一种隔离式三相全控型电子电力调压电源

黄 京,高仕红，马紫琬，陈 谦，董岳昆

(湖北民族大学 智能科学与工程学院,湖北 恩施 445000)

现阶段用于实验教学的调压设备多为机械式手动调压电源，且多为自耦变压器[1].常见的自耦变压器如TSGC2型三相调压器，输入电压380 V和输出电压0～430 V可调，该类型变压器因其结构简单、成本低、性价比高而被广泛应用于不需要电气隔离的场合.机械式手动调压电源通过调节碳刷位置来改变输出电压的大小，然而碳刷长期使用后会出现磨损、老化、接触不良等问题，从而导致输出三相电压严重不对称.因此，需研究一种新型交流调压电源解决上述问题.

现有的交流调压电源主要分为晶闸管相控调压和交流斩波调压两大类.姜兆庆等[2]对晶闸管交流调压电路进行了研究，该控制电路简单并且功率容量较大，然而随着晶闸管导通角增大，电路的功率因数下降；并且该电路只能工作于降压模式，输出电压范围受限.Asabin等[3]对晶闸管调压电路的控制算法进行了归纳与总结，但仍未能解决输出电压范围受限这一问题.李玉东等[4]对斩控式交流调压电路进行了梳理与总结，与晶闸管相控调压相比交流斩波调压功率因数更高，输出信号更接近正弦波，但电路同样存在输出电压范围受限的问题.彭方正等[5]首次提出了采用Z源变换器解决电压源变换器和电流源变换器输出电压范围受限这一问题，房绪鹏等[6]将Z源拓扑应用到三相交流调压中，实现了输出电压大范围升降，但调压过程中较大的电容电压应力以及输入电流不连续等缺点也十分明显.对此，房绪鹏等[7]提出采用三相准Z源变换器能减小电容电压应力，克服输入电流不连续的问题，但该变换器能否实现大范围调压尚未得到验证.

对此，本文参考电力电子变压器[8]的拓扑结构，提出一种隔离式三相全控型电子电力调压电源，电力电子变压器所包含的高频变压器使调压电源可大功率运行，且安全性能更高.本文提出的调压电源调压过程迅速、输出电压波形质量高，可输出0～500 V正弦交流电压，最大输出容量为2 kVA.

1 调压电源主电路拓扑结构设计

隔离式调压电源主要包括以下5个部分：三相不控整流、Buck降压斩波、高频隔离DC-DC、大范围降压放电回路以及三相逆变.输入三相交流电压，通过三相不控整流转换为537 V的直流电压并作为Buck电路的输入电压；Buck电路输出电压经高频隔离DC-DC升压斩波后为三相逆变电路提供范围可调节的直流电压；三相逆变电路将直流电压逆变为三相负载所需的正弦交流电压.调压电源主电路拓扑结构如图1所示.

图1 调压电源主电路拓扑结构Fig.1 Main circuit topology of voltage-regulated power supply

调压电源具有升压、降压2种工作模式.但在降压模式中大幅度降压(如500 V降至30 V)时，降压后的输出电压波形畸变严重，不能满足负载用电要求；为此引入放电回路，以确保大范围降压模式下负载对电能质量的要求.

2 主要参数设计

2.1 Buck电路LC参数设计

Buck电路主要参数如下：输入电压Uin=537 V，输出电压Uout变化范围为5～403 V，开关频率fs=10 kHz，最小输出电流记为Imin，纹波电压Δu为输出电压的0.5%，Buck电路在电流连续模式(current continuous mode,CCM)下工作需满足最小输出电流Imin≥IB，其中IB为临界负载电流.根据文献[9]介绍的方法，Buck电路中L1、C1的计算公式如下：

L1≥Uin/(8fsImin)，C1≥1/(4π2Lfc2)，

(1)

式中：L1、C1分别为Buck电路的电感和电容，fc为截止频率.

2.2 逆变电路LC滤波参数设计

根据文献[10]所提供的方法，通过传递函数设计逆变电路的LC参数.二阶LC滤波器的传递函数如下所示：

(2)

式中:s为拉普拉斯算子；ωL为LC滤波器的截止角频率;U0(s)为滤波器的输出电压;Ui(s)为滤波器的输入电压;逆变电路开关频率同样为fs=10 kHz.选择LC滤波器的截止频率fL=fs/10，逆变电路的滤波电感与电容计算式[9]如下:

(3)

式中:I0为负载上的输出电流;ω1为输出基波电压(f1=50 Hz)角频率.

