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一种基于电流滞环控制的Vienna型PFC整流器

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《电气开关》(2016.No.2) l9 文章编号:1004—289X(2016)02—0019—07 一种基于电流滞环控制的Vienna型PFC整流器 杨世凯 ,刘小娟 ,程俊翔 ,程鹏 ,章晋 (1.三峡大学电气与新能源学院,湖北 宜昌443002;2.甘肃省电力公司检修 公司酒泉分部,甘肃 酒泉735000) 摘要:大型工业设备需要的稳压器和大型变压器具有体积大,控制复杂等特点。分析Vienna整流电路的原理, 提出了一种基于电流滞环控制的Vienna型PFC整流电路。在Matlab\Simulink上搭建平台进行仿真,结果表明 基于电流滞环控制的Vienna整流电路控制简单,稳定性好,功率因数校正效果好。在此基础上,搭建了一台Vi— enna整流器样机,实验结果验证了该方案是可行的。 关键词:Vienna整流电路;电流滞环控制;功率因数校正 中图分类号:TM461 文献标识码:B A PFC Rectifier of Vienna Based on Hysteresis Current Control YANG Shi—kai‘LIU Xiao-juan ,CHENG Jun—xiang ,CHENG Peng ,ZHANG in f,(1.College of Electrical Engineering and New Energy China Three Gorges University,Yichang 443032,China; 2.Jiuquan Branch,Maintenance Company,Gansu Electric Power Company,Jiuquan 735000,China) Abstract:Large industrial equipment required voltage regulators and large transformers,they have the features of large volume and complex contro1.Analysis of principle of Vienna rectifier circuit,a Vienna—type PFC rectifier circuit based on the current hysteresis control was proposed.A platform for simulation in Matlab\Simulink was buih,the results show that rectifier circuit of Vienna based on hysteresis current controlis simple,good stability,good power factor correction.On this basis,a prototype of Vienna rectiifer isconstructed,and experimental results show that the proposedprogram is feasible. Key words:Vienna rectiifer circuit;hysteresis current control;power factor correction l 引言 随着电力电子技术的发展,特别是功率半导体器 件以及控制技术的飞速发展,电力电子装置越来越多 地应用于工矿企业,其在提高生产效率和产品质量等 方面起着重要作用。但是由于其强非线性的特点对电 网注入大量的谐波和无功功率,造成严重的电网“污 等特点,因此对Vienna整流器控制技术进行研究具有 很大价值。而电流滞环控制因其控制简单、响应快广 泛用于PWM整流器等功率因数校正电路中 。本 文研究了一种基于电流滞环控制的Vienna型PFC整 流电路,Matlab\Simulink仿真和实验结果证明了该控 制策略的有效性。 染”。因此研究具有高功率因数PWM整流装置成为 电力电子应用领域的一个重大研究课题¨I2 。