四象限變流器控制策略的探討-1

1、四象限變流器控制策略的探討1,概述交流傳動(dòng)技術(shù)是我國(guó)鐵路牽引動(dòng)力發(fā)展的主要方向。對(duì)于單相供電牽引主變流器來(lái)說(shuō)，電源側(cè)四象限變流器是整個(gè)牽引系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)四象限變流器的控制策路對(duì)電網(wǎng)中的動(dòng)率因數(shù)和電網(wǎng)電流中的高次諧波的含量有著決定性的影響。對(duì)四象限變流器的控制必須達(dá)到以下兩個(gè)目的：但電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，維持中間回路直流電壓的恒定；使電網(wǎng)電流接近正弦波，電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，電網(wǎng)電流中的高次諧波的含量盡可能小，滿(mǎn)足軌道電路對(duì)諧波電流限值的要求。2,單相四象限變流器工作原理2.1,單相四象限變流器主電路原理圖 圖1 單個(gè)四象限變流器主電路原理圖圖1中：方框部分是變壓器牽引繞組的等效電路

2、，LN 和RN 分別為折合到二次側(cè)的牽引變壓器繞組的漏感和電阻。L2 和C2 構(gòu)成二次濾波回路, Cd 為直流側(cè)支撐電容。UN 為變壓器二次側(cè)電壓矢量, IN1 為變壓器二次側(cè)電流的基波矢量, V1V4 為可關(guān)斷電力電子開(kāi)關(guān)器件, D1D4 為功率二極管, 通過(guò)對(duì)V1V4 進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通與關(guān)斷控制可以對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行調(diào)制, 從而在四象限變流器的輸入端A、B生成一個(gè)與電網(wǎng)同步的脈寬調(diào)制波,記為US 。2.2,單相四象限變流器交流電網(wǎng)側(cè)等效電路對(duì)于圖1所示的單相四象限變流器主電路原理圖，交流電網(wǎng)側(cè)電路可以等效為圖2。圖2 四象限變流器交流電網(wǎng)側(cè)等效電路圖 圖2 四象限變流器交流電網(wǎng)側(cè)等效電路圖2.

3、3, 二次側(cè)交流回路電壓方程由圖2可以得到二次側(cè)交流回路的矢量電壓方程: UN = Us IN RNjLN IN 假設(shè)UN 和US 之間的相位差為,在牽引工況下, UN和IN的相位差應(yīng)為0°,則用該方程表示牽引工況的矢量如圖3(a) 所示,此時(shí)US滯后IN；而對(duì)于再生制動(dòng)工況, UN和IN的相位差應(yīng)為180°,該工況下的矢量如圖3 (b) 所示,此時(shí)US超前UN 。(a) 牽引工況 (b) 再生工況圖3 四象限變流器控制矢量圖 由方程(1) 和矢量圖可知: 如果變壓器二次側(cè)電壓UN和電感IN為已知量,那末只要控制了US的幅值和相位,也就控制了IN的幅值和相位。反之,只要控制

4、了IN的幅值和相位,也就控制了US的幅值和相位,因此方程(1) 是實(shí)現(xiàn)四象限變流器控制的基本公式。通常采用的雙閉環(huán)控制的原理就是由此而來(lái),它是通過(guò)控制US的幅值來(lái)調(diào)節(jié)IN的相位,保證交流側(cè)電網(wǎng)的基波功率因數(shù)為1；而通過(guò)調(diào)節(jié)US的相位來(lái)調(diào)節(jié)IN的幅值,保證直流側(cè)電壓Ud的穩(wěn)定。3，單相四象限變流器控制策略要使四象限變流器工作時(shí)達(dá)到單位功率因數(shù)，必須對(duì)電流進(jìn)行控制，保證其為正弦且與電壓同相或反相。根據(jù)有沒(méi)有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種：沒(méi)有引入交流電流反饋的稱(chēng)為間接電流控制，間接電流控制也稱(chēng)為相位幅值控制；引入交流電流反饋的稱(chēng)為直接電流控制。 3.1間接電流控制間接電流控制工作原理間接電

