shí)刻的有功功率及無(wú)功功率偏差值失控導(dǎo)致的傳統(tǒng)雙矢量模型預(yù)測(cè)和單矢量模型預(yù)測(cè)電流THD性能不佳的問(wèn)題，研究了改進(jìn)單矢量模型預(yù)測(cè)的方法。

在傳統(tǒng)矢量控制之外，發(fā)展了直接功率控制等方法，文獻(xiàn)[6]采用直接功率控制，避免了控制過(guò)程中需要傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表和磁鏈或電壓矢量位置的問(wèn)題；文獻(xiàn)[7] 采用電壓平方環(huán)作為外環(huán)，整流器啟動(dòng)直流側(cè)電容電流作為無(wú)功電流的控制方法，以解決船舶用三相電壓型PWM整流器啟動(dòng)沖擊電流大、且受負(fù)載擾動(dòng)影響大的問(wèn)題；文獻(xiàn)[8]將模型預(yù)測(cè)理論與二階拉格朗日插值法相結(jié)合，提出了基于模型預(yù)測(cè)的三相PWM整流器直接功率控制方法來(lái)改善PWM整流器開(kāi)關(guān)頻率不固定、網(wǎng)側(cè)電流諧波分量高、系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題的分析；文獻(xiàn)[9]探討了在電網(wǎng)平衡與不平衡兩種狀態(tài)交替變更的條件下交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證這種方法的可行性和實(shí)用性；文獻(xiàn)[10]在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下提出了無(wú)電感L參數(shù)的電流解耦控制方法，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。

為了使三相VSR能夠滿(mǎn)足各類(lèi)負(fù)載的要求，本文在三相VSR拓?fù)浠A(chǔ)上，分析了三相VSR在負(fù)載突變后的暫態(tài)工作特性，并提出交流側(cè)電感和直流側(cè)電容的工程設(shè)計(jì)方法；并且闡述了考慮負(fù)載突變下三相VSR的設(shè)計(jì)原則。最后，通過(guò)建模和仿真，驗(yàn)證了分析的正確性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

三相VSR的基本拓?fù)淙鐖D1所示[1]。

圖1 三相VSR的基本拓?fù)?/p>

為分析方便，定義二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)(0表示上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通；1表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷)，根據(jù)基爾霍夫電壓/電流定律，以圖1中的a相為例，當(dāng)變流器正常工作時(shí)電壓ua0和ia如式(1)所示。

(1)

通過(guò)坐標(biāo)變換，可以得到三相VSR在二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq中的數(shù)學(xué)模型為：

(2)

式中，id、iq，ud、uq，Sd(0,1)、Sq(0,1)分別是dq軸系下的d、q軸電流、電壓和等效開(kāi)關(guān)函數(shù)。

2 電網(wǎng)電壓定向控制

PWM整流主要功能是保證直流母線電壓恒定和輸入功率因數(shù)。將dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)電壓矢量重合，再根據(jù)三相VSR的數(shù)學(xué)模型，基于電網(wǎng)電壓定向的電壓電流雙閉環(huán)控制如圖2所示。

圖2 電壓電流雙閉環(huán)控制

其中，id、iq，ud、uq為靜止坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換之后得來(lái)的，而電網(wǎng)電壓相角θs可以通過(guò)鎖相環(huán)的方法得到。

3 暫態(tài)特性分析

3.1 三相VSR的全工作過(guò)程

將三相VSR的全工作過(guò)程分為直流母線預(yù)充電、并網(wǎng)過(guò)程、運(yùn)行、停機(jī)四個(gè)部分。由于三相VSR能量雙向流動(dòng)的特性，負(fù)載突變帶來(lái)的影響可以體現(xiàn)以上全過(guò)程。下面僅舉例有代表性的工作狀態(tài)做一分析，其他工作狀態(tài)暫不贅述。

