夏 興 國

(馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,安徽 馬鞍山 243031)

0 引 言

PWM整流器是一種改進(jìn)的新型AC/DC變換器，實(shí)質(zhì)是一種交-直兩側(cè)可控的四象限運(yùn)行變換裝置[1]。尤其PWM控制的電壓源型整流器(VSR)呈現(xiàn)的拓?fù)浜唵?、損耗低、效率高以及控制方便等特點(diǎn)，更是深受青睞。實(shí)現(xiàn)整流器的四象限運(yùn)行，關(guān)鍵是對交流網(wǎng)側(cè)電流的控制，使其交流側(cè)電流跟蹤給定電流。VSR分間接和直接電流控制[2]，前者通過控制交流側(cè)電壓間接控制網(wǎng)側(cè)電流，后者通過交流電流的反饋控制，直接控制整流器的網(wǎng)側(cè)電流。對比分析后，后者具有響應(yīng)更快、控制結(jié)構(gòu)更簡單等優(yōu)點(diǎn)[3]。PWM控制的最終目標(biāo)是通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)電動勢和交流側(cè)電流的相位，達(dá)到功率因數(shù)為1或可調(diào)，并且保持輸出直流電壓穩(wěn)定且無波動。

直接電流控制方法包括滯環(huán)電流控制[4]、預(yù)測電流控制[5]、固定開關(guān)頻率電流控制[6]、空間矢量電流控制[7]、直接功率控制[8]等。其中，滯環(huán)電流控制是最為經(jīng)典的算法控制，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，電流跟蹤誤差小，動態(tài)響應(yīng)快，功率因數(shù)高，諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)[9]。

傳統(tǒng)的滯環(huán)電流控制中滯環(huán)寬度固定不變，引起開關(guān)頻率隨著負(fù)載電流隨機(jī)性變化，致使高頻時開關(guān)損耗大，低頻時跟蹤性不強(qiáng)，功率開關(guān)器件應(yīng)力變大，導(dǎo)致功率開關(guān)器件選擇、保護(hù)電路和濾波器設(shè)計極為困難，穩(wěn)定性變差[10]。針對該情況，提出一種逆向固定開關(guān)頻率的自適應(yīng)環(huán)寬滯環(huán)電流控制技術(shù)的策略，可以保持開關(guān)頻率恒定，文章對比進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)設(shè)計，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計的合理性。

1 滯環(huán)電流控制技術(shù)

1.1 主電路拓?fù)渑c分析

三相PWM控制的VSR主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由交/直流側(cè)和功率開關(guān)變換器組成，由控制交流網(wǎng)側(cè)電壓來實(shí)現(xiàn)裝置的四象限工作。其中，交流側(cè)回路含交流電動勢e、網(wǎng)側(cè)電感L和網(wǎng)側(cè)電阻r，直流側(cè)回路含負(fù)載電阻RL和電容C，功率開關(guān)變換器是電壓型橋路，可看成由3個獨(dú)立單臂半橋式整流單元組成，而每個單臂半橋則由兩功率開關(guān)器件V各自反并聯(lián)一個電力二極管D組成[11]。

圖1 三相VSR主電路拓?fù)鋱DFig.1 The main circuit topology of three phase VSR

VSR的工作過程是過對功率開關(guān)器件V的PWM控制達(dá)到電力變換和控制要求，重點(diǎn)是控制直流Vdc和交流i，Vdc控制是對給定電壓的跟蹤控制，電壓采樣信號與給定信號相比較后的偏差送入PI調(diào)節(jié)器，限幅后作為電流給定[12]。

采用相關(guān)電路理論，建立該電路拓?fù)鋽?shù)學(xué)模型。引用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)Sj[2]為

由KVL定律，建立a相電路電壓方程為

(1)

其中ua=VdcSj。

式(1)中ia為a相輸入電流，ea為a相電源電壓，ua為a相網(wǎng)側(cè)電壓。

(2)

(3)

(4)

1.2 自適應(yīng)固定開關(guān)頻率的電流控制[13-14]

(5)

由式(5)可知，若h固定不變，則f是隨ua而變化的。將式(5)轉(zhuǎn)換成式(6):

(6)

使f不變，需要滯環(huán)寬度h作出實(shí)時改變就可，在三相VSR中，可按照式(6)計算方式來推算，通過軟件改變滯環(huán)寬度信號h實(shí)現(xiàn)恒定不變的開關(guān)頻率驅(qū)動功率開關(guān)器件，達(dá)到變滯環(huán)寬度的電流控制方法。

