交流傳動三電平整流器主電路控制研究

三電平脈沖整流器的控制方法作為交流傳動電力機(jī)車和動車組的網(wǎng)側(cè)變流器，控制必須達(dá)到兩個目的：第一，保持中間電路直流電壓在允許的偏差范圍內(nèi)；第二，使供電接觸網(wǎng)或牽引變壓器一次的側(cè)的功率因數(shù)接近于１。這意味著其中基波分量的位移系數(shù)和電流波形的畸變系數(shù)都必須達(dá)到盡可能最佳的數(shù)值?，F(xiàn)在脈沖整流器的控制方法有電壓控制、可變相位角工作控制及電流控制三種，其中電流控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。它又主要包括直流電流和間接電流控制兩大類，間接電流控制主要應(yīng)用于對脈沖整流器動態(tài)響應(yīng)不夠高的場合，因為間接電流控制動態(tài)響應(yīng)較慢，在交流側(cè)電流中甚至可能會含有直流分量，從而破壞電網(wǎng)。直接電流控制是相對于間接電流控制來說的，現(xiàn)在主要的控制方法有滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率電流控制及空間矢量電流控制，直接電流控制具有動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)就是控制結(jié)構(gòu)和算法較為復(fù)雜，控制成本相對于間接電流控制過高。因為現(xiàn)在針對電壓型脈沖整流器的電壓控制及可變相位角工作控制已經(jīng)很少使用，所以本文不再細(xì)述。2.1間接電流控制間接電流控制主要以“相幅控制”為代表，間接電流控制技術(shù)實(shí)質(zhì)上是通過控制，在電壓型脈沖整流器橋路交流側(cè)生成幅值、相位受控的正弦基波電壓。該基波電壓與電網(wǎng)電動勢共同作用于脈沖整流器交流側(cè)，并在交流側(cè)形成正弦基波電流，同時還可穩(wěn)定直流側(cè)電壓。由于這種電流控制方案通過直接控制脈沖整流器交流側(cè)電壓進(jìn)而達(dá)到控制交流側(cè)電流的目的，因而是一種間接電流控制方式。這種間接電流控制由于無需設(shè)置交流電流傳感器以構(gòu)成電流閉環(huán)控制，因而是一種簡單控制方案。脈沖整流器間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，式（2.1）、（2.2）構(gòu)成脈沖整流器間接電流控制系統(tǒng)。(2-1)(2-2)