(1)預(yù)充電和并網(wǎng)。三相VSR運(yùn)行在補(bǔ)償電網(wǎng)功率(發(fā)電)狀態(tài)時(shí)，那么電網(wǎng)就成為三相VSR的負(fù)載。在預(yù)充電和并網(wǎng)階段，如果遇到電網(wǎng)電壓驟降或者驟升等嚴(yán)重情況將導(dǎo)致三相VSR自動(dòng)保護(hù)停機(jī)，取消同步并網(wǎng)；如果發(fā)生在并網(wǎng)時(shí)刻，并網(wǎng)接觸器前后兩端的電壓差值將帶來(lái)很大的電流沖擊，最終并網(wǎng)失敗。

(2)運(yùn)行和停機(jī)。三相VSR運(yùn)行在消耗電網(wǎng)功率狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行中的負(fù)載大多數(shù)為阻感性負(fù)載。負(fù)載突變帶來(lái)的影響一般通過(guò)三相VSR的控制可以消除，但是對(duì)于負(fù)載極端突變的情況，則會(huì)導(dǎo)致電壓或者電流的極速升高，控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，最終因保護(hù)停機(jī)。

(3)不同負(fù)載類(lèi)型。三相VSR面對(duì)不同負(fù)載類(lèi)型表現(xiàn)出的特性直接與負(fù)載相關(guān)，而且負(fù)載類(lèi)型還會(huì)涉及到交流側(cè)電感和直流側(cè)電容的選取，如果參數(shù)不當(dāng)將導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)行。由于負(fù)載的容抗和感抗差異，甚至是諧振問(wèn)題，都是三相VSR設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

3.2 交流側(cè)電感設(shè)計(jì)

三相VSR工作過(guò)程中，交流側(cè)電感起到了改善電流波形、完成電壓轉(zhuǎn)換和功率傳遞的重要作用。常用的方法中，根據(jù)電流零點(diǎn)和峰值點(diǎn)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]，電感電流典型波形如圖3所示。

圖3 電感電流典型波形

為滿(mǎn)足電流跟蹤動(dòng)態(tài)響應(yīng)和紋波要求，則交流側(cè)電感取值滿(mǎn)足：

(3)

式中，Em為相電動(dòng)勢(shì)峰值，Δismax為電流峰值。

3.3 直流側(cè)電容設(shè)計(jì)

三相VSR工作過(guò)程中，直流側(cè)電容具有穩(wěn)定母線電壓、抑制諧波的作用。常用的設(shè)計(jì)方式要求直流側(cè)電容需要滿(mǎn)足直流電壓跟隨性和抗擾性，直流側(cè)電容設(shè)計(jì)要求[1]，

(4)

3.4 工程設(shè)計(jì)方法

根據(jù)式(2)和式(3)確定的交流側(cè)電感和直流側(cè)電容設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)做了很多的假設(shè)和約定，再加上電感和電容生產(chǎn)中的誤差，很難準(zhǔn)確計(jì)算。此外，由于三相VSR的控制能力，在一定范圍內(nèi)是可以通過(guò)自身調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的。因此本文提出了簡(jiǎn)化的工程設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)逆向計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的校正，首先設(shè)定信號(hào)源與參數(shù)指標(biāo)，然后利用計(jì)算機(jī)尋找出合理值，作為參考。具體的計(jì)算過(guò)程如圖4所示，圖中按照理論計(jì)算的最大值作為初始值，按照50 Hz正弦波作為載波，一定開(kāi)關(guān)頻率下的PWM信號(hào)作為激勵(lì)源，再根據(jù)電流電壓指標(biāo)綜合選擇，為交流側(cè)電感和直流側(cè)電容設(shè)計(jì)提供了重要參考。

圖4 計(jì)算過(guò)程

4 設(shè)計(jì)原則

三相VSR設(shè)計(jì)應(yīng)該參考軟件控制能力和硬件承載能力綜合表征?？紤]不同負(fù)載和負(fù)載突變，以及直流側(cè)電感和交流側(cè)電容的設(shè)計(jì)，定性地總結(jié)三相VSR的設(shè)計(jì)原則如下：

(1)直流側(cè)電感和交流側(cè)電容的設(shè)計(jì)可以以理論計(jì)算最大值作為初始條件進(jìn)行工程化逆向設(shè)計(jì)，如3.4節(jié)所述。

