單相電壓源整流器直接儲能控制的研究

李新顏，楊喜軍，唐厚君

(1.上海南自科技股份有限公司，上海 200333;2.上海交通大學 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

作為四象限AC-DC變換器，單相電壓源整流器(VSR)能夠滿足網(wǎng)側諧波電流標準［1-2］，既可以用作固態(tài)變壓器的前級ACDC變換器、也可以用作單相有源電力濾波器(APF)。此外，在本質上單相電壓源整流器與單相并網(wǎng)逆變器也是一致的。經(jīng)過適當改造，三相VSR、單相VSR的控制策略都可以應用到單相VSR中，包括傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制結構、單相dq坐標變換［3］、PID控制策略［4］、單周期控制(OCC)策略、直接功率控制(DPC)策略等，因此單相VSR具有很多種控制策略。對于現(xiàn)有單相VSR的控制策略，大都采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)的控制結構，可以獲得滿意的控制效果。在雙閉環(huán)控制結構中，采用電壓外環(huán)控制輸出電壓，采用電流內環(huán)控制電感電流或輸入電流。電壓外環(huán)可以采用PID調節(jié)器或電壓誤差濾波放大器，還可以采用陷波器，用來消除電容電壓紋波對輸入電流控制的影響。電流內環(huán)可以采用PID調節(jié)器，還可以采用PR調節(jié)器，進一步改善輸入電流控制精度。對無源器件的電壓、電流或功率等常規(guī)電量進行控制，物理意義明確，但是否可以突破該范疇，也是值得探討的。文獻［5］在三相電壓源PWM整流器中采用了直接功率控制，提高了響應速度。文獻［6］在三相電壓源PWM整流器中采用了輸出直流電壓平方控制，提高了輸出電壓的跟蹤能力，但是沒有給出電壓平方外環(huán)的詳細分析。文獻［7］在單相有源電力濾波器中采用了電壓偏差平方的PI控制策略，增加了穩(wěn)態(tài)電壓控制精度。文獻［8］在BUCK DC-DC變換器中采用電容電流平方滯環(huán)控制方法。本文提出和探討一種直接控制單相VSR電壓平方和電流平方的控制策略，通過理論分析和仿真分析以及實驗驗證，考察其實際物理意義和系統(tǒng)動靜態(tài)響應。

1 電路拓撲與工作原理

1.1 電路拓撲

單相VSR的功率電路如圖1所示，輸入單相交流正弦電壓ui，輸出單路直流電壓 uo。圖中逆導型開關S1～S4構成單相VSR橋;C1為交流濾波電容;L1與L2為升壓電感，E1為儲能用電解電容;電阻R1和R2為分壓電阻，分壓后可以得到反映輸出電壓的電壓信號。

1.2 直接儲能控制

單相電壓源整流器的雙閉環(huán)直接儲能控制結構如圖2所示，其中電壓外環(huán)用于穩(wěn)定輸出直流電壓平方，間接穩(wěn)定輸出直流電壓，可以采用PID調節(jié)器、電壓平方誤差濾波放大器或陷波器。電流內環(huán)用于控制輸入交流電流平方，間接獲得期望的輸入正弦交流電流，可以采用PID調節(jié)器或PR調節(jié)器。在圖2中，被控對象為電容電壓平方和電感電流平方。

圖1 單相電壓源整流器的功率電路

圖2 雙閉環(huán)直接儲能控制結構

1.3 電壓平方外環(huán)設計

電壓平方外環(huán)的被控對象為輸出直流電壓的平方，等效于控制電解電容E1的儲能。輸出直流電壓的分壓比kuo，分壓后得到u'o。

輸出直流電壓誤差為:

在圖2中，輸出直流電壓平方誤差為:

則:

顯然，不論選擇何種電壓平方外環(huán)控制器，輸出直流電壓平方誤差增加了u'o+ur=kuouo+ur倍，相當于引入可變比例環(huán)節(jié)，輸出直流電壓瞬時值越高，該比例越大，反之該比例越小。比例增大可以加快響應速度，減少誤差。但是過大比例，也會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，甚至造成系統(tǒng)失穩(wěn)。

1.4 電流平方內環(huán)設計

電流平方內環(huán)的被控對象為升壓電感電流的平方，等價于控制升壓電感L1與L2的儲能。

單相電網(wǎng)電壓為:

式中Uim為網(wǎng)壓幅值。

經(jīng)過分壓后，可得單位幅值的單相電網(wǎng)電壓信號為:

則平方后的電網(wǎng)電壓信號表達式為:

輸出電壓平方的控制量uc與上式乘積即為電感電流平方的參考量

假設實際網(wǎng)側電流為:

原有電流內環(huán)控制器的輸入誤差為iref-kLiiL1。前者比后者增加iref+kLiiL1倍，相當于引入一個可變比例環(huán)節(jié)。比例增大可以加快響應速度，減少誤差，但是過大比例，也會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，甚至造成系統(tǒng)失穩(wěn)。

