能量回饋型同相供電系統(tǒng)的單相PWM整流器研究

摘要：針對(duì)能量回饋型同相供電系統(tǒng)中單相H—H功率單元的PWM整流器，提出了一種電壓、電流前饋的雙閉環(huán)控制策略。同時(shí)，針對(duì)大功率低開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用場(chǎng)合，給出了一種調(diào)制方法，解決系統(tǒng)延時(shí)帶來(lái)的控制性能下降問(wèn)題。最后，基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)與復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)，構(gòu)建了兆瓦級(jí)單相PWM整流器硬件裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，動(dòng)、靜態(tài)性能符合指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：整流器；能量回饋；控制策略；調(diào)制

1 引言
    我國(guó)電氣化鐵路主要采用單相交流變壓器供電方式，該供電方式存在負(fù)序、諧波、無(wú)功、電分相、供電效率低等問(wèn)題，不僅對(duì)電力系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響，且隨之產(chǎn)生的過(guò)電壓現(xiàn)象嚴(yán)重影響了機(jī)車的正常運(yùn)行，極大地制約了高速重載運(yùn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。
    近年來(lái)，提出的基于三相-單相電力電子變流器的新型同相供電系統(tǒng)，可從根本上解決上述問(wèn)題。這里基于文獻(xiàn)中新型同相供電裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了該應(yīng)用場(chǎng)合下的大功率單相PWM整流器控制系統(tǒng)的控制策略。
    這里采用比例-積分(PI)和比例-諧振(PR)調(diào)節(jié)器構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)單相PWM整流器的直流母線電壓及輸入電流進(jìn)行控制，并給出了
一種異步采樣方法，解決了傳統(tǒng)的規(guī)則采樣法在低開(kāi)關(guān)頻率下帶來(lái)的控制系統(tǒng)滯后增大的問(wèn)題。

2 同相供電裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    新型同相供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

    圖1中，新型同相供電裝置由多個(gè)單相背靠背功率單元構(gòu)成，每個(gè)功率單元輸入側(cè)連接一個(gè)三相工頻多繞組變壓器的次級(jí)繞組，輸出側(cè)采用多單元串聯(lián)方式輸出單相工頻交流電壓。該結(jié)構(gòu)采用全電力電子變流方式，可從根本上解決目前鐵路供電中存在的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)電能回饋。
    圖1中每個(gè)功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖2中，AC／DC／AC結(jié)構(gòu)的功率單元由背靠背H橋組成。選擇：IGCT作為開(kāi)關(guān)器件，以適應(yīng)大功率變流器要求。由于單相變流系統(tǒng)的瞬時(shí)功率存在二倍頻波動(dòng)，且功率單元輸入、輸出側(cè)均為工頻50 Hz，造成直流母線電壓存在二倍頻波動(dòng)，如果不加以抑制，該波動(dòng)將通過(guò)控制系統(tǒng)使網(wǎng)側(cè)電流產(chǎn)生低次諧波。因此，該拓?fù)湓谥绷髂妇€電容旁并聯(lián)了中心頻率為100 Hz的LC帶阻濾波電路，抑制直流母線二倍頻波動(dòng)。

3 系統(tǒng)控制策略
    功率單元整流側(cè)控制框圖如圖3所示。PLL為鎖相模塊，PWM為調(diào)制波模塊。

    圖中，PWM整流器采用雙閉環(huán)控制策略，直流母線電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器加入I0前饋，減輕PI調(diào)節(jié)器負(fù)擔(dān)并抑制負(fù)載擾動(dòng)：電流內(nèi)環(huán)采用PR
調(diào)節(jié)器并引入uN前饋，實(shí)現(xiàn)單相正弦電流無(wú)靜差跟蹤并抑制輸入電壓擾動(dòng)。
3．1 基于輸入電壓前饋的電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)
    根據(jù)單相PWM整流器拓?fù)?，得到功率單元整流?cè)電流環(huán)控制框圖如圖4所示。圖中，虛線框部分為整流器的數(shù)學(xué)模型。可見(jiàn)，uN為控制系統(tǒng)中存在的擾動(dòng)源，因此將其作為前饋加入PR調(diào)節(jié)器輸出中，抑制uN波動(dòng)帶來(lái)的系統(tǒng)擾動(dòng)。為提高電流環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力并適當(dāng)增加帶寬，采用準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為：
   
