基于PWM和12脉冲整流技术的4kV电压直流电源

王归新,方鑫，叶莎

(新能源微电网湖北省协同创新中心(三峡大学)，湖北 宜昌 443002)

基于PWM和12脉冲整流技术的4kV电压直流电源

王归新,方鑫，叶莎

(新能源微电网湖北省协同创新中心(三峡大学)，湖北 宜昌 443002)

本文结合PWM和12脉冲整流技术，设计了一种结构新颖，具有启动迅速、动态调节能力快、稳态误差小、适用于功率较大场所、电压连续可调的4000V高压直流电源。在 Matlab/Simulink仿真软件中搭建了系统仿真模型，并分析了该直流电源在输入电压及负载变化时，输出电压能够快速响应。通过实验研制出样机证明了该方法正确性。

高压直流电源;PWM技术;12脉冲整流

1 引言

由于高压直流电源具有体积小、效率高、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短等特点已在耐压实验、静电除尘、核辐射探测仪器、医疗设备、冶金、直流馈电中广泛等方面应用[1-3]。以前的高压直流电源是将交流三相电先经过工频高压变压器升压，然后经晶闸管整流滤波，最后得到高压直流电。它的主要特点是电路简单。但在控制角较小时，会使输入功率因数降低，输入电流会产生大量低次谐波[4]，而且输出电压震荡周期长，难于实现快速调节，并且在输出纹波、电源精度以及稳定性也很难满足现实要求。

本文提出了一种由基于PWM控制的交流斩波器、 12 脉波整流器和输出滤波电路组成基于新型结构的高压直流电源，在0～4kV 的电压范围内可以实现连续可调。如图1所示，所用到的三相高频 PWM 交流斩波器能快速调节输出电压，输入功率因数高，输入电流及输出电压低频谐波小，而低通滤波器可有效地滤除高频谐波。由升压移相变压器和两个六脉波不可控整流桥组成的 12 脉波整流器，能消除 5 次、 7 次低频谐波，滤波后输出稳定的高压直流。

图1 新型高压直流电源系统框图

2 主电路原理分析

图2为新型高压直流电源的主电路图。其工作原理为：三相市电经Buck型PWM交流斩波变换后，通过小容量LC滤波器滤除高频谐波，然后输出交流到整流变压器T的原边。T是连接形式为Δ/Δ/Y的升压变压器，设置合适的变比使得变压器T两阀侧绕组得到大小相等、相位相差30°的高压交流，分别作为两个三相整流桥的网侧输入，这两个整流桥的输出串联，最后滤波输出高压直流。该电源系统使用工频升压移相变压器和不可控整流桥组成的12脉波整流，其技术相对成熟，工作可靠性高；而且AC/AC斩波器的功率器件运行环境好，只要通过调节交流PWM变换器的导通占空比，就可改变升压变压器原边电压，从而达到控制直流输出的目的。

图2 新型高压直流电源主电路图

2.1 三相PWM交流变换电路分析

由于三相PWM交流调压电路的每相都可等效为一个单相交流变换电路，因此其工作原理与单相电路相似[5]。如图3所示，为降压式三相PWM交流斩波调压电路结构，Q1和Q4、Q2和Q5、Q3和Q6为三对全控功率开关。由于三相电压线性相关，只存在两个独立变量，因此采取在一个时刻对其中两相斩波控制，而另一相保持导通，这样可比对三管同时斩波控制方式减小1/3的开关损耗。每相电压的大小关系决定了每对功率开关的工作方式。具体地，电压最小相的一对开关保持导通，其它两对开关以某一占空比进行PWM调制。如当B相电压最低时，让Q2、Q5持续导通，而对Q1和Q4、Q3和Q6分别进行互补的高频PWM控制，这样得到与输入正弦电压同相等幅的一系列等宽的脉冲电压输出。L1与C4、L2与C5、L3和C6分别组成三个LC低通滤波器，他们共同作用，有效滤除开关的高频谐波。

假设输入三相电压为理想对称电源，则可表示为：

(1)

其中Um为相电压峰值，ω=2πf为电网电压基波角频率，f为电网电压额定频率。

图3 降压式三相PWM交流变换电路

则输出相电压基波也三相对称：

(2)

其中uoa、uob、uoc为三相PWM交流斩波器的输出相电压基波，D为占空比。

2.2 十二脉波整流电路原理

十二脉波整流是常用的多重化整流技术，把两个结构相同的6脉波整流电路按某种规律通过组合而实现。这种结构可以降低交流输入侧的电流谐波、提高输出电压的质量[6]。图4为串联2重联接的12脉波整流电路原理图。W1和W2是两个6脉波的不可控整流全桥，T为三绕组整流变压器，二次一绕组a1、b1、c1采用Δ型联结，而另一绕组a2、b2、c2采用Y型联结。采用合适的联结组，让这两个三相交流电源间相位错开30°，使两个整流桥的输出电压相互叠加，从而得到在每个交流周期内脉动12次的直流输出[7]。为了保证接入两组整流桥的交流电压相等，两绕组的线电压必须大小相等，这就需要星形联结绕组的相电压为三角联结的0.577倍，因此。变压器T的两个二次绕组a1/a2的匝比为1∶0.577。

