论文部分内容阅读
【摘要】对电流型PWM整流器（CSR）进行了深入的理论分析和应用研究，涉及其基本原理、数学建模、控制策略、系统设计以及应用等方面。重点探讨了CSR的拓扑结构和控制策略，提出了三相电流型PWM整流器双闭环控制系统数学模型。并采用MATLAB仿真分析了本文提出的控制策略；采用DSP芯片TMS320LF2407A作为核心控制芯片，XC95108作为信号调理芯片和IMBH60-100作为功率单元制作了一台5kW的样机；通过仿真分析和试验样机实现了直流侧电流维持在给定值，交流侧的功率因数可调，证明了控制方法的有效性。
【关键词】电流型；高功率因数整流器；数字信号处理器；仿真；谐波
1.引言
与不控整流和相控整流相比，PWM整流器具有可控的功率因数，正弦的网侧电流，双向的功率流动等优点。电流型PWM整流器的控制目标有两个：一是直流侧电流维持在给定值，二是交流侧的功率因数。实现上述目标的难点在于PWM整流器的强耦合和非线性的特性。为了解决模型的非线性问题，最常用的控制方法是双闭环PID控制。
目前，针对电流型PWM整流器的控制策略主要有基于三相CSR交流侧指令电流的间接电流控制，基于三相CSR状态反馈的直接电流控制和三相CSR空间矢量（SVPWM）控制。基于三相CSR交流侧指令电流的间接电流控制系统利用直流电流经过PI调节控制，得到交流电流幅值信号，再和网侧电压同步信号相乘，并和网侧电压信号作运算，得出开关管上面的电流调制信号。这种控制方法易受主电路参数变化影响，且当电网电动势畸变时，同样会使三相CSR网侧电流含有低次谐波，严重时，动态过程甚至导致网侧电流振荡。基于三相CSR状态反馈控制系统引入网侧电流和电容电压作为状态变量。由于三相CSR交流侧等效电路的状态变量模型是完全可控的，因此引入状态反馈且将系统的极点配置在虚轴左半平面所希望的位置上，就可以得到满意的动态特性。但是这种控制方法是以电网电压作为扰动量，增加了采样值，要求处理的数据较多，对控制器的要求比较高。
基于以上考虑，本文采用了比较实用的双闭环控制方法：直流电流采用PI控制，交流电流采用感性的间接电流控制方法，采用电容电压滞环空间矢量调制方法[1～3]。这样来兼顾控制精度和响应速度。
2.三相电流型PWM整流器双闭环控制系统数学模型
三相电流型PWM整流器主电路结构及控制系统图如图1所示。
根据基尔霍夫电压定律和电流定律，可以得出控制系统相关的数学模型如下：
式中；R、L、C分别为交流侧系统电阻、交流滤波电感、滤波电容；isj、usj为交流侧电流、电压；RLoad、Ldc为直流负载、直流电感；Idc、udc为直流电流，直流电压。
并假定三相电压对称，且用下式表示：
三相电流型PWM整流器的控制目标有两个：直流电流值和交流相角。控制直流电流就是维持直流电流在给定值，以实现功率的自动匹配；控制交流相角就是控制交流电流的相角，实现要求的功率因数。
由于在abc坐标系下，三相交流输入电流是时变量，控制系统设计较为复杂。因此，通过式（2）将其变换到dq坐标系下，并使d轴定向于电网电压矢量，则对交流电流的控制问题转换为对恒定直流量的跟踪问题，控制系统的设计将大为简化。
将式（2）作用于式（1），得在同步坐标系下交流电流的状态空间表达式为：
3.电流内环调节
对于整流器来说，输入功率=输出功率；输入功率：；输出功率：；由，可知，可得：
对于三相CSR整流器来说：
4.基于MATLAB的三相CSR双闭环控制系统仿真
整流电路控制系统进行仿真[4]。仿真主电路参数选择如下：直流电感：30mH；直流侧负载电阻：10Ω；交流侧滤波电感：1mH；交流侧滤波电容：20?F。
并且做以下假设：
（1）电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势；
（2）交流、直流侧滤波电感是线性的，且不考虑饱和；
（3）功率开关损耗已折合到CSR直流侧，且包含在R之中；
（4）为描述CSR能量的双向传输，三相CSR直流侧由负载电阻R和负载电动势e串联表示。
