四象限级联型多电平变换器的PWM整流器控制 - 王剑-

1、第28卷第2期2009年4月电工电能新技术Advanced T echnology of E lectrical Engineering and EnergyV ol.28,N o.2April 2009收稿日期:2008210227作者简介:王剑(19792,男,湖南籍,博士生,研究方向为PW M 整流器在大容量电力电子变换器中的应用;李永东(19622,男,河北籍,教授博导,博士,研究方向为高性能大容量交流电机控制系统。四象限级联型多电平变换器的PWM 整流器控制王剑,李永东(清华大学电力系统国家重点实验室,北京100084摘要:分析了四象限级联型多电平变换器的功率单元中,H 桥逆变器输出

2、功率的脉动对PW M 整流器控制尤其是对其直流母线电压的影响。提出外环控制器为直流母线电压反馈与负载功率前馈相结合、内环电流控制为比例积分加谐振(PIR 调节器的PW M 整流器控制策略。实验表明该控制策略即使在直流母线电容容量很小时,仍然能得到较为稳定的直流母线电压,验证了控制策略的有效性。关键词:级联型多电平变换器;PW M 整流器;负载功率前馈;PIR 调节器中图分类号:T M46文献标识码:A 文章编号:100323076(2009022*1引言大容量多电平变频器在工业领域逐渐广泛应用1,2,其中最引人瞩目的是H 桥级联型变换器3。这种结构输入电流多重化,波形较好;输出使用载波移相PW

3、 M ,易于实现;无直流电容均压问题,是大容量变频调速比较理想的一种结构。将级联型变换器每个功率单元的二极管整流器替换为PW M 整流器426,实现每个功率单元的能量双向流动,也就实现了整个级联型变换器的四象限运行7,即快速制动和能量回馈。每个功率单元的PW M 整流器可以独立控制,对整个系统的控制复杂性影响并不大。由于对直流母线电压进行了控制,变换器使用PW M 整流器后,母线电容容量通常比使用二极管不控整流的变换器的电容小很多。每个功率单元都减少母线电容容量,使得整个多电平变换器能节省大量电容器,这对于降低变换器成本、提高可靠性有很重要的意义。但是功率单元的H 桥逆变器负载有其自身的特殊性

4、,减小电容的容量对PW M 整流器的控制提出了更高的要求。文献7根据功率单元输入输出功率的平衡关系,为PW M 整流器增加了负载功率前馈作为电流环的设定值,以期减小母线电容容量,但是由于使用PI 调节器的电流环带宽有限,电流并不能很好地跟踪设定值,致使母线电压波动仍然较大。本文根据功率单元的功率平衡关系,得到PW M 整流器的理想电流,在电压环上增加功率前馈,使电流指令值接近理想电流值;针对理想电流谐波成分的特点,采用比例积分加谐振电流调节器8,9,改善了电流环对电流指令的响应,在母线电容容量很小的情况下,仍然得到了较稳定的母线电压。2四象限运行的级联型变换器功率单元四象限级联型变换器的结构如

5、图1所示,逆变器的每一相输出都是由多个功率单元的输出串联而成,串联的功率单元数由负载电压等级决定。每个功率单元的结构完全相同,其主电路如图2所示,它与传统的功率单元的区别在于使用了PW M 整流器而不是二极管整流器,因此它可以实现对母线电压的控制10,还可以使能量双向流动。级联型变换器具有模块化的结构,控制变换器实际上就是控制各功率单元。其中H 桥逆变器可以按照常规的级联型变换器的控制方式,由主控制器实行集中控制10,本文不对其进行讨论。每个单元的输入侧PW M 整流器相对比较独立,可以分别独立控制,控制目标是给H 桥逆变器提供稳定的直流电压。具体控制方式采用电网电压定向控制5,11,根据负载

6、工作状况调节交流侧输入的功率,通过控制稳定直流母线电压。 图1四象限运行的级联型多电平变换器Fig.1F our 2quadrant cascaded multilevel converter图2功率单元主电路Fig.2Main circuit of power cell电网同步旋转坐标系下,如果忽略交流电抗器的电阻,并假定开关器件为理想开关,整流器交流侧电压方程为L d i dd t-Li q =E -u d Ld i qd t+Li d =-u q (1其中E 是整流器输入侧电压矢量的幅值。进一步假定电抗器储能变化可以忽略,可以得出整流器的功率平衡关系如下p s =32Ei d=u dc