图4 12脉波整流电路原理图

图5为12脉波整流器输入输出的仿真波形图。容易看出，输出电压由两组6脉波波形叠加而成12脉波，在一个交流周期内重复12次，因此计算输出电压只需对一个脉波进行计算。以原边相电压交点(线电压的过零点)为坐标的原点，于是可以得出当整流输出连续时的直流电压平均值为：

图5 12脉波整流的输入与输出波形

(3) 其中Ue为移相整流变压器副边线电压的有效值。

通过傅里叶分析可知，两个6脉波整流电路串联而成的12脉波整流电路的输入电流因为两个大小相等、相位相差30°的副边电流相互抵消，而仅含12k±1次谐波，输出直流电压中也仅含12k次交流成分，且幅值都随着频率升高而降低。

3 控制系统设计

3.1 系统控制策略

本高压直流系统的控制原理图如图6中。对输出高压直流通过霍尔传感器采样，作为电压反馈，与设定的基准值比较，误差值经PI调节器输出，再与高频三角载波比较得到高频脉冲。由于在1/3个工频周期内总有一对开关管保持导通，因此可通过过零检测和逻辑门来实现PWM波的分配。此处以A相电压最低来说明该逻辑电路脉冲分配的实现。三路相电压分别经过零比较器后，得到3路与线电压同步的工频方波信号Sab、Sbc、Sca。A相电压低于B相电压所以Sab为低，该信号经过反向器后再和信号Sca相与，同时由于A相电压最低，Sca为也高，那么Ta就为高，g1、g4都为高，因此与A相相连的IGBT(Q1和Q4)保持导通。同样的道理，B相电压最低时，Q2和Q5保持导通、C 相电压最低时，Q3和Q6保持导通，这样就实现了PWM波的正确分配。由于PI调节器的存在，即使当负载变化或者输入电压变化，PWM脉宽也能够迅速随之快速调节，从而改变输出直流电压，使得输出无差地跟踪给定，保证高质量的稳定高压直流[8]。

图6 控制系统原理图

3.2 主程序流程设计

本电源系统的主程序软件流程如图7所示。首先完成一系列的初始化，包括系统时钟和外设时钟设置、电源管理设置、嵌套中断向量优先级初始化、外部中断初始化和通用输入输出端口配置、系统外设(定时器、模数转换器、DMA以及通讯接口)初始化和液晶显示初始化。然后进入数据采集子程序，A/D转换器对各个模拟信号循环完成多次采集，以求取平均值提高精度，采集完成启动DMA中断，直接将数据存储。PI算法程序将采集到的输出电压的数字量与设定值相减，增量式PI运算后进入PWM控制子程序。高级定时器采用边沿向上计数方式，产生锯齿波，PI子程序所得的数据送入计数寄存器和自动载入寄存器，与锯齿波比较输出占空比可调的PWM信号，这样便完成了一次调节。程序再次回到数据采集子程序，进行下一次的调节，因此实际输出直流电压总能快速、稳定地跟踪给定。

图7 主程序软件流程

4 仿真与实验分析

4.1 系统仿真分析

根据前文的系统原理以及主电路参数的设计，在MATLAB/Simulink中搭建了基于PWM交流变换和12脉波整流技术的4000V高压直流电源系统的仿真模型，如图8所示。仿真参数设置为：输入电源三相对称，线电压Ui=380V，频率f=50Hz，6只IGBT模块组成三相Buck型电路，输入滤波电感为0.5mH，滤波电容为20uF，交流输出滤波器电容30uF，电感0.5mH，三绕组变压器变比为380V/1750V/1750V，直流输出滤波器的电感L=25mH，电容C1=C2=100μF，均压电阻R1=R2=10kΩ。

图8 系统Simulink仿真模型

4.2 稳态性能分析

负载取R=400Ω，此时输出最大功率。如图9为系统稳态时输入电压ui、电流ii、和输出电压波形Ud。可以看出，输出电压稳定在4000V，利用平均值计算模块可得输出平均电压为3997V。在示波器内放大Y轴，发现输出直流的脉动峰峰值为10V，在合理的范围内。而且输入电流接近正弦，经傅里叶分析有THD=4.71%，其中11和13次谐波电流最大，利用有功/无功测量模块以及数学计算模块测得功率因数约为0.98。该仿真结果表明，额定负载时，本系统的稳态性能良好。

