四象限級聯(lián)型多電平變換器的PWM整流器控制

1、第 28卷 第 2期 電 工 電 能 新 技 術(shù)Vol. 28, No. 2收稿日期 :2008210227作者簡介 :王 劍 (19792 , 男 , 湖南籍 , 博 士生 , 研究方向為 PW M 整流器在大容量電力電子變換器中的應(yīng)用 ;(2 , , 河北籍 教 授 P 博導(dǎo) , , 四象限級聯(lián)型多電平變換器的 PWM 整流器控制王 劍 , 李永東(清華大學(xué)電力系統(tǒng)國家重點實驗室 , 北京 100084摘要 :分析了四象限級聯(lián)型多電平變換器的功率單元中 , H 橋逆變器輸出功率的脈動對 PWM 整流 器控制尤其是對其直流母線電壓的影響 。 提出外環(huán)控制器為直流母線電壓反饋與負(fù)載功率前饋 相

2、結(jié)合 、 內(nèi)環(huán)電流控制為比例積分加諧振 (PI R 調(diào)節(jié)器的 PW M 整流器控制策略 。 實驗表明該控制 策略即使在直流母線電容容量很小時 , 仍然能得到較為穩(wěn)定的直流母線電壓 , 驗證了控制策略的 有效性 。關(guān)鍵詞 :級聯(lián)型多電平變換器 ; PW M 整流器 ; 負(fù)載功率前饋 ; PIR 調(diào)節(jié)器中圖分類號 :TM46 文 獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A文章編號 :100323076(2009 02200412051 引言大 容量多電平 變頻器在工業(yè) 領(lǐng)域逐漸廣泛應(yīng) 用 1,2, 其中最引人矚目的是 H 橋級聯(lián)型變換器 3。這種結(jié)構(gòu)輸入電流多重化 , 波形較好 ; 輸出使用載波 移相 PW M, 易于實現(xiàn)

3、; 無直流電容均壓問題 , 是大容 量變頻調(diào)速比較理想的一種結(jié)構(gòu)。將級聯(lián)型變換器每個功率單元的二極管整流器 替換為 PW M 整流器426, 實現(xiàn)每個功率單元的能量雙向流動 , 也就實現(xiàn)了整個級聯(lián)型變換器的四象限 運行 7, 即快速制動和能量回饋。每個功率單元的 PWM 整流器可以獨立控制 , 對整個系統(tǒng)的控制復(fù)雜 性影響并不大。由于對直流母線電壓進(jìn)行了控制 , 變換器使用 PWM 整流器后 , 母線電容容量通常比使用二極管不 控整流的變換器的電容小很多。每個功率單元都減 少母線電容容量 , 使得整個多電平變換器能節(jié)省大 量電容器 , 這對于降低變換器成本、 提高可靠性有很 重要的意義。但是功

4、率單元的 H 橋逆變器負(fù)載有 其自身的特殊性 , 減小電 容的容量對 PW M 整流器 的控制提出了更高的要求。文獻(xiàn) 7根據(jù)功率單元輸入輸出功率的平衡關(guān) 系 , 為 PW M 整流器增加了負(fù)載功 率前饋作為電流 環(huán)的設(shè)定值 , 以期減小母線電容容量 , 但是由于使用 PI 調(diào)節(jié)器的電流環(huán)帶寬有限 , 電流并不能很好地跟蹤設(shè)定值 , 致使母線電壓波動仍然較大。本文根據(jù) 功率單元的功率平衡關(guān)系 , 得到 PW M 整流器 的理 想電流 , 在電壓環(huán)上增加功率前饋 , 使電流指令值接 近理想電流值 ; 針對理想電流諧波成分的特點 , 采用比例積分加諧振 (PIR 電流調(diào)節(jié)器 8, 9, 改善了電流

