單相混合級(jí)聯(lián)整流器新型控制策略研究

徐 正，曾思捷，于龍飛，陶艷梅，李思凡，程 紅

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

1 概 述

隨著功率半導(dǎo)體器件和電力電子技術(shù)的進(jìn)步，級(jí)聯(lián)H橋多電平變換器得到了快速發(fā)展，并且引起了眾多學(xué)者們的關(guān)注[1，2]。該類變換器與單元串聯(lián)多電平變換器相比，無(wú)需使用工頻移相變壓器便可直接接入中高壓電網(wǎng)，極大地提高了系統(tǒng)的功率密度[3，4]。然而隨著輸入電壓的逐漸升高，所需級(jí)聯(lián)的H橋模塊的數(shù)量也在不斷增多，大量的全控型開(kāi)關(guān)器件的使用增加了系統(tǒng)的成本、開(kāi)關(guān)損耗、控制的復(fù)雜性[5]。

實(shí)際上，在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中并不需要能量的雙向傳輸，本著提高系統(tǒng)可靠性、降低系統(tǒng)損耗的原則，以減少全控型開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量為出發(fā)點(diǎn)，有學(xué)者提出了能量單向傳輸?shù)募?jí)聯(lián)無(wú)橋變換器[6，7]。該種變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與級(jí)聯(lián)H橋整流器相比，所需全控開(kāi)關(guān)管的數(shù)量減少了一半，但是由于二極管的單方向傳輸特性，整流器無(wú)法在交流側(cè)合成出負(fù)極性的電壓，使其輸入電流在輸入電壓過(guò)零點(diǎn)附近產(chǎn)生不可避免的畸變，特別在低壓大電流的情況下畸變程度更加嚴(yán)重[8]。針對(duì)這一現(xiàn)象，一些學(xué)者提出了相應(yīng)的解決方法。文獻(xiàn)[9]提出在負(fù)載變化過(guò)程中始終保持輸入電流與交流側(cè)電壓同相位，以此消除輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變的問(wèn)題，但是輸入電流會(huì)滯后輸入電壓一個(gè)角度。隨著負(fù)載的增加，滯后的角度也會(huì)變大，最終無(wú)法滿足電網(wǎng)功率因數(shù)的要求；文獻(xiàn)[10]從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上對(duì)原電路進(jìn)行了改進(jìn)，部分無(wú)橋模塊用全控型H橋模塊代替構(gòu)成混合級(jí)聯(lián)無(wú)橋整流器如圖1所示，并針對(duì)性地設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略，充分利用全控型H橋的結(jié)構(gòu)特性，消除了輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變。

圖1 單相混合級(jí)聯(lián)多模塊無(wú)橋整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于此本文以單相混合級(jí)聯(lián)整流器為研究對(duì)象，提出了一種新的控制策略，然后分別從直流側(cè)電壓的波動(dòng)、負(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度對(duì)新提出的控制策略與文獻(xiàn)[10]中的傳統(tǒng)控制策略進(jìn)行了對(duì)比分析，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。本文提出的控制策略既解決了輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變問(wèn)題，又可以使整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行。通過(guò)上述對(duì)比結(jié)果，為不同應(yīng)用場(chǎng)合下選取合適的控制策略提供了重要的理論依據(jù)。

2 單相混合級(jí)聯(lián)整流器的工作原理

2.1 單相混合級(jí)聯(lián)整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[8]給出的混合級(jí)聯(lián)整流器的組合原則，本文選取了最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為本文的研究對(duì)象。單相混合級(jí)聯(lián)整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，該拓?fù)溆梢粋€(gè)無(wú)橋模塊和一個(gè)H橋模塊級(jí)聯(lián)而成，兩個(gè)模塊的直流側(cè)電容相互獨(dú)立。us和is分別為輸入電壓和輸入電流，L為交流側(cè)濾波電感，C1和C2為直流側(cè)濾波電容且C1=C2，udc1為無(wú)橋模塊直流側(cè)電壓，udc2為H橋模塊直流側(cè)電壓，R1和R2為等效負(fù)載，ucon1為無(wú)橋模塊交流側(cè)電壓，ucon為H橋模塊交流側(cè)電壓，ucon為交流側(cè)合成電壓。為方便分析均假設(shè)所有器件為理想元件。

圖2 單相混合級(jí)聯(lián)無(wú)橋整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于無(wú)橋模塊的單向?qū)ㄌ匦?，因此采用單極性調(diào)制[11]，可對(duì)開(kāi)關(guān)函數(shù)S1作如下定義：

根據(jù)式(1)結(jié)合輸入電流的極性可寫(xiě)出Ucon1的表達(dá)式：

ucon1=S1·udc1

(2)

