瞬态直接电流控制的脉冲整流器研究

徐钦炜，章文学，刘倩怡

0 引言

城市轨道交通牵引供电系统必须提供稳定的直流电压，无论机车运行在何种状态下，维持直流电压在允许的偏差范围内，同时，还要保证交流网侧的功率因数近似等于1。脉冲整流器由于其可控性，目前被广泛应用于功率因数校正、有源电力滤波器以及开关电源技术等领域中。将其作为城市轨道交通牵引供电系统网侧变流器，能够在提供稳定的直流电压的同时，解决机车对电网造成的谐波污染问题，保证交流网侧实现单位功率因数。在城市轨道交通大力发展的今天，对其牵引供电系统的研究具有广泛的现实意义。

本文通过单相电压型四象限脉冲整流器的工作原理，以及单相四象限脉冲整流器的主电路拓扑结构，给出其主电路等效模型，再根据等效模型以及定义的开关函数建立其数学模型；然后，分析以电压外环、电流内环为基础的瞬态直接电流控制策略。最后，基于Matlab/Simulink 软件对瞬态直接电流控制方式进行仿真研究，通过仿真结果对本文所述控制方式下的整流器动态响应速度、谐波大小、稳定性等方面性能进行分析，验证理论分析的结果，为进一步的研究提供依据。

1 脉冲整流器

理想的脉冲整流器不仅要使中间直流环节的电压保持恒定，还要使其交流侧的功率因数近似等于1，网侧获得一个近似正弦波的电流波形，减少对周围环境的电磁干扰。

图1 所示为单相两电平脉冲整流器的电路原理图，它主要由交流回路、功率开关桥和直流回路组成。变压器牵引绕组输出uN、绕组电阻RN和变压器漏电感LN组成了交流回路；中间支撑电容Cd和二次滤波环节L2、C2组成了直流回路。

阻抗角为

一般，把超前Uab的角度记为正，滞后Uab的角度记为负。

脉冲整流器一般在单位功率因数下工作，由于变压器的内阻远小于其电感，可以将内阻忽略不计（RN=0），则。脉冲整流器的相量平衡方程为

图1 单相两电平脉冲整流器电路原理图

2 瞬态电流控制

由式（3）可知，当ωLN已知而且确定的情况下，欲控制 IN˙ 的幅值和方向，只需通过开关器件控制 U˙ab的大小和方向。

根据整流器的工作原理和理想数学模型，采用瞬态电流控制对整流器进行控制，具体的数学公式如式（1）—式（7）。

式中，G2为比例系数；Id为中间直流回路电流；ω为交流侧电压角频率。

图2 为瞬态电流控制框图，可以看出，该控制系统需要反馈uN、iN、Ud3 个信号，通过测量网压，可以得到变压器二次侧输出电压uN。和实际输出直流电压Ud之差值ΔE 作为PI 控制器的输入量，经PI 控制器后则得到IN1，当直流电压Ud小于给定值Udg时，即ΔE 大于0，经过PI 调节后，电流输出增大，使输入功率变大，从而使直流电压Ud逼近给定值Udg；当直流电压大于给定值时，即ΔE 小于0，经过PI 调节后，电流输出减小，使输入功率变小，从而使直流电压逼近给定值。这就是电压外环控制，由上述分析可知，PI 调节的输出IN1反映了负载对功率的要求，保证了直流侧电压的恒定。参照式（5）和式（6），为减轻电压外环PI 控制器的负担，改善PI 控制器的动态响应，用直流侧输出功率除以二次侧牵引绕组的电压有效值来计算给定电流的有效分量IN2，并将它和IN1相加，共同作为交流电流幅值的给定值。可以认为，IN1为给定电流值的稳定分量，而IN2则是给定电流值的动态分量。

式（7）为瞬态电流内环控制器表达式，式中前两项为 uab(t)的稳态值，最后加了一项因式，这样就使系统具有更好的动态响应，对系统的参数变化能很快做出调整。

3 仿真结果

图2 瞬态电流控制框图

瞬态电流控制原理：利用直流电压给定值Udg

为研究四象限脉冲整流器的运行特性，验证瞬态直接电流控制算法的可行性，搭建了基于Matlab/Simulink 的仿真模型。模型的仿真参数：输入网侧电压220 V/50 Hz；额定直流电压400 V，额定功率8 000 W，负载增加时，功率16 000 W；额定负载20 Ω，负载突变后减为10 Ω；网侧电感5 mH；网侧电阻忽略不计；直流侧滤波电感0.84 mH，直流侧滤波电容 3 000 μF；仿真中，仿真步长0.000 1 s，采样频率5 000 Hz，开关频率1 000 Hz，载波比20。

四象限脉冲整流器启动过程网侧电压uN、电流iN波形和直流侧电压波形如图3、图4 所示。从仿真波形可以看出，网侧电压uN、电流iN的相位基本保持一致，电流、电压相位略有偏差，网侧电流iN经过约0.18 s 后变得稳定，直流侧电压Ud经过约0.4 s 的时间达到稳定状态，但有个明显的超调量，稳定后其脉动较小。

图3 启动时网侧电压和电流波形图

图4 启动时直流侧电压波形图

在t = 5 s 时，通过断路器，将仿真电路中的一个10 Ω电阻切除（即模拟负载突变），负载加大，由额定功率8 000 W 变为16 000 W，此时，可以看到网侧电压uN、电流iN波形和直流侧电压的Ud波形变化如图5，图6 所示。由图5 可以看出，网侧电流在发生负载突变0.16 s 后恢复稳定，且在过渡阶段并无大的波动，相位跟踪良好。由图6 可知，负载突变后，直流侧电压值Ud有波动，最低降至365 V 左右，最高升到405 V 左右，直流侧电压变化约0.4 s 后趋于稳定。

图5 负载突变网侧电压和电流波形图

图6 负载突变直流侧电压波形图

4 结论

本文利用软件Matlab/Simulink 对四象限脉冲整流器在瞬态直接电流控制下进行系统仿真，分别得到启动时，网侧电压、电流波和直流侧电压波形，以及在负载突变下网侧电压、电流和直流侧电压波形，并从相位一致性、动态响应速度、直流侧电压稳定性以及谐波4 个方面对控制方法进行分析，结果表明瞬态电流控制策略可以实现变流器直流侧电压的恒定和交流侧的单位功率因数，保证城轨牵引供电系统的稳定运行。

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