低压电器(2010No15) ・研究与分析・ 新型三相PWM整流器自适应 滞环电流控制 郑秀聪,谢运祥,谢涛 (华南理工大学电力学院,广东广州 510640) 摘要:在传统的三相PWM整流器滞环电流控制的基础上,提出一种新型的能动 态调整滞环宽度的自适应滞环电流控制技术。在锁相回路控制的基础上增加一个简 单、快速的滞环宽度预测模块,可实现滞环宽度动态调制及开关频率恒定的控制。在 郑秀聪(1985~), Matlab/Simulink环境中建立三相PWM整流器的仿真模型,并以自适应滞环电流控制 男,硕士研究生,研 器对整流器进行开关频率的控制。仿真结果表明,该控制方法可以实现网侧单位功率 究方向为电力电子 因数正弦波电流控制,能适应负载的扰动,直流电压输出稳定,具有良好的鲁棒性。 变流技术及其应 用。 关键词:固定开关频率;PWM整流器;滞环电流 . 中图分类号:TM 461文献标志码:A文章编号:1001-5531(2010)15-0010-05 Novel Adaptive Hysteresis Band Current Control for Three.Phase PWM Rectifier ZHENG Xiucong,XIE Yunxiang,XIE Tao (School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 5 1 0640,China) Abstract:Based on conventional hysteresis band current control of three—phase PWM rectiifer,a novel adap— tive hysteresis band control algorithm featuring dynamically modulate hysteresis band was presented.A simple and quick prediction of the hysteresis band was added to a phase--locked--loop control to modulate bandwidth dynamically and ensure constant switching frequency.In the platform environment of Matlab/Simulink,the simulation modules of three—phase PWM rectifier were built,the adaptive hysteresis band current controller was integrated into the recti— iter to control switching frequency,the simulation result indicated that the designed technique had the characteris— tics of drawing nearly sinusoidal current with unity power factor,adapting to load variation,stable DC voltage output and good robustness. Key words ̄constant switching frequency;P ̄VIVI rectiifer;hysteresis band current 0 引 言 了交流电流反馈,具有动态响应快速、开关模式良 好、控制电路结构简单等优点。直接电流控制包 三相电压型PWM整流器的控制从本质上来 括滞环电流控制(Hysteresis Band Current Control, 说是对交流侧电流的控制。电流控制的目的是使 HBCC)、固定开关频率电流控制、空间矢量电流 交流侧电流跟踪电流给定,其可分为问接电流控 控制等。其中,滞环电流控制以其易于实现、动态 制和直接电流控制。间接电流控制是通过控制交 响应快,且具内在电流能力、对负载不敏感的 流侧电压基波幅值、相位,进而间接控制其网侧电 优点,倍受国内外学者的青睐¨J。 流。但其动态响应速度不够快,在暂态过程中,交 然而,传统的固定滞环电流宽度的HBCC技 流侧电流会产生直流偏移,且对系统参数波动较 术因其开关频率可变、对开关器件盼I生能要求较 为敏感。而直接电流控制则在电路的输入端引入 高、开关损耗较大、不易设计滤波器等缺点。固定 谢运祥(1965一),男,教授,博士生导师,主要从事电力电子应用方面的工作。 谢涛(1985一),男,硕士研究生,研究方向为电力电子变流技术及其应用。 一lO~ ・研究与分析・ 低压电器(20101 ̄15 J 开关频率的电流控制克服了滞环控制的上述缺 点,将电流调节器输出信号与三角波比较产生的 PWM信号对整流器进行控制,但存在着电流跟踪 误差较大等缺点 。