5、環(huán)對電流指令的響應(yīng) , 在母線電容容量很小的情況 下 , 仍然得到了較穩(wěn)定的母線電壓。2 四象限運行的級聯(lián)型變換器功率單元四象限級聯(lián)型變換器的結(jié)構(gòu)如圖 1所示 , 逆變 器的每一相輸出都是由多個功率單元的輸出串聯(lián)而 成 , 串聯(lián)的功率單元數(shù)由負(fù)載電壓等級決定。每個 功率單元的結(jié)構(gòu)完全相同 , 其主電路如圖 2所示 , 它 與傳統(tǒng)的功率單元的區(qū)別在于使用了 PW M 整流器 而不是二極管整流器 , 因此它可以實現(xiàn)對母線電壓的控制 10, 還可以使能量雙向流動。級聯(lián)型變換器具有模塊化的結(jié)構(gòu) , 控制變換器 實際上就是控制各功率單元。其中 H 橋逆變器可 以按照常規(guī)的級聯(lián)型變換器的控制方式 , 由主

6、控制 器實行集中控制10, 本文不對其進(jìn)行討論。每個單元 的輸 入側(cè) PW M 整 流器 相對 比較 獨 立 , 可以分別獨立控制 , 控制目標(biāo)是給 H 橋逆變器提供穩(wěn)定的直流電壓。具體控制方式采用電網(wǎng)電壓 定向控制5, 11, 根據(jù)負(fù)載工作狀況調(diào)節(jié) 交流側(cè)輸入的功率 , 通過控制穩(wěn)定直流母線電壓。 圖 1 四象限運行的級聯(lián)型多 電平變換器 Fig. 1 Fo ur 2quadrant cascaded multilevel converter圖 2 功率單元主電 路 Fi g. 2 Main circuit o f po wer cell電網(wǎng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 , 如果忽略交流電抗器 的電阻

7、, 并假定開關(guān)器件為理想開關(guān) , 整流器交流側(cè) 電壓方程為L d i d -X Li q =E -u dLd i qd t+X Li d =-u q (1其中 E 是整流器輸入側(cè)電壓矢量的幅值。進(jìn)一步 假定電抗器儲能變化可以忽略 , 可以得出整流器的 功率平衡關(guān)系如下p s =32Ei d=u dc i s (2由式 (2 可知 , 輸入整流器直流側(cè)的功率只與 d 軸電流有關(guān) , 而與 q 軸電流無關(guān)。根據(jù)整流器的數(shù)學(xué)模型可以設(shè)計出適當(dāng)?shù)目刂?器。圖 3所示的電網(wǎng)電壓定向控制是一種常見的雙 閉環(huán)控制策略 , 外環(huán)是直流母線電壓環(huán) , 內(nèi)環(huán)是交流 電流環(huán) , 內(nèi)外環(huán)控制器都是 PI 調(diào)節(jié)器。對于

8、常規(guī)的 , 果。但是如果負(fù)載是 H 橋逆變器 , 尤其在輸出頻率 較高時 , 直流母線電壓會有很大幅度的脈動 , 下面對 此進(jìn)行詳細(xì)分析。圖 3 PW M 整流器電網(wǎng)電壓定向控制策略 Fi g. 3 V oltage oriented control strategy for PW M rectifier3 H 橋負(fù)載對 PWM 整流器控制的影響電力電子變換器在正常工作范圍內(nèi)的效率非常 高 , 在分析系統(tǒng)控制策略時 , 通常假定其損耗可以忽 略 7。在這種情況下 , H 橋逆變器交流側(cè)和直流側(cè) 的功率平衡關(guān)系式為P L =u o i o =u dc i L(3在分析電力電子變換器的控制策略時

9、, 關(guān)注的 主要是受控對象的基波特性 , 一般假設(shè)電壓電流高 次諧波可以忽略 12, 13。此時逆變器輸出的電壓和電流可以用平均模型分別表示為7u o =U o m cos(X o t (4 i o =I om cos(X o t -U (5其中 U o m 和 I o m 分別為輸出電壓和電流的幅值 , X o 為 輸出的角頻率 , U 為負(fù)載的功率因數(shù)角。要保持功率單元的母線電壓恒定 , 必須使 p S =p L , 即整流器的輸入功率與逆變器的輸出功率相等 , 由式 (2 和 (3 得到i d =2u o i o 3E(6將式 (4 和 (5 代入式 (6 , 得到i d =U om I