圖2-1脈沖整流器間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電壓給定值和實(shí)際直流電壓比較后送入PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號，的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比。乘以與網(wǎng)側(cè)電壓同相位的正弦信號，再乘以電阻，得到輸入電流在的壓降；乘以與網(wǎng)側(cè)電壓同相位的余弦信號，再乘以電感的感抗，得到輸入電流在電感的壓降。所得的值再與相減得到信號。間接電流控制的優(yōu)點(diǎn)：控制簡單，一般無需要電流反饋控制。間接電流控制的缺點(diǎn)：脈沖整流器電流動態(tài)響應(yīng)不夠快，甚至交流側(cè)電流中含有直流分量，且對系統(tǒng)參數(shù)波動較敏感，因而常用于對脈沖整流器動態(tài)響應(yīng)要求不高且控制結(jié)構(gòu)要求簡單時的應(yīng)用場合。2.2直接電流控制直接電流控制以快速電流反饋控制為特征，使系統(tǒng)動態(tài)性能明顯改善。直接電流控制與間接電流控制的主要區(qū)別在于直接電流控制具有網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，在直接電流控制中，雙閉環(huán)控制是目前應(yīng)用最廣泛、最實(shí)用化的控制方式。電壓外環(huán)輸出作為電流指令，電流內(nèi)環(huán)則控制輸入電流，使之快速跟蹤電流指令，其動態(tài)響應(yīng)速度快、限流容易、控制精度高。由于采用網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，使得脈沖整流器網(wǎng)側(cè)電流動、靜態(tài)性能得到了提高，同時也使網(wǎng)側(cè)電流控制對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，增強(qiáng)了電流控制的魯棒性和較高品質(zhì)的電流響應(yīng)。但是直接電流控制的主要缺點(diǎn)在于輸入電流檢測需要寬頻帶、價格不菲的電流傳感器，控制成本高。目前直接電流控制策略主要有瞬態(tài)直接電流控制、滯環(huán)PWM電流控制、預(yù)測電流控制等。這些電流控制方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)。在這幾種控制方式中第一種控制方式算法相對簡單，物理意義清晰，且實(shí)現(xiàn)較方便。而且在這種控制方式下開關(guān)頻率是一個固定值所以濾波電感會比較容易設(shè)計，有利于限制功率開關(guān)損耗。但主要缺點(diǎn)是在開關(guān)頻率不高的條件下，電流動態(tài)響應(yīng)相對較慢，而且電流動態(tài)偏差隨電流變化率而相應(yīng)地變化。滯環(huán)PWM電流控制則具有較快的電流響應(yīng)，而且電流跟蹤動態(tài)偏差由滯環(huán)寬度確定，而不隨電流變化率變化而波動。這種控制方法的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在開關(guān)頻率會隨電流變化率變化而波動，從而造成交流網(wǎng)側(cè)的濾波電感很難設(shè)計，而且在這種控制方式下的開關(guān)損耗也比較大，因而只能應(yīng)用于小功率場合。2.2.1滯環(huán)PWM電流控制滯環(huán)PWM電流控制是將電流給定信號與檢測到的實(shí)際輸入電流信號相比較，若小于給定值，則通過調(diào)整開關(guān)狀態(tài)使之增大，反之則減小，這樣使得實(shí)際電流始終圍繞給定的電流波形在～定的偏差范圍內(nèi)做鋸齒形的變化。而且這種控制方式因為有電流反饋的存在，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，還可以防止整流器過流從而保護(hù)功率開關(guān)元件，這些都是其比較顯著的優(yōu)點(diǎn)。滯環(huán)ＰＷＭ電流控制框圖如圖2.2所示：圖2-2滯習(xí)、PWM電流控制框圖實(shí)際電壓U與給定電壓的偏差作為PI調(diào)節(jié)的輸入，PI調(diào)節(jié)的輸出與輸入電壓同步信號同步后得到指令電流，實(shí)際電流與指令電流的偏差作為比較器的輸入，通過比較器的輸出產(chǎn)生的PWM信號來控制各橋臂上開關(guān)的狀態(tài)。可以看出滯環(huán)電流控制原理比較清晰簡單，電流響應(yīng)的速度也是較快的，而且在控制運(yùn)算中沒有用到電路參數(shù)，系統(tǒng)的魯棒性也很好，但是開關(guān)的頻率會隨電流的變化而變化，所以濾波器的設(shè)計較為困難。2.2.2固定開關(guān)頻率的瞬態(tài)電流控制固定開關(guān)頻繁控制是指載波頻率不變以電流偏差調(diào)節(jié)信號作為調(diào)制波的PWM控制方法。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.3所示。圖2-3固定開關(guān)頻率的瞬態(tài)電流控制框圖實(shí)際電壓U與給定電壓的偏差作為PI調(diào)節(jié)的輸入，PI調(diào)節(jié)的輸出與輸入電壓同信號同步后得到指令電流，實(shí)際電流與指令電流的偏差經(jīng)過放大后作為調(diào)制波與載波相比較從而產(chǎn)生PWM控制信號。根據(jù)脈沖整流器控制的基本原理，圖2.4為瞬時直接電流控制方案，式（2-3）構(gòu)成了瞬時直接電流控制的控制系統(tǒng)。(2-3)其中和為調(diào)節(jié)器的參數(shù)，為中間直流側(cè)電壓給定值，、分別為中間直流環(huán)節(jié)電流和中間直流環(huán)節(jié)電壓，Ｋ為比例放大系數(shù)，為網(wǎng)側(cè)電壓的角頻率。圖2-4瞬時直接電流控制方案瞬時直接電流控制的優(yōu)點(diǎn)：算法簡單，物理意義清晰，且實(shí)現(xiàn)較方便。另外，由于開關(guān)頻率固定，因而濾波電感設(shè)計比較容易，并且有利于限制功率開關(guān)損耗。瞬時直接電流控制的缺點(diǎn)：在開關(guān)頻率不高的條件下，電流動態(tài)響應(yīng)相對較慢，而且電流動態(tài)偏差隨電流變化率而相應(yīng)地變化。2.2.3預(yù)測電流控制預(yù)測電流控制法，是指用固定頻率采樣實(shí)際電流，并以本次采樣的實(shí)際電流值與下一采樣時刻預(yù)測的參考電流進(jìn)行比較，求出最優(yōu)控制電壓，使得電流誤差為最小 ,從而迫使下一次采樣時刻的實(shí)際電流以最優(yōu)特性跟蹤下一時刻參考電流的控制方法。在任意一個PWM開關(guān)周期內(nèi)電流應(yīng)滿足：(2-4)根據(jù)脈沖整流器交流側(cè)瞬時等效電路電壓方程可以推出：(2-5)在一個周期內(nèi)電感電壓為：(2-6)根據(jù)上述兩式可以得到調(diào)制電壓：(2-7)