Malesani等在三相PWM逆 ‰ 变器中提出了一种通过锁相技术获得固定开关频 udd2 率的滞环电流控制技术 。但是,锁相环中的环 一“dc,2 路滤波器会造成系统的不稳定,在暂态过程中往 往会失去同步(失锁)。为克服这些缺点,本文在 图2 a相开关周期示意图 锁相回路控制的基础上增加一个简单、快速的滞 环宽度预测模块,并引入开关频率的反馈,通过对 滞环电流的控制,使得开关频率固定。 1 滞环电流控制技术 该拓扑包括输入3个滤波电感 ,三相半桥 电路,直流侧电容C 、C 等组成成分,如图1所 示。假设图中三相半桥电路各开关器件均为理想 的开关器件,且三相输入滤波电感、直流侧两电容 均对称。 图3基于PLL的滞环电流控制框图 电压控制环,内环是交流电流控制环。 外环通过PI控制器来调节直流电压 的大 小,并获得正弦参考电流 的大小,PI控制器的 输人为给定直流电压的平方值( 二) 与直流侧 两电容器实际电压的平方值 的偏差,该偏差 经PI控制器再分别与锁相回路PLL检测得到的 图1 三相四线/三线制电压型PWM整流器的主拓扑 电流频率及相位相乘,得到三相正弦参考电流 1.1滞环电流控制原理 ,然后与实际电流信号 相比较,两者的偏差 为分析方便,定义单极性二值逻辑开关函数: 作为滞环比较器的输入,滞环比较器产生控制主 f1上桥臂导通 ,,、 电路中开关器件通断的PWM信号,该PWM信号 【0下桥臂导通 经驱动电路控制主电路各开关器件的通断。 以0相的一个开关周期为例,把参考电流 1.3三相四线制PWM整流器的数学模型 和实际电流 的偏差8。作为滞环比较器的输入, 然而,对于三相PWM整流器的研究大都以 通过其输出作为控制功率开关器件s1和s4的通 三相三线制(Three Phase Three Wire,3P3W)为基 断,如图2所示。设比较器的滞环宽度为h ,当i。 础,极少对三相四线制(Three Phase Four Wire, 为正时,滞环控制器输出正电平,驱动Sl导通;当 3P4W)进行深入地讨论。实际上,许多场合出于 i。为负时,滞环控制器输出负电平,驱动S4导通。 防雷、绝缘、电磁兼容等考虑,需要采用3P4W的 这样,s1和S4交替工作,使实际电流保持在滞环 连线方式,如应用于电力系统的电能质量调节器 带宽范围内,呈锯齿状地跟踪参考电流H J。 统一电能质量调节器(UPQC)、有源电力滤波器 1.2基于锁相回路的滞环电流控制原理 等设备 。因此,有必要研究3P4W的PWM整 三相PWM整流器HBCC控制框图如图3所 流器的控制。 示,为一个双闭环控制系统。图3中,外环是直流 3P4W的PWM整流器电路由于中线的存在, 一1 1— 低压电器(20101 ̄_15) ・研究与分析・ 相当于3个半桥电路的组合,口J买现对三相 输入电流的控制,有利于消除三相输人电流 的不平衡 。利用电路基本定律,建立三相PWM 整流器的数学模型。口相电源电压瞬时值方程为 宽度h。保持固定,则开关周期将随直流侧电压 的变化而变化。 1.4 三相三线制PWM整流器的数学模型 图1中的电容中点“ ”不与地相连,则构成 3P3W的PWM整流器,由于三相之间相互耦合, 警+r (2) 不能直接对电流进行控制,但与3P4W的 PWM整流器相比,不用考虑中线电流及直流侧两 组电容电压的平衡问题,且可以抑制谐波对系统 式中:U 为网侧n相电源电压;Ua为交流侧口相 电压。实际运行中, 只包含Ud /2及一 /2 两个电平。要控制a相输入电流i 跟踪理想的 参考电流 ,使其误差幅值不超过ho/2,假定输 入电流为参考电流i ,则有 f1 dt +ri2=U。一 a (3) 式中: 为口相参考电压,在该电压下,整流器的 输入电流将等于参考电流 ,则参考电流与实际 电流信号的偏差为 。= 一i。。 (4) 由式(2)~(4)可得 鲁+ = (5) 考虑开关频率远远高于电网频率,为了便于分析, 忽略网侧等效电阻r,则式(5)可简化为 d6o=Uo—u (6) 因此,如图2所示,当0<t<t,时,式(6)为 一 =L -lg( )= g( ) ㈩ 当t <t<T时,式(6)为 一 = _lg( )= ・g( ) ㈦ 综合式(7)、式(8)可求得开关周期: T =————Ⅱ_— —_ ()9) ( Ud/2)一( 。)‘U 即 = Ua 1(10) 。(一 ) 式中: : /(U 。/2)。由式(10)可知,若滞环 的干扰,故深受国内外学者的青睐。同理,根据电 路基本定律对其建立数学模型,a相电源电压瞬 时值方程为 £鲁+r : 一 。一 。 (11) 式中:f/ 。为直流侧电容中点“ ”相对于地的电 位。 UM0=(1/3)(s 十 +s ) 。/3 (12) 由式(11)、式(3)、式(4)可得 警+ 。= 。一 + 。 (13) 式(2)表明,由于 。的存在,3P3W的PWM 整流器的三相电流是相互耦合的,因此,需要进行 解耦控制。