7.5 kW三電平APFC的研制

張治國

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7.5 kW三電平APFC的研制

張治國

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，合肥 230031）

介紹了7.5 kW三電平APFC的研制過程。對三電平APFC進(jìn)行了建模分析，論述了主要工作原理，對空間矢量控制算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，給出了實(shí)驗(yàn)過程中PI參數(shù)的調(diào)節(jié)步驟。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

APFC 控制算法 PI調(diào)節(jié)

0 引言

三相三電平APFC具有輸出電壓穩(wěn)定、功率因數(shù)高、電流畸變小的優(yōu)點(diǎn)。區(qū)別于二電平APFC，三電平APFC開關(guān)器件上的電壓應(yīng)力為直流母線電壓的一半，可以使用低壓MOS管，成本大大降低；而且，該拓?fù)溟_關(guān)管之間沒有死區(qū)時(shí)間，開關(guān)頻率可以很高，從而實(shí)現(xiàn)了器件小型化。因此，三相三電平APFC相關(guān)技術(shù)的開發(fā)得到了廣泛關(guān)注[1~3]?

1 工作原理

圖1所示整流器拓?fù)渲?，采用兩個(gè)共源極的MOS管組成雙向開關(guān)，共用一個(gè)驅(qū)動信號，不存在開關(guān)管直通問題，開關(guān)頻率可以很高，從而可減小交流側(cè)濾波電感體積。當(dāng)雙向開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其中一個(gè)MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，另一個(gè)MOS管則處于同步整流狀態(tài)，因此幾乎沒有反向恢復(fù)電流。

三相三線制三電平APFC開關(guān)模型如圖2所示。

根據(jù)開關(guān)狀態(tài)不同，U=U時(shí)，整流器交流側(cè)電壓分別會有0，±三種狀態(tài)，雙向開關(guān)類似于一個(gè)三開關(guān)選擇器，因此全控開關(guān)Sa /Sb /Sc的開關(guān)電位狀態(tài)可表示為：

式中，S=1(表示p,n,o)表示開關(guān)S與點(diǎn)連接，否則不連接。整流器交流側(cè)電壓不會出現(xiàn)同時(shí)為正和同時(shí)為負(fù)的情形，因此電位組合一共有個(gè)，矢量圖如圖3所示。

圖2 三相三電平APFC開關(guān)模型

圖3 三電平APFC矢量圖

25個(gè)空間矢量可分為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量四種。大矢量為V1、V2、V3、V4、V5、V6；中矢量為V12、V23、V34、V45、V56、V61；小矢量有12個(gè)，V01±、V02±、V03±、V04±、V05±、V06±；還有一個(gè)零矢量V0。

例如：當(dāng)S= -1，S= 1，S= 1時(shí)，對應(yīng)的矢量為V4，其電路工作狀態(tài)如圖4所示。

圖4 V4矢量的電路工作狀態(tài)

圖4所示電路工作狀態(tài)下，對應(yīng)于直流側(cè)輸出電容中性點(diǎn)N，整流器交流側(cè)A相輸入電壓為，B、C相輸入電壓為。以此為例，可以看出，每一開關(guān)狀態(tài)都對應(yīng)整流器交流側(cè)電壓數(shù)值，交流側(cè)電壓三種電平狀態(tài)合成的階梯波越逼近正弦波，整流效果越好。

2 空間矢量算法的實(shí)現(xiàn)

空間矢量調(diào)制算法具有易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)、直流利用率高、諧波含量低的優(yōu)點(diǎn)。該算法在整流器中調(diào)制的目標(biāo)是：通過控制開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷得到逼近圓形的旋轉(zhuǎn)交流電壓矢量，最大程度減少交流電流諧波含量并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。

韓國學(xué)者Jae-Hyeong提出了一種調(diào)制方法[4]，這種方法把三電平空間分解為6個(gè)大扇區(qū)，每個(gè)大扇區(qū)相當(dāng)于一個(gè)二電平PWM整流器的空間矢量，6個(gè)大扇區(qū)分布區(qū)域如下圖5所示。

圖5給出大扇區(qū)Ⅰ~Ⅵ的區(qū)間分布。這種方法把三電平轉(zhuǎn)換為二電平計(jì)算，避免了大量的三角函數(shù)計(jì)算過程，得到期望的SVPWM調(diào)制輸出，大大簡化了計(jì)算。

三電平矢量簡化到二電平矢量后，經(jīng)過計(jì)算最終實(shí)現(xiàn)開關(guān)管控制，這種算法的運(yùn)算步驟為：

1)三電平的坐標(biāo)原點(diǎn)是零矢量，而6個(gè)大扇區(qū)分別對應(yīng)的二電平的空間矢量原點(diǎn)是小矢量，首先確定目標(biāo)矢量落在哪個(gè)大扇區(qū)，再進(jìn)行坐標(biāo)平移；

2)按照二電平計(jì)算方法選擇最近的三個(gè)矢量，確定開關(guān)狀態(tài)；

3)根據(jù)幅秒平衡原理計(jì)算每個(gè)開關(guān)管的開通時(shí)間。

表1為平移到二電平后七段式調(diào)制法相鄰空間矢量的作用時(shí)間

表1二電平6個(gè)相鄰區(qū)間作用時(shí)間分布

X、Y、Z計(jì)算表達(dá)式如下：

(2)

