能量可回饋的單相PWM整流器研究

黃靜+劉江峰+齊志偉+余振

摘 要：針對(duì)單相全橋電壓型PWM整流器，分析了其主電路拓?fù)浜烷_(kāi)關(guān)模式，根據(jù)其穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系，指出整流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，關(guān)鍵在于控制網(wǎng)側(cè)電流。采用基于滯環(huán)電流控制的雙閉環(huán)控制策略，提高系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方案具有能使整流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、能量可回饋等優(yōu)點(diǎn)，能很好滿足控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能的要求。還將PWM整流器應(yīng)用于背靠背永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：整流器；單極性調(diào)制；矢量關(guān)系；滯環(huán)電流控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.136

1 引言

電壓型脈寬調(diào)制（pulse width modulation， PWM）整流器由于具有能量雙向流動(dòng)、功率因數(shù)高、諧波污染少等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管或相控整流，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)直流電源、變頻調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)功功率補(bǔ)償、新能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電）等領(lǐng)域[1-4]。

在PWM整流器技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略分為兩類：間接電流控制和直接電流控制。由于間接控制其網(wǎng)側(cè)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏，因此此控制策略已逐漸被直接控制策略所取代[5]。滯環(huán)電流控制[6]屬于直接控制方案中的一種，技術(shù)電路簡(jiǎn)單，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，且對(duì)電路參數(shù)變化不敏感，對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)，無(wú)需載波，因此輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量。但滯環(huán)電流控制存在開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，對(duì)此，可以選擇合適的開(kāi)關(guān)模式來(lái)降低其開(kāi)關(guān)損耗。

2 單相PWM整流器的工作原理

2.1 主電路拓?fù)?/p>

單相全橋電壓型PWM整流器的主電路電路拓?fù)淙缦聢D1所示。圖中，Ti （i=1， 2， 3， 4）為功率開(kāi)關(guān)管；Di （i=1， 2， 3， 4）為續(xù)流二極管，兼有整流的作用；us為網(wǎng)側(cè)電壓；is為網(wǎng)側(cè)電流；Vdc為整流器直流側(cè)電壓；idc為整流器輸出電流；ic為直流側(cè)電容電流；iL為負(fù)載電流；L為交流側(cè)電感；Cd為直流側(cè)電容；RL為直流側(cè)負(fù)載；E為用電負(fù)載（最常見(jiàn)的是電動(dòng)機(jī)負(fù)載）的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；圖中給出了各個(gè)電壓、電流的正方向。

2.2 開(kāi)關(guān)模式

為了降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，即降低功率損耗、延長(zhǎng)壽命，針對(duì)圖1所示的電壓型PWM整流器主電路拓?fù)?，本文采用的是單極性調(diào)制開(kāi)關(guān)模式。整流器交流側(cè)電壓uab（t）將在Vdc、0和0、-Vdc之間切換。其中，在交流基波電壓正半周期，uab（t）將在Vdc、0間切換；而在交流基波電壓負(fù)半周期，uab（t）將在0、-Vdc間切換。因此，單極性調(diào)制時(shí)，單相PWM整流器工作過(guò)程中存在四種開(kāi)關(guān)模式，且可采用三值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)S來(lái)描述，即：

整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)，根據(jù)式（1）可以分析整流器工作于整流或逆變狀態(tài)下的電流換流路徑（這里不再詳細(xì)列舉），得到以下結(jié)論：當(dāng)網(wǎng)側(cè)基波電壓處于正半周期時(shí)，前橋臂的一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，另一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，后橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高頻調(diào)制；當(dāng)網(wǎng)側(cè)基波電壓處于負(fù)半周期時(shí)，后橋臂的一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，另一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，前橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高頻調(diào)制。因此，這種開(kāi)關(guān)模式可以大大減少開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗。

3 整流器穩(wěn)態(tài)電壓、電流矢量關(guān)系

若開(kāi)關(guān)管的損耗可以忽略，則整流器的輸入輸出功率平衡，單相PWM整流器的功率模型方程為：

Is Us =Idc Vdc （2）

式中， Is為網(wǎng)側(cè)電流；Us為網(wǎng)側(cè)電壓；Idc為整流器輸出電流；Vdc為整流器直流側(cè)電壓。從式（2）可以得到：通過(guò)對(duì)模型電路交流側(cè)的控制，可以控制其直流側(cè)；反之亦然。若只考慮基波分量而忽略諧波分量，可得到整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)電壓、電流矢量關(guān)系，如圖2所示。

圖2（a）為整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)，us與is同相，整流器呈正阻特性，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，負(fù)載從電網(wǎng)吸收功率；圖2（b）為整流器運(yùn)行在逆變狀態(tài)，us與is反相，整流器呈負(fù)阻特性，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變運(yùn)行，負(fù)載向電網(wǎng)輸送功率。分析圖2可知，要實(shí)現(xiàn)整流器單位功率因數(shù)，關(guān)鍵在于控制網(wǎng)側(cè)電流is。

4 單相PWM整流器的控制原理

為使整流器的控制既能具有快速的電流響應(yīng)，又能保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定在允許偏差范圍內(nèi)和網(wǎng)側(cè)輸入端功率因數(shù)接近于1，故PWM整流器采用了基于滯環(huán)的雙閉環(huán)控制，其控制原理見(jiàn)圖3。

