本發(fā)明涉及一種高壓整流裝置及其控制方法,具體涉及一種級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)及其控制方法,屬于高壓大功率電力電子領(lǐng)域。
背景技術(shù):
電能作為人們生活所必需的能源,其覆蓋范圍和應(yīng)用程度代表著我國綜合國力,隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展,特別是電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展,被大規(guī)模地運(yùn)用在了電力領(lǐng)域。由于傳統(tǒng)的整流系統(tǒng)不是受功率管的耐壓和開關(guān)頻率限制,就是受應(yīng)用場合空間體積重量的限制,所以未來新型多電平變流器的研究必定向高效、小巧、控制更加靈活的方向發(fā)展。
在大功率變流器的應(yīng)用中,人們希望電力電子裝置能夠擁有較大的運(yùn)行功率,但現(xiàn)有的功率開關(guān)器件在擁有高開關(guān)頻率時,往往難以承受較高的電壓;反之,當(dāng)開關(guān)器件有較大的功率承受力時,其所能達(dá)到的開關(guān)頻率常常不高,由三相整流橋構(gòu)成的整流裝置,由于受到功率開關(guān)管的耐壓值及其開關(guān)頻率的限制,通常無法達(dá)到很大的容量,不符合電力系統(tǒng)的高壓范圍。要想在高壓領(lǐng)域進(jìn)行整流就必須利用級聯(lián)的方式來提高系統(tǒng)的工作電壓和輸出功率,級聯(lián)型H橋PWM整流器以其無需多重化變壓器,占地面積小,效率高,而且還具有調(diào)劑速度快,運(yùn)行范圍寬等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有三相整流橋構(gòu)成的整流裝置,由于受到功率開關(guān)管的耐壓值及其開關(guān)頻率的限制,通常無法達(dá)到很大的容量,不符合電力系統(tǒng)的高壓范圍以及空間體積重量大,使用不便的問題,提出了一種級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)及其控制方法。
本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)包括:三相交流電源、信號檢測單元、控制單元、隔離驅(qū)動單元和整流電路單元;
所述三相交流電源的輸出端連接信號檢測單元的輸入端,所述信號檢測單元的輸出端連接控制單元的輸入端,所述信號控制單元的輸出端連接驅(qū)動單元的輸入端,所述驅(qū)動單元的輸出端連接整流電路單元的輸入端;整流電路單元的輸出端連接信號檢測單元;
所述信號檢測單元采用電流霍爾模塊CHB-25NP,實(shí)現(xiàn)三相電流檢測,霍爾傳感器副邊電流由電阻RM進(jìn)行采樣得到電阻RM兩端電壓UM,經(jīng)過隔離、偏置、低通濾波和嵌位處理后輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行處理;所述信號檢測單元的作用是檢測出交流側(cè)電感電流、電源電壓;
所述控制單元包括核心控制器DSP和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA;所述控制單元的作用是實(shí)現(xiàn)交流側(cè)三相電流采樣、電源電壓采樣、各級聯(lián)橋直流側(cè)電容電壓采樣、電流電壓雙閉環(huán)控制、CPS-SPWM波生成;所述控制部分采用單極倍頻調(diào)制,令相位為180°的一組正弦調(diào)制波和三角波相比較產(chǎn)生PWM波,以控制開關(guān)管動作,將調(diào)制波vT與三角載波νr相比較,若vT大于νr則T1輸出高電平,開關(guān)管S1導(dǎo)通,S2關(guān)斷,反之,S2開通,S1關(guān)斷;同理,令-νT與νr比較控制S3,S4狀態(tài);
所述隔離驅(qū)動單元的作用是將信號經(jīng)隔離放大來驅(qū)動功率管;
所述整流電路單元采用星形接法,每相都采用6個H橋級聯(lián)的方式,通過電感,直接接入電網(wǎng)。
進(jìn)一步地,所述信號檢測單元,采用電壓霍爾模塊CHV-50P來檢測電源電壓和直流側(cè)電容電壓。
