四象限變流器雙閉環(huán)電流控制的研究

摘要：介紹了四象限變流器的工作原理，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出四象限變流器的數(shù)學(xué)模型。通過四象限變流器雙閉環(huán)直接電流控制的數(shù)學(xué)模型搭建了仿真框架，最后通過MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明基于雙閉環(huán)直接電流控制的四象限變流器具有很好的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。 敘詞：諧波污染 功率因數(shù) 直接電流控制 Abstract：The four-quadrant converter mathematical model is derived by its operation principle and working conditions and then the simulation is built according to its mathematical model. The simulation which is used by MATLAB/Simulink proved that double-loop direct current control is an effective way to achieve stable output DC voltage, suppress the harmonics effectively and achieve the net power factor close to 1. Keyword：Harmonic pollution, Power factor, Direct current control

1 引言

隨著電力電子裝置的廣泛使用，由此引起的諧波污染問題逐漸受到了人們的重視。整流裝置是諧波主要的來源，因此有必要研制高功率因數(shù)、低諧波整流器以消除諧波源。與傳統(tǒng)的二極管不控整流、相控整流相比，四象限變流器具有功率因數(shù)高、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、輸入電流諧波小、開關(guān)損耗小、電磁污染少等優(yōu)點(diǎn)[3]。

四象限變流器的控制策略主要有間接電流控制和直接電流控制兩種。間接電流控制通過調(diào)節(jié)變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位達(dá)到控制輸入電流的目的[1]。雙閉環(huán)直接電流控制在間接電流控制的基礎(chǔ)上引入網(wǎng)側(cè)輸入電流反饋，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波小和直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1]。本文首先介紹了四象限變流器的工作原理和數(shù)學(xué)模型，比較了基于直接電流控制與間接電流控制的四象限變流器工作性能，在此基礎(chǔ)上研究了直接電流控制四象限變流器的控制模型與PI參數(shù)設(shè)計(jì)。最后，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的直接電流控制四象限變流器具備優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工作性能。

2 工作原理

四象限變流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中UN為輸入電壓；電感LN為網(wǎng)側(cè)等效電感，起到傳遞能量、抑制高次諧波、平衡橋臂終端電壓和電網(wǎng)電壓的作用；RN為網(wǎng)側(cè)電阻；T1～T4為全控型開關(guān)器件（如MOSFET、IGBT等）；D1～D4為續(xù)流二極管；Cdc為濾波電容，為高次諧波電流提供低阻抗通路，減少直流電壓紋波；C2、L2分別為二次濾波電容和電感；RL為負(fù)載電阻；Udc為直流側(cè)輸出電壓。

圖1 四象限變流器主電路

采用單極性調(diào)制的時(shí)候，變流器交流側(cè)電壓Uab將在Udc，0或0，-Udc之間切換。因此，單相四象限變流器主電路的數(shù)學(xué)模型為：

（1）

式中：S(t)整流器開關(guān)函數(shù)。

3 雙閉環(huán)控制四象限變流器

3.1 直接電流控制與間接電流控制的比較

直接電流控制，是一種通過直接控制交流電流而使其跟蹤給定電流信號(hào)的控制方法。控制器具有電流控制環(huán)，通過直接對(duì)電流調(diào)節(jié)，使電流快速地跟蹤給定值，因此，直接電流控制四象限變換器具有很好的動(dòng)態(tài)性能。另外對(duì)電流給定值限幅可以很好地限制輸出電流幅值。

間接電流控制也稱為相位幅值控制，它通過控制逆變器輸入電壓的幅值和相位來間接控制輸入電流。這種控制方式的穩(wěn)定性很差，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，在暫態(tài)過程中交流電流可能會(huì)出現(xiàn)直流偏移問題和很大的電流過沖。所以盡管幅相位控制已提出了10多年時(shí)間，但在實(shí)際系統(tǒng)和裝置中幾乎不被采用。

3.2控制模型的建立

根據(jù)四象限變流器的控制原理，得到圖2所示四象限變流器雙閉環(huán)控制框圖。

圖2 雙閉環(huán)直接電流控制原理

圖中U*d為中間直流側(cè)輸出電壓給定值，Ud為中間直流環(huán)節(jié)輸出電壓，Id為中間直流環(huán)節(jié)輸出電流。為了減輕直流環(huán)節(jié)中電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的負(fù)荷，改善PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，用直流環(huán)節(jié)電流Id計(jì)算給定電流的有效分量I*s2，其結(jié)果與I*s1相加后作為交流電流的給定值I*s。由圖可得電流給定值I*s為：

3.3雙閉環(huán)直接電流控制PI參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.3.1 電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)使輸入電流跟蹤指令電流，能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。考慮到參數(shù)準(zhǔn)確性和漂移，以及實(shí)現(xiàn)電流控制無靜差，本文選用PI調(diào)節(jié)器，控制框圖如圖3所示。

圖3 電流內(nèi)環(huán)控制器

考慮到電流內(nèi)環(huán)需要獲得較快電流跟蹤性能，設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)抵消電流控制對(duì)象傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，即

3.3.2電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)

假設(shè)直流端的濾波電容足夠大，則可忽略直流電壓紋波擾動(dòng)，電壓外環(huán)控制器如圖4所示。

圖4 電壓外環(huán)控制器

得到電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)仿真模型，利用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB/Simulink對(duì)本文提出的直接電流控制四象限變流器進(jìn)行驗(yàn)證。參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

交流側(cè)：網(wǎng)側(cè)交流電壓Us=1500V,頻率fs=50HZ，線路電阻RS=0.2Ω，線路電感Ls=1.19mH；直流側(cè): 輸出電壓指令Ud=3000V，電容Cd=0.01F，二次濾波環(huán)節(jié)C2=3mF,電感L2=0.84mH；電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)為：Kip=4.55,Kli=210,電壓外環(huán)PI參數(shù)為：Kvp=0.5，Kvi=291。

運(yùn)用雙閉環(huán)直接電流控制，啟動(dòng)過程的仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，雙閉環(huán)直接電流控制啟動(dòng)電流波動(dòng)比較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，在0.3s時(shí)加上負(fù)載后，輸入電壓和電流的功率因數(shù)為1，得到良好的效果。

圖5 軟啟動(dòng)到加上負(fù)載時(shí)的仿真波形： (a) 輸入電壓和輸入電流波形； (b)輸出電壓波形。

增大負(fù)載后的仿真波形如圖6所示。在負(fù)載切換的過程中，輸出直流電壓跌落30V，波動(dòng)比較小，網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流在經(jīng)過1個(gè)工頻周期后保持同相位，穩(wěn)定后變流器功率因數(shù)接近于1。

圖7 額定牽引負(fù)載到再生負(fù)載時(shí)的波形：(a) 輸入電壓和輸入電流波形；（b) 輸出電壓波形

5 結(jié)語

本文分析了四象限變流器的工作原理，提出了四象限變流器的數(shù)學(xué)模型，建立了雙閉環(huán)直接電流控制的仿真模型。通過仿真對(duì)四象限變流器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)以及系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定等性能的影響進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明，雙閉環(huán)直接電流控制四象限變流器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)特性。

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作者簡(jiǎn)介

劉娟 ，女，生于1984年，西南交通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮??！?/p>