双变换式教学法在高压直流变换器中的应用

双变换式教学法在高压直流变换器中的应用

1cmp的数学模型传统的分离器采用二维非控制东正教或晶体通道相控制东正教，具有低负荷和低波形的缺点。相对于传统整流器,三相电压型PWM整流器可以减少输入电流谐波成分,提高功率因数,实现能量双向流动,因而在各领域的应用越来越广泛。目前来说,三相电压型PWM整流器的拓扑结构主要有四开关三相电压型PWM整流器、三相三桥臂电压型PWM整流器、分裂电容式三相电压型PWM整流器以及三相四桥臂电压型PWM整流器。其中三相三桥臂PWM整流器应用最为广泛,但是当电网某相故障时,由于拓扑结构的限制,三相三桥臂PWM整流器只能输出额定功率的1/3。而三相四线制的拓扑结构可以提供零序电流通道,因而使得非故障相可以继续正常工作,其故障时可以输出额定功率的2/3。而采用分裂电容式三相PWM整流器则需要更大容量的母线电容来抑制零序电流。因此,三相四桥臂PWM整流器具有较高的可靠性和控制灵活性,非常适用于双变换式UPS。本文主要针对无变压器双变换式UPS中前置三相四桥臂PWM整流器进行分析研究。当UPS带不平衡负载时,根据瞬时功率理论,母线电容则需要提供二次脉动功率。而由此导致的母线电压脉动则会影响整流器的控制回路,使得输入电流耦合上3次谐波。本文提出的滑动平均算法可以有效地滤除母线电压2次脉动,减小其对控制回路的影响。本文在abc坐标系下建立了三相四桥臂PWM整流器的数学模型。为了有效抑制公共桥臂电流的影响,本文采用的是外环和内环双比例积分(PI)控制器的直接电流控制方法。实验验证了本文提出的控制策略正确、有效。2电流幅值指令双变换式UPS的主电路拓扑结构如图1所示。UPS包括整流部分和逆变部分,其中有一个公共桥臂用于调节N点电位。当整流器某一相输入故障或者逆变器所带负载不平衡时,由此产生的零序电流都可以流过公共桥臂。该拓扑结构具有较高的可靠性和容错性,工作效率高,非常适合于大功率UPS设备。UPS通过前端整流器从电网吸收功率,后端逆变器则将功率输出给负载。当吸收功率和输出功率平衡时,母线电容主要起到缓冲作用。为了更方便地分析功率流动,这里忽略系统中存在的谐波,仅考虑基波分量。UPS吸收和输出的瞬时有功功率分别为由于电压和电流都可能存在各种相序的分量,各种相序分量相乘得到的瞬时有功功率不尽相同。表1给出了不同相序组合得到的瞬时有功功率。表中,Vx(x=+,-,0)为不同相序的电压幅值,Ix(x=+,-,0)为不同相序的电流幅值。φvx(x=+,-,0)为不同相序的电压相位,φix(x=+,-,0)为不同相序的电流相位。从表1中可以发现,零序分量并不与其他相序分量产生瞬时有功功率,只与零序分量产生含有平均功率和2次脉动功率的瞬时有功功率。而对于正序和负序分量,对于相同相序的分量会产生恒定功率,而对于不同相序的分量会产生2次脉动功率。正常情况下,PWM整流器会调节三相输入电流使之平衡并且每相功率因数为1。假如三相电网电压平衡,根据式(1)可以得到整流器从电网侧吸收的是平均功率。假如此时逆变器带平衡负载,那同样的道理可以得到逆变器给负载提供的也是平均功率。那就是说整流器和逆变器之间达到功率平衡,而此时母线电容不需要参与功率传输,只是充当缓冲级,母线电压保持稳定。但是,在负载不平衡时,逆变器给负载提供的就不是平均功率,而是包含有平均功率(p)和2次脉动功率(p(4))的瞬时有功功率。为了保证UPS的吸收和输出功率平衡,整流器依然提供平均功率,而2次脉动功率则由母线电容来提供。这样的功率流动方式可以不改变整流器的控制策略,此时母线电容需要选取稍大来抑制2次脉动,避免脉动电压过大使得母线电压低于逆变器维持正常工作所需要的最低电压。但是即使较小的2次脉动电压也会对控制器造成严重影响。由于采用的是双环控制策略,外环PI控制器难以在两倍于基波频率处提供足够大的增益,因此电流幅值指令会含有2次脉动分量,使得输入电流上产生3次脉动分量,而3次脉动电流又与电网电压产生4次脉动功率,因而母线电容也会产生4次脉动。因此,如果不能够有效消除母线电压反馈中的2次脉动分量,这样会使得输入电流上低次谐波成分加大,严重影响整流器的性能。由于2次脉动分量幅值较小,而且数字低通滤波器只能衰减脉动分量而不能做到完全消除,并且会影响到其他频带的信号,对控制器会产生较大影响。考虑到在功率平衡时,2次脉动分量的幅值基本保持恒定。因此本文是通过滑动平均的算法来有效滤除2次脉动分量,易于实现。并且该算法在母线电压没有2次脉动时,即负载平衡时,也基本不会对母线电压采样造成影响。图2a所示为负载不平衡时,未加滤波算法的整流器输入电流波形,其中母线电压脉动为±0.5V。电流波形有明显的畸变,低次谐波影响较大。图2b所示为负载不平衡时,加入滤波算法后整流器输入电流波形。电流波形质量和未加滤波算法时有了明显的改善,证明该算法正确、有效。