pWM整流器控制策略在能量回饋系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳詞福++陳剛++肖伸平

摘 要針對(duì)能量回饋過(guò)程中存在直流母線電壓不穩(wěn)定，從而造成回饋電能質(zhì)量低，本文通過(guò)三相電壓型PWM整流器的基本原理和開(kāi)關(guān)函數(shù)描述，建立相應(yīng)的的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)比不同的控制策略下，能量雙向流動(dòng)時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓變化情況，通過(guò)MATLAB仿真，驗(yàn)證PWM整流器的雙閉環(huán)控制策略在能量回饋系統(tǒng)中的可行性。

【關(guān)鍵詞】能量回饋 直流母線電壓 雙閉環(huán)控制

脈沖寬度調(diào)制技術(shù)最初應(yīng)用于直流-直流變換電路和直流-交流變換電路中，隨著全控器件的不斷演進(jìn)更新，此技術(shù)在以上兩種電路中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。一般變頻器的不足之處是其能量不可逆，當(dāng)負(fù)載電機(jī)運(yùn)行于回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電路自身缺陷導(dǎo)致能量不可逆使得回饋制動(dòng)產(chǎn)生的能量傳送回直流側(cè)的濾波電容器上。積累在電容器上的電能多利用電阻直接消耗掉，這不僅是對(duì)電能的浪費(fèi)，也會(huì)對(duì)整個(gè)電路的運(yùn)行造成不利影響。

傳統(tǒng)的整流電路多采用電力電子器件晶閘管可控整流電路實(shí)現(xiàn)交流電向直流電的不斷轉(zhuǎn)化與變換，然而晶閘管可控整流電路存在其自身固有的缺陷，因此考慮引入PWM技術(shù)以提高電路運(yùn)行性能。借鑒此項(xiàng)技術(shù)在直流-直流變換電路和直流-交流變換電路中的應(yīng)用，對(duì)基于此技術(shù)的整流器能量回饋進(jìn)行分析和研究，通過(guò)對(duì)基于此技術(shù)的整流電路的設(shè)計(jì)及控制，實(shí)現(xiàn)不同能量之間的相互轉(zhuǎn)換，提高能源的利用率。

本文以三相電壓型PWM整流電路的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用電路基本原理建立數(shù)學(xué)模型，以三相電路為研究重點(diǎn)，對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，分析不同的控制策略，并以固定開(kāi)關(guān)頻率電流控制策略系統(tǒng)進(jìn)行仿真以分析其能量回饋過(guò)程。

1 三相電壓型PWM整流器和數(shù)學(xué)模型

1.1 PWM整流器的基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)直流側(cè)負(fù)載中的eL=0時(shí)，根據(jù)電路工作基本原理可知，對(duì)應(yīng)于此設(shè)定的圖1電路并不滿足直流側(cè)接直流電動(dòng)勢(shì)且其絕對(duì)值略大于交流側(cè)電壓有效值的條件，因此只能工作在整流狀態(tài)；當(dāng)eL>Ud時(shí)，根據(jù)有源逆變電路工作基本原理可知，如果滿足有源逆變的另一條件，對(duì)應(yīng)于此設(shè)定的圖1電路即可運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)；反之，當(dāng)eL

對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)函數(shù)定義如下：

（1）

利用最基本的電路工作原理得到圖1所示電路中a相回路方程為：

（2）

對(duì)于a相中的兩個(gè)電力電子器件，假設(shè)控制上橋臂電力電子器件導(dǎo)通下橋臂電力電子器件關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)函數(shù)滿足Sa=1，且UaN=Ud，Ud為直流側(cè)平均電壓，假設(shè)上橋臂電力電子器件關(guān)斷下橋臂電力電子器件導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)函數(shù)滿足Sa=0，且uaN=0，由于uaN=Ud*Sa，因此式（2）可以改寫(xiě)為

（3）

同理可以得到b相和c相的電壓方程：

（4）

（5）

由假設(shè)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)三相平衡可得：

（6）

聯(lián)立式（3）-式（6），得到：

（7）

根據(jù)圖5電路的工作原理可知：

（8）

再利用最基本的電路工作原理得到直流側(cè)電容滿足的方程如下：

（9）

2 電壓型PWM整流器直接電流控制

電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略按照電流控制方式可以分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制有不同的電流控制方法，最常用的是固定開(kāi)關(guān)頻率PWM電流控制和滯環(huán)PWM電流控制。