所述的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)的控制方法,采用了適用于級聯(lián)H橋多電平變流器的載波相移正弦波脈寬調(diào)制策略,采用三級控制方式,先控制整體直流側(cè)電壓,再控制相間電壓平衡,最后控制相內(nèi)電壓平衡,具體步驟為:
步驟a、給定一個直流側(cè)的電壓值Uref,Uref與實(shí)際反饋回來的各級直流側(cè)電壓Udc總和的平均值進(jìn)行比較,其差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后,得到調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓的指令信號Idref,將Idref作為有功電流給定信號,進(jìn)行CHBR直流側(cè)與交流側(cè)的能量交換,從而將Udc調(diào)節(jié)至給定值Uref;
步驟b、采用輸出調(diào)制波補(bǔ)償?shù)姆椒ㄆ胶庀嚅g電壓,Udca、Udcb、Udcc為每相直流側(cè)電容電壓的平均值,計算三相直流側(cè)電壓平均值Udc為參考電壓,A,B,C各相直流側(cè)電壓平均值分別與之作差比較,經(jīng)PI調(diào)節(jié),輸出量與實(shí)際電流的直流量作差比較,進(jìn)行PI調(diào)節(jié),再分別與三相交流進(jìn)行倍乘,輸出量ΔucA、ΔucB、ΔucC即為相間直流電壓變化對調(diào)制波的微小調(diào)節(jié)量;
步驟c、對各相內(nèi)部電容電壓進(jìn)行平衡控制,通過對各正弦調(diào)制波進(jìn)行微調(diào)實(shí)現(xiàn)對這些電容電壓的控制,所需補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)信號由系統(tǒng)是發(fā)出還是吸收無功決定,若吸收無功,則所補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)信號應(yīng)該為正,若發(fā)出無功,則所補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)信號應(yīng)該為負(fù),經(jīng)過以上三級控制法控制直流側(cè)電壓所需調(diào)制比之和,即為最終三相電壓調(diào)制波uam、ubm、ucm。
進(jìn)一步地,步驟a的具體步驟為:
步驟a1、對DSP系統(tǒng)的工作環(huán)境進(jìn)行配置、系統(tǒng)中相關(guān)變量的初始化、各中斷的初始化、判斷是否開啟中斷子程序等,接著進(jìn)入接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的循環(huán)中,同時等待中斷事件的發(fā)生,當(dāng)中斷被開啟,暫時停止主循環(huán),進(jìn)入到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行各種運(yùn)算和配置PWM控制信號;
步驟a2、捕獲中斷子程序檢測電網(wǎng)頻率,完成數(shù)字鎖相環(huán),過零檢測電路通過檢測相電壓信號的過零點(diǎn)來開啟捕獲中斷子程序,當(dāng)捕獲中斷子程序被開啟,讀取當(dāng)前計數(shù)器的值同時在此中斷子程序中啟動定時器T1,并將預(yù)置的正弦表指針清零;
步驟a3、通過A/D中斷子程序完成直流側(cè)電壓樣、經(jīng)過PI調(diào)節(jié),得到給定的有功電流信號,無功電流的給定信號為0,然后通過電流內(nèi)環(huán)控制、電壓均衡控制及三相調(diào)制波的計算,改變開關(guān)管的開通時間,從而調(diào)節(jié)Udc;
步驟a4、如果信號檢測單元檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)過流現(xiàn)象,則及時將故障信號反饋給核心控制器DSP,通過過流保護(hù)電路封鎖所有脈沖信號來保護(hù)系統(tǒng)硬件電路;如果未檢測到過流現(xiàn)象,則執(zhí)行步驟a5;
步驟a5、當(dāng)中斷完成后,返回主循環(huán),繼續(xù)等待下一次中斷的發(fā)生。
進(jìn)一步地,步驟b的具體步驟為:
步驟b1、捕獲中斷子程序檢測電網(wǎng)頻率,完成數(shù)字鎖相環(huán),過零檢測電路通過檢測相電壓信號的過零點(diǎn)來開啟捕獲中斷子程序,當(dāng)捕獲中斷子程序被開啟,讀取當(dāng)前計數(shù)器的值同時在此中斷子程序中啟動定時器T1,并將預(yù)置的正弦表指針清零;
步驟b2、首先計算出程序中給定的三相電壓平均值,用A/D中斷采樣到的每相直流側(cè)電容電壓的實(shí)際值與給定值相減,差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié),然后在通過電流環(huán)的PI控制器最終進(jìn)行電壓的平衡;
步驟b3、如果信號檢測單元檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)過流現(xiàn)象,則及時將故障信號反饋給核心控制器DSP,通過過流保護(hù)電路封鎖所有脈沖信號來保護(hù)系統(tǒng)硬件電路;如果未檢測到過流現(xiàn)象,則執(zhí)行步驟b4;
步驟b4、當(dāng)中斷完成后,返回主循環(huán),繼續(xù)等待下一次中斷的發(fā)生。
進(jìn)一步地,步驟c的具體步驟為:
步驟c1、捕獲中斷子程序檢測電網(wǎng)頻率,完成數(shù)字鎖相環(huán),過零檢測電路通過檢測相電壓信號的過零點(diǎn)來開啟捕獲中斷子程序,當(dāng)捕獲中斷子程序被開啟,讀取當(dāng)前計數(shù)器的值同時在此中斷子程序中啟動定時器T1,并將預(yù)置的正弦表指針清零;
步驟c2、檢測系統(tǒng)的無功量,如果系統(tǒng)在吸收無功,則在A/D中斷中,改變開關(guān)管的時間,使其進(jìn)行正向的電壓調(diào)節(jié),反之則進(jìn)行負(fù)向調(diào)節(jié);
步驟c3、如果信號檢測單元檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)過流現(xiàn)象,則及時將故障信號反饋給核心控制器DSP,通過過流保護(hù)電路封鎖所有脈沖信號來保護(hù)系統(tǒng)硬件電路;如果未檢測到過流現(xiàn)象,則執(zhí)行步驟c4;
步驟c4、當(dāng)中斷完成后,返回主循環(huán),繼續(xù)等待下一次中斷的發(fā)生。
有益效果:
第一,本發(fā)明的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)的整流電路單元與電網(wǎng)直接連接,省去大量功率器件,降低了損耗,因此可以適當(dāng)提高開關(guān)管的電壓等級;
第二,本發(fā)明的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)省去大量功率器件,且控制方法簡單,實(shí)現(xiàn)的電平數(shù)量大大增加,并且各功率模塊能平均分配電壓,提高功率管的耐壓值;
第三,本發(fā)明的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)的控制部分采用單極倍頻調(diào)制,令相位為180°的一組正弦調(diào)制波和三角波相比較產(chǎn)生PWM波,以控制開關(guān)管動作,將調(diào)制波vT與三角載波νr相比較,若vT大于νr則T1輸出高電平,開關(guān)管S1導(dǎo)通,S2關(guān)斷,反之,S2開通,S1關(guān)斷;同理,令-νT與νr比較控制S3,S4狀態(tài),這樣在開關(guān)管動作一次情況下,總的輸出電壓有兩次脈動,即輸出電壓波形脈動頻率是器件開關(guān)頻率的兩倍,這樣就提高了等效開關(guān)頻率,能以低開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率的效果,降低損耗,而且還提高輸出波形質(zhì)量;
第四,本發(fā)明的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)省去體積、重量極大的變壓器,體積更加小巧,控制更靈活;
第五,本發(fā)明的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)的控制方法,先對整體直流側(cè)的電壓進(jìn)行平衡,使直流側(cè)的電壓能達(dá)到給定值,然后進(jìn)行三相每相的電壓平衡,使其每相的直流電壓相等,由于同型號的每個電容之間也會存在差異,所以進(jìn)一步的進(jìn)行相內(nèi)電壓平衡,減小電容之間差異產(chǎn)生的影響,這種三級控制方法能更好地平衡各相以及各個單元直流側(cè)電容電壓;
