三电平整流器的PFC及中点平衡控制方法

2009年10月电工技术学报Vol.24No.10第24卷第10期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYOct.2009三电平整流器的PFC及中点平衡控制方法张东升1,2张东来1王陶1苏宝库2（1.哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳5180552.哈尔滨工业大学控制科学与工程系哈尔滨150001）摘要针对PFC输入电流的THD受电网不平衡、谐波、偏移等畸变情况影响较大的问题，提出了基于能量平衡的同步控制方法，同时引入负载电流的前馈控制，以抑制电网波动和负载扰动，提高系统的动态性能。分析了三相三电平整流器的数学模型，设计了一个中点电压控制数字补偿器，以抑制上下电容电压不平衡引起的中点电压波动，同时利用粒子群优化算法对中点电压平衡控制器的限幅值进行了优化设计，降低了中点电压调节对输入电流THD的影响。在所搭建的2.4kW的实验样机上，验证了控制方法的有效性，满载条件下输入电流THD＜5%，中性点电压偏差小于5V。关键词：单位功率因数锁相环中性点电压平衡三电平整流器中图分类号：TM461PFCandNeutralPointBalancedControlMethodofThree-levelRectifierZhangDongsheng1,2ZhangDonglai1WangTao1SuBaoku2（1.ShenzhenGraduateSchoolHarbinInstituteofTechnologyShenzhen518055China2.HarbinInstituteofTechnologyHarbin150001China）AbstractAsynchronouscontrolmethodbasedonpowerbalanceisproposedtosolvetheproblemthattheinputcurrentTHDofpowerfactorcorrectioncanbegreatlyaffectedbyphaseunbalance,harmonics,offset,notchingandsoon.Furthermore,thefeedforwardcontrolofloadcurrentisaddedtorestrainthedisturbanceofbothgridvoltageandload,whichimprovesthedynamicperformanceofsystem.Onthebasisofanalyzingthemathematicalmodelofthree-phasethree-levelrectifier,adigitalcompensatorforneutralpointpotentialcontrolisdesignedtosuppressvoltageunbalanceofthecapacitors.Simultaneouslytheamplituderegulationofthecompensatorisoptimizedusingparticleswarmoptimizationalgorithm,whichreducestheeffectofneutralpointpotentialadjustmentoncurrentTHD.Thecontrolmethodisverifiedbytheexperimensonaprototypeof2.4kW,ofwhichtheTHDislessthan5%whenfullyloaded,andthedeviationofneutralpointpotentialislessthan5V.Keywords：Unitpowerfactor,phaselockedloop,balanceofneutralpoint,threelevelrectifier1引言整流器已被广泛应用在通信电源、UPS（UninterruptiblePowerSupply）、AC驱动调速系统等工业领域，传统的整流器因功率因数低、电流谐波高，对电网污染严重，受到人们的广泛关注[1-4]。三电平PWM整流器与两电平整流器相比具有功率器件电压应力小、电流谐波低，等效开关频率高的优点。由于其具有以上的优点，近年来被广泛地应用于各类电力电子系统中，特别是高压大功率变换领域。功率因数校正PFC（PowerFactorCorrection）一般采用双环控制方式，电流内环通过对电感电流收稿日期2008-05-21改稿日期2008-11-1782电工技术学报2009年10月波形的控制，达到跟踪输入电压的目的，从而得到高的功率因数和低电流THD（TotalHarmonicDistortion）[4-6]。这类控制方法使用的前提是必须获得精确的电流参考波形。目前，获取电流参考波形的方法主要包括过零点检测、比例输入电压方法，这些方法容易受电网不平衡、谐波、偏移等畸变情况影响，使系统功率因数降低，电流THD变差[7-9]。中点电压波动是三电平变换器固有的问题，制约了变换器的应用，中点电压的平衡控制成为备受关注的重要课题。文献[10-12]分析了造成中点电压波动的因素，并将中点电压平衡控制方法概括为两类：①采用修改调制策略：采用SVPWM选择适当的冗余矢量，这类方法控制结构复杂，不易实现。②利用硬件电路实现电容电压的平衡控制，这类方法硬件电路复杂，可靠性低。已有的中点平衡控制方法的研究结果表明，中点电压平衡控制可以有效保证开关应力在额定的范围内，但过度的中点电压调节会使电流波形变差，输入电流的THD增大。本文提出了一种基于能量平衡的同步控制策略，设计了dq型数字锁相环，改善了畸变条件下电流参考波形；设计了中点电压平衡调节模块，提出了电流给定中加入PI控制的直流偏移分量的方法，以调节电容电压的平衡。2三相三电平整流器的数学模型三相三电平整流器的拓扑结构如图1所示。