基于雙閉環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 自動化學院，北京 100192)

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基于雙閉環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 自動化學院，北京 100192)

摘要：研究三相單開關BOOST整流器與單向整流器并聯構成的混合整流器控制方法。分析了混合整流器拓撲結構及工作機理，采用電壓、電流雙閉環控制策略，電壓外環控制混合整流器直流側母線輸出電壓具有良好的動態與穩態性能，電流內環控制交流側輸入電流波形正弦化，使混合整流器系統的功率因數為1。通過仿真實驗證明了系統控制策略的可行、有效。

關鍵詞：三相整流器；控制策略；功率因數；畸變率

1引言

整流器是民用與工業領域中常見的電氣裝置，整流器的電路結構有二極管不控整流、晶閘管相控整流，這種電路結構簡單、成本低廉、輸出效率高，但會向電網注入大量的諧波，影響電網電能質量[1]，通常會附加無源濾波器進行濾波，可這種措施往往不能滿足預期要求。從電能質量角度考慮，PWM整流器具有低諧波畸變率和高功率因數，但其成本高、可靠性低、輸出效率低等特點[4]。目前研究整流器在追求單位功率因數、低諧波畸變率的同時，還要適用于中、高壓電氣等級，電路結構簡潔、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稱BOOST電路即三相單開關整流器(Single Switch Three-Phase Rectifier，SSTPR)和三相單向PWM整流電路在直流母線與電網間簡單并聯[2～4]。這種混合整流器既可以實現不控整流的低頻運行、承載較大功率的功能，又可以調節PWM整流器工作于高頻、低功率狀態下[4]，集中體現了兩種整流器的優點：魯棒性、簡潔性、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上，重點闡述電壓電流雙閉環控制方法，滿足直流側輸出電壓動態性能、穩態精度，及交流側電流跟蹤控制精度。通過搭建三相三電平混合整流器系統仿真模型，驗證了控制策略的可行性，電網電流畸變率及功率因數顯著提高。

2混合整流器工作原理

三相單向混合整流器拓撲結構有多種包括VIENNA三開關型[2]、VIENNA六開關型、T型等。本文研究以六開關型為主，如圖1所示。由兩類整流器在直流母線電容與三相電網間并聯而成，分別為三相單開關BOOST整流器和三相單向PWM整流器電路。直流母線串聯的兩對稱電容中點電位為三電平單向PWM整流器中點電位。

圖1混合整流器電路構成示意圖(以VIENNA六開關為例)

三相單開關BOOST整流器中的升壓開關管主要負責直流母線電壓的控制及該整流器輸入電流波形控制。開關管導通時，直流母線上兩個電感充電，負載電壓、電流主要由輸出電容放電提供；當開關管斷開時，輸出端電容充電，并提供負載電壓、電流。在一個開關周期中，電容充電電量大于電容放電電量時，輸出電壓會升高；當電容充、放電電量相同時，輸出電壓穩定。

單向PWM整流器主要用于控制整流器輸入電流大小、方向，每一相可以視為關于直流側中點對稱的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半周。以圖2中混合整流器并聯VIENNA六開關整流器a相為例，闡述其工作原理，其工作模態如圖2所示。當電網電壓ua為正時，若此時交流側電感電流小于給定電流時，控制a相上橋臂開關管導通，如圖2(a)所示；若大于給定電流，a相上橋臂開關管關斷，圖2(b)所示；當電網電壓ua為負時，若交流側電感電流小于給定電流時，控制a相下橋臂開關管關斷，圖2(c)所示，若大于給定電流，開關管導通圖2(d)所示。通過調節開關管的通斷及占空比，控制電流跟蹤給定電流的變化。與單開關BOOST整流電路并聯的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(以三電平VIENNA六開管整流器為例)