2.1 固定開(kāi)關(guān)頻率PWM電流控制

固定開(kāi)關(guān)頻率PWM電流控制是指PWM載波頻率固定不變而以電流偏差調(diào)節(jié)信號(hào)作為調(diào)制波的PWM控制方法。電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 滯環(huán)PWM電流控制

滯環(huán)PWM電流控制基本結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

從圖中可以看出，此結(jié)構(gòu)中不含有傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器，而是采用非線性環(huán)節(jié)滯環(huán)替代。當(dāng)實(shí)際輸出電流與其參考值的偏差大于滯環(huán)控制器的寬度時(shí)，通過(guò)調(diào)制電路的作用控制電力電子器件的通斷，使得差值縮小到滯環(huán)范圍內(nèi)，性能較為良好。

3 能量回饋原理

在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析，假設(shè)以其轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)軸、以其轉(zhuǎn)矩為橫坐標(biāo)軸建系，以描述電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，第一象限表示電動(dòng)機(jī)正向電動(dòng)狀態(tài)，第二象限表示電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)狀態(tài)，第三象限表示電動(dòng)機(jī)反向電動(dòng)狀態(tài)，第四象限表示電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)狀態(tài)。

在滿足一定條件的情況下，相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路，只改變控制方式即可使電路工作在整流狀態(tài)或者有源逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能量與直流側(cè)能量的交換與傳遞。采用IGBT構(gòu)造圖1所示電路圖，一方面可以優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行特性，減小諧波污染；另一方面可以將電動(dòng)機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量反饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源的再次利用，經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。

4 仿真結(jié)果及分析

本文采用MATLAB/Simulink對(duì)圖1所示的電路系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行研究，電流控制部分采用性能較為優(yōu)越的旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系固定開(kāi)關(guān)頻率SPWM控制策略。

圖4所示為整流狀態(tài)下直流側(cè)電壓波形，在仿真電路設(shè)計(jì)中對(duì)Timer模塊進(jìn)行設(shè)置，使其輸出在某一時(shí)刻由1變?yōu)?，也即切斷所有的PWM脈沖，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為不可控整流系統(tǒng)。穩(wěn)定運(yùn)行情況下，直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定，PWM脈沖切斷后，直流側(cè)電壓下降但仍能保持穩(wěn)定。通過(guò)兩種整流系統(tǒng)的對(duì)比可知，三相電壓型PWM整流器具有升壓整流的特性。

圖5所示為PWM整流器在整流狀態(tài)下交流側(cè)電壓波形，與圖4相對(duì)應(yīng)。

圖6所示為PWM整流電路在逆變狀態(tài)下交流側(cè)電壓波形，此時(shí)直流側(cè)可控電壓源設(shè)置為200V，從圖中可以看出工作于逆變狀態(tài)的電路將其直流側(cè)能量回饋到電網(wǎng)側(cè)，避免了能源的浪費(fèi)。通過(guò)對(duì)器件觸發(fā)脈沖的控制作用，調(diào)節(jié)直流側(cè)反饋輸出的電壓或者電流的幅值、相位，實(shí)現(xiàn)能量的有效反饋。

5 結(jié)論

本文以單相電壓型與三相電壓型PWM整流電路的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用電路基本原理建立數(shù)學(xué)模型，以三相電路為研究重點(diǎn)，對(duì)其不同數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，分析不同的控制策略，并以固定開(kāi)關(guān)頻率控制策略為例進(jìn)行系統(tǒng)仿真以分析其能量回饋過(guò)程。通過(guò)控制過(guò)程的變化就能夠?qū)崿F(xiàn)整流與逆變狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以通過(guò)對(duì)器件觸發(fā)脈沖的控制作用，調(diào)整直流側(cè)反饋輸出的電壓或者電流的幅值、相位，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)反饋輸出電壓與電網(wǎng)電壓的同步，避免反饋過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)電壓造成的不良影響。

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作者單位

湖南工業(yè)大學(xué) 湖南省株洲市 412008