單相PWM整流器死區補償方法

趙魯， 李耀華， 葛瓊璇， 任晉旗， 馬遜

(中國科學院電子研究所電力電子與電氣驅動重點實驗室，北京100190)

0 引言

在PWM變流器中，為防止同一橋臂兩個器件直接導通現象，需根據器件功率等級的不同注入相應的死區時間。死區時間在保證開關器件安全、可靠運行的同時，也帶來了十分不利的死區效應，其主要影響會使輸出電壓基波幅值降低，較低次諧波增加，電流波形發生畸變。針對死區效應這一問題，國內外學者開展了大量的研究工作，并提出多種死區補償方法。

電流大于零和小于零對輸出電壓的影響是不同的，需要對電壓做不同的補償［1－2］。如何確定相電流的過零點是死區補償的關鍵，文獻［3］直接根據檢測的電流方向進行電壓補償，由于不可避免地檢測電流中的噪聲，使得過零點檢測難以精確，如果加以濾波又會引起相位延遲，不能及時檢測出過零點，因此這種方法補償效果不理想。文獻［4－5］利用硬件電路實時檢測功率管的實際導通時間，得到逆變器的實時死區時間，無需電流過零點的檢測或預估取得了較好的補償效果，但是這種方法需要額外的硬件裝置，增加了系統的復雜性。文獻中對三相電壓型PWM逆變器死區補償方法的研究相對較多，文獻［6］基于預測電流控制方法對死區補償進行了分析，文獻［7］利用旋轉軸系中的勵磁電流和轉矩電流分量經過坐標反變換，判斷電流在兩相靜止軸系所處的扇區來決定需要施加的補償電壓。文獻［12］提出一種新穎的自適應死區補償策略，該策略無需電流極性檢測，在同步旋轉坐標系下，通過PI控制器調節擾動觀測器觀測出的q軸擾動電壓，獲得死區補償時間。

詳細地分析了死區效應機理，對單相PWM整流器死區補償提出了一種新方法。不直接根據檢測的電流方向進行電壓補償，而是根據網側電壓通過諧振控制器鎖相環的觀測值進行判斷。當整流器單位功率因數運行時，通過對網側電壓值的觀測從而間接地實現了對電流方向的準確判斷;當整流器不為單位功率因數運行時，可以根據觀測的電壓值及相應的功率因數進行電流波形等效計算，同樣可以進行相應的死區補償。通過PSIM電力電子仿真軟件進行相應仿真，仿真結果驗證了理論分析的正確性;最后在實驗樣機上進行實驗驗證。

1 主電路拓撲

圖1為單相電壓型單個H橋PWM整流器主電路拓撲。其中，us為電網電壓;Is為網側輸入電流;Transformer為整流變壓器，原邊一套繞組、副邊兩繞組，兩個副邊繞組分別接入對應H整流橋，兩H橋并聯運行(這種拓撲應用于列車牽引場合)，只利用其中一個H橋進行相應實驗，變壓器變比為1∶1;Is1為變壓器輸出電流;L1為輸入濾波電感;Cr、Lr、Rr為兩倍頻諧振電容、電感、電阻，其作用濾除直流母線電容電壓兩倍頻波動;Cd為支撐電容;udc為直流母線電壓;Rload為純電阻負載;IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4為IGBT開關器件。

圖1 單相PWM整流器主電路拓撲Fig.1 Topology of single-phase PWM rectifier

2 控制策略

圖2為單相PWM整流器控制策略框圖，以直流母線電壓控制環作為外環，對輸入電流幅值進行控制;以輸入電流的控制作為內環。外環為直流量的控制，采用PI控制器，輸出作為電流幅值的給定值。內環為交流量，采用比例+諧振(PR)控制器，可以實現對電流的無差控制。對于電網電壓振動項，可以通過電壓前饋補償予以消除。本文采用單相性SPWM調制策略，基于諧振鎖相環對電網電壓相位信息進行觀測，可以實現相位無靜差跟蹤。電壓前饋量與電流內環諧振控制器PR輸出量之差為整流器輸入電壓參考值。當考慮死區補償時，基于諧振控制器鎖相環觀測后的電壓值進行判斷，并引入電壓補償量ΔU，補償原理將在后面進行介紹。

圖2 單相PWM整流器控制策略框圖Fig.2 Control strategy diagram of single-phase PWM rectifier

因傳統的單相鎖相環方法存在本身的不足，所以采用諧振控制器鎖相環對網側電壓進行觀測。諧振控制器鎖相環具有良好的相位跟蹤效果，可以實現相位無差跟蹤，其原理框圖如圖3所示。

圖3 諧振控制器鎖相環原理框圖Fig.3 Structure of resonant controller phase-locked loop

諧振控制器鎖相環是基于諧振控制器構成帶通濾波器對網側電壓相位進行觀測，圖3中y對于v的傳遞函數為

顯然這是一個帶通濾波器，且無論k取何值，只要k＞0，該濾波器總是穩定的。y可以無差地跟蹤v中角頻率為ωn的正弦信號，z滯后y的角度為90°，且z與y的幅值相等。這種結構的帶通濾波器既可以從v中的濾波得到角頻率為ωn的信號，還可以得到滯后其90°的量，其中k用來調節帶通濾波器的帶寬。根據z與y的瞬時值，可以得到如下表達式，