由于电感偏小,在输入电流基波幅值偏小时会存在着比较明显的开关频率的纹波。3公共桥臂的调制如图1所示,由于公共桥臂的引入,可以调节母线电容中点与N点的相对电位,使得调制方式更加灵活。而公共桥臂既参与了整流部分的调制,同时也参与了逆变部分的调制。因此,公共桥臂的调制需要综合考虑。四桥臂变换器常采用零序分量注入的正弦脉宽调制,由三相调制波计算得到第四桥臂的调制波。本文中公共桥臂为整流器和逆变器共用,根据四桥臂变换器的调制思路,公共桥臂的调制波需要根据整流器和逆变器的三相调制波共同计算得到,其表达式如下:式中,V*raf,V*rbf,V*rcf为整流器三相输入调制波;V*iaf,V*ibf,V*icf为逆变器三相输出调制波。则整流器三个桥臂的调制波为逆变器三个桥臂的调制波为4四桥臂流补偿器方案的分析4.1桥臂开关函数三相四桥臂PWM整流器如图1所示。忽略开关损耗等非理想因素,根据图1所示三相四桥臂整流器的拓扑结构(暂时忽略逆变器部分),由基尔霍夫电压、电流定理,可以得到以下等式:式中,Sa*、Sb*、Sc*、Sn*为四个桥臂的开关函数。S*=1,代表对应的桥臂上管导通,下管截止;S*=0,代表对应的桥臂下管导通,上管截止。由于整流器和逆变器共用一个桥臂,如果建模时将公共桥臂电流分解为整流电流和逆变电流之和,那么整流器数学模型中会含有逆变器的变量,使得控制器的设计难度加大。因此,为了简化控制器设计,本文不对公共桥臂上的电流进行分解。将公共桥臂电流当成一个独立的变量,那么三相电流可以单独控制。控制的目的就是在保证整流器控制稳定性的基础上,尽可能的减小公共桥臂电流对整流器的影响。该控制方法简单有效,更适合于本文中的四桥臂整流器。4.2pi控制器参数设计实用化的整流器多采用直接电流控制,其中母线电压外环电感电流内环的双闭环控制器最为常见。图3所示为四桥臂整流器某一相的电流内环控制框图。其中Kp表示为内环PI控制器的比例系数,Ki表示为积分系数,Kpwm表示各桥臂输出电压与调制波之比,Ts表示采样周期,Kif表示采样通路比例,Tif表示采样延时,L表示整流器交流滤波电感,R表示交流滤波电感寄生电阻。R(s)表示为内环电流指令值。C(s)表示为系统输出,其表达式为一般来说,电流内环PI参数可以根据二阶最佳整定法求得。但是对于本文中的三相四桥臂PWM整流器,由于公共桥臂电流扰动的存在,控制器参数设计时需要尽可能的使校正后的系统在基波频率处能提供较大增益。根据PI控制器的频率特性可以得到,其转折频率越高,校正后的系统在基波频率处就能提供更大的增益,但是稳定系统需要满足系统的最小相角裕度为45°,转折频率过高会使得截止频率大大降低,反而造成增益下降。考虑到PI控制器会在其转折频率处有45°的相角提升,因此最大转折频率定为开环系统相角为-90°的频率是比较合适的。确定了转折频率后就可以调整PI增益以确定最大截止频率。4.3主带开环等效传递函数为了便于外环PI控制器设计,将每相电流内环等效为一阶惯性环节,其等效传递函数为式中,Ti为内环截止频率的倒数。当整流器正常工作时要满足电压电流同相,忽略电感上的压降,可以近似认为三相开关函数与电流指令同相位,因此将三相电流内环简化后得到的电压外环系统开环等效传递函数为式中,K=3MKui/4C;tu=Kup/Kui;Kup、Kui是外环PI控制器系数;M为调制比。式(8)是一个典型II型系统,按照振荡指标法可以设计出控制器系数。中频宽度与变量之间的关系如下:综合考虑系统超调和响应速度,中频宽度h通常选择在3~10之间。确定中频宽度h后,可以根据式(9)求出电压外环比例和积分系数。5整流器控制器测试本控制方案在一台基于TMS320F2812控制系统的双变换式UPS实验装置上得到了验证。实验装置参数见表2。图4a所示为负载平衡时且为额定功率时四桥臂整流器输入电流波形,波形质量良好,正弦度很高。图4b所示为母线电压波形,母线电压稳定。证明本文所设计的双环PI控制器性能良好,满足四桥臂整流器的控制要求。图5所示为当UPS的C相输入故障时,其余两相不受其影响,输入电流波形质量良好且功率因数为1。因此UPS输出功率仍然可以达到2kW,与前面的推导一致。图6a所示为负载不平衡时,四桥臂整流器输入电流波形,其中逆变器侧只有一相带1kW负载且其余两相空载。图6b表明母线电压存在着±0.6V的2次电压波动。三相输入电流基本平衡,证明本文提出的控制方案可以有效滤除母线电压反馈中的2次脉动分量,减弱其对输入电流的影响,使得整流器吸收功率接近恒定。但是由于采样精度以及谐波的影响,滤波算法不可能完全滤除2次脉动分量,因此三相输入电流THD会稍微偏大。由于实验装置前端接调压器降压,调压器本身会减小电流纹波,因此和图2b中的仿真波形相比,实验波形中的开关纹波相对较小。6双环pi控制器通过分析双变换式UPS的功率流动发现,当负载不平衡时,UPS需要提供平均功率和2次脉动功率。为了