第４５卷第４期 ２０１１年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖ０ｌ＿４５．Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１１ 能馈型高压变频器整流部分的研究 袁超，欧阳红林 ４１００８２） （湖南大学，湖南长沙摘要：传统的级联型高压变频器只能电动运行，是电网污染的主要来源之一，为克服此不足，这里提出了一种 应用三相ＰＷＭ整流技术的级联型高压变频器。该变频器采用双闭环控制策略，具有输出电压恒定、单位功率 因数运行等特点．可实现电能回馈电网，解决了电网的污染问题。通过实际应用显示，该变频器在降低谐波，抑 制直流侧电容两端电压波动等方面有很大的进步，使级联型高压变频器成为真正的绿色变频器。 关键词：变频器：能量回馈：双闭环控制；整流 中图分类号：ＴＮ７７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１００Ｘ（２０１１）０４－００１６－０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｏｆ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｍｅｄｉｕｍ－ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＹＵＡＮ Ｃｈａｏ．ＯＵＹＡＮＧ Ｈｏｎｇ．１ｉｎ （Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃａｓｃａｄｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃａｎ ｏｎｌｙ ｏｐｅｒａｔｅ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｔａｔｅｍｅｎｔ．Ｉｔ ｉＳ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ａ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｃａｓｃａｄｅｄ ｍｅｄｉｕｍ—ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｄｕａｌ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｉｔ ｓｏｌｖｅｓ ｅｌｅｃｔｉｃ ｎｅｔｒｗｏｒｋ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｕｎｉｔｙ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ，ｓｔｅａｄｙ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ，ｂｉ・ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｃａｓｃａｄｅｄ ｍｅｄｉｕｍ—ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｕｌｄ ｈａｖｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎ ｍａｋｉｎｇ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｌｏｗｅｒ，ａｎｄ ｃａｎ ｉｎｈｉｂｉｔｅｓ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｃａｓｃａｄｅｄ ｍｅｄｉｕｍ—ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂｅ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｒｅａｌｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ；ｄｕａｌ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｅｃｔｉｆｙ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｌａｎ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｇｅｎｃｙ（Ｎｏ．０６ＣＫ３００５） １ 引 言 传统的级联型高压变频器均采用不可控二极 管来整流，因而存在输入电流对电网产生严重的 谐波污染。能量只能单向流动．无法应用于要求能 ２ 高压变频器拓扑及其整流单元结构 级联型高压变频器的拓扑包括移相输入变压 器、变频器主电路和中高压电动机三部分『１１。该高 压变频器可进～步提高可靠性和安全性，在某个功 率单元箱出现故障时．系统会将其旁路。只是此相 的相电压降低。近年来，高压变频器应用广泛，由 量双向流动（如矿井提升机等）的场合等问题。一 旦电机处于再生发电状态，回馈的能量传输到直 流母线电容上，产生泵升电压，使电容电压不稳。 而且高的泵升电压可能损坏开关器件，从而威胁 变频器的安全工作 为此．这里提出了一种采用三相ＰＷＭ整流技 术的级联型高压变频器。在整流部分采用可控开 于其容量较大，占整个电网比重较大，故它对电 网造成的谐波污染问题已不容忽视。 图１示出ＰＷＭ整流的高压变频器功率单元 结构。用可控器件代替了不可控二极管，可有效减 少谐波污染，减少了高压变频器对电网的影响。而 且．一旦电机处于再生发电状态时，通过控制回 关器件ＩＧＢＴ代替原有的不可控二极管，它可在输 入电流近似正弦、电动机处于再生制动状态时，将 再生能量回馈到电网．解决了电网的污染问题，保 证了电动机系统的安全可靠运行 路．可使回馈的能量传送到电网．减弱了直流母线 电容的负担，提高了高压变频器的可靠性【２】。 基金项目：湖南省科学技术厅科技计划（０６ＣＫ３００５） 定稿日期：２０１０—１０—２２ 作者简介：袁 超（１９８５一），男，山东泰安人，硕士研究生， 研究方向为电力电子及变频调速技术。 １６ 图１ ＰＷＭ整流的高压变频器的功率单元结构 能馈型高压变频器整流部分的研究 ３ ＰＷＭ整流的静态特性 当整流器进入稳态工作，输出直流电压恒定． ４．２ 电流内环设计 双闭环整流器系统中电流环作为内环。迫使 输入电流跟随输入电压．提高系统的动态响应能 力。电流内环控制的是三相ＶＳＲ交流进线的三相 整流桥三相桥臂按ＳＰＷＭ规律驱动。当开关频率 很高时，整流器交流侧电压含正弦基波电压和其 他高次谐波电压。由于电感的滤波作用，高次谐波 电压产生的谐波电流非常小，可认为电感在电网 电压和整流器交流输出正弦基波电压共同作用下 形成近似于正弦的电流。若只考虑电流和电压的 基波，整流桥可视作一个理想的三相交流电压源Ｉ３Ｊ。 ＰＷＭ整流器直流输出电流可视作３个可控 电流源。输出直流电流为 ＝｜ｓ ＋．ｓＪ ＋ ，当三相 电网平衡时，设开关函数的基波和直流分量为： Ｉｆ ｜ｓ ＝００．．５５＋ｍｃ。ｓ（＋ｍｃ０ｓ（ ｔ∞￡ ）－－￣＋２竹／３），Ｓｂ＝０ ．５＋ｍｃｏｓ（ｗｔ－６－２＂ｔｒ／３），（ ）．、 ：式中：ｍ为调制比。 设三相电流基波为： ｉｆ ＝，ｍｃｏｓ（ ｔ＋ ），ｉｂ＝ＩｍＣＯＳ（ｔＯｔ＋￣ｐ一２ ３）：／ｍＣ。