    選擇準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器參數(shù)為Kp=5，Kr=200，ωc=5。在調(diào)節(jié)器開(kāi)環(huán)根軌跡圖中，根軌跡所有點(diǎn)模值均為ω，說(shuō)明該調(diào)節(jié)器對(duì)基頻信號(hào)具有極高增益。閉環(huán)極點(diǎn)無(wú)限接近虛軸，既保留了高增益的特點(diǎn)，又避免了系統(tǒng)出現(xiàn)臨界穩(wěn)定的情況。通過(guò)調(diào)節(jié)根軌跡增益，可得到合適的阻尼比，使系統(tǒng)在基頻下穩(wěn)定高增益運(yùn)行。

3．2 基于直流負(fù)載電流前饋的電壓外環(huán)設(shè)計(jì)
    圖5為單相PWM整流器電壓外環(huán)控制框圖，其中虛線框部分為電壓外環(huán)中的物理模型。

    圖中，部分傳遞函數(shù)為：
   
    式(2)第2式中，將電流內(nèi)環(huán)等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，Ki，Ti分別為增益及時(shí)問(wèn)常數(shù)。式(2)第3式中，Kp，Ti分別為PI調(diào)節(jié)器中的比例增益和積分時(shí)間。由圖5可知，直流負(fù)載電流對(duì)于電壓外環(huán)控制系統(tǒng)是一擾動(dòng)源。對(duì)于電氣化鐵路供電而言，機(jī)車是一個(gè)不確定且快速變化的負(fù)載，造成直流負(fù)載電流經(jīng)常突變，對(duì)系統(tǒng)造成擾動(dòng)。因此，將I0前饋引入直流母線電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，使系統(tǒng)很好地適應(yīng)快速變化的負(fù)載。
    硬件電路中雖然包含2次濾波電路，但為保證電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器的反饋量為不含脈動(dòng)的直流量，對(duì)Ud采樣值進(jìn)行以基頻為周期的均值濾波，防止直流母線波動(dòng)反饋至控制系統(tǒng)。綜合以上軟硬件手段，可對(duì)直流母線電壓的二倍頻波動(dòng)達(dá)到較好的抑制效果。為使PI調(diào)節(jié)器具有一定的濾波能力，將其零點(diǎn)選擇為10 Hz，遠(yuǎn)小于二倍基頻100 Hz。故選擇PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：Kp=0．5，Ti=16 ms。電壓外環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖如圖6所示。

    由圖可知，系統(tǒng)的通帶頻率為0～0．4 Hz，在低頻段增益很高，高頻段快速衰減，既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，又保證了系統(tǒng)的濾波能力。系統(tǒng)在通頻帶內(nèi)具有70°幅值裕度，滿足穩(wěn)定性要求。系統(tǒng)幅頻曲線諧振峰頻率及相頻曲線與-180°，-360°相交的頻率．均為27 Hz以上，對(duì)于高頻階躍信號(hào)的跟蹤反應(yīng)較慢，穩(wěn)定性良好。

4 低開(kāi)關(guān)頻率下的調(diào)制策略
    數(shù)字控制系統(tǒng)一般使用規(guī)則采樣法，采樣頻率等于開(kāi)關(guān)頻率或開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，系統(tǒng)由計(jì)算得出調(diào)制信號(hào)到發(fā)出相應(yīng)PWM脈沖，延時(shí)一個(gè)或半個(gè)開(kāi)關(guān)周期。相對(duì)模擬控制系統(tǒng)，該延時(shí)使PWM存在一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，造成系統(tǒng)控制精度下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力差，甚至對(duì)穩(wěn)定性造成影響。
    由于IGCT器件的限制，該系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率為500 Hz，若使用非對(duì)稱規(guī)則采樣法，調(diào)制延時(shí)將達(dá)到1 ms。同時(shí)，對(duì)于控制系統(tǒng)而言，采樣頻率過(guò)低，使得控制性能嚴(yán)重下降，甚至威脅系統(tǒng)穩(wěn)定性。
    因此，這里給出一種高速的異步采樣調(diào)制方式，即系統(tǒng)采樣頻率遠(yuǎn)高于開(kāi)關(guān)頻率，定為10 kHz。每次采樣后均經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，得出最新的調(diào)制參考電壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)載波頂點(diǎn)時(shí)，將調(diào)制脈寬刷新，使PWM環(huán)節(jié)的滯后僅為100μs，大大提高了系統(tǒng)性能。H橋的基本調(diào)制方式為雙極性二重化調(diào)制，使系統(tǒng)在不改變開(kāi)關(guān)頻率的條件下達(dá)到1 kHz的等效開(kāi)關(guān)頻率。