由式(3)可得，逆变电路的电感和电容值分别为:L=1 mH，C=60 μF.

表1 调压电源主要参数Tab.1 Main parameters of voltage-regulated power supply

另外，三相不控整流桥与高频隔离DC-DC升压斩波电路的电容值根据纹波电压要求(Δu≤1%)计算可得，取C0=3 300 μF，C2=500 μF.其中C0、C2分别为三相不控整流桥的滤波电容及高频隔离DC-DC升压斩波电路二次侧的滤波电容.放电回路中的放电电阻由经验公式RC≥(3～5)×T/2计算得到，其中T为放电时间，取R=50 Ω.

综上所述，调压电源的主要参数设计如表1所示.

3 控制策略设计

3.1 Buck电路控制策略

Buck电路在CCM下工作，输出电压与占空比成线性关系，通过对占空比的控制可线性改变输出电压的大小.对于Buck电路的控制，采用双闭环比例积分(proportional integral，PI)控制，控制框如图2所示.

(a) Buck电路结构 (b) Buck电路双闭环控制框图2 Buck双闭环控制框Fig.2 Double closed loop control diagram of buck converter

图2中的Req为等效输出电阻，该电阻由功率与输出电压计算得到.双闭环控制参数采用小信号建模来设计，Buck电路小信号模型如下所示[11]:

(4)

根据经典控制理论频域分析法,Buck电路电压内环的PI控制参数为kvp=500、kvi=1.5，电流外环的PI控制参数为kip=500、kii=5.

3.2 逆变电路控制策略

为满足负载对电压质量的要求，逆变电路采用基于同步旋转坐标系下的双闭环控制策略.电压外环采用PI控制，为电流内环控制提供基准值.为得到较佳的控制效果和较快的控制速度，选取电容电流[12-14]作为内环控制对象，并采用比例(proportional，P)控制.逆变电路控制策略框如图3所示.

(a) 三相逆变电路结构 (b) 三相逆变电路双闭环控制框图3 逆变电路控制策略框Fig.3 Control strategy block diagram of inverter circuit

根据文献[15]介绍的控制参数整定方法，对逆变器控制系统的控制参数进行设计.具体步骤为：首先整定内环参数，然后把整个电容电流内环等效为输出电压外环的一部分,再对输出电压外环的控制参数进行整定.对电流内环,控制目标要求有较强的动态跟随性能，为此电流内环按典型Ⅰ型系统进行参数整定.对电压外环，要求输出电压具有较强的抗扰性能，可将电压外环校正成典型Ⅱ型系统进行参数整定.电压内外环分别对应的典型Ⅰ、Ⅱ型系统结构如图4所示.

(a) 电流内环I型系统 (b) 电压外环Ⅱ型系统图4 内外环典型Ⅰ、Ⅱ型系统结构Fig.4 Typical type I and II system structure of inner and outer loop

图4中的T∑i为电流内环等效时间常数.

表2 调压电源的控制参数Tab.2 Control parameters of voltage-regulated power supply

根据典型Ⅰ型系统的“模最佳”整定方法，取系统阻尼比ξ=0.707，由式(5)确定电流内环P调节器的控制参数Kip，

(5)

经式(5)计算，电流内环P调节器的控制参数Kip取为15.

根据典型Ⅱ型系统整定法，由式(6)确定电压外环PI调节器的控制参数Kvp、Kvi:

(6)

其中：h为中频宽，取h=5;T∑v为电压外环等效时间常数，取T∑v=100 μs.

经式(6)计算，电压外环的PI控制器的控制参数分别为Kvp=0.5、Kvi=1 000.

综上所述，调压电源的控制参数如表2所示.

4 调压性能评估

为了验证本文所设计的隔离式三相全控型电子电力调压电源的升、降压性能及抗扰性能，在Simulink平台中构建了调压电源的仿真模型，如图5所示.仿真模型参数为：输入电压220 V，整流电容C0=3 300 μF，Buck电路滤波电感L1=1.5 mH，滤波电容C1=470 μF，高频隔离DC-DC变压器变比为1∶2，变压器二次侧电容C2=500 μF，放电电阻R=50 Ω，逆变电路滤波电感L=1 mH，滤波电容 C =60 μF，输出负载为阻性负载.

