基于单相PWM整流器瞬时电流控制的研究

# 技术文库 2013-09-06 17:47 来源：中国电力电子产业网

　　导读：我国铁路今后发展的主要方向是交流传动技术。

　　1 引言

　　我国铁路今后发展的主要方向是交流传动技术。对于单相供电的牵引主变流器来说，电力机车网侧单相PWM整流器是电力机车交流牵引传动系统的重要组成部分，它对电网的功率因数和电网电流中的高次谐波含量有着决定性的影响。为了使电网的功率因数尽量高，谐波含量尽量少，单相PWM整流器控制技术的根本目的在于使其工作时功率因数近似为1，即要求输入交流电流为正弦波且和电压同相位，所以对输入交流电流的有效控制是整个控制策略的关键。

　　单相PWM整理器的控制策略根据有无引入交流侧电流反馈分为间接电流控制和直接电流控制两种。引入交流电流反馈的为直接电流控制，反之为间接电流控制。间接电流控制通过调节整流器交流侧电压的幅值和相位达到控制输入电流的目的[1]。瞬态直接电流控制在间接电流控制的基础上引入交流侧输入电流反馈，具有动态响应速度快、网侧输入电流谐波小和直流侧输出电压稳定等优点[1]。本文首先介绍了单相PWM整流器的工作原理和数学模型，比较了基于直接电流控制与间接电流控制的PWM整流器工作性能，在此基础上研究了瞬态直接电流控制的PWM整流器的控制模型与PI参数设计。最后，通过仿真结果验证了本文提出的瞬态直接电流控制的PWM整流器具备优良的稳态和瞬态工作性能。

　　2 工作原理

　　单相PWM整流器的主电路结构如图1所示。其中UN为输入电压;电感LN为网侧等效电感，起到传递能量、抑制高次谐波、平衡桥臂终端电压和电网电压的作用;RN为网侧电阻;T1～T4为全控型开关器件(如MOSFET、IGBT等);D1～D4为续流二极管;Cdc为滤波电容，为高次谐波电流提供低阻抗通路，减少直流电压纹波;C2、L2分别为二次滤波电容和电感;RL为负载电阻;Udc为直流侧输出电压。

　　采用单极性调制的时候,整流器交流侧电压Uab将在Udc，0或0，-Udc之间切换。因此，单相PWM变流器主电路的数学模型为： (1)

　　式中：S(t)整流器开关函数。

　　3 瞬时直接电流控制的PWM整流器

　　3.1 直接电流控制与间接电流控制的比较

　　直接电流控制是一种通过直接控制交流电流而使其跟踪给定电流信号的控制方法。控制器具有电流控制环，通过直接对电流进行调节，使电流快速地跟踪给定值，因此直接电流控制的单相PWM整流器具有很好的动态性能。另外对电流给定值限幅可以很好地限制输出电流幅值。

　　间接电流控制也称为相位幅值控制，它通过控制逆变器输入电压的幅值和相位来间接控制输入电流。这种控制方式的稳定性很差，系统动态响应慢，在暂态过程中交流电流可能会出现直流偏移问题和很大的电流过冲。所以尽管幅相位控制已提出了十多年时间，但在实际系统和装置中几乎不被采用。

　　3.2控制模型的建立

　　根据单相PWM整流器瞬时直接电流的控制原理，得到图2所示瞬时直接电流控制框图。

　　图2中U*d为中间直流侧输出电压给定值，Ud为中间直流环节输出电压，Id为中间直流环节输出电流。为了减轻直流环节中电压环PI调节器的负荷，改善PI调节器的动态响应，采用直流环节电流Id来计算给定电流的有效分量I*s2，其结果与I*s1相加后作为交流电流的给定值I*s。由图可得电流给定值I*s为：(2)

　　锁相环检测网侧输入电压，得到的相位和频率信息作为电流参考信号I*s的相位和频率。电流内环PI调节器输出u2(t)使实际的网侧输入电流IN(t)跟踪给定的电流参考信号I*s，从而实现交流侧输入电压与输入电流同相位，也即交流侧输入端为功率因数1。结合图2和以上分析可得：(3)

　　3.3瞬时直接电流控制PI参数的设计

　　(1)电流内环的设计

　　电流内环使输入电流跟踪指令电流，能够提高系统的动态响应能力。考虑到参数准确性和漂移，以及实现电流控制无静差，本文选用PI调节器，控制框图如图3所示。

　　考虑到电流内环需要获得较快电流跟踪性能，设计PI调节器的零点抵消电流控制对象传递函数的极点，即：(4)

　　根据二阶系统的最佳整定方法基本特征，取阻尼 ξ=0.707时[1]，得：

　　得到PI调节器控制参数的计算公式为：

　　(2)电压外环的设计

　　假设直流端的滤波电容足够大，则可忽略直流电压纹波扰动，电压外环控制器如图4所示。

　　得到电压外环的开环传递函数为：(5)

　　则电压外环的闭环传递函数为：(6)

　　根据三阶最佳整定法，可以直接计算出：TV=4Tev

　　(a) 输入电压和输入电流波形

　　(b)输出电压波形

　　4 仿真结果分析

　　根据仿真模型，利用数学工具MATLAB/Simulink对本文提出的瞬时直接电流控制进行验证。参数设计如下：

　　交流侧：网侧交流电压Us=1500V,频率fs=50Hz，线路电阻RS=0.2Ω，线路电感Ls=1.19mH;直流侧: 输出电压指令Ud=3000V，电容Cd=0.01F，二次滤波环节C2=3μF,电感L2=0.84mH;电流内环PI参数为：Kip=4.55，Kli=210，电压外环PI参数为：Kvp=0.5，Kvi=291。

　　(a)输入电压和输入电流波形

　　(b)输出电压波形

　　运用瞬时直接电流控制，启动过程的仿真结果如图5所示，从图5中可以看出瞬时直接电流控制启动电流波动比较小，动态响应速度快，在0.7s时加上负载后，输入电压和电流的功率因数为1，得到良好的效果。

　　增大负载后的仿真波形如图6所示，在负载切换的过程中，输出直流电压跌落70V，波动比较小，交流侧输入电压和输入电流在经过1个工频周期后保持同相位，稳定后变流器功率因数接近于1。

　　额定牵引负载到额定再生负载时的仿真波形如图7所示，在状态切换的过程中，输出直流电压经过0.1s保持稳定，交流侧输入电压和输入电流在经过3.5个工频周期后保持功率因数-1。

　　(a) 输入电压和输入电流波形

　　( b) 输出电压波形

　　5 结束语

　　本文分析了单相PWM整流器的工作原理，提出了单相PWM整流器的数学模型，建立了瞬时直接电流控制的仿真模型，通过仿真研究了瞬时直接电流控制对单相PWM整流器的稳定性和动静态响应的影响。仿真结果表明，瞬时直接电流控制使得单相PWM整流器具有良好的动态响应和稳态特性。

　　作者简介

　　刘娟(1984-) 女西南交通大学硕士研究生，研究方向为电力电子。

　　参考文献：