第六,本發(fā)明的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)的控制方法采用DSP+FPGA的控制方式,DSP作為運(yùn)算和控制部分,F(xiàn)PGA用來產(chǎn)生PWM波,這樣大大提高了控制、運(yùn)算速度,提高了整個裝置的響應(yīng)時間。
附圖說明
圖1系統(tǒng)整體框圖;
圖2 H橋級聯(lián)模塊與電網(wǎng)的連接圖;
圖3單極倍頻調(diào)制原理圖;
圖4隔離驅(qū)動電路;
圖5電壓過零檢測電路原理圖;
圖6電流檢測電路原理圖;
圖7三相DQ系統(tǒng)控制框圖;
圖8相間電壓平衡控制框圖;
圖9直流側(cè)電壓平衡控制框圖;
圖10有功、無功電流控制框圖;
圖11前饋解耦等效控制框圖;
圖12系統(tǒng)主程序流程圖;
圖13捕獲中斷子程序流程圖;
圖14 A/D中斷子程序流程圖;
圖15故障保護(hù)中斷子程序流程圖;
圖16主控制算法流程圖;
圖17交流側(cè)A相電壓、電流(放大10倍)波形;
圖18 A相中各H橋單元交流側(cè)輸出電壓波形;
圖19級聯(lián)H橋A相交流側(cè)輸出總的電壓波形;
圖20三相直流側(cè)電壓波形;
圖21 A相直流側(cè)六個電容電壓波形。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式一:結(jié)合圖1-3說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)如圖1所示,包括:三相交流電源、信號檢測單元、控制單元、隔離驅(qū)動單元和整流電路單元;
所述三相交流電源的輸出端連接信號檢測單元的輸入端,所述信號檢測單元的輸出端連接控制單元的輸入端,所述信號控制單元的輸出端連接驅(qū)動單元的輸入端,所述驅(qū)動單元的輸出端連接整流電路單元的輸入端;整流電路單元的輸出端連接信號檢測單元;
所述信號檢測單元采用電流霍爾模塊CHB-25NP,實(shí)現(xiàn)三相電流檢測,霍爾傳感器副邊電流由電阻RM進(jìn)行采樣得到電阻RM兩端電壓UM,經(jīng)過隔離、偏置、低通濾波和嵌位處理后輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行處理;所述信號檢測單元的作用是檢測出交流側(cè)電感電流、電源電壓;
所述控制單元包括核心控制器DSP和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA;所述控制單元的作用是實(shí)現(xiàn)交流側(cè)三相電流采樣、電源電壓采樣、各級聯(lián)橋直流側(cè)電容電壓采樣、電流電壓雙閉環(huán)控制、CPS-SPWM波生成;所述控制部分采用單極倍頻調(diào)制,令相位為180°的一組正弦調(diào)制波和三角波相比較產(chǎn)生PWM波,以控制開關(guān)管動作,將調(diào)制波vT與三角載波νr相比較,若vT大于νr則T1輸出高電平,開關(guān)管S1導(dǎo)通,S2關(guān)斷,反之,S2開通,S1關(guān)斷;同理,令-νT與νr比較控制S3,S4狀態(tài);
所述隔離驅(qū)動單元的作用是將信號經(jīng)隔離放大來驅(qū)動功率管;
所述整流電路單元采用星形接法,每相都采用6個H橋級聯(lián)的方式,通過電感,直接接入電網(wǎng)。
具體實(shí)施方式二:如圖4所示,本實(shí)施方式在具體實(shí)施方式一的基礎(chǔ)上進(jìn)一步限定,所述隔離驅(qū)動單元的電路中采用光耦TLP250芯片,光耦的使用,能夠減少信號延遲,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電和弱電的隔離,提高了可靠性。
具體實(shí)施方式三:本實(shí)施方式在具體實(shí)施方式一的基礎(chǔ)上進(jìn)一步限定,如圖5所示,所述信號檢測單元,采用電壓霍爾模塊CHV-50P把三相電壓降為幅值為5±0.5V的與電網(wǎng)同頻同相的正弦信號,該信號經(jīng)過處理電路最終得到0~3.3V的方波信號,以滿足DSP2812對輸入電壓的要求,通過DSP捕獲單元CAP3捕獲該方波信號的下降沿,即可得到電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)。
