三相升—降壓PWM整流器的仿真研究

曾 博，孟光偉，宋亞偉，方 偉

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三相升—降壓PWM整流器的仿真研究

曾 博，孟光偉，宋亞偉，方 偉

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

針對傳統(tǒng)三相電壓型PWM整流器無法輸出寬范圍直流電壓的問題，分析了傳統(tǒng)三相電壓型PWM整流器與Cuk電路相結(jié)合的三相升—降壓PWM整流器的工作原理。采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略進行控制。最后通過Matlab/simulink進行驗證，證明三相升—降壓PWM整流器拓寬了輸出直流電壓的范圍。

升—降壓PWM整流 Cuk電路 雙閉環(huán)控制 Matlab/simulink

0 引言

傳統(tǒng)三相電壓型PWM整流器有諸多優(yōu)點，正常工作時，能使輸入功率因數(shù)為1、電流波形趨近于正弦波、輸出直流電壓電壓可控[1]。但傳統(tǒng)的電壓型PWM整流器為升壓型變換器，運行在單位功率因數(shù)下，其直流輸出電壓高于交流電源電壓的峰值[2]。Ching一Tsai Pan等學(xué)者提出的三相電壓型PWM整流器與Cuk電路相結(jié)合的三相升—降壓PWM整流器[3,4]不僅具備上述傳統(tǒng)PWM整流器的優(yōu)點，而且能拓寬輸出直流電壓的范圍，即可以使整流器成為升—降壓變換器。而在傳統(tǒng)電壓型PWM整流器的各種控制方法中，電壓電流雙閉環(huán)控制[5]最為普遍，因此本文將采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略來對三相升—降壓PWM整流器進行控制，并通過Matlab/ Simulink進行仿真研究，驗證該整流器不但具有傳統(tǒng)PWM整流器的優(yōu)點，而且使輸出直流電壓既可以高于也可以低于交流電源電壓的峰值，即正常工作時整流器成升—降壓變換器。

1 主電路拓撲及工作原理

Ching一Tsai Pan等學(xué)者提出的三相升-降壓PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)[3,4]如圖1所示；在圖1中，1，2，…，6為等效開關(guān)管，1為1的串聯(lián)等效電阻；圖2為一個開關(guān)周期內(nèi)6個開關(guān)管的驅(qū)動信號等效示意圖。

拓撲結(jié)構(gòu)在一個開關(guān)周期內(nèi)工作過程如下：

1）開關(guān)周期的0時段內(nèi)，三個橋臂都應(yīng)處于直通狀態(tài)，即6個開關(guān)管同時導(dǎo)通，二極管D截止，三相交流電源處于短路狀態(tài)，電容1的電壓通過直通開關(guān)管對負載、0、L放電；

2）在開關(guān)周期的(1 –0)期間，二極管正向?qū)?，橋臂上的六個開關(guān)管按傳統(tǒng)PWM整流電路的工作模式經(jīng)給1充電；同時，由于二極管正向?qū)?，則可以對通過電感L的電流進行續(xù)流，從而向負載供電；通過控制電容1的充放電時間可以實現(xiàn)對輸出電壓的控制，電路相當(dāng)于分別工作在傳統(tǒng)三相PWM整流電路階段與Cuk電路階段。

圖1 三相升-降壓PWM整流器開關(guān)等效電路

圖2 開關(guān)管的驅(qū)動信號示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 SVPWM零矢量拓展

在Ching一Tsai Pan提出的拓撲結(jié)構(gòu)中可以存在上下橋臂直通的情況，因而SVPWM中的零矢量從2個拓展到21個[6,7,8]。若作如下定義：

其中W代表開關(guān)管S的通斷狀態(tài)，=1，2，3，4，5，6；當(dāng)S導(dǎo)通時，W記為1，關(guān)斷時記為0；用表示對應(yīng)定義下狀態(tài)的電壓空間矢量，則所有SVPWM零矢量如表1所示：

