基于双闭环控制的单向整流器研究

张金瑞，李 萍，李明月，高 莹

(北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192)



基于双闭环控制的单向整流器研究

张金瑞，李 萍，李明月，高 莹

(北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192)

摘要：研究三相单开关BOOST整流器与单向整流器并联构成的混合整流器控制方法。分析了混合整流器拓扑结构及工作机理，采用电压、电流双闭环控制策略，电压外环控制混合整流器直流侧母线输出电压具有良好的动态与稳态性能，电流内环控制交流侧输入电流波形正弦化，使混合整流器系统的功率因数为1。通过仿真实验证明了系统控制策略的可行、有效。

关键词：三相整流器；控制策略；功率因数；畸变率

1引言

整流器是民用与工业领域中常见的电气装置，整流器的电路结构有二极管不控整流、晶闸管相控整流，这种电路结构简单、成本低廉、输出效率高，但会向电网注入大量的谐波，影响电网电能质量[1]，通常会附加无源滤波器进行滤波，可这种措施往往不能满足预期要求。从电能质量角度考虑，PWM整流器具有低谐波畸变率和高功率因数，但其成本高、可靠性低、输出效率低等特点[4]。目前研究整流器在追求单位功率因数、低谐波畸变率的同时，还要适用于中、高压电气等级，电路结构简洁、体积小、重量轻、低成本、高功率密度。将三相二极管不控整流串接对称BOOST电路即三相单开关整流器(Single Switch Three-Phase Rectifier，SSTPR)和三相单向PWM整流电路在直流母线与电网间简单并联[2～4]。这种混合整流器既可以实现不控整流的低频运行、承载较大功率的功能，又可以调节PWM整流器工作于高频、低功率状态下[4]，集中体现了两种整流器的优点：鲁棒性、简洁性、高效性、高功率密度。本文的研究混合整流器工作原理的基础上，重点阐述电压电流双闭环控制方法，满足直流侧输出电压动态性能、稳态精度，及交流侧电流跟踪控制精度。通过搭建三相三电平混合整流器系统仿真模型，验证了控制策略的可行性，电网电流畸变率及功率因数显著提高。

2混合整流器工作原理

三相单向混合整流器拓扑结构有多种包括VIENNA三开关型[2]、VIENNA六开关型、T型等。本文研究以六开关型为主，如图1所示。由两类整流器在直流母线电容与三相电网间并联而成，分别为三相单开关BOOST整流器和三相单向PWM整流器电路。直流母线串联的两对称电容中点电位为三电平单向PWM整流器中点电位。

图1混合整流器电路构成示意图(以VIENNA六开关为例)

三相单开关BOOST整流器中的升压开关管主要负责直流母线电压的控制及该整流器输入电流波形控制。开关管导通时，直流母线上两个电感充电，负载电压、电流主要由输出电容放电提供；当开关管断开时，输出端电容充电，并提供负载电压、电流。在一个开关周期中，电容充电电量大于电容放电电量时，输出电压会升高；当电容充、放电电量相同时，输出电压稳定。

单向PWM整流器主要用于控制整流器输入电流大小、方向，每一相可以视为关于直流侧中点对称的BOOST电路，上桥臂工作在电源电压为正半周，下桥臂工作在电源电压为负半周。以图2中混合整流器并联VIENNA六开关整流器a相为例，阐述其工作原理，其工作模态如图2所示。当电网电压ua为正时，若此时交流侧电感电流小于给定电流时，控制a相上桥臂开关管导通，如图2(a)所示；若大于给定电流，a相上桥臂开关管关断，图2(b)所示；当电网电压ua为负时，若交流侧电感电流小于给定电流时，控制a相下桥臂开关管关断，图2(c)所示，若大于给定电流，开关管导通图2(d)所示。通过调节开关管的通断及占空比，控制电流跟踪给定电流的变化。与单开关BOOST整流电路并联的VIENNA型、T型整流电路工作原理类似。

图2三电平单向PWM整流器工作模态(以三电平VIENNA六开管整流器为例)

3混合整流器控制方法

从电路结构分析中我们知道，混合整流器直流母线电压主要由三相单开关BOOST整流器中的功率开关管控制。而并联的三相单向PWM电路以利用直流侧电压控制网侧电流波形，其工作中会影响直流母线电容电压大小，及三电平电路结构中上、下端电容电压的平衡。考虑到直流母线电压的动态响应性能、稳定性及稳压精度等方面的要求，采用双闭环即电压外环和电流内环的控制方法，设计了电流内环滞环跟踪控制；电压外环PI控制方式[5]，电压外环控制量作为电流内环给定量。双闭环控制不但可提高输出电压的抗扰性，还可调整两种并联整流器输出功率的比例关系。双闭环控制结构框图如图3所示。

