郭成濤，白云飛，王 釗，姚川恒

（1.國網(wǎng)石家莊供電公司，石家莊 050000；2.河北拓普電氣有限公司，石家莊 050000；3.北京機械設(shè)備研究所，北京 100089）

整流器主要發(fā)展方向是與自動控制等理論相結(jié)合，實現(xiàn)“綠色”電能變換[1]，減小對電網(wǎng)的諧波污染。PWM整流器是一種高效、可靠、綠色的電能變換器，其網(wǎng)側(cè)電流可達單位功率因數(shù)運行且諧波畸變率低。另外，能量可雙向流動，直流電壓可控可調(diào)，具有極大的實際應(yīng)用價值[2-3]。隨著應(yīng)用場合的多樣化，對其工作性能、控制系統(tǒng)設(shè)計難度等方面的要求也越來越多。

當(dāng)三相整流器啟動時，直流側(cè)母線電壓給定值與反饋值的偏差較大，電壓外環(huán)控制器輸出達到飽和，也就是電流內(nèi)環(huán)的給定有功電流分量很大，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)輸入電流迅速增加，使得整流器由不控整流切換到可控整流時會產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)啟動沖擊電流。該電流嚴重地影響系統(tǒng)安全，沖擊電流可能擊穿，燒毀網(wǎng)側(cè)電感和功率器件。但如果增加電感和功率器件的額定電流，又會帶來成本增加等問題。

為了解決整流器啟動沖擊電流的問題，國內(nèi)外有很多此類研究工作。文獻[4]將負反饋加到電流環(huán)控制中，從而可以降低電流波動，達到抑制沖擊的目的，但是此方法降低了整流器的負載變動時的響應(yīng)速度；文獻[5]通過交流電流的幅值和比例、積分系數(shù)的影響，來調(diào)整電流內(nèi)環(huán)的PI 參數(shù)，其缺點是所需要的參數(shù)只能通過經(jīng)驗確定，應(yīng)用存在一定難度；文獻[6]針對使用正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinu?soidal pulse width modulation）方法的整流器，通過啟動時刻加入電阻和調(diào)整調(diào)制波來抑制電流的沖擊，對于采用SVPWM方法的整流器來講，就是采用限流電阻抑制沖擊電流，該方法實現(xiàn)簡單，但是對于電阻的要求比較高，增加了成本，同時也需要利用額外的開關(guān)或者繼電器將電阻短路掉，從而增加了整流器的成本，經(jīng)濟性差；文獻[7]中分析得知，系統(tǒng)的相電流由基頻正弦電流和按照確定時間常數(shù)指數(shù)衰減的直流量兩部分組成，因此提出在啟動時刻通過一個特定直流量的注入調(diào)整調(diào)制波，此注入的直流量需要按指數(shù)衰減，增加了控制器的運行負擔(dān)；文獻[8]將直流電壓給定從不控整流所得的電壓開始增加，不同階段分別用直線和拋物線來給定，實現(xiàn)了很好的效果，只是要確定不同曲線的切換點以及拋物線規(guī)律給定的形成計算，使得計算量較大，控制的設(shè)計有一定難度；文獻[9]為了避免整流器在啟動時刻的直流電壓偏差太大，先不加入電壓PI 調(diào)節(jié)，使電流環(huán)的指令值逐漸上升，到一定值時在加入電壓PI調(diào)節(jié)，該方法需要對電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)同時進行改進設(shè)計；文獻[10]通過控制上下橋臂功率器件的導(dǎo)通關(guān)斷來使沖擊電流減??；文獻[11]采用了判斷電流矢量區(qū)間，更改開關(guān)狀態(tài)來限制啟動沖擊電流，但是該方法存在一定的延遲，影響了電流的抑制結(jié)果；文獻[12]在電流出現(xiàn)沖擊后，控制特定功率器件的導(dǎo)通關(guān)斷，實現(xiàn)對沖擊電流的抑制。此3 種方法都需要在不控整流到穩(wěn)定的PWM整流過渡階段采用額外的電流檢測和驅(qū)動信號確定的設(shè)計，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

1 三相PWM 整流器數(shù)學(xué)模型

三相電壓型PWM整流器主電路一般采用三相半橋式結(jié)構(gòu)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相PWM 整流器拓撲Fig.1 Topology of three-phase PWM rectifier

圖中：ea、eb、ec為交流側(cè)三相電網(wǎng)電壓；ia、ib、ic為交流側(cè)三相電流；Udc為整流器直流側(cè)母線電壓。

基于基爾霍夫電壓定律得到整流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，即

2 三相PWM 整流器沖擊電流抑制方法

由于系統(tǒng)控制在單位功率因數(shù)狀態(tài)，q軸的電流和電流指令值均為0，所以忽略式（8）中的e項以及d項中的ωLiq(k)，將式（8）化簡為

