PDF《三相四线整流器的中线电流控制》

第13卷第3期 2009年 5月 电机与控制学报EL ECTR IC MACH IN ES AND CON TROL Vol113 No13 May

2009 三相四线整流器的中线电流控制 BOR IS Luis CorralMartinez, 李睿 , 马柯 , 徐德鸿 (浙江大学 电气工程学院 ,浙江 杭州 310027) 摘要:六开关三相四线 PWM 整流器拓扑是适合于中大功率高频 UPS装置的前级整流器拓扑.

与常规的六开关三相三线整流器相比 ,三相四线整流器输出正负直流母线 ,并且输入侧存在零序电 流通路 ,如果沿用三相三线整流器的控制方法 ,必然会引起很大的中线电流.针对此问题.讨论了 三相四线 PWM整流器输出为正负直流母线电压均衡控制和中线电流控制问题 ,建立了三相四线 整流器数学模型 ,分析了中线电流产生的机理以及抑制的方法 ,设计了基于同步旋转坐标系的三相 四线整流器的控制算法.在功率 40kW 的实验样机上验证了控制方法的有效性 ,保证了输出正负 母线电压的平衡及较小的输入电流谐波. 关键词 :整流器 ;

不间断电源 ;

脉宽调制 中图分类号 : T M461.

5 文献标识码 : A 文章编号 : 1007- 449X (2009) 03- 0419-

05 Central current control on three2phase four2wire rectifier BOR IS Luis CorralMartinez, L I Rui, MA Ke, XU De2hong (College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: The six switches three2 phase four2 wire rectifier is an appropriate front stage rectifier of the high2 er power high frequency UPS . Compared with the three2 phase three2 wire rectifier, the four2 wire rectifier produces the positive and negative DC link voltage. For the existence of the zero2 wire, the central current would be serious if the controlmethod of three2 wire rectifier is used to control the four2 wire rectifier . Both the balance control of positive and negative DC link voltage and the probiem of central wire current con2 trol are discussed. The mathematic model of three2 phase four2 wire rectifier is built . The original and con2 trol method of the centralwire current is analyzed. The control system based on synchronous coordinate is built . A 40kW prototype with wonderful experi mental results was built to verify the effectiveness of the controlled strategy . Key words: rectifiers;

UPS;

PWM 收稿日期 :

2008 -

11 -

12 基金项目 : 高等学校博士学科点专项科研基金 (J20070715) 作者简介 : BOR IS Luis CorralMartinez(1978 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为三电平网侧变流器控制技术 ;

李睿(1980 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为网侧变流器控制技术 ;

马柯(1985 - ) ,男 ,硕士研究生 ,研究方向为高效率逆变器技术 ;

徐德鸿 (1961 - ) ,男 ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,研究方向为新能源电力电子技术、 先进电源技术等.

1 引言三相 6开关 Boost整流器工作在 CCM 方式下 , 具有输入电流波形质量好 ,变换效率较高等优点. 因此比较适合在中大功率场合应用 [

1 -

8 ] .对于中 大功率高频 UPS,前级整流器需要正负对称的直流 母线 ,并给后级逆变器提供中线输出 ,所以前级整流 器一般采用三相四线制方案.三相四线制整流器需 要完成 3个功能 : ①输入功率因数校正 ;

②输出直 流电压控制 ,均压控制 ;

③中线电流控制. 三相四线结构存在零线电流通路 ,而零线电流 的存在 ,又影响了三相输入电感电流 THD.同时 , 三相四线整流器正负直流母线输出负载往往不平 衡 ,必须设计合适的正负直流母线均压电路. 本文从空间矢量出发 ,首先建立三相四线 PWM 整流器在 d、 q、 0坐标系下的数学模型 ,分析整流器 中线电流产生的机理以及抑制方法.然后设计了整 流器的控制环路来控制中线电流 ,使整流器三相输 入电流具有单位功率因数且谐波较小.通过正负直 流母线均压 ,保证输出正负母线电压稳定均压.系 统采用基于 d - q同步旋转坐标系的电网电压锁相 方法 ,以实现各种工况下的稳定锁相.最后通过一 台额定输出功率

40 kW 的实验样机 ,来验证控制策 略的可行性和有效性.