圖2 滯環(huán)寬度控制原理圖Fig.2 Hysteresis width control schematic diagram

2 VSR的雙閉環(huán)控制策略

滯環(huán)電流控制策略為將反饋電流與給定電流進(jìn)行比較，i作為滯環(huán)比較器的輸入，通過設(shè)定合理的滯環(huán)寬度使實(shí)際輸入電流圍繞給定電流信號，以達(dá)到跟蹤的目的[15]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 滯環(huán)電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of hysteresis current control system

圖3中，VSR系統(tǒng)控制采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流閉環(huán)，外環(huán)為電壓閉環(huán)。外環(huán)控制直流側(cè)輸出電壓，比較直流電壓給定與反饋采樣電壓之偏差，送入電壓PI調(diào)節(jié)器，輸出限幅調(diào)節(jié)后與電網(wǎng)電壓信號相乘的輸出作為內(nèi)環(huán)的參考信號電流指令。內(nèi)環(huán)將前續(xù)參考信號電流指令與反饋采樣電流信號的偏差送入電流PI調(diào)節(jié)器處理后，與某固定三角波信號經(jīng)過滯環(huán)比較器進(jìn)行比較，這樣由正弦波和三角波調(diào)制產(chǎn)生的PWM驅(qū)動脈沖信號，控制主電路功率開關(guān)器件的通斷，保證了開關(guān)頻率恒定不變，達(dá)到VSR的輸入電流快速跟蹤參考電流信號，實(shí)現(xiàn)高功率因素的輸出，并維持直流輸出電壓的穩(wěn)定。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 建 模

鑒于前續(xù)研究，驗(yàn)證其可行性，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了負(fù)載有效功率為200 kW的仿真模型，進(jìn)行仿真分析。主要仿真參數(shù)設(shè)置為網(wǎng)側(cè)電壓為工頻電(220 V/50 Hz，互差120°)，L1-3均為0.4 mH，r1-3均為0.03 Ω，C為24 mF，RL為100 Ω，Vdc為650 V，給定開關(guān)頻率為5 kHz，仿真時間設(shè)為0.5 s。

3.2 仿真分析

主要仿真波形如圖4、圖5和圖6所示。

(a) 直流側(cè)電壓波形

(b) 直流側(cè)電壓紋波波形

圖4顯示，PWM整流器直流側(cè)輸出電壓波形，響應(yīng)速度快，小于0.05 s，且超調(diào)很小，最大幅度不超過750 V，穩(wěn)定后電壓非常平穩(wěn)。PWM整流器直流側(cè)輸出電壓紋波波形，最大紋波電壓低于3 V，紋波頻率對應(yīng)于IGBT開關(guān)頻率。

圖5顯示，PWM整流器a相輸入相電壓和相電流波形，紅色為相電流波形，黃色為相電壓波形，基波實(shí)現(xiàn)了電壓和電流的同相位，諧波含量小，實(shí)現(xiàn)了單位功率因素整流。

圖5 三相PWM整流器輸入相電壓和相電流波形Fig.5 Input phase voltage and phase current waveform of three phase PWM rectifier

(a) 相電壓FFT分析圖

(b) 相電流FFT分析圖

圖6(a)為PWM整流器輸入相電壓的FFT棒狀圖波形，經(jīng)過FFT數(shù)據(jù)分析抽取兩個周期的波形進(jìn)行分析，2 kHz以內(nèi)諧波含量不超過2%，相電壓的總諧波失真度(THD)約3.55%，滿足國標(biāo)要求。圖6(b)，為PWM整流器輸入相電流的FFT棒狀圖波形，經(jīng)過FFT數(shù)據(jù)分析抽取兩個周期的波形進(jìn)行分析，2 kHz以內(nèi)諧波含量不超過0.3%，相電流的總諧波失真度(THD)約2.88%，滿足國標(biāo)要求。

4 結(jié) 語

在傳統(tǒng)的滯環(huán)控制中的滯環(huán)比較器前根據(jù)推算設(shè)置一個固定三角波信號，保持開關(guān)頻率恒定輸出，避免開關(guān)頻率變化過大給VSR裝置帶來的各種不良影響。改進(jìn)滯環(huán)寬度的控制算法操作性強(qiáng)，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化了對三相PWM控制的VSR系統(tǒng)的設(shè)計，后經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計的合理性。由仿真波形圖可以看出，三相PWM控制的VSR系統(tǒng)電流波形基本呈現(xiàn)正弦波形，諧波含量少，功率因數(shù)高，輸出直流電壓紋波小，系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。根據(jù)FFT數(shù)據(jù)可知，輸入相電壓和相電流的總諧波失真度較低。