控制系统仿真电路如图3所示。图3中，在直流侧反并联了一个二极管，目的是防止桥臂开路时候为电感电流提供回路。
可以得到仿真的波形如图4所示。
从图4中可以看出给定的变化和引起输出的变化，并且在新的状态下稳定。0.02-0.04s，0.07-0.09s，0.13-0.15s，0.18-0.20s，0.22-0.24s时刻人为变化输入给定，可以看出在新的状态新的状态下面达到平衡。并且分析了各种平衡状态下面谐波情况。
从图5中可以看出，交流侧电流电压同相位，达到了高功率因数的目的。同时直流侧动态响应较快。
5.电流型高功率因数整流器试验研究
在以上分析的基础上，在实验室允许的条件下搭建了电流型高功率因数整流器试验系统，并对整流器控制策略进行了验证。
5.1 实验系统组成
试验参数选择：直流电感：30mH；直流侧负载电阻：10Ω；交流侧滤波电感：1mH×3；交流侧滤波电容：20?F×3。
实验器件选择：功率器件：选用富士的IGBT，型号为IMBH60-100；驱动模块：选用富士的高速驱动模块，型号为EXB841；快恢复二极管：选用IXYS的快恢复二极管，型号为DSEI60-10A。
5.2 试验波形及结果分析
图7（a）中，幅值大的是电压，幅值小的是电流。可以看出，其中一相电流电压同相位，实现了网侧的高功率因数控制。从图7（b）可以看出，由于存在大电感滤波，直流电流比较平缓，但是还有一定的脉动性。图7（c）是电压波形。实验验证了控制策略和装置的正确性和可行性。
6.结論
三相电流型PWM整流器的动态模型呈现非线性、强耦合的特性，本文本文采用了比较实用的双闭环控制方法：直流电流采用PI控制，交流电流采用感性的间接电流控制方法，采用电容电压滞环空间矢量调制方法，实现了三相电流型PWM整流器动态模型大范围的线性化以及状态变量的解耦控制。系统仿真和试验表明，所提出的控制方法具有较快的直流电流动态响应和交流电流跟踪能力。
参考文献
[1]杨旭，王兆安.准固定频率滞环，PWM电流模式控制方法的研究[J].电源世界，2001（1）：5-8.
[2]张加胜.滞环控制变流器的开关频率研究[J].电工电能新技术，1998（1）：54-57.
[3]谢学书.最优控制理论与应用[M].北京：清华大学出版社，1993.
[4]陈桂明，张明照等.应用MATLAB建模与仿真[M].北京：科学出版社，2003：104-145.
【关键词】电流型；高功率因数整流器；数字信号处理器；仿真；谐波
1.引言
与不控整流和相控整流相比，PWM整流器具有可控的功率因数，正弦的网侧电流，双向的功率流动等优点。电流型PWM整流器的控制目标有两个：一是直流侧电流维持在给定值，二是交流侧的功率因数。实现上述目标的难点在于PWM整流器的强耦合和非线性的特性。为了解决模型的非线性问题，最常用的控制方法是双闭环PID控制。
目前，针对电流型PWM整流器的控制策略主要有基于三相CSR交流侧指令电流的间接电流控制，基于三相CSR状态反馈的直接电流控制和三相CSR空间矢量（SVPWM）控制。基于三相CSR交流侧指令电流的间接电流控制系统利用直流电流经过PI调节控制，得到交流电流幅值信号，再和网侧电压同步信号相乘，并和网侧电压信号作运算，得出开关管上面的电流调制信号。这种控制方法易受主电路参数变化影响，且当电网电动势畸变时，同样会使三相CSR网侧电流含有低次谐波，严重时，动态过程甚至导致网侧电流振荡。基于三相CSR状态反馈控制系统引入网侧电流和电容电压作为状态变量。由于三相CSR交流侧等效电路的状态变量模型是完全可控的，因此引入状态反馈且将系统的极点配置在虚轴左半平面所希望的位置上，就可以得到满意的动态特性。但是这种控制方法是以电网电压作为扰动量，增加了采样值，要求处理的数据较多，对控制器的要求比较高。
基于以上考虑，本文采用了比较实用的双闭环控制方法：直流电流采用PI控制，交流电流采用感性的间接电流控制方法，采用电容电压滞环空间矢量调制方法[1～3]。这样来兼顾控制精度和响应速度。
2.三相电流型PWM整流器双闭环控制系统数学模型
三相电流型PWM整流器主电路结构及控制系统图如图1所示。