(2)閉環(huán)控制帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題就是負(fù)載突變后導(dǎo)致的電壓或者電流突變，帶來(lái)電流或者電壓的震蕩，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定。因此在特殊負(fù)載情況，需要通過(guò)串聯(lián)電抗器或增加穩(wěn)壓?jiǎn)卧?，以提高三相VSR應(yīng)對(duì)負(fù)載突變的能力。

另外，還要在控制上充分考慮軟硬件過(guò)流過(guò)壓的保護(hù)問(wèn)題。

5 仿真驗(yàn)證

基于以上的定性分析，本節(jié)基于以上控制方法和設(shè)計(jì)原則，在Matlab/Simulink上做了仿真驗(yàn)證。分別對(duì)正常并網(wǎng)、改變交流側(cè)電感值、改變直流側(cè)電容值、負(fù)載突變等情況作了分析驗(yàn)證。

(1)正常并網(wǎng)。仿真條件：電網(wǎng)電壓380 V；直流母線設(shè)定電壓550 V；采樣頻率1 e-6 s；交流側(cè)電感3.5 mH；直流側(cè)電容4000 μF；電網(wǎng)電壓矢量控制；采用SVPWM調(diào)制。仿真結(jié)果，正常并網(wǎng)主要波形如圖5所示，查看波形特性，可以看到瞬時(shí)電流波形帶寬內(nèi)峰峰值2 A; 瞬時(shí)電壓波形帶寬內(nèi)峰峰值1～2 V以?xún)?nèi)，各項(xiàng)指標(biāo)較好。

圖5 正常并網(wǎng)主要波形

(2)改變交流側(cè)電感。仿真條件：改變交流側(cè)電感為0.35 mH，其他仿真條件不變。仿真結(jié)果，改變電感主要波形如圖6所示，查看波形特性，可以看到瞬時(shí)電流波形帶寬內(nèi)峰峰值增大到30 A；瞬時(shí)電壓波形帶寬內(nèi)峰峰值基本無(wú)變化。

另分析可知，由于電流波形正弦度較差，導(dǎo)致電壓控制外環(huán)跟蹤調(diào)制周期變長(zhǎng)，且母線電壓尖峰達(dá)到了610 V，電壓紋波占到了穩(wěn)定電壓的10%。綜合線路壓降和動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的要求，一般電感選擇不宜過(guò)大，此處不再過(guò)多驗(yàn)證。

圖6 改變電感主要波形

(3)改變直流側(cè)電容。仿真條件：改變直流側(cè)電容為400 μF，其他仿真條件不變。仿真結(jié)果，改變電容主要波形如圖7所示，查看波形特性，母線電壓出現(xiàn)了較大的震蕩，最大電壓達(dá)到了790 V，占設(shè)定值的1.4倍多，依靠軟件控制已無(wú)法滿(mǎn)足穩(wěn)定; 并且電流波形由于閉環(huán)控制的作用導(dǎo)致急劇增大，接近5倍額定，這在工程中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。綜合直流母線電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的要求，一般電容選擇也不宜過(guò)大，因此不再過(guò)多驗(yàn)證。

圖7 改變電容主要波形

(4)負(fù)載突變。仿真條件：運(yùn)行中在0.2 s切出負(fù)載，其他仿真條件不變。仿真結(jié)果，負(fù)載突變主要波形如圖8所示，查看波形特性，可以看到切出負(fù)載后導(dǎo)致直流母線電壓急劇升高，峰值達(dá)到700 V，后經(jīng)過(guò)8個(gè)電壓周波才恢復(fù)穩(wěn)定，而這種情況下很難滿(mǎn)足電網(wǎng)要求的故障穿越運(yùn)行。

圖8 負(fù)載突變主要波形

6 結(jié) 語(yǔ)

本文在三相VSR拓?fù)浜碗娋W(wǎng)電壓定向矢量控制基礎(chǔ)上，分析了三相VSR全工作過(guò)程中典型工況下負(fù)載突變的影響，并提出了一種交流側(cè)電感和直流側(cè)電容的工程設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而對(duì)理論計(jì)算提供了重要參考；闡述了考慮不同負(fù)載下三相VSR的軟件和硬件設(shè)計(jì)原則。最后建立仿真模型，仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了理論的正確性。