H橋模塊既可以采用雙極性調(diào)制，又可以采用單極性調(diào)制，但是為了提高直流側(cè)電壓的利用率，此處選擇雙極性調(diào)制[12]，可對(duì)開(kāi)關(guān)函數(shù)S2作如下定義：

由式(3)可知H橋模塊的交流側(cè)電壓ucon2不再取決于輸入電流極性，而是受控于該模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和直流電壓。因此可將Ucon2表示為：

ucon2=S2·udc2

(4)

2.2 混合級(jí)聯(lián)整流器數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)圖2列寫(xiě)單相混合級(jí)聯(lián)整流器的KVL和KCL方程，并將式(2)和式(4)代入該方程，可得交流側(cè)電感電壓和直流側(cè)電容電流的表達(dá)式：

通過(guò)二階廣義積分[13]對(duì)式(5)進(jìn)行β軸虛擬坐標(biāo)變換可得兩相靜止坐標(biāo)系下的微分方程：

對(duì)式(6)進(jìn)行αβ-dq變換，可得兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的微分方程：

采用電壓電流雙閉環(huán)控制，并對(duì)式(7)進(jìn)行電流解耦后，可得整流器整體控制框圖如圖3所示[14]。

圖3 單相混合級(jí)聯(lián)無(wú)橋整流器的整體控制

3 新型控制策略原理分析

傳統(tǒng)控制策略的相量圖如圖4所示。該控制策略通過(guò)控制Ucon1與Us同向，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變的消除。由于H橋模塊電路結(jié)構(gòu)的特殊性，可讓其既傳輸有功功率又傳輸無(wú)功功率，以此使單相混合級(jí)聯(lián)整流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。本文提出的新型控制策略的相量圖如圖5所示，該控制策略通過(guò)使Ucon1與Ucon2同向而保留了原有級(jí)聯(lián)H橋每個(gè)模塊都可以傳輸無(wú)功功率的優(yōu)點(diǎn)；通過(guò)控制Ucon1的大小消除了輸入電流的過(guò)零點(diǎn)畸變。

圖4 傳統(tǒng)控制策略的相量圖

圖5 新型控制策略的相量圖

新型控制策略的控制框圖如圖6所示，主要是通過(guò)對(duì)ucon與is做乘積，來(lái)判斷兩者的正負(fù)。如果兩者的乘積大于零選用方式1，如果兩者的乘積小于零則選用方式2。方式1的主要作用是讓圖2中的全控開(kāi)關(guān)管按正常給定信號(hào)開(kāi)通和關(guān)斷；方式2的主要作用是通過(guò)讓圖2中的S11和S12一直導(dǎo)通來(lái)消除輸入電流的過(guò)零點(diǎn)畸變。其中方式1，方式2中的占空比分別按式(8)、式(9)進(jìn)行計(jì)算。

圖6 新型控制策略的控制框圖

4 與傳統(tǒng)控制策略對(duì)比分析

本文提出的新型控制策略與傳統(tǒng)控制策略相比較，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合存在差異，下面從直流側(cè)電壓的波動(dòng)、負(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等方面對(duì)兩種控制策略進(jìn)一步對(duì)比分析。

直流側(cè)電容主要用來(lái)存儲(chǔ)能量和緩沖各種能量脈動(dòng)給直流側(cè)引入的波動(dòng)，如果其值選取過(guò)大，雖然能夠保證直流側(cè)波動(dòng)小且提高了安全性能，但是增大了系統(tǒng)體積，提高了成本浪費(fèi)了資源；如果為了降低成本而一味的減小電容值可能會(huì)造成較大波動(dòng)而且容易引發(fā)危險(xiǎn)。因此研究直流側(cè)電壓的波動(dòng)，對(duì)選擇合適的電容值提供了重要的理論依據(jù)[15]。為方便對(duì)不同控制策略下的同一變量進(jìn)行區(qū)分，此處將傳統(tǒng)控制策略簡(jiǎn)稱為控制策略一，新提出的控制策略簡(jiǎn)稱為控制策略二。

QL1為控制策略一下電感L1上的無(wú)功功率；QC11為控制策略一下電容C1的無(wú)功功率；QC12為控制策略一下電容C2的無(wú)功功率；udc11為控制策略一下無(wú)橋模塊直流側(cè)電壓；udc12為控制策略一下H橋模塊直流側(cè)電壓；QL2為控制策略二下電感L2上的無(wú)功功率；QC21為控制策略二下電容C1的無(wú)功功率；QC22為控制策略二下電容C2的無(wú)功功率；udc21為控制策略二下無(wú)橋模塊直流側(cè)電壓；udc22為控制策略二下H橋模塊直流側(cè)電壓。

