帶能量回饋的級聯型高壓變頻器研究

　　1 引言

　　如圖1所示，一般的級聯型高壓變頻器的整流部分都是采用不可控的二極管，因而能量傳輸不可逆，當電機處于再生發電狀態時，回饋的能量傳輸到直流母線電容上，產生泵升電壓，使電容電壓不穩。過高的泵升電壓有可能損壞開關器件，從而威脅變頻器的安全工作。

　　為此本文采用成熟的三相pwm整流技術，使用可控開關器件組成單個功率單元的整流電路，實現能量雙向傳輸。同時對直流母線電容電壓進行閉環控制來穩定直流母線電容的電壓。這種方法還能實現網側單位功率因數，使級聯型高壓變頻器成為真正的綠色變頻器。仿真證明該方法簡單有效。

　　2 單個功率單元整流部分的數學建模及工作原理

　　從圖1(a)的拓撲結構可以看到，級聯型高壓變頻器由多個功率單元級聯而成。因此，可以以單個功率單元為研究對象，建立它的數學模型并分析其工作原理。

　　從圖1(b)可以看到，功率單元的整流部分是由不可控的二極管組成。為了實現能量回饋，穩定直流母線電容電壓，需要用可控的igbt替代二極管，進行pwm整流控制。圖2是改造后的功率單元拓撲結構圖。

　　圖2中，lx(x=a，b，c)為交流側濾波電感，電阻rx(x=a，b，c)為濾波電感lx的等效電阻和功率開關管損耗等效電阻的合并。

　　設三相電源電壓為：

　　式中：ed，eq，id，iq分別為功率單元整流部分的電源電壓矢量、輸入電流矢量在d-q軸上的分量。

由(3)式可以看出，d、q軸變量相互耦合，因而無法對d、q軸的電流進行單獨控制。為此引入id、iq的前饋解耦控制，且采用pi調節器作為電流環控制器，則有以下方程：

　　式中：ud*、uq*是d-q軸的電壓給定;kdp和kdi分別是d軸pi調節器的比例和積分系數;kqp和kqi分別是q軸pi調節器的比例和積分系數。

　　由式(4)可以看出，電壓指令已經實現了完全解耦控制，其系統控制框圖如圖3所示。圖3中，采用由pi調節器組成的電壓-電流雙閉環結構，外部電壓環用于實現輸出電壓的穩定，內部電流環控制交流輸入電流與輸入電壓同相。其工作原理如下：輸出電壓vdc和給定參考電壓vdc*比較后送入電壓pi控制器，電壓控制器的輸出信號作為網側電流有功分量的給定值id*，其大小根據整流器的有功輸出調節，為達到單位功率因數整流或逆變，無功分量的給定值iq*設定為0，穩態時dq軸的電流給定信號都為直流量，兩個給定值與網側經過變換后的反饋值id、iq相比較后，送入電流pi調節器，在經過解耦和dq→αβ變換后得到三相網側電壓在兩相靜止坐標系上的控制信號，再經過電壓空間矢量脈寬調制模塊后，輸出六路svpwm控制信號，從而實現對功率單元整流器的控制。

　　3 功率單元級聯的仿真系統

　　按照第2節介紹的數學模型，搭建的功率單元仿真模型如圖4所示。

　　其中，整流部分控制器的仿真模型如圖5所示。

　　4 功率單元級聯的仿真系統

　　圖6是每相串聯3個功率單元級聯型高壓變頻器的系統仿真模型。

　　6 結束語

　　通過仿真實驗的波形可以看出，改進后的級聯型高壓變頻器不僅可以進行能量的雙向傳輸，實現能量回饋;而且，控制系統的響應速度非常快，使變頻器具有較好的動態性能。因此，該改進方案是正確可行的。