脈沖整流器預(yù)測電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，式(2-8)、(2-9)構(gòu)成脈沖整流器預(yù)測電流控制系統(tǒng)。(2-8)(2-9)脈沖整流器預(yù)測電流控制，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)采用PI控制器，通過將直流側(cè)電壓與其給定值的偏差信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到電網(wǎng)側(cè)電流的給定值的幅值，其相位和頻率通過鎖相環(huán)從電網(wǎng)側(cè)電源電壓上獲取，電流內(nèi)環(huán)采用預(yù)測電流控制。由于三電平脈沖整流器存在兩電容電壓不平衡問題，在控制系統(tǒng)中，加入了電容電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)，兩個電容間電壓之差的變化通過電壓平衡調(diào)節(jié)系數(shù)K引至電流控制環(huán)以平衡中間電壓。圖2-5脈沖整流器預(yù)測電流控制系統(tǒng)預(yù)測電流控制的優(yōu)點(diǎn)：控制簡單，類似于幅相控制，但電流控制精度高，當(dāng)開關(guān)頻率高時，可以實(shí)現(xiàn)電流的無差跟蹤，電壓外環(huán)響應(yīng)速度快。預(yù)測電流控制的缺點(diǎn)：由于依賴微分約束關(guān)系，所以整個系統(tǒng)對參數(shù)的變化比較敏感。當(dāng)開關(guān)頻率比較低時，電流相移比較大。在實(shí)際應(yīng)用中由于電感參數(shù)的變化，都會對實(shí)際的效果產(chǎn)生影響，較小的參數(shù)誤差可能導(dǎo)致最終結(jié)果的不正確。同時由于所有的控制依賴于外環(huán)的一個PI環(huán)節(jié)，所以對外環(huán)的PI環(huán)節(jié)魯棒性提出了比較高的要求，可以借助于先進(jìn)的控制理論如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來提高外環(huán)的魯棒性。

2.3中點(diǎn)電位控制關(guān)于中點(diǎn)電位波動問題的研究以及控制技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)有很多的成果，中點(diǎn)電位控制的基本思想是檢測直流側(cè)上下電容兩端的電壓差，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)來進(jìn)行補(bǔ)償控制，重新分配正負(fù)開關(guān)狀態(tài)作用的時間，以達(dá)到控制中點(diǎn)電位的目的，重新達(dá)到平衡?，F(xiàn)在主流的中點(diǎn)電位控制方法有兩種：一種是中點(diǎn)電位滯環(huán)控制法，一種是判斷Ｈ功率橋流向法。2.3.1中點(diǎn)電位滯環(huán)控制這里我們假設(shè)和分別為電容。和上的電壓，△為滯環(huán)寬度。當(dāng)-＞△時，則控制開關(guān)管實(shí)現(xiàn)對的放電或者說對的充電，從而使其達(dá)到平衡。反之也亦然。實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)根據(jù)網(wǎng)側(cè)電流的方向來判斷當(dāng)前的脈沖組合是否有利于中點(diǎn)平衡和為優(yōu)化后的脈沖，如表2-1所示。需要注意的為了保證不改變SVPWM脈沖的調(diào)制效果，選取冗余開關(guān)狀態(tài)時必須保證a，b兩點(diǎn)之間的電壓相同。這種控制方法比較簡單清晰，不需要增加其它的額外硬件，對單相脈沖整流器有很好的控制效果，但是它犧牲了開關(guān)頻率，而且滯環(huán)寬度要求過于苛刻，不能過大也不能太小，如果寬度過小則開關(guān)頻率高，現(xiàn)在的硬件設(shè)備很難做到，反之如果滯環(huán)寬度過大，雖然開關(guān)頻率小了，但是又很難達(dá)到較好的控制效果。為了解決這一問題可以嘗試在控制系統(tǒng)中加入一個電容電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以兩個電容的電壓差作為電位平衡PI調(diào)節(jié)器的輸入，該調(diào)節(jié)器的輸出引至電流控制環(huán)，以平衡電壓。

表2-1電容電壓平衡原理表網(wǎng)測電流的方向、的關(guān)系>0>100-1>0>-1001>0<0-110>0<01-10<0>0-110<0>01-10<0<100-1<0<-10012.3.2判斷H橋功率流向法這種方法的核心思想就是判斷H橋功率流向，在適當(dāng)?shù)臅r候通過脈沖轉(zhuǎn)換改變上、下2個電容的充放電過程。其控制框圖如下圖所示：圖2-5判斷Ｈ橋功率流向法框首先定義脈沖轉(zhuǎn)換信號如式2-10：(2-10)

轉(zhuǎn)換原則如式2-11所示：(2-10)三電平單相脈沖整流器只有當(dāng)開關(guān)信號、取，、，、，和，這四種模式之一時，中點(diǎn)電位才會