而在三 相整流器的拓扑结构中,Vienna整流器作为一种典型 2 Vienna型PFC整流电路的工作原理 2.1 单相Vienna整流器的工作原理 如图1为单相Vienna型PFC整流器的电路拓扑 的三电平拓扑 J,适合用于高电压,大功率的领域, 与传统的两电平结构相比降低了开关管的电压应力和 交流侧的谐波含量,避免上下桥臂直通,简化控制环节 基金项目:新能源微电网湖北省协同创新中心(三峡大学) 结构图。图中 。为单相交流电源;L 为输入升压电 感;Dax( =1、2、3、4、5、6)为快恢复二极管;在图1所 示的结构图中,开关器件Js 为绝缘栅双极晶体管,输 出侧的稳压滤波电容用c 、c:表示,R代表的是直流 侧负载。如图所示,当全控型开关管.s 关断,如果i。 20 的方向为正方向,那么i 流经的路线为图2(a)所示, 如果i 的方向为反方向,那么电流i 流经的路线为图 2(b)所示。 图I 单相Vienna型整流电路的拓扑结构 (a)输入电流为正时 (b)输入电流为负时 图2开关S 关断时的电流流经路线 当全控型开关管s。导通时,如果i 的方向为正方 向,那么i 流经的路线如图3(a)所示;如果i 的方向 为反方向,那么电流i。流经的路线如图3(b)所示。 根据上面的分析,全控型开关器件s 和Dax( = 1、2、3、4)等快恢复二极管一起构成了一个可以实现 电流双方向流动的可控开关 J,这个双向交流开关连 接A点和M点。根据电路的工作状态,可以把单相 Vienna整流电路等效如图4电路,简化后的单相Vien— na整流电路的等效电路拓扑可以看作是正Boost电路 和负Boost电路的并联而成的双极性Boost电路。 《电气开关》(2016.No.2) (a)输入电流为正时 (b)输入电流为负时 图3开关S 处于导通状态时的电流流经路线 图4单相Vienna整流电路的等效电路图 2.2三相Vienna整流器的工作原理 把三个单相Vienna整流电路连接起来,就构成了 图5所示教授J.W.Kolar提出的三相Vienna电路。 图5三相Vienna整流电路拓扑图 如图5所示的三相Vienna整流电路,该整流电路 的每一相开关都采用4个快恢复二极管和一个全控型 的开关管组成。根据单相Vienna的等效原则,把上述 三相Vienna整流电路拓扑等效为图6。 《电气开关》(2016.No.2) DtpZ D ,2 Dc I= = M R: C、 一 一 ● r ~ D Z D 2 D Z 图6三相Vienna电路等效原理图 分析三相电路进行开关状态和电路工作原理 J, 有方程(1): ,Uf=Ldif/dt+Rf+Uf0+UoN Jl C。d 。/dt=∑(1一Si)sign(ii)i 一Io(1) [C2dUcz/dt=∑(1一Si)sign(ii)i —Io 其中,S (i=a,b,C)为双向开关, , :为电容 C。,C2电压,Uo =Ucz=U血/2,Ud。为直流母线电压; Uf0=(1一Sf)sign(i )Udc/2;Sf开通时,Sf=1,S 关断 时,Sf=0;i >0时,sign(ii)i=1,if<0时,sign(if) i=一1。具体工作过程如下: (1)i 为正(电流方向从左到右)时的工作状态: 当全控型开关管 。处于导通状态时,F点的电位 被并联的二极管 、 强行钳位至电容中点 ,输入 侧电流i 流经的途径如图7(a)所示,该过程中i >0, 并且不断地增大,电感存储电能,此时U =U ,F点相 对电容中点电位为0;当全控型开关管 处于关断状 态时,输入侧电流i 的流经的途径如图7(b)所示,对 电容C 进行充电,此时F点相对电容中点电位为 /2。 (a)相电流为正,s 闭合时 (b)相电流为正, 关断时 图7相电流为正时,a相工作原理图 21 (2)i 为负(电流方向由右向左)时的工作状态: 当全控型主功率开关管S 处于导通状态时,F点 的电位同样被钳位至电容中点0,输入侧电流i 流经 的途径如图8(a)所示,该过程中i。<0,并且不断地增 大,电感存储电能,此时u =“ <0,F点相对电容中 点电位为0;当全控型开关管.s 处于关断状态时,输 入侧电流i。的流经的途径如图8(b)所示,对电容C: 进行放电,F点相对电容中点电位为一 /2。 Cl M C2 (a)相电流为负, 闭合时 (b)相电流为负,· 关断时 图8相电流为负时,a相工作原理图 在电路中,每相桥臂功率开关器件都有关断和开 通两种模式 ],三相Vienna整流器共有2。=8种开关 模式。在一个周期中任选其中的某一时刻进行分析电 路的工作状态(以0≤tOt≤ 6为例),如图9(a)一 (h)所示,分别介绍这8种开关模式所对应的电路工 作状态 引。 