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变流技术ConverterTechniques《电气自动化)2015年第37卷第6期基于单周控制的三相四桥臂PFC整流器王鼎.
南余荣(浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023)摘要:针对常用三相六开关PFC在不同应用场合的需求,设计了一种三电平输出可兼容四线与三线接法的六开关整流器拓扑.
单周控制具有无需乘法器,控制逻辑简单等优点,因此使用单周控制来完成功率因数校正功能,通过第四桥臂单独控制限流电感电流,抵消正负母线电流的差值,以此控制中线电流,完成输出电容均压.
最后通过MATLAB仿真验证了整流器的可行性与正确性,证明了拓扑对不同应用需求的适应性.
关键词:三相PFC;单周控制;四桥臂;三电平;限流电感DOI:10.
3969/j.
issn.
1000-3886.
2015.
06.
004[中图分类号]TM461[文献标志码]A[文章编号]1000—3886(2015)06—0011—03Three-phaseFour—bridgeLegsPFCRectifierwith0ne-cycleControIWANGDing,NANYu—rong,(CollegeofInformationEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,HangzhouZhejiang310023,China)Abstract:Fortherequirementonthethree-phasesix-switchPFCrectifierusedindifferentapplications-thispaperdesignsanewtopologyofsix-switchrectifierwiththree-leveloutputcompatiblewithfour-lineandthree—linewiring.
One—cyclecontrolhassuchadvantagesasnoneedofmultiplierandsimplecontrollogic,SOthatpowerfactorcorrectionismadethroughone—cyclecontro1.
Current-limitinginductanceiscontrolledseparatelybythefourthbridgelegtoneutralizethedifferencesbetweenthepositiveandnegativebusesSOastocontrolthecurrentofthemiddlewireandachievecapacitorvoltagebalancing.
Finally,MATLABsimulationverifiesthefeasibilityandcorrectnessoftherectifierandprovesthatthistopologyisapplicabletodifferentapplicationrequirements.
Keywords:three-phasePFC;one—cyclecontrol;four—bridgelegs;three—level;current—limitinginductance0引言随着电力电子设备的大规模普及和电力电子技术的快速发展,电网中由于采用传统无源多脉冲整流等技术使得电网中电能质量越发低下.
三相Boost电压型整流器由于其良好的输入电流波形跟踪能力及高功率因数,成为了一种广泛使用的高性能解决方案.
传统三相三线整流器对于极端条件的应对能力相对薄弱,例如三相电源不平衡以及三相桥臂故障.
当三相桥臂中其中某一相出现故障时,整流器就变成单相全桥整流拓扑,直流侧输出性能畸变严重.
而当后级对输入要求较高时,整流器的有效性和可靠性就变得十分重要J.
在一些特定的整流应用场合,整流器需要正负对称的直流母线,并且给后级变换器提供中线输出,因此需采用三相四线方案.
而由于中线的存在,为零序电流提供了通路,会增大谐波与畸变,为此需增加合适的输出电路.
本方案需要完成三个功能,输入的功率因数校正;输出直流电压控制;中线电流控制.
本文以三相四线制PWM整流器为基础,设计了一种三相四桥臂的整流器.
PFC部分采用单周控制,其结构简单,且无需乘法器,具有动态响应快,鲁棒性高等优点.
针对输出电压不平衡问题,输出电容均压部分采用了限流电感电流内环和输出分压电容均压外环的双闭环控制,很好地实现了输出电压均衡.
定稿日期:2015—03—24基金项目:浙江省自然科学基金(LZ12E07003)1整流器拓扑设计四线制接法时整流器拓扑如图1所示,使用三相六开关的PWM整流器,具有能量双向流动,低开关导通损耗,低THD等优点.
图1三相四桥臂整流器四线制连接拓扑拓扑可按实际功能区分为两部分:左侧虚线框为三相四线制六开关PFC;右侧虚线框为输出电容均压拓扑.