根据基尔霍夫电压定律和电流定律，可以得出控制系统相关的数学模型如下：
式中；R、L、C分别为交流侧系统电阻、交流滤波电感、滤波电容；isj、usj为交流侧电流、电压；RLoad、Ldc为直流负载、直流电感；Idc、udc为直流电流，直流电压。
并假定三相电压对称，且用下式表示：
三相电流型PWM整流器的控制目标有两个：直流电流值和交流相角。控制直流电流就是维持直流电流在给定值，以实现功率的自动匹配；控制交流相角就是控制交流电流的相角，实现要求的功率因数。
由于在abc坐标系下，三相交流输入电流是时变量，控制系统设计较为复杂。因此，通过式（2）将其变换到dq坐标系下，并使d轴定向于电网电压矢量，则对交流电流的控制问题转换为对恒定直流量的跟踪问题，控制系统的设计将大为简化。
将式（2）作用于式（1），得在同步坐标系下交流电流的状态空间表达式为：
3.电流内环调节
对于整流器来说，输入功率=输出功率；输入功率：；输出功率：；由，可知，可得：
对于三相CSR整流器来说：
4.基于MATLAB的三相CSR双闭环控制系统仿真
整流电路控制系统进行仿真[4]。仿真主电路参数选择如下：直流电感：30mH；直流侧负载电阻：10Ω；交流侧滤波电感：1mH；交流侧滤波电容：20?F。
并且做以下假设：
（1）电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势；
（2）交流、直流侧滤波电感是线性的，且不考虑饱和；
（3）功率开关损耗已折合到CSR直流侧，且包含在R之中；
（4）为描述CSR能量的双向传输，三相CSR直流侧由负载电阻R和负载电动势e串联表示。
控制系统仿真电路如图3所示。图3中，在直流侧反并联了一个二极管，目的是防止桥臂开路时候为电感电流提供回路。
可以得到仿真的波形如图4所示。
从图4中可以看出给定的变化和引起输出的变化，并且在新的状态下稳定。0.02-0.04s，0.07-0.09s，0.13-0.15s，0.18-0.20s，0.22-0.24s时刻人为变化输入给定，可以看出在新的状态新的状态下面达到平衡。并且分析了各种平衡状态下面谐波情况。
从图5中可以看出，交流侧电流电压同相位，达到了高功率因数的目的。同时直流侧动态响应较快。
5.电流型高功率因数整流器试验研究
在以上分析的基础上，在实验室允许的条件下搭建了电流型高功率因数整流器试验系统，并对整流器控制策略进行了验证。
5.1 实验系统组成
试验参数选择：直流电感：30mH；直流侧负载电阻：10Ω；交流侧滤波电感：1mH×3；交流侧滤波电容：20?F×3。
实验器件选择：功率器件：选用富士的IGBT，型号为IMBH60-100；驱动模块：选用富士的高速驱动模块，型号为EXB841；快恢复二极管：选用IXYS的快恢复二极管，型号为DSEI60-10A。
5.2 试验波形及结果分析
图7（a）中，幅值大的是电压，幅值小的是电流。可以看出，其中一相电流电压同相位，实现了网侧的高功率因数控制。从图7（b）可以看出，由于存在大电感滤波，直流电流比较平缓，但是还有一定的脉动性。图7（c）是电压波形。实验验证了控制策略和装置的正确性和可行性。
6.结論
三相电流型PWM整流器的动态模型呈现非线性、强耦合的特性，本文本文采用了比较实用的双闭环控制方法：直流电流采用PI控制，交流电流采用感性的间接电流控制方法，采用电容电压滞环空间矢量调制方法，实现了三相电流型PWM整流器动态模型大范围的线性化以及状态变量的解耦控制。系统仿真和试验表明，所提出的控制方法具有较快的直流电流动态响应和交流电流跟踪能力。
参考文献
[1]杨旭，王兆安.准固定频率滞环，PWM电流模式控制方法的研究[J].电源世界，2001（1）：5-8.
[2]张加胜.滞环控制变流器的开关频率研究[J].电工电能新技术，1998（1）：54-57.
[3]谢学书.最优控制理论与应用[M].北京：清华大学出版社，1993.
[4]陈桂明，张明照等.应用MATLAB建模与仿真[M].北京：科学出版社，2003：104-145.