5、流控制沒(méi)有引入交流電流控制信號(hào)，而是通過(guò)控制四象限變流器的交流輸入端電壓，間接控制輸入電流，故稱(chēng)間接電流控制。又因其直接控制量為電壓，所以又稱(chēng)為相位幅值控制。間接電流控制具體的數(shù)學(xué)公式為： IN1=Kp(Udg-Ud)+1/Ti(Udg-Ud)dt IN2= Id Id /UN IN= IN1 + IN2us (t) = uN (t)-( INRNsint+ INLNcost) 式中：Kp和Ti為PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)； Udg為中間直流側(cè)電壓給定值，Ud分別為中間直流電壓實(shí)際值；Id分別為中間直流電流實(shí)際值；UN為交流側(cè)電壓的有效值；uN (t)為交流側(cè)電壓的瞬時(shí)值；IN為交流側(cè)電流幅值的給定值；

6、為網(wǎng)側(cè)電壓角頻率；us (t) 為電壓的調(diào)制信號(hào)。將電壓調(diào)制信號(hào)us(t)與三角載波比較，產(chǎn)生控制用的PWM信號(hào)，控制主電路的工作。間接電流控制原理圖框圖如圖圖2間接電流控制框圖圖中： PLL為鎖相環(huán), 用于保證所產(chǎn)生的i(T)與電網(wǎng)同步。中間直流電壓給定值Udg與反饋的中間直流電壓實(shí)際值Ud進(jìn)行比較，若UdgUd時(shí)，誤差E=0, IN1保持恒定；若UdgUd時(shí)，誤差E0, IN1增大，IN增大，輸入功率增大；若UdgUd時(shí)，誤差E0, IN1減小，IN減小，輸入功率減小。通過(guò)電壓反饋，改變輸入電流的大小，調(diào)節(jié)輸入的功率，從而維持中間直流電壓的穩(wěn)定。交流側(cè)指令電流幅值IN，經(jīng)過(guò)兩個(gè)乘法器轉(zhuǎn)換成

7、輸入電流的有功分量ip和無(wú)功分量 iq，分別經(jīng)R和L環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。再與電源電壓uN(t)相減后，便得到給定電壓的調(diào)制信號(hào)us(t)。將調(diào)制信號(hào)us與三角波比較，產(chǎn)生控制用的PWM信號(hào)，控制主電路的工作。間接電流控制的優(yōu)缺點(diǎn)這種控制方式的電路簡(jiǎn)單。但由于缺少了電流環(huán)，響應(yīng)速度受到一定程度的影響；另外，用到了電路參數(shù)R、L，電路參數(shù)與給定參數(shù)一致性較差，也會(huì)影響控制的精度。3.2直接電流控制與間接電流控制不同，在控制電路中引入交流輸入電流反饋信號(hào)，對(duì)輸入電流進(jìn)行直接控制，稱(chēng)為直接電流控制。根據(jù)電流跟蹤方法的不同，直接電流控制可分為滯環(huán)電流控制、定時(shí)瞬時(shí)值電流控制、瞬態(tài)直接電流控制、預(yù)測(cè)直接

8、電流控制等。3.2.1,滯環(huán)電流控制滯環(huán)電流控制工作原理滯環(huán)直接電流控制是將交流側(cè)實(shí)際電流iN(t)與交流側(cè)指令電流INsint之差i經(jīng)滯環(huán)比較，直接產(chǎn)生主電路開(kāi)關(guān)通斷所需的PWM信號(hào)。其數(shù)學(xué)公式為：IN1=Kp(Udg-Ud)+1/Ti(Udg-Ud)dt IN2= Id Id /UN IN= IN1 + IN2i= INsint- iN (t)SK=SK*(-i (t)SK= (i (t)SK=0 (i (t) -)K=1,2 式中：iN (t)為交流側(cè)電流的瞬時(shí)值；SK=，PWM信號(hào)為高電平；SK=0，PWM信號(hào)為低電平。SK*為上一時(shí)刻的值，2為滯環(huán)的寬度。當(dāng)交流側(cè)指令電流INsint