具體實(shí)施方式四:結(jié)合附圖說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式的級聯(lián)型H橋PWM整流系統(tǒng)控制方法,采用了適用于級聯(lián)H橋多電平變流器的載波相移正弦波脈寬調(diào)制策略,采用三級控制方式,先控制整體直流側(cè)電壓,再控制相間電壓平衡,最后控制相內(nèi)電壓平衡,具體方法為:
步驟a、如圖7所示檢測電路檢測出交流側(cè)電感電流、電源電壓,如圖10所示,基于Clark變換和Park變換計算出系統(tǒng)的有功電流id和無功電流iq,由于要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行,則以0作為無功指令信號,直流側(cè)給定電壓與反饋電壓之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)作為有功電流指令,如圖11所示,引入id、iq的前饋解耦控制實(shí)現(xiàn)對輸入Vd、Vq的補(bǔ)償,對有功和無功進(jìn)行獨(dú)立控制,從而控制整體輸出直流電壓和交流電流與電源電壓的相位,變換得到電壓的直流分量,通過反變換得到負(fù)載平衡情況下的調(diào)制波uca、ucb、ucc。
本步驟的具體方法是:
步驟a1、如圖12所示對DSP系統(tǒng)的工作環(huán)境進(jìn)行配置、系統(tǒng)中相關(guān)變量的初始化、各中斷的初始化、判斷是否開啟中斷子程序等,接著進(jìn)入接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的循環(huán)中,同時等待中斷事件的發(fā)生,當(dāng)中斷被開啟,暫時停止主循環(huán),進(jìn)入到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行各種運(yùn)算和配置PWM控制信號;
步驟a2、如圖13所示捕獲中斷子程序檢測電網(wǎng)頻率,完成數(shù)字鎖相環(huán),過零檢測電路通過檢測相電壓信號的過零點(diǎn)來開啟捕獲中斷子程序,當(dāng)捕獲中斷子程序被開啟,讀取當(dāng)前計數(shù)器的值同時在此中斷子程序中啟動定時器T1,并將預(yù)置的正弦表指針清零;
步驟a3、如圖14所示通過A/D中斷子程序完成直流側(cè)電壓樣、經(jīng)過PI調(diào)節(jié),得到給定的有功電流信號,無功電流的給定信號為0,然后通過電流內(nèi)環(huán)控制、電壓均衡控制及三相調(diào)制波的計算,改變開關(guān)管的開通時間,從而調(diào)節(jié)Udc;
步驟a4、如圖15所示如果信號檢測單元檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)過流現(xiàn)象,則及時將故障信號反饋給核心控制器DSP,通過過流保護(hù)電路封鎖所有脈沖信號來保護(hù)系統(tǒng)硬件電路;如果未檢測到過流現(xiàn)象,則執(zhí)行步驟a5;
步驟a5、當(dāng)中斷完成后,返回主循環(huán),繼續(xù)等待下一次中斷的發(fā)生。
步驟b、如圖8所示,采用輸出調(diào)制波補(bǔ)償?shù)姆椒ㄆ胶庀嚅g電壓,Udca、Udcb、Udcc為每相直流側(cè)電容電壓的平均值,計算三相直流側(cè)電壓平均值Udc為參考電壓,A,B,C各相直流側(cè)電壓平均值分別于之作差比較,經(jīng)PI調(diào)節(jié),輸出量與實(shí)際電流的直流量進(jìn)行作差比較,進(jìn)行PI調(diào)節(jié),再分別與三相交流進(jìn)行倍乘,輸出量ΔucA、ΔucB、ΔucC即為相間直流電壓變化對調(diào)制波的微小調(diào)節(jié)量,本步驟的具體方法是:
步驟b1、如圖13所示捕獲中斷子程序檢測電網(wǎng)頻率,完成數(shù)字鎖相環(huán),過零檢測電路通過檢測相電壓信號的過零點(diǎn)來開啟捕獲中斷子程序,當(dāng)捕獲中斷子程序被開啟,讀取當(dāng)前計數(shù)器的值同時在此中斷子程序中啟動定時器T1,并將預(yù)置的正弦表指針清零;
