基于調制波移相的高壓變頻器4象限實現方案

李成博,常東來,沈傳文,鄭翔

(1.西安交通大學 電氣工程學院,陜西 西安 710049;2.北京動力源科技股份有限公司,北京 100070)

1 引言

單元串聯型高壓變頻器在很多應用場合都需要實現電機的4象限運行。如果將電機回饋的能量用泄放電阻消耗掉,不僅浪費了能量,而且會對變頻器的安全運行造成危害。理想的方法是通過前端的可控整流裝置將電機回饋的能量回饋到電網,這時候必須做到兩點:一是要穩住單元的母線電壓;二是要使回饋到電網的電流相位與電網電壓相位盡量保持180°,從而不對電網造成污染。針對單元串聯型高壓變頻器的一般方法是給每個單元都加一個用于回饋的三相IGBT可控橋,并且每個單元都要加一個控制器來單獨控制各自的回饋。這種方法成本比較高,并且因為結構復雜而使可靠性降低。本文在分析了單元串聯型高壓變頻器4象限運行的機理和特點的基礎上,提出了在回饋能量時,先用帶有串連補償環節的間接電流控制算法算出一個單元的三相回饋橋的調制波,然后通過調制波移相的方法算出其它單元的調制波。這種方法只需要一個控制器,具有成本低、控制簡單的特點。

2 單元串聯高壓變頻器能量回饋分析

4象限單元串聯型高壓變頻器的電路拓撲有很多,圖1是一種方案的功率單元的電路拓撲結構,并且每個單元的拓撲結構都一致。由二極管整流橋,三相回饋橋,H逆變橋組成。通過二極管整流橋整流建立起母線電壓,電機處于電動狀態時,三相回饋橋被封閉,由H橋實現各單元的串連逆變。當電機進入發電狀態時,H橋的二極管起全波整流的作用,將再生能量轉移到濾波電容中,使母線電壓升高。當達到一定值后,開啟三相回饋橋進行能量回饋。

圖1 功率單元的電路拓撲Fig.1 Topology of a cell with regenerative device

這時三相回饋橋的數學模型如下:

其中,Sa,Sb,Sc為三相橋臂的開關狀態(1代表上橋臂開通,0代表下橋臂開通)[1]。

如三相回饋橋逆變側只考慮基波電壓,在穩態時有:

其中,Ua,Ub,Uc分別代表三相回饋橋輸出的三相基波電壓。這時的一個單元a相的矢量圖見圖2。

圖2 單個單元三相回饋橋a相穩態矢量圖Fig.2 Vector graph of a phase

分析整個單元串聯高壓變頻器如圖3所示,在此以5單元串聯為例。如果后端H橋逆變的控制采用通常的水平移相調制方法,則各個單元的回饋能量是一致的,從而可以認為各個單元的母線電壓是一致的。并且各個功率單元的結構是一樣的,則R,L參數是相等的。所以各個單元的不同點在于進線側電壓 E的相位的不一致。故導致各個單元的矢量圖是一樣的,不同點只在于+15°單元 ,+30°單元,-15°單元 ,-30°單元是將0°單元的矢量圖依次旋轉 +15°,+30°,-15°,-30°。所以三相回饋橋逆變側的基波相位依次相差15°。從而我們可以將0°單元算出的調制波依次移相 +15°,+30°,-15°,-30°得到+15°單元 ,+30°單元,-15°單元,-30°單元的調制波。這樣我們就可以用一個控制器來同時控制5個單元的能量回饋。達到降低成本,簡化結構的目的。

圖3 5單元串聯高壓變頻器結構及能量回饋矢量圖Fig.3 Vector and structure graphs of all cells

3 單個單元能量回饋的實現

上面僅僅是對穩態時的情況進行了分析。我們知道,基于間接電流控制方法的能量回饋存在著電流響應速度慢和存在直流偏移量的問題。文獻[2]提出了一種在三相可控整流中以串聯補償環節來加快電流響應速度的方法。我們可以將這種思路應用在能量回饋的控制中。

對式(1)進行Park變換,并且使d軸平行于電網電壓矢量。則有在2r坐標系下的數學模型如下:

對式(3)進行拉氏變換有:

其中

而間接電流控制的回饋算法是基于穩態模型的,即算出的調制波是基于穩態時的值i*d,i*q。可以推導出電流瞬態值id,iq與穩態值i*d,i*q的關系如下[2]:

式(5)是一個典型的二階振蕩環節,這正是電流響應速度慢的原因。如果我們給穩態電流加上串聯補償環節,即令

其中U*(s),I*(s)為穩態模型下的參數,K(s)=G-1(s)Q(s)。可以認為在一個載波周期母線電壓不會發生變化,則有U*(s)=U(s),故將式(6)帶入到式(4)中,有:

而我們可以在滿足K(s)的物理可實現性的前提下人為的設置Q(s),從而使電流的動態特性變好。在此我們可以將串聯補償設置如下[3,4]:

4 基于調制波移相的4象限運行高壓變頻器結構的實現

系統結構如圖4所示,整個控制部分由VdcPI調節、串連補償、0°單元調制波生成部分、調制波移相和SVPWM調制構成。

圖4 系統結構實現Fig.4 Structure of four-quadrant medium-voltage drive

5 仿真結果

根據以上系統結構,用Matlab/Simulink對系統進行了仿真。仿真條件如下:電網電壓為三相線電壓6 kV,50 Hz;變壓器二次側通過延邊三角形輸出5個單元,線電壓均為700 V,移相角依次為+15°,+30°,0°,-15°,-30°;母線電壓 850 V;交流側等效電阻0.1 Ω;交流側電感70mH;電機功率100 kW;4象限運行時回饋功率為50 kW。在開始上電后給母線電容充電,在0.15 s時使電機處于發電狀態,當母線電壓升到980 V時開啟能量回饋。圖5為各個單元a相相電壓與相電流波形,可以看出各個單元電壓和電流的相位接近于-180°,功率因數達到-0.95以上。從圖6的各單元母線電壓波形可以看出,在能量回饋時母線電壓被穩定在980 V左右,沒有再升高。

圖7為電網側相電壓與電流波形,可以看出網側功率因數也保持在-0.95以上。

圖5 各單元a相電壓與電流波形Fig.5 Voltage and current of phase a

圖6 各單元母線電壓波形Fig.6 Voltages of DC bus

圖7 網側電壓與電流波形Fig.7 Voltage and current of input

6 結論

4象限運行對于單元串聯型高壓變頻器是一個很重要的功能。本文在分析了單元串聯高壓變頻器能量回饋的特點后,提出了一種基于調制波移相的多單元控制方案,并且對于其調制波的生成方法進行了討論。通過仿真證明,這種方法可以降低成本和提高系統的可靠性。

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