图9 稳态输入电压、电流和输出电压波形

4.3 动态性能仿真

动态性能的仿真包括系统在开机仿真、负载变动和输入电压波动情况下系统的调节性能。闭环仿真中，利用前文所述的控制策略，采用了数字PI控制器，比例、积分系数分别设为10、100。

4.3.1 系统启动仿真

系统满载启动的仿真波形如图10所示。可见，输出电压上升迅速，在10个工频周波内上升到了大约3970V，15个周波后稳定在额定值，性能良好。

图10 系统启动过程的输出波形

4.3.2 负载调节仿真

本仿真包括两个过程：负载从满载到半载和从半载到满载。输出电压仿真波形如图11所示。在4s前系统稳定在4000V，4s这个时刻负载由半载变为满载，输出电压产生瞬间向下电压冲击，幅度小于200V左右，之后电压迅速上调，在0.2s内输出电压重新回到额定值。在7s时，负载由满载变为半载，此时也有瞬间电压尖峰，之后迅速稳定在4020V，存在小幅误差，而在0.8s后输出电压调整额定输出电压。可见，负载变化时，系统反应较快，稳定性好。

图11 负载变动时的直流输出波形

4.3.3 输入电压变化仿真

该部分保持满载不变，而考虑输入电压波动±10%时，系统的动态性能，波形如图12所示。如图(a)所示，在3s时，电压跌落10%，此时输出下降大约300V，在接下来的0.5s内回升到额定电压，稳定在4kV。同样，图(b)显示在3s时刻，输入电压上升10%，输出电压上升200V，半秒后回到额定电压。因此，系统对输入电压改变的响应迅速。

图12 输入交流电压波动时的直流输出波形

5 实验结果

基于上述仿真，搭建了实验电路。图13给出了三相PWM信号的的分区图，可见，在每个工频周期被分为三个区间，每个区间内总有一相的两只开关保持导通，而另外两对IGBT进行高频通断控制，互补管的驱动信号死区时间的设置保证了电路的安全运行。

图13 3对IGBT的PWM信号分区

图14为满载(40kW电阻负载)情况下，直流输出电压及高压霍尔的输出波形。2通道为高压探头测得的输出直流电压波形，每格为1kV，可见输出稳定在4000V；3通道为高压霍尔输出波形，此时在主电路输出为额定电压时，正好对应电压霍尔的5V额定电压值，测量准确。

图14 高压霍尔输出及电源输出电压波形

6 总结

本文提出的新型结构高压直流4000V电源的仿真分析和实验波形结果表明:该高压直流电源稳态误差小，启动迅速，动态调节能力快，稳定性好，能够满足现实的应用需求，具有广阔的应用前景。

[1] 廖平，陈峰，马洪秋.基于 ATmega16 的智能数控高压直流电源的设计[J].高电压技术，2008,34(4):734-738.

[2] 冀飞，王顺喜.高压直流电源技术的发展现状及应用[J].高压电器，2004(8):34-35.

[3] 徐政.含多个直流换流站的电力系统中交直流相互作用特性综述[J].电网技术，1998,22(2):16-19.

[4] 廖平，陈峰，马洪秋.基于ATmega16的智能数控高压直流电源的设计[J].高电压技术，2008,34(4):734-738.

[5] 党媚.三相电压型PWM整流器设计[J].中国科技信息，2010,(17)：122-123.

[6] 方柳，何伊妮，阳丽.整流装置谐波抑制方法[J].电气开关,2010,48(3):5-7.

[7] 黄耿国.UPS谐波治理[J].电源世界,2009,(9):42-49

[8] 姚为正，张国菊，何青莲.15kV高压直流电源的研制[J].电力电子技术，2010，44(12)：65-66.

A Kind of 4kV Voltage DC Power Supply Based on PWM and 12 Pulse Rectifier Technology

WANGGui-xin,FANGXin,YESha

(Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid,China Three Gorges University 443002,China)

Combined the technology of PWM and 12 pulse rectifier,this paper designs a novel structure of 4000V high-voltage DC power supply,which has the characteristics of quick start,fast dynamic adjustment ability,small steady-state error,being applicable to the larger power sites,and continuous adjustable voltage.A system simulation model is built in Matlab/Simulink simulation software,and analyses the output voltage can response quickly while the input voltage and load changes.Through the experiment a prototype is developed to verify the method correctness.

4000V high-voltage DC power;PWM technology;12 pulse rectifier

1004-289X(2016)05-0047-05

TM72

B

2015-06-29

王归新(1961-)，男，湖北黄梅人，博士，副教授，究方向为电力变换技术; 方 鑫(1990-)，男，湖北英山人，硕士研究生，研究向为电力电子在电力系统中的应用; 叶 莎(1992-)，女，湖北浠水人，硕士研究生，研方向为新能源电力变换技术。