基于數(shù)控電感的PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流改善研究*

張嶺，趙錦成，邵天章，馬瑞平（軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊050003）

隨著對用電設(shè)備的諧波標準越來越嚴格，PWM整流器的應(yīng)用日益廣泛。在PWM整流器的控制中，目前研究最多、應(yīng)用最廣且性能較為優(yōu)良的方法是在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直接電流控制。為了實現(xiàn)電流的無靜差調(diào)節(jié)，該方法采用坐標變換將三相交流量變換成旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流量進行控制，PI調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)的直流增益為無窮大，因此電流控制的穩(wěn)態(tài)誤差為零。在控制結(jié)構(gòu)上，通常采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制。其中電壓外環(huán)用于控制整流器的輸出電壓，電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的波形和相位控制。

在通常的同步旋轉(zhuǎn)坐標系的PI控制中，僅保證了期望的穩(wěn)態(tài)性能，但不能保證在動態(tài)過程中電流的快速跟蹤，因此提出了大量改進控制方案。參考文獻[1]通過對影響電流動態(tài)響應(yīng)速度因素進行分析，提出了利用動態(tài)過程中的無功電流來提高有功電流動態(tài)響應(yīng)速度的方法。

本文對PWM整流器在d-q同步坐標系的數(shù)學(xué)模型及控制方法進行研究的基礎(chǔ)上，基于PSCAD軟件建立了其仿真模型，通過對交流側(cè)電感的設(shè)計進行分析，提出利用數(shù)字電感器取代傳統(tǒng)的電感線圈，使得電感參數(shù)在運行過程中可調(diào)，從而既可以實現(xiàn)電流的快速跟蹤，又可以達到抑制諧波電流的目的。

1 PWM整流器在d-q坐標系的數(shù)學(xué)模型及控制方法

三相電壓型PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路采用IGBT與二極管反并聯(lián)方式，Ls和Rs為電感的等效參數(shù)，C為直流濾波電容，RL為直流側(cè)負載，uca、ucb、ucc為整流橋三相控制電壓。通過坐標變換在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下PWM整流器的方程為[1-2]：

圖1 電壓型PWM主電路

式中，usl、isl、ucl(l=d，q)分別為d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電源電壓、輸入電流、橋中點控制電壓。

若電源usa，usb，usc為三相對稱電壓，則在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓、電流均為直流量。通常將d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量同方向上，若三相對稱電源相電壓的最大值為Um，則：

將式(2)代入式(1)，在d-q坐標系下橋中點的控制電壓為：

由式(3)、(4)可以看出，在d-q同步坐標系下，兩相電流之間存在耦合，一相電流的變化將引起另一相電流的變化，因此一般的PI調(diào)節(jié)器很難達到理想的控制。

為提高電流控制的性能，使d、q軸電壓ucd、ucq直接控制相應(yīng)的電流isd、isq。從式(3)、式(4)可以看出，可采用檢測到的實際電流補償兩相之間的耦合，以消除電流之間的相互影響，實現(xiàn)電流之間的解耦控制。

通過以上分析，并結(jié)合式(3)、式(4)，設(shè)計電流控制器的方程如下：

有功電流指令值i*sd與負載電流成正比，為電壓調(diào)節(jié)器的輸出。

當(dāng)PWM整流器運行于單位功率因數(shù)整流狀態(tài)時，無功功率為零，此時無功電流指令值i*sq應(yīng)滿足：

綜上理論分析，利用Mannitoba HVDC研究中心的PSCAD/EMTDC工具，可以建立采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的PWM整流器仿真模型。

2 數(shù)字電感器原理及仿真實現(xiàn)

在電壓型三相橋式PWM整流器中，交流側(cè)電感的設(shè)計既要實現(xiàn)快速電流跟蹤的指標，又要抑制諧波電流。以正弦波控制為例，當(dāng)電流過零時，其電流變化率最大，為滿足快速跟蹤電流要求，此時電感應(yīng)該足夠??；而在正弦波電流峰值處，諧波電流脈動最嚴重，為滿足抑制諧波電流的要求，此時電感應(yīng)該足夠大。隨著新型數(shù)字化元器件的出現(xiàn)，使得電感的在線調(diào)整成為現(xiàn)實。

2.1 數(shù)字電感器原理

以往電感參數(shù)的確定是在滿足有功、無功要求和電流波形品質(zhì)指標的前提下，綜合考慮電感的成本和體積，在滿足性能要求的同時，使其數(shù)值盡量的小[3]。數(shù)字化元件采用帶總線接口進行數(shù)控方式調(diào)節(jié)，可通過單片機或邏輯電路進行編程，實現(xiàn)了“把模擬器件放到總線上”的全新設(shè)計理念[4]。