根據(jù)圖4所示的相量圖可得：

濾波電感L1上的無(wú)功功率為：

QL1=UL·IS=Ucon2·sinδ·IS

(11)

根據(jù)電路中電感吸收的無(wú)功功率等于電容釋放的無(wú)功功率可得：

根據(jù)圖5所示的相量圖可得：

濾波電感L2上的無(wú)功功率為：

QL2=UL·IS=

Ucon1·sinθ·IS+Ucon2·sinθ·IS

(14)

根據(jù)電路中電感吸收的無(wú)功功率等于電容釋放的無(wú)功功率可得：

對(duì)于同一個(gè)電路，雖然采用的控制策略不同，但是在功率等級(jí)確定的情況下，電感所需的無(wú)功功率是相同的，因此QL1=QL2。并且由式(12)和式(15)可知QC11QC22。

分別把直流側(cè)的電壓udc11，udc12，udc21，udc22分解為恒定直流量和一個(gè)交流量之和，可得：

電容無(wú)功功率的計(jì)算公式為：

將式(16)代入式(17)可得：

5 仿真結(jié)果分析

本文使用Matalab仿真軟件，對(duì)混合級(jí)聯(lián)無(wú)橋整流電路拓?fù)溥M(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了新提出的控制策略的可行性，同時(shí)對(duì)新型控制策略和傳統(tǒng)控制策略下同種模塊的直流電壓波動(dòng)進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)煤礦上常用的參數(shù)作為參考，選取的仿真電路參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真參數(shù)

不采取任何消除電流過(guò)零點(diǎn)畸變控制策略時(shí)無(wú)橋過(guò)零點(diǎn)畸變電流如圖7所示，從圖7中明顯能看出電流在過(guò)零點(diǎn)時(shí)存在畸變現(xiàn)象，THD為5.15%，顯然不滿足工業(yè)設(shè)計(jì)要求。新型控制策略下消除電流過(guò)零點(diǎn)畸變的電流如圖8所示，可以看出，電流在過(guò)零點(diǎn)時(shí)不存在畸變現(xiàn)象，而且THD明顯減小，滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的要求。

圖7 無(wú)橋電流畸變電流和THD

圖8 消除過(guò)零點(diǎn)畸變電流和THD

不同控制策略下無(wú)橋模塊直流側(cè)電壓的波形對(duì)比如圖9所示，從圖9中可以看出udc11的波動(dòng)小于udc21的波動(dòng)；不同控制策略下H橋模塊直流側(cè)電壓的波形對(duì)比如圖10所示，從圖10中可以看出udc22的波動(dòng)小于udc12的波動(dòng)，由此驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖9 不同控制策略下無(wú)橋直流側(cè)電壓波形

圖10 不同控制策略下H橋直流側(cè)電壓波形

控制各獨(dú)立電容器的電壓均衡是保證整流器安全可靠運(yùn)行的前提，是低耐壓的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用于高電壓場(chǎng)合的基礎(chǔ)。因此就必須要求整流器在負(fù)載發(fā)生突變時(shí)擁有良好的電壓平衡能力和電壓調(diào)節(jié)速度[16]。此處將表1中的負(fù)載電阻R1和R2改為100Ω，其他參數(shù)保持不變，并且在1.5s處將電阻R1的阻值增加到150Ω，以此來(lái)驗(yàn)證哪種控制策略的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快。

發(fā)生負(fù)載突變時(shí)新提出的控制策略的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，如圖11所示，大約為0.3s；發(fā)生負(fù)載突變時(shí)傳統(tǒng)控制策略的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，如圖12所示，大約為0.7s，由此可以得出整流器在使用新提出的控制策略時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快。

圖11 新型控制策略下無(wú)橋負(fù)載突變時(shí)的直流側(cè)電壓波形

圖12 傳統(tǒng)控制策略下無(wú)橋負(fù)載突變時(shí)的直流側(cè)電壓波形

6 結(jié) 論

1)本文提出了一種針對(duì)于單相混合級(jí)聯(lián)無(wú)橋整流器的控制策略，通過(guò)使Ucon1與Ucon2同向而保留了原有級(jí)聯(lián)H橋每個(gè)模塊都可以傳輸無(wú)功功率的優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)控制Ucon1的大小能夠消除輸入電流的過(guò)零點(diǎn)畸變的目的，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

2)詳細(xì)分析了整流器的工作原理，并建立了其數(shù)學(xué)模型。通過(guò)兩種控制策略的相量圖，建立了電容無(wú)功功率與其電壓波動(dòng)的關(guān)系，給出了詳細(xì)的理論分析，并對(duì)兩種控制策略下的直流側(cè)電壓的波動(dòng)、負(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度進(jìn)行了對(duì)比分析。

3)最后通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性和理論分析的正確性。