式（10）即為電流id的離散形式。忽略電流環(huán)的響應(yīng)時間（電流環(huán)響應(yīng)時間快于電壓環(huán)響應(yīng)時間），也就是d軸電流實際值和給定值相等，那么，式（10）可以化簡為

由式（12）可知，id(k)與Udc(k)及直流電壓變化率、iL(k)同向變化[8]。在基本的整流器控制方式中，直流電壓指令值可等效為階躍給定，這就導(dǎo)致了在啟動PWM 整流器瞬間，直流母線的電壓變化率加大，id(k)也迅速升高，最終導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流產(chǎn)生沖擊。直流電壓指令為階躍信號是導(dǎo)致PWM整流器網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生沖擊電流的最重要原因。因此，對直流電壓指令值做出調(diào)整，以減小直流母線電壓及其變化率等，從而實現(xiàn)整流器啟動PWM 整流的瞬間電流沖擊得到抑制。

首先，令直流母線電壓在PWM 整流啟動瞬間的初值為Udc1，也就是不控整流狀態(tài)的直流母線電壓，Udc1=2.34E，E是網(wǎng)側(cè)相電壓的有效值。本文提出的啟動方式是，在啟動PWM整流的瞬間，將直流側(cè)母線電壓指令值設(shè)定在略小于Udc1，然后緩慢增加到系統(tǒng)要求的直流電壓，如圖2所示。啟動時間的計算公式為

圖2 直流母線電壓給定Fig.2 Reference voltage in DC bus

式中：UL為每次的步長，也就是每次執(zhí)行中斷程序所增加的直流電壓數(shù)值；fi為中斷頻率。啟動時間tst盡量選取滿足要求的數(shù)值，在啟動瞬間之后的過渡過程中，直流母線電壓給定值的曲線的斜率越小，使得該過程的直流母線電壓值及其變化率越小，進而id(k)的沖擊得到有效限制，從而抑制PWM整流器啟動瞬間網(wǎng)側(cè)電流沖擊的產(chǎn)生。

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證上述控制策略的有效性，在三相PWM整流器實驗平臺上進行實驗。表1 給出了具體的實驗參數(shù)。

表1 實驗平臺參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental platform

以圖2 的曲線作為PWM 整流運行的動態(tài)直流母線電壓指令值，其啟動時間tst分別在0.187 5 s 和0.375 0 s 時得到的實驗波形如圖3和圖4所示。

圖3 啟動時間tst=0.187 5 s 的實驗波形（短時間啟動）Fig.3 Experimental waveforms under the condition of tst=0.187 5 s（short start-up time）

圖4 啟動時間tst=0.375 0 s 的實驗波形（較長時間啟動）Fig.4 Experimental waveforms under the condition of tst=0.375 0 s（long start-up time）

由圖3可見，啟動時間如果過短，也就是圖2所示直流側(cè)母線電壓的斜坡給定的斜率過大，雖然最終可以實現(xiàn)可控整流穩(wěn)定運行，但是不能完全有效地抑制網(wǎng)側(cè)沖擊電流，而且直流側(cè)母線電壓在啟動瞬間也會出現(xiàn)短暫沖擊。沖擊電流的存在，也就是d軸有功電流存在過沖，因為輸入功率瞬間提高，那么直流側(cè)輸出功率也會隨之增加，這部分能量反映在直流側(cè)，也就是會出現(xiàn)該時刻直流母線電壓的沖擊。當(dāng)系統(tǒng)進入PWM 整流狀態(tài)時，由網(wǎng)側(cè)電壓電流及直流母線電壓的實驗波形，說明整流器在可控整流狀態(tài)實現(xiàn)了高性能運行。

由圖4可見，將啟動時間變長，也就是圖2所示直流側(cè)母線電壓斜坡給定的斜率變小，可以明顯地抑制啟動瞬間的沖擊電流，而且直流側(cè)電壓也是逐步上升的。相較于圖3所示的情況，將tst增加1倍，即為0.375 0 s，交流電流的沖擊沒有出現(xiàn)，這說明，將tst延長，可以使啟動沖擊電流得到有效抑制。最后，PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電壓電流及直流母線電壓的穩(wěn)態(tài)波形，說明實現(xiàn)了直流側(cè)電壓穩(wěn)定以及網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運行控制。

4 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)PWM整流器控制策略及抑制啟動沖擊電流方法的基礎(chǔ)上，提出一種應(yīng)用于整流器啟動瞬間通過改動直流電壓給定來抑制網(wǎng)側(cè)沖擊電流的方法。該方法使直流側(cè)電壓平緩上升，有效地抑制了啟動瞬間的沖擊電流。另外，該方法具有原理簡單和易于實現(xiàn)的特點。樣機的實驗結(jié)果也驗證了本文提出的啟動方法，不僅使得PWM 整流啟動瞬間的網(wǎng)側(cè)電流沖擊得到抑制，而且直流母線電壓也能平緩地達到預(yù)期指令值。因此，本文所提出的方法可應(yīng)用于三相PWM整流器的啟動過程。