ｓ（ｃｃＪ ＋ ＋２１Ｔ／３） ，一 ｚ Ｊ 将式（１），（２）代入输出直流电流方程，可得： ＝１．５ｍ，ｍｃｏｓ（ ） （３） 可见，仅考虑基频量时 整流器输出的是无纹 波的直流电流。由于整流器输入的交流电流只有 很小的高次谐波，所以直流输出电流也只含少量 的高次谐波，只要不大的电容即可滤除。 ４整流部分控制系统的设计Ｈ１ ４．１ ＰＷＭ整流系统结构 图２示出ＰＷＭ整流系统结构，可见ＰＷＭ整 流系统主要由电压控制、电流控制等几部分组成。 Ｊ Ｉ Ｃ Ｉ匮 是 Ｈ器 图２ ＰＷＭ整流系统结构图 电压控制为电流控制提供电流幅值参考，该 参考值可保证交流输入功率与负载功率相平衡， 即保证电容上储能不变，以恒定直流电压。电流控 制环节通过控制开关器件的通断使交流侧实际电 流跟上参考电流的变化。可实现单位功率因数整 流。另外，改变电流参考幅值极性即可在整流与逆 变两种工作模式问转换，实现能量双向流动。在实 现双闭环控制时至少检测直流电压、交流侧两相电 流。在某些情况下，也需对电源电压值进行采样。 交流电流。其输入电流满足： ｄ ｄ￡＝—Ｒ ＋ ｄ— ，Ｌｄｉｑ／ｄｔ＝－－ｗＬｉｚ－Ｒ ｇ— ｗ（４） ｉ ，ｉｑ除受控制量 ， 影响外，还受耦合电压 ｗＬｉ ，ｗＬｉ 扰动及电网电压“ ， 扰动。所以单纯 对ｉ ，ｉ 作负反馈并不能解除ｄ，ｑ轴间电流耦合。 现假设变换器输出电压矢量包含３个分量．即 ＝ １＋ｔｔ ２＋ｎ ３，后＝ｄ，ｑ。 令Ｕｎｄｌ＝ ，配 ＝ｔｏＬｉｑ， １＝ ｕ ，Ｕｒｑ２￣一ｗＬｉ，￣，将其代入输入电流公式可得ＬｄｉＪ ｄｔ＋Ｒｉｋ＝一Ｕｒｋ３，ｋ＝ｄ，ｑ。 在由上式表示的ｄ，ｑ电流子系统中，ｉ ，ｉｑ为 控制，且控制对象也很简单．相当于对一个一 阶对象的控制。经过上述解耦，对ｄ，ｑ轴电流环控 制器的设计等同于对图３所示控制对象设计控制 器 图３中还考虑了变换器延时和反馈通道的滤 波，故更接近于实际情况。若在时域设计，在考虑 变换器和滤波环节的延时后系统阶数很高。所以在 进行系统综合时通常将这些小时间常数忽略。而 在频域中，可方便地进行合并、降阶的简化处理。 为电感时间常数，ＴＬ＝Ｌ／Ｒ；ＫＲ＝Ｉ／Ｒ；Ｋ￣ｊＭ为整流器放大倍数； 为 变换器延时，等于开关周期一半： 为反馈通道滤波时间常数。 图３ 电流闭环结构图 考虑到参数准确性和漂移等因素，且一般希 望电流控制无静差，所以选用ＰＩ调节器。由图３ 可得其开环传递函数为： ＝ 糟 ㈣ 令Ｔｏ＝ ，使控制器的零点与电感时间常数形 成的极点对消。由于 和 均为小时间常数，可 用一个时间常数为 的一阶环节代替这两个惯性 环节， ，于是电流环开环传递函数为： Ｐ（ｓ）＝Ｋ－／Ｉｓ（ １）］ （６） 式中：Ｋ 为开环增益，Ｋ。＝麒 。 为便于设计。假设电压控制器输出的电流指 令经过一个与反馈滤波相同的小惯性环节后再作 为电流给定。这时对应的电流闭环传递函数为： Ｃ（ｓ）＝赫＝ 矗 （７） 式中： ＝ 万／２；∞ ：、 。 １７ 第４５巷第４期 ２０１１年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１ｌ 令 ＝Ｏ．７０７，由上式可算出Ｋ．，再根据各环节 的放大倍数，由Ｋ ＝Ｋ ＰＷ ４．３ 电压外环设计 场整定。另一特点是在频域设计控制器时，可方便 地将系统中如变换器延时、滤波延时等小滞后环 节考虑进去。因此，在三相ＰＷＭ整流器控制系统 设计中．…般采用电压外环和电流内环的双环控 制，前者主要控制三相ＰＷＭ整流器直流侧电压， ｉ 可确定电流控制器 参数Ｋ。，因为Ｔｃ＝ ，可确定电流控制器的参数。 电压外环是为了给系统提供一个稳定的直流 电压，控制的是直流侧大电容两端的电压．