1 引言
隨著電力電子裝置的廣泛使用，由此引起的諧波污染問(wèn)題逐漸受到了人們的重視。整流裝置是諧波主要的來(lái)源，因此有必要研制高功率因數(shù)、低諧波整流器以消除諧波源。與傳統(tǒng)的二極管不控整流、相控整流相比，四象限變流器具有功率因數(shù)高、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、輸入電流諧波小、開(kāi)關(guān)損耗小、電磁污染少等優(yōu)點(diǎn)[3]。
四象限變流器的控制策略主要有間接電流控制和直接電流控制兩種。間接電流控制通過(guò)調(diào)節(jié)變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位達(dá)到控制輸入電流的目的[1]。雙閉環(huán)直接電流控制在間接電流控制的基礎(chǔ)上引入網(wǎng)側(cè)輸入電流反饋，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波小和直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1]。本文首先介紹了四象限變流器的工作原理和數(shù)學(xué)模型，比較了基于直接電流控制與間接電流控制的四象限變流器工作性能，在此基礎(chǔ)上研究了直接電流控制四象限變流器的控制模型與PI參數(shù)設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的直接電流控制四象限變流器具備優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工作性能。
2 工作原理
四象限變流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中UN為輸入電壓；電感LN為網(wǎng)側(cè)等效電感，起到傳遞能量、抑制高次諧波、平衡橋臂終端電壓和電網(wǎng)電壓的作用；RN為網(wǎng)側(cè)電阻；T1～T4為全控型開(kāi)關(guān)器件（如MOSFET、IGBT等）；D1～D4為續(xù)流二極管；Cdc為濾波電容，為高次諧波電流提供低阻抗通路，減少直流電壓紋波；C2、L2分別為二次濾波電容和電感；RL為負(fù)載電阻；Udc為直流側(cè)輸出電壓。
圖1 四象限變流器主電路
采用單極性調(diào)制的時(shí)候，變流器交流側(cè)電壓Uab將在Udc，0或0，-Udc之間切換。因此，單相四象限變流器主電路的數(shù)學(xué)模型為：
（1）
式中：S(t)整流器開(kāi)關(guān)函數(shù)。
3 雙閉環(huán)控制四象限變流器
3.1 直接電流控制與間接電流控制的比較
直接電流控制，是一種通過(guò)直接控制交流電流而使其跟蹤給定電流信號(hào)的控制方法?？刂破骶哂须娏骺刂骗h(huán)，通過(guò)直接對(duì)電流調(diào)節(jié)，使電流快速地跟蹤給定值，因此，直接電流控制四象限變換器具有很好的動(dòng)態(tài)性能。另外對(duì)電流給定值限幅可以很好地限制輸出電流幅值。
間接電流控制也稱為相位幅值控制，它通過(guò)控制逆變器輸入電壓的幅值和相位來(lái)間接控制輸入電流。這種控制方式的穩(wěn)定性很差，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，在暫態(tài)過(guò)程中交流電流可能會(huì)出現(xiàn)直流偏移問(wèn)題和很大的電流過(guò)沖。所以盡管幅相位控制已提出了10多年時(shí)間，但在實(shí)際系統(tǒng)和裝置中幾乎不被采用。
3.2控制模型的建立
根據(jù)四象限變流器的控制原理，得到圖2所示四象限變流器雙閉環(huán)控制框圖。
圖2 雙閉環(huán)直接電流控制原理
圖中U*d為中間直流側(cè)輸出電壓給定值，Ud為中間直流環(huán)節(jié)輸出電壓，Id為中間直流環(huán)節(jié)輸出電流。為了減輕直流環(huán)節(jié)中電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的負(fù)荷，改善PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，用直流環(huán)節(jié)電流Id計(jì)算給定電流的有效分量I*s2，其結(jié)果與I*s1相加后作為交流電流的給定值I*s。由圖可得電流給定值I*s為：
（2）
鎖相環(huán)檢測(cè)網(wǎng)側(cè)輸入電壓，得到的相位和頻率信息作為電流參考信號(hào)I*s的相位和頻率。電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出u2(t)使實(shí)際的網(wǎng)側(cè)輸入電流IN(t)跟蹤給定的電流參考信號(hào)I*s，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)輸入電壓與輸入電流同相位，也即網(wǎng)側(cè)輸入端為功率因數(shù)1。結(jié)合圖2和以上分析可得：