表1 零矢量拓展列表

表2　改進SVPWM控制扇區(qū)開關(guān)狀態(tài)分布

由該三相升-降壓PWM整流器的工作原理可知，在其正常工作時需要有一段上下橋臂同時導(dǎo)通的直通時間。由于PWM整流器的工作原理可知，如果采用表1中A，B，C類中的零矢量，可能會使某段時間的電流無法連續(xù)，因此，本文選取零矢量來代替?zhèn)鹘y(tǒng)SVPWM控制策略中的零矢量和，其6個扇區(qū)開關(guān)狀態(tài)分布如表2所示。

2.2控制策略的選取

文獻[5]中介紹了PWM整流器電壓電流雙閉環(huán)控制策略，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。從三相交流輸入端中采集三相輸入交流電壓a、b以及輸入電流a、b，輸出直流電壓dc，并且分別將a、b和a、b從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為以電網(wǎng)基波頻率的同步旋轉(zhuǎn)坐系下d、q和d、q。d軸分量表示用功分量，q軸分量表示無功分量。電壓環(huán)作為外環(huán)，輸出直流電壓的給定dc*和反饋dc得到電壓誤差，經(jīng)過PI控制器進行響應(yīng)的計算，得到輸出有功電流給定d*，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，為了使輸入功率因數(shù)為1，必須使無功電流為零，因此無功電流給定q*為零。d*、d和q*、q得到的誤差分別經(jīng)過各自的PI控制器以及前饋解耦控制后，進行相應(yīng)的計算，得到SVPWM控制策略算法，經(jīng)SVPWM調(diào)制后輸出6路脈沖驅(qū)動信號，控制PWM整流器中的開關(guān)器件。

3 仿真分析

為了驗證上述方案的可行性和有效性，本文使用Matlab/simulink搭建了仿真平臺，采用Matlab2012版本，并進行仿真驗證。系統(tǒng)的仿真的模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。仿真參數(shù)：三相交流輸入相電壓為50 Hz/16 V（有效值），交流側(cè)電感為16 mH，交流側(cè)電阻為0.1 Ω，直流側(cè)電容1為1000 μF，直流側(cè)電容0為1000 μF，直流側(cè)電感L為50 mH，負載電阻R為10 Ω。根據(jù)上文分析的整流器工作原理，PWM整流電路通過二極管D給1充電，因此，1兩端電壓0通過PWM整流電路獲得，則SVPWM所對應(yīng)輸入的直流電壓為0。

分別驗證dc*=15 V和dc*=30 V時，輸出直流電dc和三相交流電a相的電壓與擴大10倍后電流，對應(yīng)波形如圖4，如圖5。

圖3 電壓電流雙閉環(huán)PWM整流控制結(jié)構(gòu)

圖4dc*=15 V對應(yīng)波形

圖5 Udc*=30 V對應(yīng)波形

通過仿真結(jié)果得知，三相升—降壓PWM整流器可以輸出平滑的15 V和30 V的直流電，且交流輸入側(cè)電流是正弦波，并與交流輸入相電壓同相位，功率因數(shù)為1。15 V直流電壓低于交流輸入相電壓的峰值，30 V直流電壓高于交流輸入相電壓的峰值，可以看出三相升—降壓PWM整流器拓寬了輸出直流電壓的范圍。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

4 結(jié)論

本文分析了三相升—降壓PWM整流器工作原理，并拓展了SVPWM的零矢量，采用雙閉環(huán)控制策略進行控制，并進行仿真驗證研究，通過仿真波形可以看出，三相升—降壓PWM整流器正常工作時，輸出直流電壓既可以高于也可以低于交流輸入相電壓的峰值，相比于傳統(tǒng)三相電壓型PWM整流器，拓寬了輸出直流電壓的范圍。

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Simulation of Three-phase Step-up/down PWM Rectifier

Zeng Bo, Meng Guangwei, Song Yawei, Fang Wei

( Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM461

A

1003-4862（2016）10-0061-04

2016-05-09

曾博（1990-），男，碩士在讀，研究方向：電力電子與電力傳動。

孟光偉，男，博士，副教授。研究方向：電力電子與電力傳動。