假定三相输入电压平衡，只考虑基波成分，根据基尔霍夫电压定律建立三电平整流器的电路方程为图1VIENNA整流器的拓扑结构Fig.1ThetopologyofVIENNArectifierMOXMddLrt=+++IEIVV（1）式中E——电网输入电压矢量，E=(vavbvc)T；I——电网输入电流矢量，I=(iAiBiC)T；VMO——输出电容中点到电网中性点电压矢量,VMO=(vMOvMOvMO)T；VXM——桥臂输出电压矢量，VXM=(vAMvBMvCM)T；r——输入线等效阻抗；L——升压电感。其中M120SS0A,B,CS0iiCiiCiivViiVi⎧⎪==⎨⎪−⎩开关导通开关关闭，且开关关闭，且（2）VC1、VC2分别表示母线电容C1和C2两端的电压，viM可以进一步表示为()()()M121iiCiCivsViViθθ⎡⎤=−−⎣⎦（3）θ和si分别为电流方向函数和开关状态函数101S(),000Siiiiiiiisiθ⎧⎧==⎨⎨⎩⎩导通关断（4）当中点电压平衡时，VC1和VC2是相等的，并且等于表示母线电压的一半即Vdc/2。对于三相平衡系统，可以得到vMO=AMBMCM3vvv++（5）电容中点的电流等于流过三个双向开关管的电流之和iM=iAsa+iBsb+iCsc（6）3基于能量平衡的同步控制策略本文提出的基于能量平衡同步控制策略如图2所示，它主要包括电压外环控制模块、中点电压补偿模块、滞环电流控制模块、dq型PLL锁相环和PWM发生模块。电压外环是基于同步坐标格式下能量平衡方程设计的，保证直流侧电压恒定，为电流环提供参考波形幅值，电压外环同时还包括了负载电流的前馈控制。dq型PLL锁相环以获得三相电流同步参考波形，正弦电流波形的调节通过传统的滞环控制实现。中点电压补偿模块保证直流侧电容C1和C2两端的电压相等。3.1积分自动复位的PLL积分自动复位的三相PLL的基本结构如图3所示，其原理是基于三相瞬时无功功率理论和线性化方法[8]。三相输入电压E如式（7），VPK为相电压峰值，经式（9）由abc静止坐标系变换到dq同步旋转坐标系，得到瞬时有功分量Ud和无功分量Uq见式（8），θ1为锁相的输出角度。≥＜第24卷第10期张东升等三电平整流器的PFC及中点平衡控制方法83图2VIENNA整流器的控制系统Fig.2ThecontrolsystemofVIENNArectifierE=VPK(cosθcos(θ−2π/3)cos(θ−4π/3))T（7）(UdUq)T=TE=(VPKcos(θ−θ1)−VPKsin(θ−θ1))T（8）()()()()111111coscos2/3cos4/32sinsin2/3sin4/333/23/23/2Tθθθθθθ−π−π⎛⎞⎜⎟=−π−π⎜⎟⎜⎟⎝⎠（9）图3三相PLL结构图Fig.3Blockdiagramofthree-phasePLL当θ≈θ1时，Uq近似等于−VPK(θ−θ1)，大小由输入电压和锁相输出之间相位差决定。误差信号通过PI调节达到相位上快速地锁定输入电压，即Uq=0。本文设计了具有周期性复位功能的数字积分器，并采用PI控制器和积分器分别离散化方法，来解决处理器数据位长的限制与压控振荡器（VCO）不断积分累加之间的矛盾。对于三相输入电压系统，数字积分器每累加到2π，积分器复位到零，重新开始积分，这样可以避免因角度溢出导致锁相环振荡的问题。合理设计PI调节器参数可以提高锁相速度，同时抑制输入电压的畸变，如相不平衡、谐波以及偏移等对电流参考波形的影响。3.2基于能量平衡的母线电压控制通常忽略交流输入电感和整流器各功率器件的损耗，在单位功率因数情况下，整流器的输入功率等于输出功率与所有储能元件能量变换之和，得到基于同步参考格式的整流器功率平衡方程如下：22eqdcdcdcpddd13d1d2d22CvviViLitt⎛⎞⎛⎞+=−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠（10）式中Ceq——电容C1值的一半；Vp——输入相电压有效值；id——输入有功电流；L——Boost电感值；vdc,idc——直流母线电压和电流。对式（10）进行线性化处理，得到基于功率平衡的稳态和小信号模型分别如式（11）和式（12）所示。以Idc和Vdc表示稳态工作条件下额定负载电流和输出直流电压信号。pddcdc32VIVI=（11）pddpeqdcdceqdc(3/2)()(/)VLIsLIGsCVsICV•−=+（12）电压外环为电流内环提供指令电流幅值dI∗，同时保持母线电压的恒定。本文采用PI控制器作为电压外环控制器，由式（12）可知Gp(s)中含有一个右半平面的零点，限制了控制环路的带宽，同时为了抑制直流侧电压的纹波引入电流内环，降低输入电流的THD指标，系统的剪切频率一般设计在10Hz左右。为了抑制负载变化引起的扰动，提高响应速度，除电压外环外还引入了负载电流的前馈控制。3.3电容中性点电压平衡控制电容电压的不对称通常是由直流电流和低频交流分量造成，电压的不对称会增大电容和功率器件的电压应力，严重时导致损坏[10-12]。电容C1与C2两端的电压差可以由式（13）表示，可见，通过对中点电流iM的控制可以达到两个电容电压的平衡84电工技术学报2009年10月控制的目的。由式（6）知，通过改变开关状态si，可以达到控制中点电流iM的目的，而si是由指令参考电流与实际电流的比较得到的，因此，在指令参考电流中加入一个直流偏移i0如式（14），就可以达到对中点电压平衡的控制。21M21M1dtCCtVVVitCΔ=−=∫（13）i0=ninpkks⎛⎞+⎜⎟⎝⎠(VC2−VC1)（14）为了防止中点电压平衡调节产生的较大直流偏移叠加到指令电流中，影响电流THD指标，需要对i0进行限幅。同时，i0的调节速度不宜过快，否则会使电流THD指标变差。加入电容电压平衡调节控制后的参考电流如式（15），通过加入电流偏移量i0，改变上下电容的充、放电电流量，以使电容C1与C2的电压达到平衡。*ad0**bd0**cd0coscos(120)cos(120)iIiiIiiIiθ