5 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)及控制任務(wù)分配
    系統(tǒng)硬件連接關(guān)系及傳遞信息如圖7所示。圖中，控制系統(tǒng)對(duì)DSP及CPLD進(jìn)行了一定的任務(wù)分配。DSP具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，但執(zhí)行速度較慢，主要任務(wù)有：對(duì)采集量進(jìn)行數(shù)字濾波等信號(hào)處理；控制系統(tǒng)保護(hù)功能的執(zhí)行；雙閉環(huán)控制算法的執(zhí)行；PWM信號(hào)調(diào)制及死區(qū)補(bǔ)償CPLD具有并行任務(wù)處理能力以及可靠的硬件邏輯結(jié)構(gòu)，執(zhí)行的主要任務(wù)有：通過(guò)外部A／D實(shí)現(xiàn)高速采樣；對(duì)PWM信號(hào)及驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行保護(hù)處理；通過(guò)光纖與上位機(jī)通信；控制外圍I／O電路。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    裝置設(shè)計(jì)額定容量1 MVA。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，目前僅在低壓條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主電路設(shè)計(jì)參數(shù)：LN=1．5 mH，uN=300 V，iN=216 A，Ud=540 V。能量回饋型同相供電系統(tǒng)中，功率單元PWM整流器設(shè)計(jì)指標(biāo)為：①直流母線紋波小于10％；②負(fù)載突變等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，直流母線電壓短時(shí)間內(nèi)峰值誤差不超過(guò)-30％～20％，輸入電流短時(shí)間內(nèi)過(guò)流不超過(guò)50％；③輸入電流功率因數(shù)不低于0．98。
    在實(shí)驗(yàn)中，由于使用高壓探頭的原因，電壓采集信號(hào)為實(shí)際信號(hào)的0．9倍。為準(zhǔn)確標(biāo)示uN相位，采集實(shí)驗(yàn)變壓器初級(jí)電壓380 V。
    在穩(wěn)態(tài)條件下分別驗(yàn)證了系統(tǒng)整流供電及系統(tǒng)能量回饋性能，如圖8所示。圖8a中，系統(tǒng)低壓滿載運(yùn)行穩(wěn)定，輸入功率為63 kVA，直流母線紋波小于20 V，經(jīng)測(cè)量功率因數(shù)為0．99。圖8b中，系統(tǒng)低壓回饋穩(wěn)定運(yùn)行，直流母線紋波8％，回饋功率因數(shù)-0．99，電流波形無(wú)明顯畸變。

    在動(dòng)態(tài)條件下，分別驗(yàn)證功率單元整流系統(tǒng)以下性能：有、無(wú)前饋空載突切額定運(yùn)行，有、無(wú)前饋額定突切空載運(yùn)行，如圖9所示。

    圖9a中，Ud波動(dòng)峰值160 V，iN超調(diào)峰值70 A，調(diào)節(jié)時(shí)間1．5 s；在圖9b中，Ud波動(dòng)峰值100 V，iN超調(diào)峰值35 A，調(diào)節(jié)時(shí)間0．1 s。圖9c中，Ud波動(dòng)峰值100 V，且存在振蕩；調(diào)節(jié)時(shí)間約為0．5 s。圖9d中，Ud波動(dòng)峰值50 V，無(wú)振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間約為0．25 s。可見(jiàn)，加入前饋后，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度明顯加快，完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)電氣化鐵路供電中機(jī)車負(fù)載變化頻繁的工況。

7 結(jié)論
    針對(duì)能量回饋型同相供電中的大功率低開(kāi)關(guān)頻率單相PWM整流器，提出一種帶有電壓、電流前饋的控制策略，給出一種適用于該應(yīng)用領(lǐng)域的高速異步采樣調(diào)制方法，并基于DSP及FPGA構(gòu)建了硬件控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，控制系統(tǒng)性能良好，可以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，前饋的加入提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，PR調(diào)節(jié)器及高速異步采樣方法可在低開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)大功率單相正弦電流調(diào)節(jié)。