3混合整流器控制方法

從電路結構分析中我們知道，混合整流器直流母線電壓主要由三相單開關BOOST整流器中的功率開關管控制。而并聯的三相單向PWM電路以利用直流側電壓控制網側電流波形，其工作中會影響直流母線電容電壓大小，及三電平電路結構中上、下端電容電壓的平衡。考慮到直流母線電壓的動態響應性能、穩定性及穩壓精度等方面的要求，采用雙閉環即電壓外環和電流內環的控制方法，設計了電流內環滯環跟蹤控制；電壓外環PI控制方式[5]，電壓外環控制量作為電流內環給定量。雙閉環控制不但可提高輸出電壓的抗擾性，還可調整兩種并聯整流器輸出功率的比例關系。雙閉環控制結構框圖如圖3所示。

混合整流器中并聯的三相單向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“1”，“0”，“-1”，代表了輸出電壓為直流母線的正極、中點、負極，三相電壓狀態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管狀態決定。對于某一相橋臂而言，開關S導通，整流器輸出電壓鉗位于直流母線中點；當開關S關斷時，輸出電壓為直流母線+Vdc/2或-Vdc/2，具體是正電壓還是負電壓取決于電流方向。

滯環跟蹤控制是非線性控制方法，當電流偏差超越+h或-h時，其中h為滯環寬度，功率開關管按照一定的邏輯關系進行切換，強迫電流誤差減小，達到跟蹤指令電流的效果。環寬h選取需權衡電感及開關頻率，h越小，開關頻率越高，電流跟蹤精度越高，但往往受到功率開關頻率限制而不能過高。針對單向PWM整流器電流控制采用滯環跟蹤比較方法，當電流方向不同時，滯環比較器開關邏輯也不一樣，功率開關工作邏輯為：

(1)

針對三相單開關BOOST整流器電流控制時，滯環比較器開關邏輯為：

(2)

4仿真實驗結果

為了證明混合整流器控制方法的可行性，在Matlab/Simulink仿真環境下，搭建了VIENNA六開關型三電平混合整流器拓撲結構的電路模型，并加入控制算法，對系統進行了仿真。仿真參數為：電源線電壓為，直流母線電壓輸出，直流母線串聯電容C1=C2=4700uF，單向PWM整流輸入端電感L=2.6mH，單開關三相整流器中串接電感Lb=0.5mH，開關頻率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態與穩態波形，動態響應時間為0.03 s，穩態精度為5‰。混合整流器三相單開關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整流器輸出波形的匹配關系，這樣的匹配關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為對圖8波形的諧波電流進行FFT分析與畸變率測試結果，畸變率為2.1%。混合整流器電壓電流同相位、同頻率，為單位功率因數，如圖10所示。

圖9混合整流器電網電流FFT諧波分析結果

6結語

本文分析了混合整流器電路結構，對兩種并聯整流器在整個系統中所起的作用、功能進行了分析，并針對各功能的實現提出了控制策略。提出了采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制方法，實現了直流母線電壓控制及交流側輸入電流波形正弦化的目標。通過Matlab/Simulink仿真平臺搭建了混合整流器控制系統模型，仿真結果證明了混合整流器控制系統具有良好的動態性能和穩態性能，網側電流畸變率顯著降低，實現單位功率因數，直流母線輸出電壓紋波小的特點。

參考文獻：

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[3]Kolar J W，Zach F C．A novel three-phase utility inter-face minimizing line current harmonics ofhigh-powertelecommunications rectifier modules[J]．IEEETransaction on Industrial Electronics，1997，44(4)：456～467．

[4]T.B.Soeiro，J.W.Kolar.Analysis of high-efficiencythree-phase two-and three-level unidirectional hybrid rectifiers[J].IEEE Trans：Ind.Electron,2013(60)：3589～3601.

[5]陳息坤,康勇,陳堅.新型BOOST拓撲結構及其控制策略研究[J].開關電源技術,2007(2):7～11.

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：1674-9944(2016)02-0172-04

中圖分類號：TM461

文獻標識碼：A

通訊作者：李萍(1971—)，女，北京人，高級實驗師，主要從事電力電子裝置及高性能整流、逆變技術研究。

作者簡介：張金瑞(1995—)，男，北京人，北京信息科技大學自動化學院大學生。

收稿日期：2015-12-02

資金項目：北京市教委PXM2015_014224_000050本科生培養-大學生科研訓練(市級)項目