高性能單位功率因數(shù)三電平整流器

1、第43卷第2期2009年2月電力電子技術(shù)Power ElectronicsVol.43No.2February ，2009 定稿日期：2008-09-16作者簡介：李浩（1973-），男，河北昌黎人，博士，助教，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。1引言隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以脈寬調(diào)制（PWM ）為基礎(chǔ)的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開關(guān)電源以及各類特種變流器等在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中取得了廣泛應(yīng)用。但目前這些變流裝置很大一部分需要整流環(huán)節(jié)以獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因而對(duì)電網(wǎng)注入了大量諧波及無功功率，造成嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”1。自T Kataa

2、oto 等人提出PWM 控制用于改善整流器輸入波形以來，PWM 整流器2以其優(yōu)越的性能逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前對(duì)PWM 整流器的研究主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速的電壓型整流器上。電流控制策略有直接電流控制和間接電流控制兩大類，比較典型的控制策略有3基于電流跟蹤控制的Bang -Bang 控制算法和電流預(yù)測(cè)控制算法。在PWM 整流器解耦算法方面，現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)是電網(wǎng)電壓定向算法和無交流電壓傳感器的虛擬磁鏈定向算法。考慮到各方面指標(biāo)，以二極管箝位式三電平PWM 整流器為主電路拓?fù)?，采用電網(wǎng)電壓定向算法和直接電流控制。文中采用了新穎的三電平空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM ）算法，它可在簡化運(yùn)算量

3、的同時(shí)很好地進(jìn)行了中點(diǎn)電位控制，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)的同時(shí)使電流波形呈正弦，并成功實(shí)現(xiàn)了PWM 整流器的四象限運(yùn)行。2三電平PWM 整流器數(shù)學(xué)模型二極管箝位式三電平PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)為三相半橋電壓源型（VSR ）PWM 整流器。設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡，根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，電網(wǎng)電壓定向后，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程為：L s d i =-R s i s d +L s i s q -u C 1s 1d +u C 2s 2d +e dL s d i d t=-R s i s q -L s i s d -u C 1s 1q +u C 2s 2q ! #" #$（1）C d

4、 d u C 1=s 1d i s d +s 1q i s q -i o C d d u C 2=-s 2d i s d +s 2q i s q %&-i o ! #" #$（2）3三電平SVPWM 的簡化控制算法三電平變流器的電壓空間矢量圖比兩電平的電壓空間矢量圖復(fù)雜得多。以往的三電平電壓空間矢量控制大都采用將一個(gè)扇區(qū)分成4個(gè)小三角形，再對(duì)各個(gè)小三角形分別求解出各個(gè)有效矢量的作用時(shí)間。這種計(jì)算方式繁瑣且不易應(yīng)用到三電平以上的高性能單位功率因數(shù)三電平整流器李浩，葉宗彬，韓耀飛，吳軒欽（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221008）摘要：建立了三電平整流器數(shù)學(xué)模型，采取電壓定向的直接電流

5、控制，并使用新型的電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVP -WM ）算法減少計(jì)算量，簡化了中點(diǎn)電位控制策略。最后建立了基于TMS320F2812型DSP 的三電平整流器平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。關(guān)鍵詞：整流器；功率因數(shù)/空間矢量脈寬調(diào)制；中點(diǎn)電位平衡中圖分類號(hào)：TM461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-100X （2009）02-0004-02Unit Power Factor Three -level Rectifier with High PerformanceLI Hao ，YE Zong -bin ，Han Yao -fei ，WU Xuan -qin（China University

6、 of Mining and Technology ，Xuzhou 221008，China ）Abstract ：The mathematical model of three -level rectifier is introduced.Besides ，the voltage -oriented control including di -rect current control is used ，a novel simplified space -vector pulse width modulation is applied to reduces calculation and to

7、 simplifies the neutral -point potential control strategy.A three -level rectifier platform based on DSP TMS320F2812is built up for this research.The validity of the control strategies is demonstrated by the experimental results. Keywords ：rectifier ；power factor /space -vector pulse width modulatio

