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，針對大功率低開關頻率應用場合，給出了一種調制方法，解決系統(tǒng)延時帶來的控制性能下降問題。最后，基于數(shù)字信號處理器(DSP)與復雜可編程邏輯器件(CPLD)，構建了兆瓦級單相PWM整流器硬件裝置。實驗結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，動、靜態(tài)性能符合指標要求。
關鍵詞：整流器；能量回饋；控制策略；調制

1 引言
    我國電氣化鐵路主要采用單相交流變壓器供電方式，該供電方式存在負序、諧波、無功、電分相、供電效率低等問題，不僅對電力系統(tǒng)造成了嚴重影響，且隨之產生的過電壓現(xiàn)象嚴重影響了機車的正常運行，極大地制約了高速重載運輸?shù)膶崿F(xiàn)。
    近年來，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題。這里基于文獻中新型同相供電裝置拓撲結構，研究了該應用場合下的大功率單相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)調節(jié)器構成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，對單相PWM整流器的直流母線電壓及輸入電流進行控制，并給出了
一種異步采樣方法，解決了傳統(tǒng)的規(guī)則采樣法在低開關頻率下帶來的控制系統(tǒng)滯后增大的問題。

2 同相供電裝置拓撲結構
    新型同相供電拓撲結構如圖1所示。

    圖1中，新型同相供電裝置由多個單相背靠背功率單元構成，每個功率單元輸入側連接一個三相工頻多繞組變壓器的次級繞組，輸出側采用多單元串聯(lián)方式輸出單相工頻交流電壓。該結構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題，同時實現(xiàn)單位功率因數(shù)電能回饋。
    圖1中每個功率單元拓撲結構如圖2所示。

    圖2中，AC／DC／AC結構的功率單元由背靠背H橋組成。選擇：IGCT作為開關器件，以適應大功率變流器要求。由于單相變流系統(tǒng)的瞬時功率存在二倍頻波動，且功率單元輸入、輸出側均為工頻50 Hz，造成直流母線電壓存在二倍頻波動，如果不加以抑制，該波動將通過控制系統(tǒng)使網(wǎng)側電流產生低次諧波。因此，該拓撲在直流母線電容旁并聯(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。

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

    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調節(jié)器加入I0前饋，減輕PI調節(jié)器負擔并抑制負載擾動：電流內環(huán)采用PR
調節(jié)器并引入uN前饋，實現(xiàn)單相正弦電流無靜差跟蹤并抑制輸入電壓擾動。
3．1 基于輸入電壓前饋的電流內環(huán)設計
    根據(jù)單相PWM整流器拓撲，得到功率單元整流側電流環(huán)控制框圖如圖4所示。圖中，虛線框部分為整流器的數(shù)學模型。可見，uN為控制系統(tǒng)中存在的擾動源，因此將其作為前饋加入PR調節(jié)器輸出中，抑制uN波動帶來的系統(tǒng)擾動。為提高電流環(huán)動態(tài)響應能力并適當增加帶寬，采用準PR調節(jié)器，傳遞函數(shù)為：
   
    選擇準PR調節(jié)器參數(shù)為Kp=5，Kr=200，ωc=5。在調節(jié)器開環(huán)根軌跡圖中，根軌跡所有點模值均為ω，說明該調節(jié)器對基頻信號具有極高增益。閉環(huán)極點無限接近虛軸，既保留了高增益的特點，又避免了系統(tǒng)出現(xiàn)臨界穩(wěn)定的情況。通過調節(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)定高增益運行。

3．2 基于直流負載電流前饋的電壓外環(huán)設計
    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，將電流內環(huán)等效為一個慣性環(huán)節(jié)，Ki，Ti分別為增益及時問常數(shù)。式(2)第3式中，Kp，Ti分別為PI調節(jié)器中的比例增益和積分時間。由圖5可知，直流負載電流對于電壓外環(huán)控制系統(tǒng)是一擾動源。對于電氣化鐵路供電而言，機車是一個不確定且快速變化的負載，造成直流負載電流經常突變，對系統(tǒng)造成擾動。因此，將I0前饋引入直流母線電壓PI調節(jié)器的輸出，提高系統(tǒng)動態(tài)響應能力，使系統(tǒng)很好地適應快速變化的負載。
    硬件電路中雖然包含2次濾波電路，但為保證電壓外環(huán)調節(jié)器的反饋量為不含脈動的直流量，對Ud采樣值進行以基頻為周期的均值濾波，防止直流母線波動反饋至控制系統(tǒng)。綜合以上軟硬件手段，可對直流母線電壓的二倍頻波動達到較好的抑制效果。為使PI調節(jié)器具有一定的濾波能力，將其零點選擇為10 Hz，遠小于二倍基頻100 Hz。故選擇PI調節(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，對于高頻階躍信號的跟蹤反應較慢，穩(wěn)定性良好。