式中，θ為v中角頻率為ωn的正弦信號瞬時角度，vm為v中角頻率為ωn的正弦信號幅值。

圖4(a)為諧振控制器鎖相環的頻率特性圖(k=0.3)，圖4(b)為諧振控制器鎖相環的階躍響應特性圖(k=0.3)。從上圖中可以看出，對頻率為50Hz的信號具有無窮大增益;5～6個周期(0.1～0.12 s)后，相位與幅值跟蹤達到穩態值，偏差近似為零。圖4(c)為諧振控制器鎖相環的仿真波形，輸入信號v含有豐富的諧波，輸出信號y為觀測值，經過5～6個周期(0.1～0.12 s)后，相位與幅值跟蹤無偏差，與圖4(b)階躍響應結果一致。上面的理論分析及仿真結果表明，諧振控制器鎖相環魯棒性好，可以實現幅值、相位無差跟蹤，而且數字離散化比較簡單，計算時間比較短，對CPU要求不高。

圖4 諧振控制器鎖相環特性分析Fig.4 Performance analysis of resonant controller phase-locked loop

3 死區補償原理分析

圖5為Is＜0時死區補償原理框圖，圖5(a)為沒有死區補償時器件導通、關斷狀態及電壓輸出波形。IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4為器件理想導通、關斷狀態;IGBT1'、IGBT2'、IGBT3'、IGBT4'為器件考慮死區效應時導通、關斷狀態;uab為理想狀態整流器輸入電壓波形，u'ab為考慮死區效應時整流器輸入電壓波形，Δu為考慮死區效應整流器輸入電壓產生的偏差量。圖5(b)為引入死區補償時器件導通、關斷狀態及電壓輸出波形。補償原理是在每個開關周期內，將第一個橋臂IGBT1提前導通、IGBT2提前關斷，第二個橋臂IGBT3提前關斷、IGBT4提前導通，提前的時間為設置的死區時間，電壓偏差量ΔU為零。因采用單相性SPWM調制策略，所以每個橋臂參考電壓對應的方程表達式如下所示。

第一個橋臂為

第二個橋臂為

式中，Td為死區時間，Ts為三角載波周期值為整流器輸入電壓參考值為死區補償后電壓參考值。

圖5 Is＜0時死區補償原理框圖Fig.5 Dead time compensation block diagram when Is＜0

圖6 為Is＞0時死區補償原理框圖，圖6(a)為沒有死區補償時器件導通、關斷狀態及電壓輸出波形;圖6(b)為引入死區補償時器件導通、關斷狀態及電壓輸出波形。補償原理是在每個開關周期內，將第一個橋臂IGBT1提前關斷、IGBT2提前導通，第二個橋臂IGBT3提前導通、IGBT4提前關斷，提前時間為死區時間，電壓偏差量ΔU為零。因本文采用單相性SPWM調制策略，所以每個橋臂參考電壓對應的方程表達式如下所示。

第一個橋臂為

第二個橋臂為

死區補償是基于Is的值進行判斷，分成大于零、小于零兩種情況。然而電流波形并非標準正弦波形，在零點附件很容易產生零點箝位現象。為了避免這種現象，提出采用網側輸入電壓us基于諧振鎖相環的觀測值us－view進行判斷，因為觀測值us－view只存在基波分量，是一個標準的正弦量。整流器單位功率因數運行，網側輸入電壓us與電流Is同相位，采用網側電壓觀測值us－view取代輸入電流瞬時值，即可以準確補償死區又避免了電流的諧波干擾。當us－view＜0 時，采用式(6)、(7)進行死區補償，當us－view≥0 時，采用式(8)、(9)進行死區補償。

圖6 Is＞0時死區補償原理框圖Fig.6 Dead time compensation block diagram when Is＞0

4 仿真分析

為了研究單相PWM整流器死區補償策略的正確性，采用電力電子專用仿真軟件PSIM，對單相電壓型PWM整流器進行仿真。

表1 單相PWM整流器參數Table 1 Parameters of single-phase PWM rectifier

1)負載運行

以電網頻率50 Hz、開關頻率4 kHz、網側輸入電壓有效值us=396 V，負載電阻Rload=23.4 Ω，死區時間td=5 μs為例進行仿真分析，其中主電路如圖1所示，PWM整流器參數如表1所示，控制策略如圖2所示。圖7為沒有加入死區補償的仿真結果，圖7(a)為輸入電流Is的仿真波形圖，圖7(b)為電流Is的各次諧波含量分布圖，總諧波畸變率為9.1%。圖8為基于電流值進行直接判斷，加入死區補償的仿真結果，圖8(a)為輸入電流Is的仿真波形，圖8(b)為電流Is的各次諧波含量分布圖，總諧波畸變率為7.63%。圖9為基于電壓觀測值進行判斷，加入死區補償的仿真結果，圖9(a)為基于電壓us的觀測值進行判斷時，輸入電流Is的仿真波形，圖9(b)為電流Is的各次諧波含量分布圖，總諧波畸變率為6.0%。基于電壓觀測值進行死區補償，輸入電流總諧波畸變率大大下降，電流零點箝位現象不再明顯，從而證明了死區補償新方法的有效性。