图5 隔离式三相全控型调压电源的仿真模型Fig.5 Simulation model of isolated three-phase fully controlled voltage regulator

图6为隔离式三相全控型调压电源的控制系统建模，控制系统仿真参数设置如下：Buck电路电流内环kip=500，kii=1.5，电压外环kvp=500，kvi=5；三相逆变电路电流内环Kip=15，电压外环Kvp=0.5，Kvi=1 000；高频隔离DC-DC采用移相全桥控制，开关频率为10 kHz，滞后桥臂触发信号延迟0.5个开关周期.

图6 隔离式三相全控调压电源控制系统Fig.6 Control system of isolated three-phase fully controlled voltage regulator

图7 升压模式下的输出电压波形Fig.7 Output voltage waveform in boost mode

4.1 升压性能评估

在t=0.10 s时调压电源输出电压由30 V升至500 V，输出电压波形如图7所示.

由图7可知，在t=0.10 s升压瞬间，输出电压波形出现短暂的畸变，暂态过程约为0.05 s.经快速傅里叶变换(fast fourier transform，FFT)分析，升压后电压的总谐波失真(total harmonic distortion，THD)为0.01%，输出电压波形质量较好.因此，本文所设计的调压电源具有良好的升压稳态和动态性能.

4.2 降压性能评估

为验证本文所设计的隔离式三相全控型调压电源的大幅度降压性能，在t=0.10 s时输出电压由500 V降至1 V，放电回路投入前、后逆变器直流侧电压的波形如图8所示.

(a) 未投入泄放前逆变器输入侧直流电压 (b) 投入泄放后逆变器输入侧直流电压图8 放电回路未投入和投入时逆变器直流侧电压波形Fig.8 DC side voltage waveform of inverter before and after discharge circuit is conducted

由图8可知，未投入放电回路时逆变器直流侧电压下降缓慢，很长时间未达到给定的直流电压，且输出交流电压波形严重畸变；投入放电回路后直流侧电压迅速下降到给定值，暂态经历时间约为0.022 s.因此，大幅度降压时，为满足负载所需的电压及用电质量要求，实时投入放电回路是必须的.图9为放电回路投入前后大幅度降压情形下的输出电压波形.

由图9(b)可知，大幅度降压后输出电压波形畸变严重，输出电压波形的THD高达22.52%，显然不能满足负载用电需求.相同降压条件下，投入放电回路后的输出电压波形如图9(d)所示，大幅度降压后输出电压波形畸变程度较小.经FFT分析，输出电压波形的THD仅为3.04%，可满足负载的用电质量要求(THD不超过5%).因此，大幅度降压模式下投入放电回路，本文所设计的调压电源具有较好的降压稳态和动态性能.

(a) 未投入泄放前输出电压降压波形 (b) 未投入泄放前降压波形局部放大

(c) 投入泄放后输出电压降压波形 (d) 投入泄放后降压波形局部放大图9 放电回路未投入和投入时输出电压波形Fig.9 Output voltage waveform with discharge circuit conduction

4.3 抗扰性能评估

在调压电源实际应用中经常会突加负载，为评估负载突变对调压电源输出电压的影响，有必要对所设计的调压电源进行扰动性能评估.在t=0.10 s调压电源突加负载时的输出电压及电流波形如图10所示.

(a) 突加负载时输出电压波形 (b) 突加负载时输出电流波形图10 负载变化的输出电压及电流波形Fig.10 Output voltage and current waveform when load changes

由图10可知，调压电源t=0.10 s突加负载时输出电压基本不受影响，维持在输出电压的设定值U0=500 V,且输出电压和电流波形基本不发生畸变，经FFT分析，输出电压和电流波形的THD均为0.01%.因此，本文所设计的调压电源具有较强的抗扰性能.

5 结语

为解决传统机械式手动调压器长期使用后出现的三相输出电压不对称问题,提出了一种隔离式三相全控型电子电力调压电源.本文对调压电源的拓扑结构、电路主要参数及控制系统参数进行了详细设计，并对其升降压性能及抗扰动性能进行了仿真评估.根据仿真分析可得，调压电源的调压动态响应时间约为0.05 s，同时能够输出给定幅值的对称三相交流电压，并且输出电压幅值不随负载的变化而变化.因此，本文设计的调压电源具有较好的动稳态调压性能及抗扰动性能，能有效解决机械式手动调压电源因长期使用后导致的三相输出电压不平衡问题，具有一定的实际应用前景.