電壓外環(huán)采用PI控制器，實(shí)現(xiàn)整流器直流側(cè)電壓Vdc跟蹤給定電壓Vdc*，從而保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。電壓外環(huán)的輸出作為網(wǎng)側(cè)電流指令is*的幅值；檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓us，利用軟件過(guò)零鎖相（PLL）得到與us同頻同相的單位正弦波，與is*的幅值相乘得電流指令is*。電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)比較器，網(wǎng)側(cè)電流is為電流內(nèi)環(huán)的輸入信號(hào)，電流內(nèi)環(huán)的主要任務(wù)是使網(wǎng)側(cè)輸入電流is跟蹤電流指令is*。

在這種方式下，電流指令is*與網(wǎng)側(cè)電壓us只有兩種可能情況：（1）當(dāng)電壓外環(huán)輸出為正時(shí)，is*與us同頻同相；（2）當(dāng)電壓外環(huán)輸出為負(fù)時(shí)，is*與us同頻反相。假設(shè)電流內(nèi)環(huán)能完全使網(wǎng)側(cè)輸入電流跟蹤電流指令，則第1種情況下負(fù)載從電網(wǎng)吸收能量；第2種情況下負(fù)載向電網(wǎng)回饋能量[7]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

搭建了單相全橋電壓型PWM整流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主控芯片為Freescale公司的MC56F8013；IGBT的型號(hào)為 2MBI400N-060-01；電流、電壓直接通過(guò)Agilent示波器MSO-X3014A測(cè)量。圖4給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖，表1給出了具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

圖5為單極性調(diào)制開(kāi)關(guān)模式下整流器交流側(cè)電壓uab的波形，證明整流器交流側(cè)電壓在單極性開(kāi)關(guān)模式下確實(shí)為二電平結(jié)構(gòu)，在電壓的正半周期，uab在Vdc、0間切換；在電壓的負(fù)半周期，uab在0、-Vdc間切換。

圖6（a）和（b）分別為整流器空載啟動(dòng)過(guò)程和突加負(fù)載過(guò)程?？蛰d啟動(dòng)過(guò)程是整流器從二極管不控整流狀態(tài)進(jìn)入到PWM整流狀態(tài)，將直流側(cè)電壓Vdc升高到給定值，實(shí)現(xiàn)boost功能；突加負(fù)載時(shí)，直流側(cè)電壓Vdc出現(xiàn)一定量的跌落，但經(jīng)過(guò)雙閉環(huán)控制的快速調(diào)節(jié)，大約1s后直流側(cè)又恢復(fù)到給定值。圖6（c）是整流器帶純阻性負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)波形，從波形可以看出，整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)整流狀態(tài)。圖6（d）為模擬整流狀態(tài)與逆變狀態(tài)切換過(guò)程。直流側(cè)電壓的給定值設(shè)為380V，整流器啟動(dòng)時(shí)，直流側(cè)電壓開(kāi)始升高。為了模擬整流和逆變切換過(guò)程，當(dāng)直流側(cè)電壓Vdc大于370V時(shí)，整流器運(yùn)行于逆變狀態(tài)，逆變電流與當(dāng)前時(shí)刻的電流反相，并且幅值始終為5A，此過(guò)程直流側(cè)電壓開(kāi)始跌落；當(dāng)直流側(cè)電壓Vdc低于340V時(shí)，整流器又進(jìn)入整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)電流is立即跟蹤電壓外環(huán)輸出的電流指令，網(wǎng)側(cè)電流立即反相，此過(guò)程直流側(cè)電壓又開(kāi)始上升。因此整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)可以來(lái)回地進(jìn)行切換。

圖7為整流器帶電機(jī)負(fù)載波形。單相全橋PWM整流器作為直流電源，與三相逆變器組成背靠背永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)電機(jī)空載轉(zhuǎn)動(dòng)。此過(guò)程分為三個(gè)階段：①PWM整流器直流側(cè)達(dá)到穩(wěn)定值，閉合整流器與逆變器之間的接觸器，相當(dāng)于整流器瞬間突加負(fù)載，直流側(cè)電壓開(kāi)始跌落，但此時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)電流也開(kāi)始增大以補(bǔ)充直流側(cè)消耗掉的功率，使直流側(cè)電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值；②整流器直流側(cè)電壓恢復(fù)后，閉合逆變器直流側(cè)電容前的繼電器旁路掉充電電阻；③大約2s后，永磁同步電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，直流側(cè)電壓瞬間跌落，但通過(guò)電壓外環(huán)調(diào)節(jié)電流指令，使整流器直流側(cè)電壓又立即恢復(fù)到穩(wěn)定值。

6 結(jié)論

針對(duì)單相全橋電壓型PWM整流器的主拓?fù)?、開(kāi)關(guān)模式、整流器穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系及控制原理進(jìn)行了研究。為降低開(kāi)關(guān)損耗，采用了單極性調(diào)制開(kāi)關(guān)模式；為使整流器具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能，采用了基于滯環(huán)電流控制的雙閉環(huán)控制策略。實(shí)驗(yàn)證明了基于滯環(huán)電流控制的雙閉環(huán)控制策略具有能使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、能量可回饋等優(yōu)點(diǎn)；并嘗試將PWM整流器應(yīng)用于背靠背系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行，具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：黃靜（1988-），女，河南信陽(yáng)人，碩士，講師，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。