9、與交流側(cè)實(shí)際電流iN(t)之差i（t）時(shí), PWM信號(hào)保持不變； 當(dāng)i（t）-時(shí)，PWM信號(hào)為低電平，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電感LN釋放能量，i（t）逐漸減小（支撐電容Cd充電）；當(dāng)i（t）時(shí)，PWM信號(hào)為高電平，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電感LN儲(chǔ)能，i（t）逐漸增大（支撐電容Cd放電）。 滯環(huán)直接電流控制原理圖框圖如圖 圖3滯環(huán)電流比較法控制原理圖IN和一個(gè)與電壓同相的單位正弦信號(hào)sint相乘得到指令電流INsint，再與檢測(cè)到的電流iN (t)比較，經(jīng)過(guò)滯環(huán)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，使交流側(cè)的實(shí)際電流iN (t)始終跟蹤指令電流INsint。滯環(huán)直接電流控制的優(yōu)缺點(diǎn)滯環(huán)電流比較法控制

10、實(shí)現(xiàn)很方便，控制簡(jiǎn)單，且控制誤差可由滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)，若設(shè)計(jì)合適可達(dá)到較高的控制精度。但滯環(huán)電流比較法控制的不足之處是開(kāi)關(guān)頻率不固定，濾波器的設(shè)計(jì)復(fù)雜。 3.2.2,定時(shí)瞬時(shí)電流控制定時(shí)瞬時(shí)電流控制工作原理定時(shí)瞬時(shí)電流控制的原理是在滯環(huán)電流控制的基礎(chǔ)上，對(duì)滯環(huán)產(chǎn)生的PWM信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行限制。在實(shí)際控制電路中，只需在滯環(huán)電流控制PWM信號(hào)端加入一個(gè)D觸發(fā)器，其時(shí)鐘信號(hào)的頻率即是PWM信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率。定時(shí)瞬時(shí)電流控制原理圖框圖 圖4定時(shí)瞬時(shí)電流比較法控制原理圖定時(shí)瞬時(shí)電流控制的優(yōu)缺點(diǎn)定時(shí)瞬時(shí)電流比較法控制可有效克服滯環(huán)電流控制開(kāi)關(guān)頻率變化的缺點(diǎn)，使開(kāi)關(guān)頻率固定。但電流跟蹤誤差受到電網(wǎng)電壓影響，且控

11、制電路要比滯環(huán)電流比較控制復(fù)雜。3.2.3,瞬態(tài)直接電流控制瞬態(tài)電流控制工作原理瞬態(tài)電流控制基本數(shù)學(xué)公式為： IN1=Kp(Udg-Ud)+1/Ti(Udg-Ud)dt IN2= Ud Id /UN IN= IN1 + IN2 us (t) = uN (t)-( INRNsint+ INLNcost)-KpINsint- iN (t) 式中：Kp是調(diào)節(jié)器的參數(shù)與間接電流控制相比，瞬態(tài)電流控制引入了瞬態(tài)電流反饋，這是為了提高直流側(cè)電壓動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能，提高直流側(cè)電壓穩(wěn)定速度。瞬態(tài)直接電流控制原理圖框圖 圖5瞬態(tài)直接電流控制原理圖框圖交流側(cè)指令電流幅值IN*，經(jīng)過(guò)兩個(gè)乘法器轉(zhuǎn)換成輸入電流的有功分量ip