目前MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1474(6.4 pF～13.3 pF，增量0.22 pF)和Intersil公司生產(chǎn)的X90100(7.5 pF～14.5 pF，增量0.23 pF)兩款數(shù)字電容器，可以在5 μs內(nèi)快速調(diào)整。在低頻情況下，可以使用高增益集成運算放大器來組成回轉(zhuǎn)器，實現(xiàn)從電容到電感的映射，制作數(shù)字化模擬電感。

2.2 數(shù)字電感仿真設(shè)計

仿真實例取三相電壓型PWM整流器，其功率為10 kW，三相交流輸入電壓的相電壓有效值為230 V，主功率開關(guān)器件采用IGBT來實現(xiàn)。假設(shè)整流器效率為90%，由此可得輸入功率：

每相輸入電流有效值為：

則網(wǎng)側(cè)電流峰值為：

取設(shè)計值為25 A，選擇功率管額定電流時，要充分考慮輸入電流中含有的諧波成分。考慮2倍以上的安全系數(shù)，可選額定電流為60 A的功率管。

輸出直流電壓Udc應(yīng)該大于三相線電壓峰值，即為：

Udc取600 V，工作頻率為20 kHz，最大電流imax按選擇功率管的設(shè)計值選取，Δimax為電流波動的最大峰值，通常情況取Δimax=20%×imax。則電感值的計算如下[5]：

取可變電感參數(shù)變化范圍分別為7.25 mH～50.09 mH和7.25 mH～14.01 mH，與取值為8 mH的不變參數(shù)電感進行對比分析。

為了便于對不變電感和數(shù)字電感的波形進行分析，仿真時間設(shè)置為10 s，前5 s電感保持定值為8 mH，5 s～10 s電感按照設(shè)置的要求變化。當(dāng)電流過零點時，取最小值；當(dāng)電流到達峰值時，取最大值。

3 仿真結(jié)果與分析

PSCAD軟件仿真電源上升時間為0.05 s，取穩(wěn)態(tài)時間在4.96 s～5.04 s范圍內(nèi)，電感變化前后的a相電流波形進行分析。

3.1 電感參數(shù)在7.25 mH～50.09 mH范圍內(nèi)變化

(1)取可調(diào)所有32個檔位，a相電流波形如圖2所示。

圖2 電感變化前后a相電流波形(7.25 mH～50.09 mH，最小增量)

(2)取可調(diào)6個檔位，a相電流波形如圖3所示。

圖3 電感變化前后a相電流波形(7.25 mH～50.09 mH，較大增量)

由圖2、圖3可見，電感參數(shù)的變化范圍不宜過大，檔位增量調(diào)整較小為好。

3.2 電感參數(shù)在7.25 mH～14.01 mH范圍內(nèi)變化

考慮到數(shù)字電容的變化范圍并且按照電感取值盡可能小的原則，取可變電感參數(shù)變化范圍為7.25 mH～14.01 mH，與取值為8 mH的不變參數(shù)電感進行對比分析。

(1)取可調(diào)所有32個檔位，a相電流波形如圖4所示。

由圖4波形可見，峰值時的諧波電流明顯減少。

(2)電感變化前后畸變因數(shù)分析。

輸入電流畸變因數(shù)隨時間的變化如圖5所示。由圖5可明顯看出，在調(diào)整為可變參數(shù)電感后，輸入電流峰值時的畸變因數(shù)明顯小于固定參數(shù)電感。

(3)電感變化前后輸入電流的快速響應(yīng)分析。

圖4 電感變化前后a相電流波形(7.25 mH～14.01 mH，最小增量)

圖5 輸入電流總畸變率

對a相輸入電流求導(dǎo)后列出部分過零點電流導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 a相電流求導(dǎo)數(shù)據(jù)

由表中數(shù)據(jù)可見，電感參數(shù)可調(diào)后電流的快速跟蹤性能得到了改善。

使用PSCAD軟件，建立了基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直接電流控制方法和雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的電壓型PWM整流器的仿真模型。提出了利用數(shù)控電感替代傳統(tǒng)的電感線圈，使得電感可在線調(diào)整來改善電流環(huán)的動、靜態(tài)響應(yīng)。仿真結(jié)果表明，采用新元件后，既可以較好地實現(xiàn)電流過零點的快速跟蹤，又可以達到抑制電流峰值點時諧波電流的目的，在改善電能質(zhì)量方面具有一定的實用價值。

[1]鐘炎平，沈頌華.PWM整流器的一種快速電流控制方法[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25(12)：52-56.

[2]BLASKO V，KAURA V.A new mathematical model and control of a three-phase ac-dc voltage source converter[J].IEEE Transactions on Power E1ectronics，1997，12(1)：l16-123．

[3]吳慶彪.基于dSPACE的PWM整流器的研究[D].上海：東華大學(xué)，2010.

[4]張嶺，谷志鋒，尹志勇.動態(tài)電壓恢復(fù)器同步基準正弦電路設(shè)計實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2010(11)：33-36.

[5]Li Yuanzheng.儲能系統(tǒng)中PWM整流器的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.