混合整流器中并联的三相单向PWM整流器，输出电压有三种电位+Vdc/2、零、-Vdc/2，可定义为电压输出状态“1”，“0”，“-1”，代表了输出电压为直流母线的正极、中点、负极，三相电压状态量按相序组合表示为电压矢量。每一相输出的电位由该开关管状态决定。对于某一相桥臂而言，开关S导通，整流器输出电压钳位于直流母线中点；当开关S关断时，输出电压为直流母线+Vdc/2或-Vdc/2，具体是正电压还是负电压取决于电流方向。

滞环跟踪控制是非线性控制方法，当电流偏差超越+h或-h时，其中h为滞环宽度，功率开关管按照一定的逻辑关系进行切换，强迫电流误差减小，达到跟踪指令电流的效果。环宽h选取需权衡电感及开关频率，h越小，开关频率越高，电流跟踪精度越高，但往往受到功率开关频率限制而不能过高。针对单向PWM整流器电流控制采用滞环跟踪比较方法，当电流方向不同时，滞环比较器开关逻辑也不一样，功率开关工作逻辑为：

(1)

针对三相单开关BOOST整流器电流控制时，滞环比较器开关逻辑为：

(2)

4仿真实验结果

为了证明混合整流器控制方法的可行性，在Matlab/Simulink仿真环境下，搭建了VIENNA六开关型三电平混合整流器拓扑结构的电路模型，并加入控制算法，对系统进行了仿真。仿真参数为：电源线电压为，直流母线电压输出，直流母线串联电容C1=C2=4700uF，单向PWM整流输入端电感L=2.6mH，单开关三相整流器中串接电感Lb=0.5mH，开关频率fpwm=50k，最大输出功率Pmax=10kW。

图4为混合整流器输出直流电压动态与稳态波形，动态响应时间为0.03 s，稳态精度为5‰。混合整流器三相单开关BOOST整流器波形图5，及三电平单向PWM 整流器电流控制波形如图6。图7为混合整流器中两种并联整流器输出波形的匹配关系，这样的匹配关系合成出的电流波形如图8所示，畸变率较低的正弦电流。图9为对图8波形的谐波电流进行FFT分析与畸变率测试结果，畸变率为2.1%。混合整流器电压电流同相位、同频率，为单位功率因数，如图10所示。

图9混合整流器电网电流FFT谐波分析结果

6结语

本文分析了混合整流器电路结构，对两种并联整流器在整个系统中所起的作用、功能进行了分析，并针对各功能的实现提出了控制策略。提出了采用电压外环和电流内环的双闭环控制方法，实现了直流母线电压控制及交流侧输入电流波形正弦化的目标。通过Matlab/Simulink仿真平台搭建了混合整流器控制系统模型，仿真结果证明了混合整流器控制系统具有良好的动态性能和稳态性能，网侧电流畸变率显著降低，实现单位功率因数，直流母线输出电压纹波小的特点。

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，2003：112～133．

[2]Kolar J W，Zach F C．A novel three-phase three-switchthree-level PWM rectifier[R].Nagaoka：IEEE Proceeding PowerConversion Conference，1994:125～138．

[3]Kolar J W，Zach F C．A novel three-phase utility inter-face minimizing line current harmonics ofhigh-powertelecommunications rectifier modules[J]．IEEETransaction on Industrial Electronics，1997，44(4)：456～467．

[4]T.B.Soeiro，J.W.Kolar.Analysis of high-efficiencythree-phase two-and three-level unidirectional hybrid rectifiers[J].IEEE Trans：Ind.Electron,2013(60)：3589～3601.

[5]陈息坤,康勇,陈坚.新型BOOST拓扑结构及其控制策略研究[J].开关电源技术,2007(2):7～11.

Study on Unilateral Rectifier Based on Double-loop Control

Zhang Jinrui,Li Ping,Li Mingyue,Gao Ying

(CollegeofAutomation,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100192,China)

Abstract:This article presents the control schemes of the hybrid rectifiers which assembled by the parallel connection ofa three-phase single-switchBOOST rectifier and aunilateral rectifier.Through the analysis of the topological structure and working mechanism of hybrid rectifier systems and the adoption of control strategy of voltage and current double close-loop,theoutput voltage from side bus of hybrid rectifier controlledby voltage loop has good dynamic and steady-state performance.Current inner-loop controls the waveform of AC-side input current and makes it as sinusoidal wave,which make power factor of Hybrid rectifier system to be 1.Through the simulation experiment,the article proves that the feasibility and effectiveness of the system control strategy.

Key words:three-phase rectifier;control strategy;power factor;distortion factor

文章编号：1674-9944(2016)02-0172-04

中图分类号：TM461

文献标识码：A

通讯作者：李萍(1971—)，女，北京人，高级实验师，主要从事电力电子装置及高性能整流、逆变技术研究。

作者简介：张金瑞(1995—)，男，北京人，北京信息科技大学自动化学院大学生。

收稿日期：2015-12-02

资金项目：北京市教委PXM2015_014224_000050本科生培养-大学生科研训练(市级)项目