式(4)中的电流偏差6 可以分解成两 个电流分量 J。 6。= 一i 。=6 +6: (14) 式中,电流分量6:及 分别满足 譬+ ::U。一 (15) + :: (16) 式(15)表明,若忽略网侧等效电阻r,则与式 (6)相似,电流分量6 仅取决于a相交流侧电压 。。因此,可采用与6 (3P4W时)相同的方式进 行电流控制。对于电流分量 ,任意控制瞬间 。均为已知量,且通过一阶惯性环节运算就可 直接获得。因此,可在控制回路中增加前馈补偿 环节,对电流误差 。进行校正。 2 自适应滞环电流控制技术 2.1 固定开关频率的滞环电流控制 由式(10)可知,为了获得固定的开关频率, 滞环宽度h 须进行动态调整 。取开关频率为 固定值 =1/T=1/ ,将式(6)或式(15)代入式 ・研究与分析・ 低压电器(20101 ̄15) (10),得 一r(k4 a +1)=ha( +1) 、 , .、S+(k+1)+S一(k+1) 昔 (17) (20) 式(17)为滞环宽度h。与开关频率 的关 在两个连续的开关周期下,可近似地认为 系。其中,U =U 。一 (di[Idt)。传统的滞环电 流控制中的滞环宽度是固定的,开关频率是变化 的。现在固定期望的开关频率 ,可通过式(17) j.s+( )=S+( + ) 【S(k)=S一(k+1) (21) 根据式(19)~(21),可得滞环宽度的控制方程: 计算滞环宽度h。,来实现开关频率的恒定。固定 频率的滞环宽度计算框图如图4所示。 图4 固定频率的滞环宽度计算框图 2.2滞环宽度预测模块 为实现滞环宽度的动态调整,通过对两个连 续周期下的滞环宽度进行时域分析可知,在保留 原有模拟结构下,加入一个数字控制系统来维持 开关频率的恒定 。两个连续周期的滞环宽度 的示意图如图5所示。 \ / Lh d )— ÷ 一7I“1)—— 十 乃 I 图5 两个连续周期的滞环宽度的示意图 由图5可以推导出 5+ n一LT=r(18) o + 式中:s+、S一为电流分量6:的正、负斜率;ro 、To 为上桥臂开关器件的开通与关断时间。因此,在 第k个开关周期下有 (Ji})= 。( ) 善专。。 (19) 同理,在第k+1个开关周期下有 ) ㈩ ㈤ (22) 式(22)所示的控制原理是为了保持开关周 期的恒定,其中,T(k+1)= 是期望获得的下一 个开关周期。h。( )和T(k)为第k个开关周期测 得的实际值。由此,可在第k个开关周期时,估算 出下一个开关周期的滞环宽度h (k+1)。也就 是为了估算出合适的滞环宽度,使得实际的开关 周期与期望周期之间的偏差趋近于0,相当于一 个一阶最少拍控制系统 J,但其在3P3W的PWM 整流器中不能保证三相开关频率相同及开关信号 的同步。为避免该问题,可以通过锁相环技术来 实现。 因此,可将滞环宽度分解为以下两部分: h。=hPLL4+hd (23) 式中:h 为锁相输出的滞环宽度;h 为一阶最 少拍控制器输出的滞环宽度;h。为经较正后的总 滞环宽度。 3P3W的PWM整流器自适应的框图如图6 所示。图6中,采用锁相技术,将开关信号与固定 频率. 的外部时钟信号比较后,得到相位差,经 比例积分环节得到期望的滞环比较器宽度;在控 制回路中增加前馈补偿环节(一阶最少拍控制 器)对电流误差进行校正,动态地调整滞环宽度 的大小,从而获得固定的开关频率。而3P4W的 图6 3P3W PWM整流器自适应HBCC框图 一13— 低压电器(2010No_15) ・研究与分析・ PWM整流器由于中线的存在,需在此基础上增加 电容均压前馈补偿环节,确保直流侧两组电容电 压的平衡。 3 仿真验证 在Matlab的Simulink环境下,依据图1及 图6构建自适应HBCC的三相PWM整流器的仿 真模型。仿真参数设定如下:电网相电压峰值为 31l V,直流侧电容C =C =1 100 IxF,开关频率 选为10 kHz,网侧等效电阻r=0.1 n,电感L= 5 mH,直流侧电容电压U :650 V。仿真时间为 0—0.7 S,其中在0.2 S时阻性负载加大为原来的 1倍,而在0.45 S时,负载恢复为原来值。 图7中,等幅正弦波形为VSR交流侧电压波 形,波形在0.2 S后有突变的为放大2倍的电流 波形。图7和图8波形表明,基于自适应HBCC 的三相PWM整流器在突加、减负载的情况下,输 入电流波形能很快跟随电网电压,实现网侧单位 功率因数正弦波电流控制,动态响应快。 4O0 300 2【x1 100 0 —100 —200 300 -400 0 10 0 15 0 20 0 25 0.30 t/S 图7 PWM整流器交流侧电压电流波形(0.2 S负载突变) 400 300 200 】oo O loo 2o0 3o0 -4OO 图8 PWM整流器交流侧电压电流波形 (0.45 S负载突变) 仿真验证表明,a相电流总畸变率接近标准 正弦波,谐波分量集中,有利于滤波器的设计(见 图9)。