2 仿真分析

2.1 平方電量的仿真分析

根據(jù)圖1的功率電路和圖2的控制結構，利用MATLAB/Simulink建立了無源器件儲能作為被控對象的單相VSR仿真電路，并進行了較為全面的仿真分析。不同輸出功率時的控制電路參數(shù)設計有所不同，輸出功率2.5 kW時仿真電路與參數(shù)如圖3所示。

仿真參數(shù):單相輸入交流電壓有效值為220 V，期望額定輸出直流電壓平均值為330 V，紋波電壓峰峰值不大于10 V，額定負載 2.5 kW，開關頻率20 kHz。交流濾波電容為2.2 μF，合計升壓電感為1 mH，電解電容為2 200 μF。參考電壓平方為 5 V2。

在任何輸出功率條件下，都可以獲得單位功率因數(shù)和穩(wěn)態(tài)特性。

當輸出功率分別為2.5 kW時，網(wǎng)側電壓與電流的仿真波形如圖4所示，輸出直流電壓波形如圖5所示，輸出直流電壓紋波峰峰值小于8 V。

圖4 輸出功率2.5 kW時網(wǎng)側電壓與網(wǎng)側電流仿真波形

圖5 輸出功率2.5 kW時直流電壓仿真波形

當輸出功率分別為3.5 kW時，網(wǎng)側電壓與電流的仿真波形如圖6所示，輸出直流電壓波形如圖7所示，輸出直流電壓紋波峰峰值小于10 V。

圖6 輸出功率3.5 kW時網(wǎng)側電壓與網(wǎng)側電流仿真波形

圖7 輸出功率3.5 kW時直流電壓仿真波形

在負載變化的條件下，可以獲得良好的動態(tài)特性。在半個電網(wǎng)周期內，網(wǎng)側電流與網(wǎng)側電壓波形一致且同步，輸出直流電壓恢復到新的穩(wěn)態(tài)值。

當輸出功率由1.5 kW→2.0 kW→2.5 kW→3.0 kW→3.5 kW→3.0 kW→2.5 kW→2.0 kW→1.5 kW切換時，網(wǎng)側電流的仿真波形如圖8所示，輸出直流電壓波形如圖9所示。

圖8 變載時網(wǎng)側電流的仿真波形

圖9 變載時輸出直流電壓的仿真波形

圖10 單相電壓源整流器的實驗平臺

2.2 實驗分析

利用現(xiàn)有三相PWM整流器實驗平臺，改造成單相PWM整流器實驗平臺，如圖10所示。交流輸入電壓為220 V，工頻 50 Hz。期望輸出電壓平均值為330 V，額定設計輸出功率為2.5 kW。開關頻率為 20 kHz，電感取 5 mH，電解電容取值3×680 μF，電壓互感器型號為 PE2012-M(0.6 VA)。電流霍爾傳感器型號為TBC15DS，額定輸入電流15 A，最高可測量電流為 48 A，額定輸出電壓為 0.625 ±0.5%(V)。功率模塊IPM為PM50RLA120，采用光耦隔離驅動，故障信號也采用光耦隔離傳送。DSP F28335作為核心控制器。

圖11給出了單相VSR輸入電流和輸出直流電壓的實測波形，其中電流有效值12.7 A，輸入功率2.8 kW?？梢?，所得波形良好，說明單相VSR的直接儲能控制可行。

圖11 輸入電流與輸出直流電壓與的實測波形

改變負載電阻大小時，可以獲得如圖8和9所示的網(wǎng)側電流、輸出電壓波形，表現(xiàn)出滿意的動態(tài)響應特性。

3 結束語

提出了在單相VSR中直接控制被控電量平方(即儲能)的控制方法，分析了該方法能夠提高動態(tài)響應速度的原因，實現(xiàn)了直接控制被控電量平方的單相VSR實驗平臺，仿真結果與實驗結果驗證了所提方法的具有一定的可行性，該方法具有實際物理意義，相比無源器件常規(guī)電量控制策略，具有響應快速的特點，具有一定的借鑒意義。

［1］國家技術監(jiān)督局.GB4343-1995，家用和類似用途電動、電熱器具，電動工具以及類似電器無線電干擾特性測量方法和允許值［S］.北京:中國標準出版社，1995.

［2］IEC61000-3-2:1995.Electromagnetic compatibility Part3:limits-set.2:limits for harmonic current emission(equipment input current≤16A per phase)［M］.

［3］肖漢，曾岳南，唐雄民.基于旋轉坐標變換的單相電壓型PWM整流器系統(tǒng)仿真［J］.通信電源技術，2009，26(5):43-46.

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［8］周淑敏，程漢湘，王波，等.并聯(lián)型有源濾波器直流側電壓穩(wěn)定控制策略［J］.電子元器件應用，2012，14(Z1):79-82.