PFC的作用是使得三相输入电流能跟随三相电压的波形,为同相位的正弦波,即从输入端观察三相负载为纯阻性负载,阻值为R.
用数学模型表达,以A相为例即:e=Rih(1)输出电容均压的目的是同时适用于三线接法和四线接法,而三线接法不存在中线电流,不能将中线电流作为电流环控制对象,为此设计了限流电感作为电流内环控制对象j.
特作如下假设:《电气自动化~2015年第37卷第6期变流技术ConverterTechniques1)电路中各元器件均为理想器件;2)开关周期远小于电压源周期;3)输入电源为理想的三相对称正弦波电压源;4)输出滤波电容完全相同且都是理想电容.
为了便于分析用d表示开关管s:的占空比,同时使d为开关管S的占空比,d为开关管s6的占空比,d为开关管S.
的占空比.
2整流器数学模型分析2.
1三相四线PFC单周控制分析由图1可知,输入侧中线连接两输出均压电容的中点,三相之间实现了物理解耦.
对于三相四线制PFC部分而言,可以将三相电路按照单相半桥整流器分别分析,最后在输出电容侧三个单相整流器以并联结构相连,如图2所示.
图2等效单相半桥整流器三相桥臂中点对Ⅳ点电压为:ua=(1-d.
.
)u,l--dan(2)图3三相四线单周控制平均等效模型由于均压拓扑的存在,忽略输出电容上电压纹波,设:Ucl=Uc2:U,dc(3)将式(1)、(3)带入式(2)得三相四线整流器单周控制方程为:rRi=(1—2d){RiⅡ:u(1—2d)(4)【Ri=(1—2d)其中"=挈为参考电压,为检测电阻.
整流器PFc部分单周控制原理可表示为如图4所示的数学模型.
2.
2三相三线PFC单周控制分析三相四线整流器相比三相三线整流器,其优势在于应用场合更广泛和可靠性更高.
但在电能质量较高和输送电网发达可靠性高的地区,缺相、三相不平衡等特殊情况发生的概率较低.
而在三相整流器的日常使用中,三相四线拓扑的接线相对复杂,由12ElectricaIAutomation图4三相四桥臂整流器单周控制部分原理框图于操作人员素质参差不齐,可能在接线时会出现只连接三相电源而不连接中线的情况.
因此针对三线接法的输出均压就非常重要.
当使用三线接法时,可得PFC部分单周控制平均等效模型如图5所示.
图5三相三线单周控制平均等效模型三相三线整流器单周控制方程为:Ⅳ~1一誓)Ⅱ:1一警)(5)="(,一警)根据电压型PWM整流器工作原理可知u>e.
,故参数Kl取值范围为0≤≤2.
当取K=1/2时,式(5)等效于式(4),证明了在理想情况下,三相三线整流器与三相四线整流器的单周控制方程相同,对于三相四线制整流器而言中线连接与否不影响PFC功能和输出直流电压的控制.
2.
3第四桥臂均压控制分析采用三相四线拓扑的整流器,由于电路内中线的存在为零序电流提供了通路,中线上会存在三次谐波电流及其他高频谐波电流.
而三相电压源的零序分量,开关函数0轴分量的存在都会对i.
产生影响,从而进一步影响输出电压差J.
实际应用中,这几种情况无法完全避免,则三相电感电流中必定存在零序电流的分量,必须要对其进行适当的控制以防止中线电流过大.
采用三相三线拓扑的整流器,由于没有中线的存在,并不存在四线接法时零序电流通路的问题.
但是由于输出为串联电容,当后级需要标准三电平输入时,仍然需要对输出电容进行均压.
由此,设计了图1中右侧虚线框的第四桥臂即均压桥臂,等效图如图6所示.
定义上开关管导通时S.
=一1,下开关管导通时S.
=1.
均压桥臂中点电压可表示为:变流技术ConverterTechniques直流11So)Ucl12曼(÷+÷sD)u晓(6),叶岛限流电感上流过电流为.