10、 o m3Ecos U +cos(2X o t -U (7式 (6 和 (7 反映了理想情況下的 d 軸電流瞬 時值。由式 (7 可以看出 , 由于逆變器是由 H 橋構(gòu) 成的 , 它的輸出功率除了直流分量外 , 還含有 2倍于 輸出電壓頻率 X o 的交流分量 , 因此整流器 d 軸電 2, 42 電 工 電 能 新 技 術(shù) 第 28卷住直流母線電壓。這對于 PWM 整流器的控制器外 環(huán)和內(nèi)環(huán)都將產(chǎn)生影響。首先 , 外環(huán)控制器的輸出 , 即 d 軸電流指令值 將總是落后于理想值。這是因為 d 軸電流指令值 必須在負(fù)載功率變化并導(dǎo)致直流母線電壓變化后 , 才由直流母線電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)而改變 , 它

11、必然滯后 于負(fù)載功率變化。其次 , 即使外環(huán)控制器能產(chǎn)生理想的 d 軸電流 指令值 , 由于指令值 i *d 中含有 2X o 頻率分量 , 內(nèi)環(huán) PI 調(diào)節(jié)器對該交流分量也不能實現(xiàn)無靜差的跟蹤。 而且在大容量設(shè)備中 , 由于開關(guān)頻率較低 , 電流環(huán)的帶寬很有限 , 在頻率 X o 較高時 , i d 與 i *d 之間會有 很大的幅值和相位誤差 , 跟隨性能很差?？傊?, 由于 H 橋逆變器的特殊性 , 如果 PW M 整 流器仍然按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行控制 , 那么內(nèi)外環(huán)都與 理想情況有較大誤差 , 當(dāng)逆變器輸出頻率較高時 , 功 率單元的母線電壓會有較大幅值的波動。4 改進(jìn)的 PWM 整流器控

12、制策略改進(jìn)的 PWM 整流器控制策略如圖 4 所示。圖 4 改進(jìn)的 PW M 整流器控制策略 Fi g. 4 Proposed control strategy fo r PW M rectifier為了使外環(huán)產(chǎn)生接近理想的有功電流指令值 , 在外環(huán)上增加了由負(fù)載功率決定的有功電流前饋 , 依據(jù)整流器輸入功率與逆變器輸 出功率平衡的關(guān) 系 , 可以得到整流器交流側(cè) d 軸電流的指令值。將 H 橋輸出電壓的指令值 u *o 與負(fù)載電流的采樣值 i o 相乘 , 得到 H 橋輸出至負(fù)載的瞬時功率 p L , 然后根 據(jù)式 (6 計算出 i *d。除了引入功率前饋 , 外環(huán)仍然 保留了直流母線電壓反

13、饋 , 用以對直流母線電壓值 進(jìn)行控制 , 補償單元中主電路的損耗。電流環(huán)有兩個調(diào)節(jié)器 , 分別對 d 軸電流和 q 軸 流量 , 因此可以用傳統(tǒng)的 PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。 d 軸 電流指令值含有交流成分 , 用 PI 調(diào)節(jié)器對 d 軸電流 進(jìn)行控制會有較大的幅值和相位誤差。為了無靜差 地跟蹤含有直流和 2X o 兩種頻率成分的電流指令 , 在 d 軸電流環(huán)上用諧振 (Resonant 調(diào)節(jié)器與 PI 調(diào)節(jié) 器并聯(lián) , 構(gòu)成了 PIR 調(diào)節(jié)器。下面以 H 橋逆變 器工作于 45Hz 時為例 , 說明 PIR 調(diào)節(jié)器的作用。電流環(huán)的開環(huán)頻率特性如圖 5所示。在諧振頻率 2X o 處 , 開環(huán)幅頻

14、特性趨于無窮 大 , 因此閉環(huán)系統(tǒng)對于頻率為 2X o 的電流指令可以 實現(xiàn)無靜差跟蹤。另外 , R 調(diào)節(jié)器只對諧振頻率附 近極小頻段內(nèi)的頻率響應(yīng)特性有較大影響 , 其余頻 率范圍的頻率響應(yīng)主要由 PI 調(diào)節(jié)器決定 , 可以對電 流指令的直流分量實現(xiàn)無靜差跟蹤。圖 5 電流環(huán)開環(huán)頻率特性Fig. 5 Open 2loop frequency character i stic o f current lo op5 實驗結(jié)果在一個功率單元原型系統(tǒng)上對上述控制策略進(jìn) 行了實驗驗證。功率單元的整流橋和逆變橋都使用 三菱公司的 PM50RVA120型 IPM ?？刂破鳛?TI 公司的 T M S320F