7、i s (2由式(2可知,输入整流器直流侧的功率只与d 轴电流有关,而与q 轴电流无关。根据整流器的数学模型可以设计出适当的控制器。图3所示的电网电压定向控制是一种常见的双闭环控制策略,外环是直流母线电压环,内环是交流电流环,内外环控制器都是PI 调节器。对于常规的PW M 整流器应用场合,这种控制策略具有很好的效果。但是如果负载是H 桥逆变器,尤其在输出频率较高时,直流母线电压会有很大幅度的脉动,下面对此进行详细分析 。图3PW M 整流器电网电压定向控制策略Fig.3V oltage oriented control strategy for PW M rectifier3H 桥负载对PW

8、M 整流器控制的影响电力电子变换器在正常工作范围内的效率非常高,在分析系统控制策略时,通常假定其损耗可以忽略7。在这种情况下,H 桥逆变器交流侧和直流侧的功率平衡关系式为P L =u o i o =u dc i L(3在分析电力电子变换器的控制策略时,关注的主要是受控对象的基波特性,一般假设电压电流高次谐波可以忽略12,13。此时逆变器输出的电压和电流可以用平均模型分别表示为7u o =U om cos (o t (4i o =I om cos (o t -(5其中U om 和I om 分别为输出电压和电流的幅值,o 为输出的角频率,为负载的功率因数角。要保持功率单元的母线电压恒定,必须使p

9、S =p L ,即整流器的输入功率与逆变器的输出功率相等,由式(2和(3得到i d =2u o i o 3E(6将式(4和(5代入式(6,得到i d =U om I om3Ecos +cos (2o t -(7式(6和(7反映了理想情况下的d 轴电流瞬时值。由式(7可以看出,由于逆变器是由H 桥构成的,它的输出功率除了直流分量外,还含有2倍于输出电压频率o 的交流分量,因此整流器d 轴电流也必须包含直流分量和2o 频率分量,才能稳定24电工电能新技术第28卷住直流母线电压。这对于PW M 整流器的控制器外环和内环都将产生影响。首先,外环控制器的输出,即d 轴电流指令值将总是落后于理想值。这是因

10、为d 轴电流指令值必须在负载功率变化并导致直流母线电压变化后,才由直流母线电压调节器调节而改变,它必然滞后于负载功率变化。其次,即使外环控制器能产生理想的d 轴电流指令值,由于指令值i 3d 中含有2o 频率分量,内环PI 调节器对该交流分量也不能实现无静差的跟踪。而且在大容量设备中,由于开关频率较低,电流环的带宽很有限,在频率o 较高时,i d 与i 3d 之间会有很大的幅值和相位误差,跟随性能很差。总之,由于H 桥逆变器的特殊性,如果PW M 整流器仍然按照传统方式进行控制,那么内外环都与理想情况有较大误差,当逆变器输出频率较高时,功率单元的母线电压会有较大幅值的波动。4改进的PWM 整流

11、器控制策略改进的PW M 整流器控制策略如图 4所示。图4改进的PW M 整流器控制策略Fig.4Proposed control strategy for PW M rectifier为了使外环产生接近理想的有功电流指令值,在外环上增加了由负载功率决定的有功电流前馈,依据整流器输入功率与逆变器输出功率平衡的关系,可以得到整流器交流侧d 轴电流的指令值。将H 桥输出电压的指令值u 3o 与负载电流的采样值i o相乘,得到H 桥输出至负载的瞬时功率p L ,然后根据式(6计算出i 3d 。除了引入功率前馈,外环仍然保留了直流母线电压反馈,用以对直流母线电压值进行控制,补偿单元中主电路的损耗。电流

12、环有两个调节器,分别对d 轴电流和q 轴电流进行调节。q 轴电流的指令值为0,是一个直流量,因此可以用传统的PI 调节器进行调节。d 轴电流指令值含有交流成分,用PI 调节器对d 轴电流进行控制会有较大的幅值和相位误差。为了无静差地跟踪含有直流和2o 两种频率成分的电流指令,在d 轴电流环上用谐振(Res onant 调节器与PI 调节器并联,构成了PIR 调节器。下面以H 桥逆变器工作于45H z 时为例,说明PIR 调节器的作用。电流环的开环频率特性如图5所示。在谐振频率2o 处,开环幅频特性趋于无穷大,因此闭环系统对于频率为2o 的电流指令可以实现无静差跟踪。另外,R 调节器只对谐振频率

