帶能量回饋的級聯(lián)型高壓變頻器研究

　　1 引言

　　如圖1所示，一般的級聯(lián)型高壓變頻器的整流部分都是采用不可控的二極管，因而能量傳輸不可逆，當電機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，回饋的能量傳輸?shù)街绷髂妇€電容上，產(chǎn)生泵升電壓，使電容電壓不穩(wěn)。過高的泵升電壓有可能損壞開關器件，從而威脅變頻器的安全工作。

　　為此本文采用成熟的三相pwm整流技術，使用可控開關器件組成單個功率單元的整流電路，實現(xiàn)能量雙向傳輸。同時對直流母線電容電壓進行閉環(huán)控制來穩(wěn)定直流母線電容的電壓。這種方法還能實現(xiàn)網(wǎng)側單位功率因數(shù)，使級聯(lián)型高壓變頻器成為真正的綠色變頻器。仿真證明該方法簡單有效。

　　2 單個功率單元整流部分的數(shù)學建模及工作原理

　　從圖1(a)的拓撲結構可以看到，級聯(lián)型高壓變頻器由多個功率單元級聯(lián)而成。因此，可以以單個功率單元為研究對象，建立它的數(shù)學模型并分析其工作原理。

　　從圖1(b)可以看到，功率單元的整流部分是由不可控的二極管組成。為了實現(xiàn)能量回饋，穩(wěn)定直流母線電容電壓，需要用可控的igbt替代二極管，進行pwm整流控制。圖2是改造后的功率單元拓撲結構圖。

　　圖2中，lx(x=a，b，c)為交流側濾波電感，電阻rx(x=a，b，c)為濾波電感l(wèi)x的等效電阻和功率開關管損耗等效電阻的合并。

　　設三相電源電壓為：

　　式中：ed，eq，id，iq分別為功率單元整流部分的電源電壓矢量、輸入電流矢量在d-q軸上的分量。

由(3)式可以看出，d、q軸變量相互耦合，因而無法對d、q軸的電流進行單獨控制。為此引入id、iq的前饋解耦控制，且采用pi調節(jié)器作為電流環(huán)控制器，則有以下方程：

　　式中：ud*、uq*是d-q軸的電壓給定;kdp和kdi分別是d軸pi調節(jié)器的比例和積分系數(shù);kqp和kqi分別是q軸pi調節(jié)器的比例和積分系數(shù)。

　　由式(4)可以看出，電壓指令已經(jīng)實現(xiàn)了完全解耦控制，其系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。圖3中，采用由pi調節(jié)器組成的電壓-電流雙閉環(huán)結構，外部電壓環(huán)用于實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，內(nèi)部電流環(huán)控制交流輸入電流與輸入電壓同相。其工作原理如下：輸出電壓vdc和給定參考電壓vdc*比較后送入電壓pi控制器，電壓控制器的輸出信號作為網(wǎng)側電流有功分量的給定值id*，其大小根據(jù)整流器的有功輸出調節(jié)，為達到單位功率因數(shù)整流或逆變，無功分量的給定值iq*設定為0，穩(wěn)態(tài)時dq軸的電流給定信號都為直流量，兩個給定值與網(wǎng)側經(jīng)過變換后的反饋值id、iq相比較后，送入電流pi調節(jié)器，在經(jīng)過解耦和dq→αβ變換后得到三相網(wǎng)側電壓在兩相靜止坐標系上的控制信號，再經(jīng)過電壓空間矢量脈寬調制模塊后，輸出六路svpwm控制信號，從而實現(xiàn)對功率單元整流器的控制。

　　3 功率單元級聯(lián)的仿真系統(tǒng)

　　按照第2節(jié)介紹的數(shù)學模型，搭建的功率單元仿真模型如圖4所示。

　　其中，整流部分控制器的仿真模型如圖5所示。

　　4 功率單元級聯(lián)的仿真系統(tǒng)

　　圖6是每相串聯(lián)3個功率單元級聯(lián)型高壓變頻器的系統(tǒng)仿真模型。

　　6 結束語

　　通過仿真實驗的波形可以看出，改進后的級聯(lián)型高壓變頻器不僅可以進行能量的雙向傳輸，實現(xiàn)能量回饋;而且，控制系統(tǒng)的響應速度非?？?，使變頻器具有較好的動態(tài)性能。因此，該改進方案是正確可行的。