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單周期控制三相VIENNA整流器

2012-07-18 02:14:08馮鑫振
通信電源技術(shù) 2012年3期

馮鑫振,高 捷

(1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室,湖北 武漢430074;2.中國艦船研究設(shè)計中心,湖北 武漢430064)

0 引 言

隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用,電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題引起了很大的關(guān)注。傳統(tǒng)的二極管不控整流和晶閘管相控整流,對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染。應(yīng)用于功率因數(shù)校正的三相整流器,在拓?fù)浜涂刂品矫嬉呀?jīng)進(jìn)行了很多研究[1-3],其中包括一些基于串聯(lián)雙升壓電路拓?fù)溲葑兌鴣淼恼麟娐罚?]。實現(xiàn)單位功率因數(shù),減少電流的畸變是PFC電路的主要目標(biāo)。相比三相PWM整流器,VIENNA整流器具有結(jié)構(gòu)簡單,效率高,交流側(cè)濾波器尺寸小,成本低等優(yōu)點[5]。傳統(tǒng)的直接電流控制需要檢測電網(wǎng)電壓,通過乘法器產(chǎn)生輸入電流給定信號,這樣就會使系統(tǒng)變得比較復(fù)雜,乘法器的非線性失真也會造成輸入電流的諧波畸變。鑒于此,美國學(xué)者Keyue M Smedley首次提出了單周期控制技術(shù),它是一種不需要乘法器的非線性控制技術(shù),利用復(fù)位積分器使被控量在一個開關(guān)周期內(nèi)跟蹤給定量。這種方案具有開關(guān)頻率恒定,動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)、易于實現(xiàn)等優(yōu)點[6]。

本文對基于單周期控制的VIENNA整流器進(jìn)行研究,推導(dǎo)單周期控制的VIENNA整流器的新型控制規(guī)律,控制電路僅使用一個積分器,不需要乘法器和電壓檢測。在電網(wǎng)相電壓周期每60°區(qū)間內(nèi),僅有兩個開關(guān)管工作于高頻通斷狀態(tài),因此,開關(guān)損耗大為減少。系統(tǒng)成本也可以得到適度控制,有利于在工程實踐中應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

為簡化推導(dǎo)過程,特作如下假設(shè):①電網(wǎng)電壓三相對稱,內(nèi)阻為零;②各相電感相等,即La=Lb=Lc=L;③開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率;④忽略功率器件的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗,忽略分布參數(shù)的影響。

圖1給出了三相VIENNA整流器的電路原理圖。一個周期內(nèi)三相電網(wǎng)電壓的波形如圖2所示。通過虛線將其分為六個區(qū)間,依據(jù)六階段PWM控制技術(shù)原理,三相整流器可通過在每60°區(qū)間內(nèi)控制兩個開關(guān)管的通斷來實現(xiàn)單位功率因數(shù)[7]。在圖2中的(-30°~30°)區(qū)間內(nèi),雙向開關(guān)管Sa一直處于導(dǎo)通狀態(tài),通過對開關(guān)管Sb和Sc高頻通斷控制,就能夠使相電流iLb和iLc跟蹤相電壓Ub和Uc。由三相電路對稱可得Ua+Ub+Uc=0,ia+ib+ic=0,因此相電流ia就可以跟蹤相電壓Ua,從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)。對于其它區(qū)間也可進(jìn)行類似的分析。三相VIENNA整流器在相電壓的每60°區(qū)間可解耦成圖3所示的串聯(lián)雙升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。圖中Tp和Tn為不同區(qū)間對應(yīng)的開關(guān),Up和Un為不同區(qū)間對應(yīng)的等效電壓。對于圖3所示電路Tp和Tn有四種開關(guān)組合,分別為:①Tp導(dǎo)通,Tn導(dǎo)通;②Tp導(dǎo)通,Tp關(guān)斷;③Tp關(guān)斷,Tn導(dǎo)通;④Tp關(guān)斷,Tn關(guān)斷。對應(yīng)如圖4所示的等效電路。