圖7 無死區補償仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of no dead time compensation

圖8 有死區補償仿真結果—基于電流值判斷Fig.8 Simulation waveforms of dead time compensation judged by current

圖9 有死區補償仿真結果—基于電壓觀測值判斷Fig.9 Simulation waveforms of dead time compensation judged by voltage

圖10 整流器空載仿真電流波形Fig.10 Simulation waveforms of rectifier current on no-load

2)空載運行

為了進一步對比分析整流器輕載時采用電流瞬時值、網側電壓觀測值進行死區補償效果，圖10給出了整流器空載運行時輸入電流波形，將負載電阻Rload移除。從上面仿真波形中可以看出，基于網側電壓觀測值進行死區補償的效果要比瞬時電流值補償好。

3)電網電壓畸變

為了分析電網電壓發生畸變或頻率產生抖動時對整流器死區補償的影響，假設電網電壓表達式如式(10)所示，除基波外還包含250、550、1 550 Hz分量，對應的有效值分別為5、10、15 V。

圖11為電網電壓畸變時的仿真結果，控制器參數與上面負載運行時一致。圖11(a)為網側輸入電壓us及其觀測值us－view仿真波形，諧振鎖相環可以實現電網電壓相位無靜差跟蹤。圖11(b)為網側輸入電壓、電流波形，實現單位功率因數運行。圖11(c)、圖11(d)、圖11(e)分別為無死區補償、基于電流值死區補償、基于電壓觀測值死區補償電流波形及諧波含量，對應的電流總諧波畸變率分別為10.24%、8.11%、6.43%。與上面電壓沒有畸變時結果相同，采用基于電壓觀測值進行死區補償要比基于電流值效果更好。

圖11 電網電壓畸變仿真波形Fig.11 Simulation waveforms of voltage distortion

5 實驗驗證

為了驗證單相PWM整流器死區補償的可行性及仿真結果的正確性，在樣機上進行了相應的實驗。整流器以TMS320LF28335 DSP為控制核心，開關器件采用1 200 V/150 A的IGBT。輸入電流由FLUKE80i－110s電流鉗測量，輸入電壓與直流母線電壓由Tektronix P5200差分探頭測量得到。實驗中的相應參數與上節仿真分析中相同，主電路如圖1所示，控制策略如圖2所示，主要參數如表1所示，網側輸入電壓us=396 V，負載電阻Rload=23.4 Ω，死區時間 td=5 μs。

圖12為無死區補償的實驗結果。圖12(a)為網側輸入電壓us，輸入電流Is，整流器輸入電壓uab，變壓器副邊繞組輸出電流Is1波形，圖12(b)為電流Is的各次諧波含量分布圖，總諧波畸變率為9.7%。圖13為基于電流Is的值進行判斷時，死區補償的實驗結果。圖13(a)為網側輸入電壓us，輸入電流Is，整流器輸入電壓uab，輸入電流is1波形，圖13(b)為電流Is的各次諧波含量分布圖，總諧波畸變率為7.6%。圖14為基于電壓us的觀測值進行判斷時，死區補償的實驗結果。圖14(a)為網側輸入電壓us，輸入電流Is，整流器輸入電壓uab，變壓器副邊繞組輸出電流is1波形，圖14(b)為電流Is的各次諧波含量分布圖，總諧波畸變率為6.3%。從圖中可以看出，采用電壓us觀測值進行判斷時，死區補償的效果更好。實驗結果與仿真結果相同，也說明死區補償新方法的有效性。

圖12 無死區補償實驗波形Fig.12 Experimental waveforms of no dead time compensation

為了驗證整流器輕載時采用電流瞬時值、網側電壓觀測值死區補償效果，圖15給出了整流器空載運行時輸入電流波形。從上面仿真波形中可以看出，基于網側電壓觀測值進行死區補償的效果要比瞬時電流值補償好。

圖13 有死區補償實驗波形—基于電流值判斷Fig.13 Experimental waveforms of dead time compensation judged by current

圖14 有死區補償實驗波形—基于電壓值判斷Fig.14 Experimental waveforms of dead time compensation judged by voltage

圖15 整流器空載實驗電流波形Fig.15 Experimental waveforms of rectifier current on no-load

6 結論

本章提出了一種基于網側電壓諧振控制器鎖相環的觀測值進行判斷，對單相PWM整流器死區時間進行補償的新方法，并與通過電流大小進行直接補償方法進行對比分析。首先，介紹了單相整流器控制策略，采用電壓外環PI及電流內環PR控制器;接著對單相PWM整流器死區效應的原理進行了詳細的闡述;最終通過仿真及實驗對這種新的死區補償方法進行驗證，采用電壓觀測值取代電流進行死區補償效果將更明顯。

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