三相PWM 整流器啟動(dòng)沖擊電流的抑制方法

郭成濤，白云飛，王 釗，姚川恒

（1.國網(wǎng)石家莊供電公司，石家莊 050000；2.河北拓普電氣有限公司，石家莊 050000；3.北京機(jī)械設(shè)備研究所，北京 100089）

整流器主要發(fā)展方向是與自動(dòng)控制等理論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“綠色”電能變換[1]，減小對電網(wǎng)的諧波污染。PWM整流器是一種高效、可靠、綠色的電能變換器，其網(wǎng)側(cè)電流可達(dá)單位功率因數(shù)運(yùn)行且諧波畸變率低。另外，能量可雙向流動(dòng)，直流電壓可控可調(diào)，具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2-3]。隨著應(yīng)用場合的多樣化，對其工作性能、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度等方面的要求也越來越多。

當(dāng)三相整流器啟動(dòng)時(shí)，直流側(cè)母線電壓給定值與反饋值的偏差較大，電壓外環(huán)控制器輸出達(dá)到飽和，也就是電流內(nèi)環(huán)的給定有功電流分量很大，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)輸入電流迅速增加，使得整流器由不控整流切換到可控整流時(shí)會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)啟動(dòng)沖擊電流。該電流嚴(yán)重地影響系統(tǒng)安全，沖擊電流可能擊穿，燒毀網(wǎng)側(cè)電感和功率器件。但如果增加電感和功率器件的額定電流，又會(huì)帶來成本增加等問題。

為了解決整流器啟動(dòng)沖擊電流的問題，國內(nèi)外有很多此類研究工作。文獻(xiàn)[4]將負(fù)反饋加到電流環(huán)控制中，從而可以降低電流波動(dòng)，達(dá)到抑制沖擊的目的，但是此方法降低了整流器的負(fù)載變動(dòng)時(shí)的響應(yīng)速度；文獻(xiàn)[5]通過交流電流的幅值和比例、積分系數(shù)的影響，來調(diào)整電流內(nèi)環(huán)的PI 參數(shù)，其缺點(diǎn)是所需要的參數(shù)只能通過經(jīng)驗(yàn)確定，應(yīng)用存在一定難度；文獻(xiàn)[6]針對使用正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinu?soidal pulse width modulation）方法的整流器，通過啟動(dòng)時(shí)刻加入電阻和調(diào)整調(diào)制波來抑制電流的沖擊，對于采用SVPWM方法的整流器來講，就是采用限流電阻抑制沖擊電流，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，但是對于電阻的要求比較高，增加了成本，同時(shí)也需要利用額外的開關(guān)或者繼電器將電阻短路掉，從而增加了整流器的成本，經(jīng)濟(jì)性差；文獻(xiàn)[7]中分析得知，系統(tǒng)的相電流由基頻正弦電流和按照確定時(shí)間常數(shù)指數(shù)衰減的直流量兩部分組成，因此提出在啟動(dòng)時(shí)刻通過一個(gè)特定直流量的注入調(diào)整調(diào)制波，此注入的直流量需要按指數(shù)衰減，增加了控制器的運(yùn)行負(fù)擔(dān)；文獻(xiàn)[8]將直流電壓給定從不控整流所得的電壓開始增加，不同階段分別用直線和拋物線來給定，實(shí)現(xiàn)了很好的效果，只是要確定不同曲線的切換點(diǎn)以及拋物線規(guī)律給定的形成計(jì)算，使得計(jì)算量較大，控制的設(shè)計(jì)有一定難度；文獻(xiàn)[9]為了避免整流器在啟動(dòng)時(shí)刻的直流電壓偏差太大，先不加入電壓PI 調(diào)節(jié)，使電流環(huán)的指令值逐漸上升，到一定值時(shí)在加入電壓PI調(diào)節(jié)，該方法需要對電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)同時(shí)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[10]通過控制上下橋臂功率器件的導(dǎo)通關(guān)斷來使沖擊電流減小；文獻(xiàn)[11]采用了判斷電流矢量區(qū)間，更改開關(guān)狀態(tài)來限制啟動(dòng)沖擊電流，但是該方法存在一定的延遲，影響了電流的抑制結(jié)果；文獻(xiàn)[12]在電流出現(xiàn)沖擊后，控制特定功率器件的導(dǎo)通關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對沖擊電流的抑制。此3 種方法都需要在不控整流到穩(wěn)定的PWM整流過渡階段采用額外的電流檢測和驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定的設(shè)計(jì)，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

1 三相PWM 整流器數(shù)學(xué)模型

三相電壓型PWM整流器主電路一般采用三相半橋式結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相PWM 整流器拓?fù)銯ig.1 Topology of three-phase PWM rectifier

圖中：ea、eb、ec為交流側(cè)三相電網(wǎng)電壓；ia、ib、ic為交流側(cè)三相電流；Udc為整流器直流側(cè)母線電壓。

基于基爾霍夫電壓定律得到整流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，即

2 三相PWM 整流器沖擊電流抑制方法

由于系統(tǒng)控制在單位功率因數(shù)狀態(tài)，q軸的電流和電流指令值均為0，所以忽略式（8）中的e項(xiàng)以及d項(xiàng)中的ωLiq(k)，將式（8）化簡為