步驟b2、如圖14所示首先計算出程序中給定的三相電壓平均值,用A/D中斷采樣到的每相直流側(cè)電容電壓的實(shí)際值與給定值相減,差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié),然后在通過電流環(huán)的PI控制器最終進(jìn)行電壓的平衡;
步驟b3、如圖15所示,如果信號檢測單元檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)過流現(xiàn)象,則及時將故障信號反饋給核心控制器DSP,通過過流保護(hù)電路封鎖所有脈沖信號來保護(hù)系統(tǒng)硬件電路;如果未檢測到過流現(xiàn)象,則執(zhí)行步驟b4;
步驟b4、當(dāng)中斷完成后,返回主循環(huán),繼續(xù)等待下一次中斷的發(fā)生。
步驟c、各相內(nèi)部電容電壓進(jìn)行平衡控制,如圖9所示,通過對各正弦調(diào)制波進(jìn)行微調(diào)實(shí)現(xiàn)對這些電容電壓的控制,所需補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)信號由系統(tǒng)是發(fā)出還是吸收無功決定,具體若吸收無功,則所補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)信號應(yīng)該為正,若發(fā)出無功,則所補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)信號應(yīng)該為負(fù),經(jīng)過以上三級控制法控制直流側(cè)電壓所需調(diào)制比之和,即為最終三相電壓調(diào)制波uam、ubm、ucm,本步驟的具體方法是:
步驟c1、如圖13所示,捕獲中斷子程序檢測電網(wǎng)頻率,完成數(shù)字鎖相環(huán),過零檢測電路通過檢測相電壓信號的過零點(diǎn)來開啟捕獲中斷子程序,當(dāng)捕獲中斷子程序被開啟,讀取當(dāng)前計數(shù)器的值同時在此中斷子程序中啟動定時器T1,并將預(yù)置的正弦表指針清零;
步驟c2、如圖14所示檢測系統(tǒng)的無功量,如果系統(tǒng)在吸收無功,則在A/D中斷中,改變開關(guān)管的時間,使其進(jìn)行正向的電壓調(diào)節(jié),反之則進(jìn)行負(fù)向調(diào)節(jié);
步驟c3、如圖15所示如果信號檢測單元檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)過流現(xiàn)象,則及時將故障信號反饋給核心控制器DSP,通過過流保護(hù)電路封鎖所有脈沖信號來保護(hù)系統(tǒng)硬件電路;如果未檢測到過流現(xiàn)象,則執(zhí)行步驟c4;
步驟c4、當(dāng)中斷完成后,返回主循環(huán),繼續(xù)等待下一次中斷的發(fā)生。
控制原理:
通過對級聯(lián)型H橋整流器CHBR的等效電路分析,將整個整流器的損耗等效為固定電阻R,連接電抗器及線路電感等效為電感L,CHBR交流側(cè)輸出電壓為多電平階梯波,諧波含量小,故可忽略諧波而只考慮其基波分量;認(rèn)為系統(tǒng)三相對稱,交流輸出電壓與電容電壓成線性關(guān)系。那么,對于星形接法,在abc坐標(biāo)系下,由基爾霍夫電壓電流定律可得:
引入dq變換式(1)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下變?yōu)椋?/p>
式中,vsd,vsq,vcd,vcq分別為電網(wǎng)電壓和CHBR輸出電壓的dq分量,id,iq為CHBR輸出電流的dq分量。根據(jù)式(2)可以得到CHBR輸出電壓vcd,vcq的表達(dá)式:
根據(jù)式(3)得到有功、無功電流控制框圖如圖9所示。
可以明顯看出,CHBR系統(tǒng)是一個典型的耦合系統(tǒng),id,iq通過電抗器耦合,CHBR輸出電壓的變化會影響到輸出電流的變化,并且dq軸相互影響,不利于控制。通過采取一定措施對dq軸解耦,可以使得控制更為簡單,電流變換到dq軸后成為直流量,通過傳統(tǒng)線性PI調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。