12、和無(wú)功分量 iq，分別經(jīng)R和L環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)uL(t)。IN*和一個(gè)與電壓同相的單位正弦信號(hào)sint相乘得到指令電流IN*sint，與檢測(cè)到的電流iN (t)減，再經(jīng)比例放大轉(zhuǎn)換為電壓調(diào)節(jié)信號(hào)ui(t)uL(t)、ui(t)再與電源電壓uN(t)相減后，便得到給定電壓的調(diào)制信號(hào)us(t)。將調(diào)制信號(hào)us與三角波比較，產(chǎn)生控制用的PWM信號(hào)，控制主電路的工作。瞬態(tài)電流反饋分析由四象限變流器牽引工況矢量圖可知：IN必須與UN同相位，IN的幅值越大，則UL和UR就越大，因而Us的幅值就越小，Us與UN的相位差就越大；反之，IN的幅值越小，則UL和UR就越小，因而Us的幅值就越大，Us與UN的相

13、位差就越小。若LRULURUsININ*sintiN(t)0uN(t)- ui(t)uN(t)us(t) iN(t)若LRULURUsININ*sintiN(t)0uN(t)- ui(t)uN(t)us(t)iN(t)瞬態(tài)電流控制引入了瞬態(tài)電流反饋，這是為了提高直流側(cè)電壓動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能，提高直流側(cè)電壓穩(wěn)定速度。瞬態(tài)直接電流控制的優(yōu)缺點(diǎn)瞬態(tài)電流控制引入了電流反饋，動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能，直流側(cè)電壓穩(wěn)定速度，控制精度較高，開(kāi)關(guān)頻率固定，且單一橋臂的開(kāi)關(guān)控制互補(bǔ)，便于系統(tǒng)的諧波分析。3.2.3,預(yù)測(cè)直接電流控制預(yù)測(cè)直接電流控制工作原理預(yù)測(cè)直接電流控制的控制策路為每經(jīng)過(guò)一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期TS，使實(shí)際電流與指令電流

14、相等。即在任一PWM開(kāi)關(guān)周期（tn, tn +TS）內(nèi)，電流必須滿(mǎn)足：iN(tn+TS)= iN (tn)由于變壓器繞組的電阻很小可忽略不計(jì)，可得瞬態(tài)電流控制基本數(shù)學(xué)公式為： IN1=Kp(Udg-Ud)+1/Ti(Udg-Ud)dt IN2=Ud Id /UN IN= IN1 + IN2 式中：Kp是調(diào)節(jié)器的參數(shù) Kp=LN/TC，TC是三角載波的周期將調(diào)制信號(hào)us與三角波比較，產(chǎn)生控制用的PWM信號(hào)，控制主電路的工作。預(yù)測(cè)直接電流控制原理圖框圖圖4 預(yù)測(cè)電流控制原理圖預(yù)測(cè)直接電流控制的優(yōu)缺點(diǎn)預(yù)測(cè)直接電流控制，同瞬態(tài)電流控制一樣引入了電流反饋，動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能好，直流側(cè)電壓穩(wěn)定速度，控制精度較高。開(kāi)關(guān)頻率固定，且單一橋臂的開(kāi)關(guān)控制互補(bǔ)，便于系統(tǒng)的諧波分析。通過(guò)以上五種控制策略的分析討論可得出以下結(jié)論：瞬態(tài)電流控制和預(yù)測(cè)電流控制是兩種較好的控制策略，適合與實(shí)際工程應(yīng)用。4，多重四象限變流器并聯(lián)控制策略在交流傳動(dòng)電動(dòng)車(chē)組上,有多個(gè)牽引變流器,每個(gè)牽引變流器又有兩個(gè)四象限變流器并聯(lián)供電。為使供電網(wǎng)上諧波電流最小，通常的做法是：使各四象限變流器的三角載波相互錯(cuò)開(kāi)一定的角度。這樣做法的好處是，各四象限變流的輸入電流的高次諧波互相錯(cuò)開(kāi)，使各四象限變流的電流的高次諧波，在變壓器一次側(cè)相互部分抵消，從而使供電網(wǎng)