3.3雙閉環(huán)直接電流控制PI參數(shù)的設(shè)計(jì)
3.3.1 電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)
電流內(nèi)環(huán)使輸入電流跟蹤指令電流，能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力?？紤]到參數(shù)準(zhǔn)確性和漂移，以及實(shí)現(xiàn)電流控制無(wú)靜差，本文選用PI調(diào)節(jié)器，控制框圖如圖3所示。
圖3 電流內(nèi)環(huán)控制器
考慮到電流內(nèi)環(huán)需要獲得較快電流跟蹤性能，設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)抵消電流控制對(duì)象傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，即
3.3.2電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)
假設(shè)直流端的濾波電容足夠大，則可忽略直流電壓紋波擾動(dòng)，電壓外環(huán)控制器如圖4所示。
圖4 電壓外環(huán)控制器
得到電壓外環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：
4 仿真結(jié)果分析
根據(jù)仿真模型，利用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB/Simulink對(duì)本文提出的直接電流控制四象限變流器進(jìn)行驗(yàn)證。參數(shù)設(shè)計(jì)如下：
交流側(cè)：網(wǎng)側(cè)交流電壓Us=1500V,頻率fs=50HZ，線路電阻RS=0.2Ω，線路電感Ls=1.19mH；直流側(cè): 輸出電壓指令Ud=3000V，電容Cd=0.01F，二次濾波環(huán)節(jié)C2=3mF,電感L2=0.84mH；電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)為：Kip=4.55,Kli=210,電壓外環(huán)PI參數(shù)為：Kvp=0.5，Kvi=291。
運(yùn)用雙閉環(huán)直接電流控制，啟動(dòng)過(guò)程的仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，雙閉環(huán)直接電流控制啟動(dòng)電流波動(dòng)比較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，在0.3s時(shí)加上負(fù)載后，輸入電壓和電流的功率因數(shù)為1，得到良好的效果。
(a) (b)
圖5 軟啟動(dòng)到加上負(fù)載時(shí)的仿真波形： (a) 輸入電壓和輸入電流波形； (b)輸出電壓波形。
增大負(fù)載后的仿真波形如圖6所示。在負(fù)載切換的過(guò)程中，輸出直流電壓跌落30V，波動(dòng)比較小，網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流在經(jīng)過(guò)1個(gè)工頻周期后保持同相位，穩(wěn)定后變流器功率因數(shù)接近于1。
（a） （b）
圖6 增大負(fù)載時(shí)的仿真波形：（a）輸入電壓和輸入電流波形；（b）輸出電壓波形
額定牽引負(fù)載到額定再生負(fù)載時(shí)的仿真波形如圖7所示。在狀態(tài)切換的過(guò)程中，輸出直流電壓限定為最大3200V，波動(dòng)范圍不超過(guò)5%，網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流在經(jīng)過(guò)3.5個(gè)工頻周期后保持功率因數(shù)-1。
(a) （b)
圖7 額定牽引負(fù)載到再生負(fù)載時(shí)的波形：(a) 輸入電壓和輸入電流波形；（b) 輸出電壓波形
5 結(jié)語(yǔ)
本文分析了四象限變流器的工作原理，提出了四象限變流器的數(shù)學(xué)模型，建立了雙閉環(huán)直接電流控制的仿真模型。通過(guò)仿真對(duì)四象限變流器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)以及系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定等性能的影響進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明，雙閉環(huán)直接電流控制四象限變流器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)特性。