（电气工程专业论文）可逆pwm整流器及其控制策略研究.pdf

， 牛 学位论文版权使用授权书 l i i ill ii i i 11 1i i i iiii 17 8 0 6 4 4 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：t 匀： 良导师签名：彦c 囤 签字日期：口o 【o 年月2 6 日签字日期：如f ，年月廖日 j 中图分类号：t m 9 2 1 5 u d c ：6 2 1 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 可逆p w m 整流器及其控制策略研究 s t u d yo f r e v e r s i b l ep w mr e c t i f i e ra n di t sc o n t r o ls t r a t e g y 作者姓名：谢晨 导师姓名：曾国宏 学位类别：工科 学科专业：电气工程 学号：0 8 1 2 2 0 7 7 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：电力牵引与传动控制 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师曾国宏副教授的悉心指导下完成的，曾国宏副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来曾国宏老师对我的关心和指导。 王健强老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向王健强老师表示衷心的谢意。 李景新老师对于我的科研工作和论文都给了很大的帮助，在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘峥、赵英杰、张雪源、董德鑫和鲍谚等同 学对我论文和研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 - 中文摘要 中文摘要 摘要：电池化成是蓄电池生产过程中的关键工艺流程，直接影响着电池的品质和 生产成本。目前，电池化成中对电池单体的放电大多仍采用电阻放电方式，造成 了电能大量浪费，这在当前电池大容量化和生产量快速增加的趋势下尤为严重。 由于p w m 整流器可双向传递能量且实现高功率因数并网，因而它也被应用于 蓄电池的充放电技术领域。为实现高效节能，新型的电池化成系统需要一种能够 同时提供多个充放电模块能量，又能将他们整体充放电多余的能量回馈电网的双 向变换器。本文为新型高效电池化成系统设计开发单相可逆p w m 整流器，基于 d s p 5 6 f 8 0 3 控制，经过分析比较p w m 整流器的不同控制方案，进而选用经典数 字p i 调节结合电流差值跟踪的控制策略，并分析了直流侧和交流侧电压较接近时 死区在电流波峰附近造成的畸变的原因，提出了调整测量点和补偿占空比的改进 方法。本文设计了该整流器的主电路参数，驱动电路，测量电路等硬件，提出了 软件实现的完整方案。制作的样机完成了各工作状态的测试并与化成系统其他部 分进行了联合调试。试验结果表明，半载或满载时，p w m 整流器效率可达9 4 以 上，功率因数9 8 以上，谐波则可以限制在5 以下，满足设计要求，验证了控制 策略及整体设计方案的可行性。 关键词：电池化成；p w m 整流器；双向；数字p i 调节：死区 分类号：t m 9 2 1 5 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：b a t t e r yf o r m a t i o nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si sak e yp r o c e s s ，w h i c h 。d i r e c t l ya f f e c t st h eb a t t e r y sq u a l i t ya n dp r o d u c t i o nc o s t s a tp r e s e n t ，t h et e c h n i q u eo f s i n g l ec e l ld i s c h a r g i n gi su s e di nt h eb a t t e r yf o r m a t i o n ，c a u s i n gal o to fw a s t e de n e r g y ， w h i c hi nt h ec u r r e n tb a t t e r yo fl a r g ec a p a c i t ya n dp r o d u c t i o nt r e n do fr a p i di n c r e a s ei s p a r t i c u l a r l ys e r i o u s a sp w mr e c t i f i e rc a l lr e a l i z eb i d i r e c t i o n a lt r a n s f e ro fi t se n e r g ya n dh i g hp o w e rf a c t o r c o n n e c t i n g t ot h e 西d ，s oi th a sa l s ob e e na p p l i e dt ot h eb a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g e t e c h n i q u e t oa c h i e v eh i g he f f i c i e n c y , t h en e wb a t t e r yf o r m a t i o ns y s t e mn e e d saw a yt o c h a r g ea n dd i s c h a r g em o d u l e sp r o v i d em o r ee n e r g y , b u ta l s ot ot h e i ro v e r a l lc h a r g ea n d d i s c h a r g et h ee x c e s se n e r g yo ft h eb i - d i r e c t i o n