15、2812型 DSP, 工作頻率為 150M Hz 。實驗 系統(tǒng)的其它參數(shù)如表 1所示。表 1 實驗系統(tǒng)主要參數(shù) Tab. 1 Parameters of experi ment sy stem PW M 整流器H 橋逆變器 電網(wǎng)線電壓 380V 調(diào) 制波頻率 45Hz 交流電抗值 511m H 開 關(guān)頻率2kHz開關(guān)頻率2k Hz直流母線負(fù)載電容值 110L F 電感 20mH 電壓設(shè)定值620V電阻458圖 6所示為功率單元在傳統(tǒng)控制方式下的實驗 結(jié)果 , 直流母線電壓有約 130V 的波動 , 直流母線電43第 2期 王 劍 , 等 :四象限級聯(lián)型多電平變換器的 PWM 整流器控制壓波動造

16、成逆變器輸出電壓的畸變 , 最終影響了負(fù) 載電流 , 圖中可以看到負(fù)載電流產(chǎn)生了明顯的畸變。 內(nèi)環(huán)和外環(huán)都用 PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié) , 因為內(nèi)環(huán)帶寬 遠(yuǎn)大于外環(huán)帶寬 , d 軸電流實際值較好地跟隨了指 令值。圖 6 傳統(tǒng)控制方式實驗波形Fig. 6 Experimental wavefo rms of traditio nal control strategy圖 7為改進(jìn)控制方式的實驗結(jié)果。外環(huán)負(fù)載功 率前饋獲得了合適的電流指令值 , 使用 PIR 調(diào)節(jié)器 的內(nèi)環(huán) d 軸電流實 際值較好地跟隨了指令值。內(nèi) 環(huán)性能的提高使外環(huán)也實現(xiàn)了更好的控制效果 , 直 流母線電壓波動峰 2峰值降低至約 40

17、V 。圖 7 改進(jìn)控制方式實驗波形Fig. 7 Experimental wavefo rms of p roposed control strategy6 結(jié)論輸入環(huán)節(jié)為三相 PW M 整流器 , 輸出環(huán)節(jié)為 H 橋逆 變器。本文分析了功率單元中的功率平衡關(guān)系 , 指 出 H 橋的脈動功率對 PWM 整流器內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制 的影響 , 并提出改進(jìn)的控制策略 , 即外環(huán)控制使用負(fù) 載功率前饋與直流母線電壓反饋結(jié)合 , 內(nèi)環(huán)使用比 例積分加諧振電流調(diào)節(jié)器。實驗結(jié)果表明了上述控 制策略的有效性 , 即使直流母線電容很小 , 也能得到 較為平穩(wěn)的母線電壓。 參考文獻(xiàn) (References :1Lai

18、 J S, Peng F Z. Multilevel co nverters 2a new breed ofpo wer converters J. IEEE Trans. o n Industry Applicatio ns, 1996, 32(3 :5092517.2李永東 , 饒建業(yè) (Li Yongdo ng, Rao Jianye . 大容量 多電平變 換 器 拓 撲 現(xiàn) 狀 與 進(jìn) 展 (Develop ment of high performance high po wer mul tilevel conv erters J.電 氣技 術(shù) (Elec. Eng. , 2008,

19、(9 :7212.3Hammond P W. A new approach to enhance po wer quali ty formedi um vo ltage AC drives J. IEEE Trans. o n Industry Applicati ons, 1997, 33(1 :2022208.4Wu R, Dewan S B, Slemon G R, et al. A PW M AC 2to 2DCconverter with fi xed sw itchin g frequency J.IEEE Trans. on Indus try Applications, 199

20、0, 26(5 :8802885.5Blasko V, K aura V. A new mathematical model and controlo f a three 2phase AC 2DC voltage source converter J.IEEE Trans. on Po wer Electro nics, 1997, 12(1 :1162123. 6王 久 和 , 李 華 德 , 李 正 熙 (W ang Jiuhe, Li Huade, Li Z heng xi . 電 壓 型 PW M 整 流 器 直 接 功 率 控 制 技 術(shù)(Direct po wer control