这里采 而后者按电压外环输出的电流指令控制电流。 用ＰＩ调节器模型为Ｋ （ ＋１）／（ ），可得系统闭 环传递函数为： Ｇ（ｓ）＝ ７ＫＫ２Ｒ ＋ＫＫ ＩＩ ５ 实验分析 研制的ＰＷＭ整流能量回馈型高压变频器用 以驱动一台６ ｋＶ／１ ＭＷ的高压电机。通过矿井提 ７－豫 ｌ ＋ （７ ０ ｄＧ）ｓ ＋ｒ（ａ＋ＫＫ２Ｒ ｊ）ｓ＋ＫＫ：Ｒｄ （８） 图４示出电压闭环结构。考虑到系统的工作 频带，选取外环截止频率为１／５０开关频率，这样 就能使高于工作频率的谐波幅值衰减得很小．又 保留一定工作频带宽度不会影响系统工作特性。 电压 图４ 电压闭环结构图 同时由式（８）可见系统为三阶，其内部有小惯 性环节，为方便系统控制器的设计，可把系统作降 阶处理。若想将其系统的高次项化简为二阶系统， 幅频特性需满足： ＴＲ ａＣｔ￣ ２＜而１ （９） ＋＋ Ｋ ｄ１０ 从而得到： Ｋ２＞（ＩＯＴＲｄＣｏ）２－ａ）／（Ｋ２Ｒｄ） （１０） 如果满足上述条件，系统可简化为： Ｇ（ｓ）＝ Ｉ＂Ｋ鬲Ｋ２Ｒ ￣ｓ ＋Ｋ Ｋ２Ｒ ａ （１１） 对于上式所描述的二阶系统，根据调节器最 佳整定设计方法中的模最佳（二阶最佳）原则，即 闭环系统幅频特性的模 （∞）＝１，这时输入与输出 相等，动态误差为零，跟随性能最佳。对于式（７），要 想使 （（ｃＪ）＝ｌ＝Ｉ Ｗ（ｓ）ｌ，就需满足 。Ｃ ， 一２＝０， 即 ＝０．７０７。令外环传递函数 ＝０．７０７，可得： （ｔｘ＋ＫＫ２Ｒｄ）／（ ｄＣ）＝２ （．１２） 且由 ，可求出： ２＝地 （１３） 再根据ＫＫ２Ｒｄ／［丁（Ｔ＋ａＲｄＣ）】＝６０ｎ２定义出：丁＝ ＫＫ２Ｒ ｌ， （ ０ Ｃ）】。以上给出三相电压源型ＰＷＭ 整流器系统控制器的设计，侧重于工程运用．在实 际实现过程中还要根据具体情况进行调整 将双闭环控制器设计方法用于ＰＷＭ整流器． 只需简单计算，即可确定控制器参数，适合参数现 １ Ｒ 升机正常运转进行电机带负载实验。图５ａ示出在 高压变频器正常运行时．加在整流侧ＩＧＢＴ上的驱 动信号。图５ｂ，Ｃ示出高压变频器投入使用时网侧 电压、电流波形，可见，在高压变频器开始工作时， 电流有所波动，但很快稳定，在投入负载时，电流 有所波动，但也能很快稳定。图５ｄ示出６个功率 单元箱级联后输出的电压波形，由图可见，输出电 压基本为一个正弦波，符合要求。 ． ｔ／（４ ｍｓ／格） 【ａ １ＧＢ １’驱动信 藤 ｔ／（４００ ｍ ｓ／铬） ，／（１ ００ ｍｓ／格） （ｃ） 倒【 流豁 （ｄ）６ｄ、功率【＿ｆ：｜儿辅绒联电 图５ 实验波形 ６ 结 论 由实际运行情况可知．采用ＰＷＭ整流的高压 变频器不仅可以进行能量的双向传输，实现能量 回馈．而且其控制系统的响应速度非常快，使变频 器具有较好的动态性能。因此，该改进方案是正确 可行的。但同时也增加了电路设计的难度，使成本 有所上升，有待于进一步解决。 参考文献 ｆ１１刘 昂，欧阳红林，禹卫华，等．Ｈ桥级联型多电平高压 变频器的实验研究【Ｊ１．电力电子技术，２００９，４３（２）：１—２． 【２】龚春英，蒋渭忠．基于ＤＳＰ控制的逆变器并联技术研 究『Ｊ］．数据采集与处理，２００２，１７（１）：５４—５７． 【３】Ｈｉｄｅｈｉｋｏ．Ａ Ｎｅｗ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｂａｓｅｄ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎ— ｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ—ＩＡ， １９９１，２７（２）：２９４－２９８． 【４】 张崇巍，张 兴．ＰＷＭ整流器及其控制策略【Ｍ】．北京： 机械工业出版社．２００３．