4 低開關頻率下的調制策略
    數(shù)字控制系統(tǒng)一般使用規(guī)則采樣法，采樣頻率等于開關頻率或開關頻率的兩倍，系統(tǒng)由計算得出調制信號到發(fā)出相應PWM脈沖，延時一個或半個開關周期。相對模擬控制系統(tǒng)，該延時使PWM存在一個慣性環(huán)節(jié)，造成系統(tǒng)控制精度下降，動態(tài)響應能力差，甚至對穩(wěn)定性造成影響。
    由于IGCT器件的限制，該系統(tǒng)開關頻率為500 Hz，若使用非對稱規(guī)則采樣法，調制延時將達到1 ms。同時，對于控制系統(tǒng)而言，采樣頻率過低，使得控制性能嚴重下降，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制方式，即系統(tǒng)采樣頻率遠高于開關頻率，定為10 kHz。每次采樣后均經過調節(jié)器的運算，得出最新的調制參考電壓，當?shù)竭_載波頂點時，將調制脈寬刷新，使PWM環(huán)節(jié)的滯后僅為100μs，大大提高了系統(tǒng)性能。H橋的基本調制方式為雙極性二重化調制，使系統(tǒng)在不改變開關頻率的條件下達到1 kHz的等效開關頻率。

5 硬件平臺設計及控制任務分配
    系統(tǒng)硬件連接關系及傳遞信息如圖7所示。圖中，控制系統(tǒng)對DSP及CPLD進行了一定的任務分配。DSP具有較強的數(shù)據(jù)運算能力，但執(zhí)行速度較慢，主要任務有：對采集量進行數(shù)字濾波等信號處理；控制系統(tǒng)保護功能的執(zhí)行；雙閉環(huán)控制算法的執(zhí)行；PWM信號調制及死區(qū)補償CPLD具有并行任務處理能力以及可靠的硬件邏輯結構，執(zhí)行的主要任務有：通過外部A／D實現(xiàn)高速采樣；對PWM信號及驅動信號進行保護處理；通過光纖與上位機通信；控制外圍I／O電路。

6 實驗結果
    裝置設計額定容量1 MVA。由于實驗條件限制，目前僅在低壓條件下進行實驗驗證。主電路設計參數(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整流器設計指標為：①直流母線紋波小于10％；②負載突變等動態(tài)過程中，直流母線電壓短時間內峰值誤差不超過-30％～20％，輸入電流短時間內過流不超過50％；③輸入電流功率因數(shù)不低于0．98。
    在實驗中，由于使用高壓探頭的原因，電壓采集信號為實際信號的0．9倍。為準確標示uN相位，采集實驗變壓器初級電壓380 V。
    在穩(wěn)態(tài)條件下分別驗證了系統(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)低壓滿載運行穩(wěn)定，輸入功率為63 kVA，直流母線紋波小于20 V，經測量功率因數(shù)為0．99。圖8b中，系統(tǒng)低壓回饋穩(wěn)定運行，直流母線紋波8％，回饋功率因數(shù)-0．99，電流波形無明顯畸變。

    在動態(tài)條件下，分別驗證功率單元整流系統(tǒng)以下性能：有、無前饋空載突切額定運行，有、無前饋額定突切空載運行，如圖9所示。

    圖9a中，Ud波動峰值160 V，iN超調峰值70 A，調節(jié)時間1．5 s；在圖9b中，Ud波動峰值100 V，iN超調峰值35 A，調節(jié)時間0．1 s。圖9c中，Ud波動峰值100 V，且存在振蕩；調節(jié)時間約為0．5 s。圖9d中，Ud波動峰值50 V，無振蕩，調節(jié)時間約為0．25 s。可見，加入前饋后，系統(tǒng)動態(tài)響應速度明顯加快，完全滿足設計指標，使系統(tǒng)能夠適應電氣化鐵路供電中機車負載變化頻繁的工況。

7 結論
    針對能量回饋型同相供電中的大功率低開關頻率單相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用領域的高速異步采樣調制方法，并基于DSP及FPGA構建了硬件控制系統(tǒng)。經實驗驗證，控制系統(tǒng)性能良好，可以實現(xiàn)控制目標，前饋的加入提高了系統(tǒng)動態(tài)響應能力，PR調節(jié)器及高速異步采樣方法可在低開關頻率下實現(xiàn)大功率單相正弦電流調節(jié)。