,上下一I"直流母线电流分别为和.
,正方llI'翟雾.
6-均压桥臂实现s兰9一输出均压功能时,:已——==l』.
dio=c…dc)"nac(8)由式(8)可知,要控制输出均压电容均压可以通过控制限流电感上的电流i.
来实现.
而要控制i.
,则需要控制图7均压桥臂数学模型第四桥臂上的开关占空比.
数学模型如图7所示.
依据图7提出了一种串联双闭环控制,内环为限流电感电流环,外环为输出均压电容均压环,如图8所示….
控制原理如下:电压外环参考值为0.
当输出电压不均压时,电压外环的输出不为0.
由此,外环输出信号经外环PI调节后作为限流电感电流的给定信号,经过电流内环控制在输出中产生与输入反向的直流偏压信号,以此抵消系统偏差,使输出电压恢复平衡.
而当输出电压均压时,电压外环输出为0,系统稳定工作.
图8均压桥臂控制原理图第四桥臂均压控制的目标是使中线电流为零,由式(7)可知正常工作状态下,通过控制第四桥臂的导通与关断可控制限流电感上的电流补偿零序电流,从而实现控制目标.
此时中线上没有电流流过,输出电压均压,中线无论是否连接都不会影响拓扑正常工作.
3仿真验证依据上述理论分析,为验证其正确性在MATLAB上进行仿真.
仿真主要参数如表l所示.
图9(a)为四线接法A相输入电压输入电流波形,电流THD为5.
1%,具有良好正弦度.
直流侧输出电压波形如图9(b)所示,三线接法直流侧输出电压波形如图1O(c)所示,可以看出均压效果良好.
当系统负载不平衡时,直流侧输出电压波形如图10所示,无《电气自动化}2015年第37卷第6期论四线接法还是三线接法都能实现输出均压.
(a)A相输入电压电流波形Udc+Uclc.
(b)连接中线时直流侧输出电压波形(c)断开中线时直流侧输出电压波形图9平衡负载下的系统输入输出仿真波形‰l(a)负载不对称连接中线时le(b)负载不对称断开中线时图10不平衡负载下直流侧输出电压波形(下转第17页)ElectricalAutomation13变流技术ConverterTe——choiqu—e———s——MMC在进行低电压穿越时有效的实现了低电压输出,保护了功率器件安全.
磊藩耋哥塞毒蒌l√J、.
,、.
f'I2F_·下-_—=--_.
鼍暑,:t:::::::::::::::::::l:矗f::::::::::::::i:::::::::.
::::::::::矗:l::::::::羔羔羔::::::::::::::j图6低电压穿越情况5结束语本文以应用于可再生能源并网的MMC为例,分析并验证了'阶梯波和PWM混合调制的控制方法,并得到以下结论:(1)基于拉格朗日乘子法的阶梯波调制法很好的解决了电平数较多时计算负担过重的问题,但其具有调制范围较窄的缺陷;(2)通过对不同电平数的阶梯波调制进行切换,可以解决调制范围小的问题,但在切换时要考虑到直流电压利用率的差别;(3)MMC并网端在电网接地故障时必须要采用PWM调制,才能实现低电压输出以保障设备安全.
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o0oooooooOooooooooooooooooooooooooooo0ooooooooooooooooooooooooo0oooooooooooooooooooooooooooooooooooo(上接第13页)表1仿真主要参数4结束语本文针对三电平输出的PWM整流器,设计了单独的第四均压桥臂,通过控制限流电感的电流来抵消正负母线电流差值,从而平衡输出电压.
由于控制限流电感电流使中线电流为零,而非直接控制中线电流,可以使得拓扑同时兼容三线和四线接法,为工程使用提供了便利.
仿真验证了本文正确性和有效性.
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【作者简介】王鼎(1990一),男,浙江杭州人,硕士,研究方向为电力电子技术.
南余荣(1966一),男,浙江乐清人,教授,博士,研究方向为电力电子与电气传动.
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