13、附近极小频段内的频率响应特性有较大影响,其余频率范围的频率响应主要由PI 调节器决定,可以对电流指令的直流分量实现无静差跟踪。图5电流环开环频率特性Fig.5Open 2loop frequency characteristic of current loop5实验结果在一个功率单元原型系统上对上述控制策略进行了实验验证。功率单元的整流桥和逆变桥都使用三菱公司的PM50RVA120型IPM 。控制器为TI 公司的T MS320F2812型DSP ,工作频率为150MH z 。实验系统的其它参数如表1所示。表1实验系统主要参数T ab.1Parameters of experiment syst

14、em PW M 整流器H 桥逆变器电网线电压380V 调制波频率45H z 交流电抗值511mH 开关频率2kH z开关频率2kH z直流母线负载电容值110F 电感20mH电压设定值620V电阻45图6所示为功率单元在传统控制方式下的实验结果,直流母线电压有约130V 的波动,直流母线电34第2期王剑,等:四象限级联型多电平变换器的PW M 整流器控制压波动造成逆变器输出电压的畸变,最终影响了负载电流,图中可以看到负载电流产生了明显的畸变。内环和外环都用PI 调节器进行调节,因为内环带宽远大于外环带宽,d 轴电流实际值较好地跟随了指令值 。图6传统控制方式实验波形Fig.6Experimen

15、tal waveforms of traditional control strategy 图7为改进控制方式的实验结果。外环负载功率前馈获得了合适的电流指令值,使用PIR 调节器的内环d 轴电流实际值较好地跟随了指令值。内环性能的提高使外环也实现了更好的控制效果,直流母线电压波动峰2峰值降低至约40V 。图7改进控制方式实验波形Fig.7Experimental waveforms of proposed control strategy6结论在四象限级联型多电平变换器中,功率单元的输入环节为三相PW M 整流器,输出环节为H 桥逆变器。本文分析了功率单元中的功率平衡关系,指出H 桥的脉动功

16、率对PW M 整流器内环和外环控制的影响,并提出改进的控制策略,即外环控制使用负载功率前馈与直流母线电压反馈结合,内环使用比例积分加谐振电流调节器。实验结果表明了上述控制策略的有效性,即使直流母线电容很小,也能得到较为平稳的母线电压。参考文献(References :1Lai J S ,Peng F Z.Multilevel converters 2a new breed ofpower converters J .IEEE T rans.on Industry Applications ,1996,32(3:5092517.2李永东,饶建业(Li Y ongdong ,Rao Jianye

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24、 strategy for the PWM rectifier in cascaded multilevel converterW ANGJian ,LI Y ong 2dong(Tsinghua University ,Beijing 100084,China Abstract :In power cells of the four 2quadrant cascaded multilevel converters ,the output power of H 2bridge inverters is pulsating ,which influences the control of the

25、 PW M rectifier ,especially on the DC 2link v oltage.A novel control strategy for the PW M rectifier is proposed in this paper.The outer loop controller is made up of the DC 2link feedback controllerand the load power feed forward controller.The inner loop current controller is a proportional 2integ

26、ral 2res onant (PIR regulator.Experimental results show that the DC 2link v oltage is well 2controlled even with a very small DC 2link capacitor ,which confirms the effectiveness of proposed control strategy.K ey w ords :cascaded multilevel converter ;PW M rectifier ;load power feed forward ;PIR reg

27、ulator(上接第36页,cont.from p.366丁立健(Ding Lijian .真空中绝缘子沿面预闪络和闪络现象的研究(S tudy on sur face pre 2flashover and flashover ofinsulators in vacuum D .北京:华北电力大学(Beijing :NCEPU ,2001.7M iller H C.Sur face flashover of insulators J .IEEE T rans.on E lectr Insul.,1989,24(5:7652786.8M iller H C.Flashover of insula

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29、 insulating materials in vacuumZHE NG Nan ,Y U K ai 2kun ,LI U G uo 2qing ,ZH ANG G uan 2jun(School of E lec.Eng.,State K ey Lab of E lec.Insulation &P ower Equipment ,X i an Jiaotong University ,X i an 710049,China Abstract :Under the high electric field ,discharge s ometimes occurs along the surface of s olid i