8、n ；neutral -point potential balance圖1三電平PWM整流器主電路圖拓?fù)淇刂粕?。這里對(duì)三電平變流器采用新穎的SVPWM 生成算法。三電平電壓空間矢量圖可視為由6個(gè)兩電平電壓空間矢量構(gòu)成的小六邊形相互疊合而成，如圖2所示。判斷參考電壓矢量U ref 所在的位置只需判定其所處的小六邊形，用S 表示U ref 的小六邊形。判定U ref 所在的小六邊形之后，經(jīng)過坐標(biāo)平移即可將三電平電壓矢量平面簡化為兩電平電壓矢量平面。圖3示出S =1時(shí)的 U ref 修正示意圖 。4 中點(diǎn)電位平衡的控制由于二極管箝位式三電平變流器自身拓?fù)涞膯栴}，當(dāng)直流側(cè)兩電容參數(shù)有偏差時(shí)，中點(diǎn)電位將

9、出現(xiàn)偏離，即使兩電容參數(shù)完全一致，在進(jìn)行控制時(shí)，不同的開關(guān)狀態(tài)也將對(duì)中點(diǎn)電位有不同的影響。在判斷U ref 位置時(shí)，如果它位于兩個(gè)小六邊形的重疊區(qū)域，此時(shí)S 取值不唯一，如圖4所示。此時(shí)可將U ref 由三電平平面化簡至S =1或者S =2中的任何一個(gè)兩電平平面。簡化至S =1的平面時(shí)，中點(diǎn)電位將下降；如果選擇化簡至S =2平面時(shí)，中點(diǎn)電位將上升。同理，對(duì)其他S 值的兩電平平面進(jìn)行分析可知，U ref 位于兩電平平面重疊區(qū)域只需要根據(jù)中點(diǎn)電位的波動(dòng)情況相應(yīng)地改變S 值即可有效地抑制波動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合變流器運(yùn)行狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行控制4。5三電平整流器控制算法及硬件實(shí)現(xiàn)采用電壓定向、前饋解耦

10、、電壓和電流雙閉環(huán)控制1，控制框圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)采用TMS320F2812型DSP 及相關(guān)外圍電路作為控制器，以BSM200GB170DLC 型IGBT 為功率器件搭建了三電平PWM 整流器硬件平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)電網(wǎng)電壓U =220V ，直流側(cè)分壓電容C =4700F ，交流側(cè)電感L =1.8mH ，直流側(cè)負(fù)載為一直流電機(jī)。實(shí)驗(yàn)中，整流器始終單位功率因數(shù)運(yùn)行。圖6示出硬件實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)波形，由于圖6c ，d 采用D/A輸出進(jìn)行觀察，使用的D/A為單極性輸出方式，此處采用疊加一直流偏移量以實(shí)現(xiàn)實(shí)際量正負(fù)值的同時(shí)輸出，零點(diǎn)實(shí)際被人為上移了2.5V 。實(shí)際值如圖中標(biāo)注所示。6結(jié)論對(duì)三電平PWM 整流變器的工作

11、原理進(jìn)行了分析，并給出數(shù)學(xué)模型。采用電壓定向、前饋解耦控制算法，結(jié)合簡化的三電平SVPWM 算法，用樣機(jī)進(jìn)行了硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：由于二極管箝位式三電平PWM 整流器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系，存在直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)的問題，這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓諧波含量上升，各開關(guān)器件受壓不均，電容壽（下轉(zhuǎn)第23頁）圖4重疊區(qū)域S 值的二擇性高性能單位功率因數(shù)三電平整流器（上接第5頁）命減短，對(duì)整個(gè)裝置造成極大損害。采用一種簡化的三電平SVPWM 算法，簡化了運(yùn)算量及程序編寫，方便地實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電位控制，直流電壓被控制在540V 的情況下，中點(diǎn)電位的波動(dòng)仍被控制在15V 之內(nèi)。建立了二極管箝位式三電平PWM 整流器的數(shù)學(xué)