前饋解耦控制策略如下,引入變量x1,x2:
由(3)和(4)可得:
通過對級聯(lián)型H橋整流器CHBR的等效電路分析,將整個整流器的損耗等效為固定電阻R,連接電抗器及線路電感等效為電感L,CHBR交流側(cè)輸出電壓為多電平階梯波,諧波含量小,故可忽略諧波而只考慮其基波分量;認(rèn)為系統(tǒng)三相對稱,交流輸出電壓與電容電壓成線性關(guān)系。那么,對于星形接法,在abc坐標(biāo)系下,由基爾霍夫電壓電流定律可得:
引入dq變換式(1)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下變?yōu)椋?/p>
式中,vsd,vsq,vcd,vcq分別為電網(wǎng)電壓和CHBR輸出電壓的dq分量,id,iq為CHBR輸出電流的dq分量。根據(jù)式(2)可以得到CHBR輸出電壓vcd,vcq的表達(dá)式:
根據(jù)式(3)得到有功、無功電流控制框圖如圖10所示。
可以明顯看出,CHBR系統(tǒng)是一個典型的耦合系統(tǒng),id,iq通過電抗器耦合,CHBR輸出電壓的變化會影響到輸出電流的變化,并且dq軸相互影響,不利于控制。通過采取一定措施對dq軸解耦,可以使得控制更為簡單,電流變換到dq軸后成為直流量,通過傳統(tǒng)線性PI調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。
前饋解耦控制策略如下,引入變量x1,x2:
由(3)和(4)可得:
則可得到控制框圖如圖11所示。
通過這種變換將dq軸的電流設(shè)計成兩個PI控制器,其輸出就是中間變量x1,x2,這樣就可實(shí)現(xiàn)dq軸電流的解耦控制,CHBR控制系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。圖1中控制單元是由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),電壓外環(huán)控制直流側(cè)整體電壓,其給定電壓與實(shí)測電壓相比較經(jīng)PI調(diào)節(jié)作為有功電流指令信號Idref,由于要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行,則以0作為無功電流指令I(lǐng)qref,CHBR輸出電流的dq變換作為電流的內(nèi)環(huán)反饋,指令信號與反饋信號進(jìn)行比較,再進(jìn)行PI調(diào)節(jié),最后得到CHBR期望的輸出電壓Vcd和Vcq,由Vcd和Vcq反變換成三相相差120度的調(diào)制波,我們稱之為一級調(diào)制波uca,ucb,ucc。
圖16為主控制算法流程圖。主要包括指令電流的計算和電流內(nèi)環(huán)控制,其中指令電流計算包括無功指令和有功指令,無功電流指令給定為0,有功電流指令是通過給定電壓與直流側(cè)電壓之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到。實(shí)測無功電流和有個電流是通過檢測交流側(cè)三相電流再通過abc/dq變換直接得到,電流內(nèi)環(huán)控制的無功電流和有功電流分別與給定信號比較經(jīng)PI調(diào)節(jié)。通過計算出vcd和vcq,再經(jīng)過反變換,最終得到主控部分調(diào)制波。
圖17是交流側(cè)A相電壓、電流波形。從圖中可以看出,電壓電流同相,電流信號實(shí)現(xiàn)了快速跟蹤電壓信號的效果,保證了級聯(lián)H橋整流器裝置單位功率因數(shù)運(yùn)行。
圖18是級聯(lián)H橋中A相中各H橋單元的輸出電壓,由仿真可知,各單元輸出為有一定相位差的PWM波,這些波形疊加之后輸出波形為圖19所示,可知交流側(cè)輸出電壓波近似于正弦波,可見采用級聯(lián)方式提高了系統(tǒng)輸出電壓,降低了各次諧波,若級聯(lián)數(shù)增多,則輸出電壓更接近正弦波。
圖20是三相直流側(cè)電壓波形,即每相中直流側(cè)電容上電壓的平均值,經(jīng)過對直流側(cè)母線電壓的閉環(huán)控制后,直流側(cè)母線電壓基本上穩(wěn)定在給定值1000V。
圖21是A相直流側(cè)六個電容電壓波形,從圖中可看出,經(jīng)過相內(nèi)電容電壓的平衡控制,六個電容電壓基本平衡。