直流侧电容电压的波形在整个负载突变 过程中(加载、减载)均能很快恢复到设定值,系 统的抗负载扰动性能理想(见图10)。 一14一 图9 U相电流的谐波分析 图10直流侧电压波形 4 结 语 本文提出的动态调整滞环宽度的自适应HB. CC方法,由于保留了传统HBCC的基本特点,因 而保持了动态响应快、其内在的电流能力等 优点;通过在锁相回路基础上增加一个滞环宽度 预测模块,并引入开关频率的闭环控制,解决了传 统HBCC开关频率不固定的问题,降低了平均开 关频率,减少了开关器件的应力及开关损耗,简化 了滤波器的设计及体积,对优化三相四线制的 PWM整流器具有重大意义。 【参考文献】 [1]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京: 机械工业出版社,2003. [2] 王义锋,金新民.对PWM整流器固定频率型电流 控制方法的改进[J].电源技术,2004(2):77-79. [3] MALESANI L,TENTI P.A novel hysteresis control method for current・-controlled voltage--source PWM in-- verters with constant modulation frequency[J].IEEE Trans Ind,1990,26(1):88-92. [4] 陈瑶,金新民,童亦斌,等.三相四线系统中三相电 压型PWM整流器控制策略[J].电工技术学报, 2007(7):64-68. (下转第39页) ・开关电源・ 低压电器(2010Ne15) 布更为相似,因此,一∞∞∞加∞如柏如∞m 0 对共模传导电流就有更好的抑 次侧与次级之间的共模电流,减少共模传导 制效果,测试结果如图14所示。 EMI。 【参考文献】 Keith Billings.开关电源手册[M].张占松,汪仁皇, 谢莉萍译.2版.北京:人民邮电出版社,2007. 王清洲.电磁屏蔽设计(一)[J].电子质量,2003 (5):58-59. HIRAKI E,TANAKA T,NAKAOKA M.Zero-voltage O15 IHz O 5 1 IHz 5 lOMHZ 3OMHz and zero—current soft—switching PWM Inverter[J]. EPE 2005 Dresden,ISBN:90-7 58115-08-5. 图l4变压器内部设置两层屏蔽铜箔的 KUISMAL M.Variable frequency switching in power 传导EMI测试结果 supply EMI—control:an overview aerospace and elec- 理论及试验结果均表明:在变压器中增加屏 tornic systems magazine[J].IEEE,2003(18):18- 蔽层,可以对共模传导EMI起抑制作用,尤以两 22. |i= ] ] ] ] 层铜箔的屏蔽效果最好。具体设计中,可根据电 朱方明,王宝瑛.开关电源的电磁干扰抑制技术 ] ][J].通信电源技术,2007,24(6):76-79. 源共模传导EMI的严重程度来选择相应的屏蔽 左琛,胡莹,常越.开关电源中电磁干扰的产生及 措施。 其抑制[J].电力电子技术.2007,41(1):78 ̄0. 由于各类变换器中产生共模传导EMI的机 CHEN Pingping,ZHONG Honghao,QIAN Zhaoming, 理是相同的,所以,上述共模传导干扰的模型和屏 et a1.The passive EMI cancellation of Y capacitor and 蔽层的设计方法同样适用于其他拓扑。 CM model of transformersused in switching mode power supplies[C]//2004 35th Annual IEEE Powerelectorn— 4 结 语 ics Specialists Conference,Aachen,Germany,2004: 由于开关电源输入、输出侧与大地之间存在 1076.1079. 着电位差的高频变化,是造成共模EMI的根本原 刘松.EMI及无Y电容手机从电器的设计[J].电子 设计应用,2007(9):112—115. 因。理论分析和试验结果表明,在一次绕组与二 BROWN M.开关电源设计指南[M].徐德鸿,沈旭, 次绕组之间设置屏蔽绕组或屏蔽铜箔,可以抑制 杨成林等译.2版.北京:机械工业出版社,2004. 收稿日期:2010—06—01 (上接第l4页) 滞环电流控制新策略[J].变频器世界,2009(4): [5] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业 39_41. 出版社,2000. 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