可以看出线电压 的电势有4种:Vo,vd /2,一 /2,0,其绝对值有 ,I/d /2,0三种,构成了三电平 输出。 3 Vienna整流器电流滞环控制策略 电流滞环控制是一种使得整流器输人电流跟随输 入电压的波形变化,实现功率因数单位化的方式。它 比较交流电流和输人侧的交流电压波形,改变整流器 中主开关管的状态,把输入电流和电压的相位偏差控 制在一定范围内,从而达到实现功率因数校正的 目的…j。 22 《电气开关》(2016.No.2) D j D 2 D 2 上。 Lb S.D + Dbp2 D。r + j 厶 上 C 一(a)Sa=O,Sb=0,So=O +_ 一C s: + D。N2 cO 2 D。w2 D D 2 D 2  (b)Sa=O,Sb=O,So=1 D D 本Dl  £。 l — 厶 r。 一 l 一 Cl +_ C2 M I D 2 D 2 D。 2 三 b 一 + 三 r …l C S Z D w 2 一 (d)只=0,Sb=1, :1 C. D NZ D Z区D 2 l (c)S =0,So=1,So:0 l l ± D w2 D 上. D rZ D 乏 + D 三. b D 2 D 2 S。 + 三 工 s,I c :『 Ⅳ 三 c I M I 三 C2 C. D。 XD XD D。 Z DbN D (e) =1,Sb=0,So:0 (D只=O,Sb=O,So=0 D。2 D L b D 一 + . D D 2 D。 2 S + C. S I一 c I 一 三 c 。 J l D DbN D D。 XD D (g)S =1,Sb=1, =O (h) =1一S=1,So=1 图9 lOVienna电路的八种工作状态图 “.,2 0 一“ /2 图1O电流滞环控制的原理图 电流滞环控制的原理图如图10所示,设定最大电 流偏差为hi ,2Ai 代表滞环比较器的环宽。参考 电流的下限为i 一△ ,参考电流的上限为i +△ 。 当系统运行稳定时,实际输入相电流经过霍尔元件或 者电流采集电路采集之后和参考电流相比较,如果超 环比较器的输出改变原来的触发信号使该相上对应的 开关管关断,实际相电流开始减小,实现对参考信号的 跟踪;同理,当实际检测到的输入相电流i 比参考电 流 耐小,并且差值达到或者是超过△ 时,滞环比较 器的输出改变原来的触发信号使该相对应的开关管开 通,电流再逐渐增大,实现对参考电流信号的跟踪。 3.1 电流滞环控制算法 式(2)~(4)所示为滞环控制方法的数学表达式: 指令电流:i =Imsin(tot) (2) 滞环上限:i 。:i +Ai (3) 滞环下限:i1。 =i 一△ (4) 其中,m为电流参考值的最大值, 一为滞环半宽。 滞环控制的频率最大值计算根据公式(5): Lmax-- Udc (5) 过参考电流i 并且差值达到或者是超过△ 时,滞 《电气开关》(2016.No.2) 23 滞环控制的平均开关频率值计算根据公式(6): ,一 !二 山 4L ·2Ai x. r61 4 Vienna型PFC整流器的仿真和实验 4.1闭环控制仿真 3.2电流滞环控制实现 查阅文献,采用式(7)、(8)来确定三相Vienna整 流器的三相升压电感的电感和电容范围: 一 : 图11为系统滞环电流控制的电路原理图。电流 滞环控制同时兼有两种功能:(1)作为电流调节器; (2)作为PWM调节器。电流滞环控制检测的是三相 电感的电流,它不需要外加调制信号,在控制部分电路 £ d P0 (7) 中设一个滞环逻辑控制器控制LD,电流环的滞环环宽 取与瞬时平均电流成比例的值。 盘 20kHz,P 取40kW,r/取0.95,求得L=0.48mH。 (8) 式中u 取最大值220V,u。取400V, 取最小值 ,d 为额定输出电流 取50Hz,vo取20V,求得C= 16661xF。 基于上述理论,在Matlab\Simulink上搭建仿真平 台,并对其进行仿真。系统仿真模型如图12所示,仿 真模型的参数设置交流相电压幅值31lV,输人侧电感 L :L =L =0.5mH,直流侧母线最电压为 4000V,直流侧负载R:400I ̄,直流侧电容C =C = 图11 三相Vienna型PFC整流器的闭环电流滞环控制图 22001 ̄F,开关频率取20kHz。图l3为滞环控制电路仿 真模型。 图12 Vienna整流器系统仿真模型 

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