21、 techno logy for three phase boos t rectifiers J. 電 工電 能 新 技 術(shù) (Adv. Tech. o f Elec. Eng. &Energ y , 2004, 23(3 :64267.7Perez M A, Espino za J R, Rodriguez J R,et al.Regenerative mediu m 2v oltage A C drive based on a mul ticell arrangement with reduced energy s torage requirements J. IEEE Trans

22、. on Industrial Electronics, 2005, 52(1 :1712180.8Fukuda S, Imamura R. Application of a sinusoidal internalmo del to current co ntrol o f three 2p hase u tili ty 2interfaceconverters J . IEEE Trans. o n Industrial Electro nics,2005, 52(2 :4202426.9Z moo d D N, Holmes D G. Statio nary frame current r

23、egulation o f PW M inverters with zerosteady state error A. Proc. IEEE PESC C. 1999. 118521190.10龍慶文 , 歐 陽 紅 林 , 朱 思 國 , 等 (Lo ng Qing wen, OuyangHo nglin, Zhu Siguo, et al. . 級 聯(lián)型多 電平 變頻器 的一 種改 進(jìn) PW M 調(diào) 制 法 (Research on i mproved modulation s trategy of cells cascaded multi 2level converter J.電工電 能

24、新技術(shù) (Adv. Tech. of Elec. Eng. &Energy , 2009, 28(1 :76280.ang Li 44 電 工 電 能 新 技 術(shù) 第 28卷cascaded H 2bridge multilevel converter A.Proc. ICEM S C. Seo ul, South Korea, 2007. 18221.12Rim C T, Hu D Y, Cho G H, et al. Transfo rmers asequivalent circuits fo r swi tches:general pro ofs and D 2Qtransfor

25、matio n 2based analyses J.IEEE Trans. on IndustryApplicati ons, 1990, 26(4 :7772785.13Sanders S R, No wo rolski J M, Liu X Z, et al. Generalizedaveraging method for po wer co nv ersion circuits J.IEEE Trans. on Po wer Electro nics, 1991, 6(2 :2512259.A novel control strategy for the PWM rectifier in

26、 cascaded multilevel converterW A NG Jian, LI Yong 2dong(TsinghuaUniversity, Beijing 100084, ChinaAbstract :In po wer cells of the four 2quadrant cascaded multilevel converters, the output power of H 2bridge inverters is pulsating, w hich influences the control of the PWM rectifier, especially on th

27、e DC 2link voltage. A novel control strategy for the PW M rectifier is proposed in this paper. The outer loop controller is made up of the DC 2link feedback c ontrollerand the load power feedforw ard controller. The inner loop current controller is a proportional 2integral 2resonant (PIR regulator.

28、Experimental results sho w that the D C 2link voltage is well 2controlled even with a very small DC 2link capacitor, w hich confirms the effectiveness of proposed control strategy.Key words :cascaded multilevel converter; PW M rectifier; load po wer feedforward; PIR regulator(上接第 36頁 , cont. from p.

29、 366丁立 健 (D ing Lijian . 真空中絕緣子沿面預(yù)閃絡(luò)和閃絡(luò)現(xiàn) 象的研究 (Study on surface pre 2flashov er and flashov er o f i nsulators in vacuum D.北 京 :華 北 電 力 大 學(xué)(Beijing:NCEPU , 2001.7Miller H C. Surface flashov er o f insulators J.IEEE Trans.on Electr Insul. , 1989, 24(5 :7652786.8Miller H C. Flashover of insulators in

30、vacuum J.IEEETrans. on Electr Insul. , 1993, 28(4 :5122527. 9Jo hn G Leo pold,Uri D ai,Yi gal Finkelstei n,et al.Opti mizing the performance o f flat 2surface, hi gh 2gradien tv acuum insulato rs J. IEEE Trans. on DEI, 2005, 12(3 :5302536.Influence of surface roughness on flashover characteristicsof insulating materials in vacuumZ HEN G Nan, Y U Kai 2kun, LI U Guo 2qing, Z HAN G Guan 2jun(School of Elec. Eng. , State Key Lab of Elec. Insulation &Power Equipment,Xi . an Jiaotong University, Xi . an 710049, ChinaAbstract :Under the high electric field, d