12、模型，并采取了有效的解耦控制方法，在實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的同時(shí)網(wǎng)側(cè)電流也為正弦，具有良好的電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，直流母線電壓也具有良好的抗負(fù)載擾動(dòng)性能。參考文獻(xiàn)1張崇巍，張興.PWM 整流器及其控制M.北京；機(jī)械工業(yè)出版社.2003.2王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)（第四版）M.北京；機(jī)械工業(yè)出版社，2000. 3張興.PWM 可逆變流器空間電壓矢量控制技術(shù)的研究J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，22（10）：102-105. 4詹長江，韓郁. 基于電壓空間矢量PWM 脈寬調(diào)制方式的新型三電平高頻整流器研究J.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1999，13（2）：60-64.贊=f 贊f +r 贊r 贊r =乙P n 乙贊

13、d t乙乙乙乙乙（12）式中：P n 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；贊f 和贊r 為高頻注入法和狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)應(yīng)的估計(jì)速度；f 和r 分別為兩種方法對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)。約束條件為f +r =1，以保證轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)的跟蹤精度保持不變。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：額定頻率50Hz ；額定電流3.3A ；額定功率400W ；額定轉(zhuǎn)速1400r/min；定子電阻1.52；q 軸電感14.2mH ；d 軸電感3.9mH ；極對(duì)數(shù)為2；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2.4×10-4kg ·m 2。主控制器采用TMS320F240型DSP 芯片，逆變橋?yàn)橹悄芄β誓KPM75RSE120，電壓源逆變器SVPWM 饋電，由軟件實(shí)

14、現(xiàn)，調(diào)制頻率為10kHz ，注入的高頻電壓信號(hào)頻率最大為997Hz ，幅度為基波的1/10。圖4示出設(shè)置不同切換區(qū)時(shí)的轉(zhuǎn)子位置估測(cè)誤差e ，e =r -贊r 。由圖可見，通過設(shè)置不同的切換區(qū)，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)將速度切換區(qū)域定為100200r/min之間較為合適，整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)性能都取得了理想的結(jié)果。圖5示出空載下電機(jī)以給定速度運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置實(shí)測(cè)值r 和估算值贊r 轉(zhuǎn)化為弧度制后的結(jié)果?？梢娰漴 。與r 基本吻合。6結(jié)論針對(duì)IPM 同步電機(jī)無傳感器技術(shù)中轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的局限性，提出全速范圍的無傳感器控制技術(shù)，詳細(xì)分析了近零速區(qū)至高速區(qū)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子位置信息的提取過程，采取外差處理的方式構(gòu)建了全

15、速范圍轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)跟蹤器。解決了低速運(yùn)行區(qū)無傳感器技術(shù)受電機(jī)參數(shù)影響的問題和載波注入法在高速運(yùn)行區(qū)不能及時(shí)跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程的問題。在由低速區(qū)進(jìn)入高速區(qū)的速度切換過程中，采用了加權(quán)算法的切換方式，保證了整個(gè)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性。所提出的系統(tǒng)具有較高的魯棒性，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。參考文獻(xiàn)1Hyunbae K ，Harke M C ，Lorenz R D.Sensorless Control of Interior Permanent -magnet Machine Drives with Zero phase -lag Position EstimationJ.IEEETrans. on

16、IndustryAppli -cations ，2003，39（6）：1726-1733.2Jean Quirion ，Jason Gu.Sensorless Fusion of Speed for Per -manent Magnet Synchronous MotorsA.Proceedingsof the2004IEEE Conference on Robotics ，Automation and Mechatronics SingaporeC.2004：554-559. 3Takashi Aihara ，Akio Toba.Sensorless Toque Control ofSalient -Pole Synchronous Motor at Zero -speed OperationJ.IEEE Trans. on Power Electronics.1999，14（1）：202-20