式中U表示直流輸出電壓，T為開關(guān)周期，和為坐標(biāo)平移后的靜止二相αβ坐標(biāo)系變量。

采用Matlab仿真工具，仿真算法采用ode23，仿真步長為1 μs。電路基本參數(shù)為：負(fù)載電阻R=20 Ω；濾波電感=370 μH；輸出側(cè)電容1=2=220 μF；開關(guān)頻率為30 kHz。

三相電網(wǎng)側(cè)輸入相電壓有效值為50 V，輸出給定直流電壓為165 V時(shí)基于空間矢量調(diào)制方法的仿真結(jié)果如圖6所示：

圖6 A相交流電壓與電流仿真波形

3 PI參數(shù)調(diào)節(jié)步驟

采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，電壓外環(huán)控制的目的是要得到穩(wěn)定的直流電壓輸出，其調(diào)節(jié)速度小于電流環(huán)?；谛⌒盘柦？傻玫介]環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而可初步得到雙閉環(huán)的PI參數(shù)理論值。

PI參數(shù)初始理論計(jì)算值一般只是作為PI調(diào)節(jié)的一個(gè)起點(diǎn)，實(shí)際參數(shù)必須在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上反復(fù)整定才能得到理想的結(jié)果，而且這個(gè)整定過程在調(diào)試中是必須的。整定過程非常依賴調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)，文獻(xiàn)[5~6]從實(shí)驗(yàn)角度給出PI參數(shù)在整流器中的修正過程，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，并提到了交流電感和直流側(cè)電容取值對系統(tǒng)性能的影響。

在已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際調(diào)試過程，三電平APFC PI參數(shù)修正步驟總結(jié)如下：

1）交流側(cè)濾波電感與直流側(cè)輸出電容受電源結(jié)構(gòu)限制，往往選擇空間不大，選定后一般不做調(diào)整。因此，往往在滿足基本電氣性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求后，受電源體積限制其參數(shù)應(yīng)盡可能選擇最小值。本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中選擇濾波電感為0.37 mH，直流側(cè)電容為470 μF/450V。

2）初始調(diào)試階段，斷開電壓外環(huán)，只調(diào)節(jié)電流內(nèi)環(huán)。電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)Kp取初始理論計(jì)算值；積分系數(shù)Ki取理論值。分析交流電流和直流側(cè)輸出電壓波形，若電流波形出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，Kp應(yīng)減小，若電流波形較差（諧波含量高）則逐步增加Kp。同時(shí)，觀察輸出電壓，若輸出電壓偏高，則增加Kp，反之減小。

在調(diào)節(jié)Kp期間，Ki保持不變。若Kp調(diào)節(jié)始終得不到理想結(jié)果，應(yīng)調(diào)整其限幅，一般先將限幅值設(shè)定為理論計(jì)算值的1.5倍。

3）電流環(huán)調(diào)試結(jié)束后，其PI參數(shù)不變，加上電壓環(huán)開始雙環(huán)調(diào)試。取電壓環(huán)Ki為理論值，先調(diào)節(jié)電壓環(huán)Kp，若直流輸出電壓偏高則減少Kp，反之增加。

4）若以上調(diào)節(jié)均不能達(dá)到理想效果，就應(yīng)該考慮從PWM調(diào)制算法編程是否有誤和驅(qū)動電路硬件設(shè)計(jì)是否合理這兩個(gè)方面查找原因了。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7.5 kW三電平APFC樣機(jī)輸入端接入220 V/50 Hz電網(wǎng)，負(fù)載電阻為50 Ω。設(shè)定直流參考電壓設(shè)置為625 V時(shí)得到的實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

(a) 啟動過程中A相電壓與電流波形

(b) 穩(wěn)定后的A相電壓與電流波形

(c) 穩(wěn)定后的A相電流與直流側(cè)輸出電壓波形

圖中給出了A相輸入相電壓波形（綠色）、直流側(cè)輸出電壓dc（綠色）與A相交流電流波形（紅色）?？梢钥闯鰡舆^程中不控轉(zhuǎn)為可控時(shí)，過渡時(shí)間短，電流無尖峰。穩(wěn)定后交流電流正弦度好，輸出電壓保持穩(wěn)定，波動較小。而且，穩(wěn)定后A相相電壓與電流同相位，具有單位功率因數(shù)。由此可見，采用的控制方法取得了良好的整流效果。

5 結(jié)論

空間矢量調(diào)制優(yōu)點(diǎn)是直流電壓利用率高，交流電流諧波含量少，易于DSP實(shí)現(xiàn)。這種采用三電平轉(zhuǎn)換為二電平進(jìn)行矢量計(jì)算的調(diào)制方法占用DSP資源少，計(jì)算過程不復(fù)雜，適合在工程中應(yīng)用。

三電平APFC的PI調(diào)節(jié)一直是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，但是通過實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)歸納，也可以得到其調(diào)節(jié)規(guī)律?？紤]到實(shí)際電路與理論設(shè)計(jì)的差異性，PI參數(shù)的最終確定結(jié)果與初步計(jì)算值往往有較大差異，所以本文給出的PI參數(shù)調(diào)節(jié)步驟具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Development of 7.5 kW Three-level APFC

Zhang Zhiguo

(ECU Electronics Industrial Co., Ltd., Hefei 230031, China )

TM464

A

1003-4862（2017）06-0034-04

2017-019-05

張治國（1977-），男，高級工程師。研究方向：大功率開關(guān)電源。zhang1569@126.com