2 三相四线整流器主电路和数学模型 图 1为 UPS前级三相四线整流器主电路 ,.电 路分为两部分 ,一部分是三相四线 PFC整流器 ,另 一部分是直流母线均压电路.PFC整流器部分的功 能是控制电网侧输入电流具有单位功率因数且电流 THD较小、 直流母线总输出电压稳定.整流器输出 采用正负直流母线电压输出 ,直流母线均压电路的 功能是在直流侧正负母线负载不平衡时 ,控制直流 侧正负母线电容电压平衡. 图1三相四线整流器 Fig.

1 Topology of three2phase four2w ire rectifier 为了设计三相四线整流器控制环路 ,需要推导 整流器数学模型.为简化分析 ,忽略滤波电感寄生 电阻 ,此时整流器数学表达式为 L dia dt = usa - Δudc

2 - Sa udc

2 , L dib dt = usb - Δudc

2 - Sb udc

2 , L dic dt = usc - Δudc

2 - Sc udc

2 , C dudc dt = ia Sa + ib Sb + ic Sc - 2i Load , C d Δudc dt = ia + ib + ic + i Load1 - ibo - i Load2 . (1) 式中 : usa 、 usb、 usc为网侧电压 ;

ia 、 ib、 ic 为三相电感电 流;

Δudc表示正负直流母线电容电压 u + dc、u - dc之差 ;

udc 表示正负直流母线电容电压 u + dc 、 u - dc之和 ;

Sa 、 Sb、 Sc 为开关函数 ,为 1时表示桥臂上管导通 ,为-1时表 示桥臂下管导通 ;

i Load1 、 i Load2为正负母线负载电流 ;

2i Load为正负直流母线负载电流之和.根据电路设 计 ,控制正负直流母线电压平衡是由专门的均压电 路实现 ,因此可以假设正负直流母线负载电流之差 等于均压电感电流 ,即ibo = i Load1 - i Load2 . (2) 在式 (2)假设的基础上 ,把整流器表达式转换 到基于 d、 q、 0同步旋转坐标系下. L did dt = - Sd

2 udc +ωL iq + usd , L diq dt = - Sq

2 udc - ωL id + usq , L di0 dt = - S0

2 udc -

3 2 Δudc + us0 , C dudc dt = Sd id + Sq iq + S0 i0 - 2i Load , C d Δudc dt = 3i0 . (3) 式中 : usd、 usq、 us0为网侧电压在 d、 q、 0坐标系下的表 达式 ;

id、 iq、 i0 为三相电感电流在 d、 q、 0坐标系下的 表达式 ;

Sd、 Sq、 S0 为开关函数在 d、 q、 0坐标系下的 表达式. 根据式 (3) ,可以得到出整流器在 d、 q、 0坐标 系下的数学模型 ,如图 2所示. 图2三相四线整流器数学模型 Fig.

2 M a thema tical m odel of the three2phase four2w ire rectifier 三相四线整流器与三相三线整流器的一个不同 点在于存在零线电流通路 ,根据图 2可知 ,三相四线 整流器的零序电流受到零序开关函数、 直流母线电 压差和电网电压零序分量影响.由于开关器件死区 的存在 ,开关函数必然存在零序分量 ,电网电压质量

0 2

4 电机与控制学报第13卷 不好时也会产生零序电压分量.上述因素均会导致 输入滤波电感电流零序分量的产生.如果不对三相 四线整流器零序电流进行有效控制 ,必然会增加整 流器输入电流的谐波畸变.需要指出的是 ,根据电 路设计 ,存在专门的直流侧均压桥臂负责正负直流 母线均压 ,因此这里直流母线电压差对零线电流的 影响可以不考虑.在式 2假设的基础上 ,可以得到 直流侧均压桥臂的数学表达式 ,即LO dibo dt = Δudc

2 + SO udc

2 , C d Δudc dt = i Load1 - ibo - i Load2 . (4) 根据式 (4)的推导 ,可以通过控制均压桥臂电感电 流ibo来控制正负直流母线电压平衡.直流母线均 压桥臂电路数学模型 ,如图 3所示. 图3均压电路数学模型 Fig.

3 M athema tica l m odel of the voltage balance circuit

3 三相四线整流器控制环路设计 三相四线整流器的控制目标包括对输入滤波电 感电流的控制和对输出直流母线电压的控制.对于 输入电流希望控制其电流谐波尽量小并且实现单位 功率因数.对于直流母线电压希望直流侧正负直流 母线电压均分 ,直流母线总电压恒定.根据上述设 计目标 ,基于图 2所示的三相四线整流器同步旋转 坐标系下的数学模........