在固定開關(guān)頻率的控制電路中,每個開關(guān)周期都會有兩種可能的開關(guān)序列,比如狀態(tài)1,2,4(dp<dn)或者是1,3,4(dp>dn),其中dp和dn分別為開關(guān)Tp和Tn的占空比。由假設(shè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率,從而串聯(lián)雙升壓電路拓?fù)淇梢钥闯梢粋€dc-dc變換器,由電壓伏秒平衡原理知電感電壓平均值為零。可以推出:

對于平衡的三相系統(tǒng),公式(2)成立:

從而公式(1)可以簡化為:

同樣可以證明,對于另一種開關(guān)序列1,3,4,公式(3)依然成立。公式(3)給出了當(dāng)串聯(lián)型雙升壓拓?fù)溥\行于連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)時,占空比和輸入、輸出電壓之間的關(guān)系。

2 三相PFC控制器實現(xiàn)

為了實現(xiàn)三相VIENNA整流器的單位功率因數(shù),需要達(dá)到在一個開關(guān)周期內(nèi)每相電流跟隨輸入相電壓的控制目標(biāo)[7]。表示為:

式中,Re代表反應(yīng)負(fù)載電流的等效電阻。基于以上理論分析,由公式(3)可以將控制目標(biāo)簡化為:

把公式(5)代入公式(3)可以解出實現(xiàn)三相VIENNA整流器單位功率因數(shù)校正的關(guān)鍵函數(shù)。

圖1 三相VIENNA整流器

圖2 標(biāo)準(zhǔn)三相電網(wǎng)電壓波形

圖3 串聯(lián)雙升壓電路拓?fù)?/p>

圖4 串聯(lián)雙升壓電路在四種開關(guān)狀態(tài)時等效電路

式中,Rs代表等效的電流檢測電阻,代表反饋電壓環(huán)的輸出。使用帶復(fù)位開關(guān)的實時積分器和一些線性網(wǎng)絡(luò)(例如時鐘、比較器、加法器、觸發(fā)器[8])就能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)的控制目標(biāo)。在電網(wǎng)周期的每60°區(qū)間,都需要改變輸入電流檢測對象和控制不同的開關(guān)通斷,因此還需要多路開關(guān)轉(zhuǎn)換電路、區(qū)間選擇電路和輸出邏輯電路。圖5為實現(xiàn)式(6)給出的PFC函數(shù)的單周期控制模塊。

圖5 實現(xiàn)三相PFC函數(shù)的單周期控制框圖

3 系統(tǒng)的仿真分析

本文通過 MATLAB/Simulink仿真軟件對三相VIENNA整流器進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果驗證了控制方案的可行性。仿真參數(shù)設(shè)置如下:電網(wǎng)相電壓為180 V,輸入濾波電感為L=4 mH,直流側(cè)電容C1=C2=1000μF,負(fù)載電阻為R=100Ω,三相交流電壓頻率為50 Hz。

圖6為A相輸入電壓和電流的波形,由FFT分析可得電流的THD為3.96%,功率因數(shù)可以控制在0.99左右。由圖可以看出相電流能很好地跟蹤輸入相電壓,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)。從圖6能夠看出,輸入電流存在一定的畸變,原因在于每個60°區(qū)間,線電流從一相切換到另一相切換過程中出現(xiàn)的瞬態(tài)響應(yīng)。圖7為輸出直流側(cè)電壓波形。

圖6 A相電壓和電流波形

圖7 負(fù)載側(cè)電壓波形

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)分析了單周期控制三相VIENNA整流器的工作原理與控制規(guī)律,將三相VIENNA整流器解耦為串聯(lián)升壓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),控制電路通過一個積分器和一些邏輯電路就能夠解決推導(dǎo)的線性函數(shù),從而可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)和產(chǎn)生較低電流畸變。該控制器具有結(jié)構(gòu)簡單,開關(guān)頻率恒定,不需要乘法器等優(yōu)點。在一個開關(guān)周期的每60°區(qū)間內(nèi),僅有兩個開關(guān)工作于高頻開關(guān)狀態(tài),開關(guān)損耗明顯減少。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

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