Vienna整流器單周控制技術(shù)研究
摘要 通過(guò)分析三相三開(kāi)關(guān)三電平(Vienna)整流器的工作原理,研究了該整流器的單周控制策略,并采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)了Vienna整流器的可靠穩(wěn)定、低諧波畸變特性?;贛atlab仿真平臺(tái),搭建了Vienna整流器的仿真模型,仿真結(jié)果表明,基于單周控制方法的8 kW三相PFC整流器,控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)可靠穩(wěn)定,諧波畸變率<3%,功率因數(shù)可達(dá)99%。
關(guān)鍵詞 Vienna整流;單周控制;RS觸發(fā)器;功率因數(shù)
二極管整流器在電力電子行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,但由于其存在功率因數(shù)低并向電網(wǎng)注入了較高的電流諧波等因素,對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重,難以滿足(GB/T14549—93、IEC61000—3—2)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。隨著對(duì)用電設(shè)備諧波污染問(wèn)題的日益重視,以及三相大功率裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,三相大功率因數(shù)校正技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際國(guó)內(nèi)電力電子及研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。
Vienna整流器是由Kolar教授于1994年提出的一個(gè)優(yōu)秀的三電平PWM整流器拓?fù)?,其具有所需的開(kāi)關(guān)器件少,單個(gè)功率器件所承受的最大電壓為輸出電壓的一半,無(wú)需設(shè)置驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間,無(wú)輸出電壓橋臂直通問(wèn)題等特點(diǎn)。因而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略和方法的廣泛關(guān)注。文中通過(guò)分析Vienna整流器的基本工作原理,并針對(duì)三相大功率PFC的特點(diǎn),以及直流母線中點(diǎn)電位平衡的控制、解決了三電平中點(diǎn)平衡問(wèn)題的需要。設(shè)計(jì)了單周控制技術(shù)整流器控制結(jié)構(gòu),并通過(guò)采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制,進(jìn)一步提高了動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。最后搭建仿真模型,對(duì)單周控制的Vienna整流器進(jìn)行了仿真研究與分析。
1 WIENNA整流器工作原理
Vienna整流器結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中交流側(cè)的Li為等值平波電感,C1、C2為輸出濾波電容,為高次諧波電流提供低阻抗通路,減少直流電壓紋波。三相中每相都由全控開(kāi)關(guān)管(Sa,Sb和Sc)和4個(gè)二級(jí)管組成雙向開(kāi)關(guān)管。通過(guò)控制3個(gè)雙向開(kāi)關(guān)管完成輸入電流和母線電壓的調(diào)節(jié)、以及母線側(cè)兩個(gè)電容的電壓平衡。
其運(yùn)行原理如下:以橋臂1為例,當(dāng)開(kāi)關(guān)Sa開(kāi)通時(shí),整流器的輸入端電壓被鉗位于直流母線中點(diǎn);當(dāng)開(kāi)關(guān)Sa關(guān)斷時(shí),整流器的輸入端電壓為+Vdc/2或-Vdc/2,電壓極性由a相電流的極性決定。因此,橋臂1有3個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)“1”“0”“-1”,整流器的輸入端被分別鉗位于直流母線的正極、中點(diǎn)和負(fù)極。其電路方程為
式中,E為輸入電壓E=[ua ub uc]T;I為電感電流向量I=[ia ib ic]T;UMD為電容中點(diǎn)到電網(wǎng)電性點(diǎn)電壓向量;UXM為整流橋臂電壓向量;UXM=[uAM uBM uCM]T;L為輸入升壓電感
2 WIENNA整流器單周控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
單周控制法作為一種非線性控制法,最早由美國(guó)學(xué)者Keyue M.Smedley利Slobodan Cuk提出。其基本思想是在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)控制開(kāi)關(guān)管的占空比d,使開(kāi)關(guān)變量的穩(wěn)態(tài)平均值或瞬態(tài)平均值等于參考量或與參考量成比例,從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。單周控制開(kāi)關(guān)頻率恒定,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)速度快。
Vienna整流器的單周期核心控制函數(shù)如式(4)所示,其中電流的絕對(duì)值可以通過(guò)使用3個(gè)全波整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)??刂埔?guī)則就是Vm與各相占空比的表達(dá)式的乘積與采樣電阻上的電壓的絕對(duì)值進(jìn)行比較,通過(guò)比較的結(jié)果改變占空比大小,進(jìn)而對(duì)主電路進(jìn)行控制。
Vienna整流器的單周期控制框圖如圖2所示,由控制框圖可以看出,單周期控制的電路簡(jiǎn)單,比較容易實(shí)現(xiàn)。其閉環(huán)工作過(guò)程為:每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí),由時(shí)鐘信號(hào)給3個(gè)觸發(fā)器置位,各相電流采樣信號(hào)通過(guò)全波整流電路接至各自比較器的輸入端,3個(gè)比較器另一個(gè)輸入Vm-VmdTs/(RintCint),其中取RintCint=Ts。當(dāng)比較器翻轉(zhuǎn)時(shí),將其對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器復(fù)位,對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。當(dāng)三相輸入呈純阻性阻抗時(shí),輸入電流正弦化,PFC得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)負(fù)載突卸時(shí)輸出電壓Uo上升,PI調(diào)節(jié)器輸出Vm下降。
3 仿真分析
為證明Vienna整流器控制方法的可行性,搭建了該整流器單周控制的仿真模型。其實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:輸出功率Po=8 kW;相電壓有效值Urms= 220V;直流母線電壓Udc為+500 V和-500 V;輸入濾波電感Ls=2.2 mH;直流母線電容C1=C2=1 200μF??刂圃砣鐖D3所示。
通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)A相輸入電壓電流進(jìn)行檢測(cè),其仿真結(jié)果如圖5所示。傳統(tǒng)不可控整流器輸入電流受濾波電容影響,已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變,系統(tǒng)功率因數(shù)低至70%以下,結(jié)果如圖4所示。
從仿真結(jié)果中可以清晰地看出,單周控制下的Vienna整流器輸入電流能良好地跟隨輸入電壓正弦化,輸入電流連續(xù)且穩(wěn)定。系統(tǒng)諧波畸變率<3%,功率因數(shù)可達(dá)99%。
4 結(jié)束語(yǔ)
文中分析了Vienna整流器拓?fù)涞幕竟ぷ髟砗驮摻Y(jié)構(gòu)的單周控制的實(shí)現(xiàn)方法,并采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)了Vien na整流器的可靠穩(wěn)定,低諧波畸變率的特性。通過(guò)Matlab仿真平臺(tái),搭建了Vienna整流器的仿真模型,仿真結(jié)果表明,采用單周控制方式對(duì)Vienna整流器進(jìn)行控制,具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能,控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行的目標(biāo)。