式（10）即為電流id的離散形式。忽略電流環(huán)的響應(yīng)時(shí)間（電流環(huán)響應(yīng)時(shí)間快于電壓環(huán)響應(yīng)時(shí)間），也就是d軸電流實(shí)際值和給定值相等，那么，式（10）可以化簡為

由式（12）可知，id(k)與Udc(k)及直流電壓變化率、iL(k)同向變化[8]。在基本的整流器控制方式中，直流電壓指令值可等效為階躍給定，這就導(dǎo)致了在啟動(dòng)PWM 整流器瞬間，直流母線的電壓變化率加大，id(k)也迅速升高，最終導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流產(chǎn)生沖擊。直流電壓指令為階躍信號(hào)是導(dǎo)致PWM整流器網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生沖擊電流的最重要原因。因此，對直流電壓指令值做出調(diào)整，以減小直流母線電壓及其變化率等，從而實(shí)現(xiàn)整流器啟動(dòng)PWM 整流的瞬間電流沖擊得到抑制。

首先，令直流母線電壓在PWM 整流啟動(dòng)瞬間的初值為Udc1，也就是不控整流狀態(tài)的直流母線電壓，Udc1=2.34E，E是網(wǎng)側(cè)相電壓的有效值。本文提出的啟動(dòng)方式是，在啟動(dòng)PWM整流的瞬間，將直流側(cè)母線電壓指令值設(shè)定在略小于Udc1，然后緩慢增加到系統(tǒng)要求的直流電壓，如圖2所示。啟動(dòng)時(shí)間的計(jì)算公式為

圖2 直流母線電壓給定Fig.2 Reference voltage in DC bus

式中：UL為每次的步長，也就是每次執(zhí)行中斷程序所增加的直流電壓數(shù)值；fi為中斷頻率。啟動(dòng)時(shí)間tst盡量選取滿足要求的數(shù)值，在啟動(dòng)瞬間之后的過渡過程中，直流母線電壓給定值的曲線的斜率越小，使得該過程的直流母線電壓值及其變化率越小，進(jìn)而id(k)的沖擊得到有效限制，從而抑制PWM整流器啟動(dòng)瞬間網(wǎng)側(cè)電流沖擊的產(chǎn)生。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證上述控制策略的有效性，在三相PWM整流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表1 給出了具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental platform

以圖2 的曲線作為PWM 整流運(yùn)行的動(dòng)態(tài)直流母線電壓指令值，其啟動(dòng)時(shí)間tst分別在0.187 5 s 和0.375 0 s 時(shí)得到的實(shí)驗(yàn)波形如圖3和圖4所示。

圖3 啟動(dòng)時(shí)間tst=0.187 5 s 的實(shí)驗(yàn)波形（短時(shí)間啟動(dòng)）Fig.3 Experimental waveforms under the condition of tst=0.187 5 s（short start-up time）

圖4 啟動(dòng)時(shí)間tst=0.375 0 s 的實(shí)驗(yàn)波形（較長時(shí)間啟動(dòng)）Fig.4 Experimental waveforms under the condition of tst=0.375 0 s（long start-up time）

由圖3可見，啟動(dòng)時(shí)間如果過短，也就是圖2所示直流側(cè)母線電壓的斜坡給定的斜率過大，雖然最終可以實(shí)現(xiàn)可控整流穩(wěn)定運(yùn)行，但是不能完全有效地抑制網(wǎng)側(cè)沖擊電流，而且直流側(cè)母線電壓在啟動(dòng)瞬間也會(huì)出現(xiàn)短暫沖擊。沖擊電流的存在，也就是d軸有功電流存在過沖，因?yàn)檩斎牍β仕查g提高，那么直流側(cè)輸出功率也會(huì)隨之增加，這部分能量反映在直流側(cè)，也就是會(huì)出現(xiàn)該時(shí)刻直流母線電壓的沖擊。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入PWM 整流狀態(tài)時(shí)，由網(wǎng)側(cè)電壓電流及直流母線電壓的實(shí)驗(yàn)波形，說明整流器在可控整流狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了高性能運(yùn)行。

由圖4可見，將啟動(dòng)時(shí)間變長，也就是圖2所示直流側(cè)母線電壓斜坡給定的斜率變小，可以明顯地抑制啟動(dòng)瞬間的沖擊電流，而且直流側(cè)電壓也是逐步上升的。相較于圖3所示的情況，將tst增加1倍，即為0.375 0 s，交流電流的沖擊沒有出現(xiàn)，這說明，將tst延長，可以使啟動(dòng)沖擊電流得到有效抑制。最后，PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電壓電流及直流母線電壓的穩(wěn)態(tài)波形，說明實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓穩(wěn)定以及網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行控制。

4 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)PWM整流器控制策略及抑制啟動(dòng)沖擊電流方法的基礎(chǔ)上，提出一種應(yīng)用于整流器啟動(dòng)瞬間通過改動(dòng)直流電壓給定來抑制網(wǎng)側(cè)沖擊電流的方法。該方法使直流側(cè)電壓平緩上升，有效地抑制了啟動(dòng)瞬間的沖擊電流。另外，該方法具有原理簡單和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了本文提出的啟動(dòng)方法，不僅使得PWM 整流啟動(dòng)瞬間的網(wǎng)側(cè)電流沖擊得到抑制，而且直流母線電壓也能平緩地達(dá)到預(yù)期指令值。因此，本文所提出的方法可應(yīng)用于三相PWM整流器的啟動(dòng)過程。