a lc o n v e r t e rf e e d b a c kt h eg r i d t h i sp a p e r d e s i g n sa n dd e v e l o p sah i g h l ye f f i c i e n ts i n g l ep h a s er e v e r s i b l ep w mr e c t i f i e r , w h i c h b a s e do nd s p 5 6 f 8 0 3c o n t r 0 1 t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tp w m r e c t i f i e rc o n t r o ls c h e m e ，t h ec l a s s i c a ld i g i t a lp ic o n t r o lc o m b i n e dw i t ht r a c k i n g d i f f e r e n c eo fc u r r e n tc o n t r o li sp r e s e n t e da n dt h i sp a p e ra l s oa n a l y s i st h er e a s o no f c u r r e n td i s t o r t i o nn e a rt h ep e a kw h e nt h ev o l t a g eo fd cb u sc l o s et o 鲥dv o l t a g ea n d p u tf o r w a r dt oa d j u s tm e a s u r e m e n tp o i n t sa n dc o m p e n s a t et h ed u t ya si m p r o v e dm e t h o d t h ed e s i g nc o n t a i n st h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r so ft h er e c t i f i e r , d r i v ec i r c u i t ，m e a s u r i n g c i r c u i ta n do t h e rh a r d w a r e ，a n daf u l ls o f t w a r ep r o g r a m p r o d u c e dp r o t o t y p ec o m p l e t e d t h es t a t e st e s ta n da j o i n td e b u g g i n gw i mt h ew h o l eb a t t e r yf o r m a t i o ns y s t e m t h e r e s u l t ss h o w e dt h a te f f i c i e n c yo fp w mr e c f i f i e ru pt o9 4 ，9 8 p o w e rf a c t o r , h a r m o n i c sa r el i m i t e dt o5 i nt h eh a l f l o a do rf u l ll o a d i ts a t i s f i e sd e s i g nr e q u i r e m e n t s a n dv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h eo v e r a l ls c h e m e k e y w o r d s ： b a t t e r yf o r m a t i o n ；p w mr e c t i f i e r ；b i d i r e c t i o n a l ；d i g i t a l p i r e g u l a t o r ；d e a d - t i m e c l a s s n o ：t m 9 2 1 5 l 目录 目录 中文摘要一v a b s t r a c t 。v i i l 引言1 1 1 研究背景及意义一1 1 2可逆p w m 整流器国内外发展现状2 1 3馈能型电池化成技术发展现状。3 1 4课题研究内容一4 1 5论文的主要研究工作一5 2可逆p w m 整流器技术研究。6 2 1p w m 整流器分类6 2 2p w m 整流器基本原理6 2 3 p w m 整流器控制策略：8 2 3 1 p w m 整流器常用控制方法8 2 3 2p w m 整流器数字控制技术9 2 4 小结1 2 3可逆p w m 整流器关键技术研究13 3 1主电路结构l3 3 2电流控制策略比较1 4 3 3电路工作模式分析15 3 3 1 单极性调制1 5 3 3 2 双极性调制1 7 3 3 3 两种调制的比较：18 3 4 电流差值跟踪控制：1 9 3 5控制量的测量2 0 3 6死区效应原理分析及改善2 1 3 7 双闭环直流稳压控制2 3 3 8直流侧电压分析2 6 3 9 小结2 7 4 单相可逆p w m 整流器硬件电路设计2 8 4 1 概j 苤2 8 4 2系统结构2 8 北京交通人学硕士学位论文 5 6 7 4 3主电路参数设计2 9 4 3 1 交流侧电感设计3 0 4 3 2 直流母线电容设计3 0 4 3 3 功率开关管选择3l 4 3 4 开关管驱动电路设计3 2 4 4测量电路设计3 3 4 4 1 交流电压检测3 3 4 4 2 电网同步信号检测3 4 4 4 3 交流信号调理3 5 4 4 4 直流电压检测。3 6 4 4 5 过流保护电路3 6 4 5逻辑保护设计3 7 4 6 小结3 9 系统软件设计。4 0 5 1系统软件架构：4 0 5 2编写平台4 2 5 2 1 硬件平台4 2 5 2 2 软件平台4 4 5 3程序时序控制4 5 5 4程序基本概况4 5 5 4 1 浮点格式处理4 5 5 4 2 整流器的启停控制。4 6 5 4 3 测量值计算。4 6 5 5主程序4 7 5 6故障中断程序：4 8 5 7算法程序 。5 0 5 8 小结。5 2 实验结果5 3 6 1实验构成5 3 6 2功率实验5 5 6 2 1 算法验证5 5 6 2 2 死区效应改善5 7 6 2 3 不同工况的波形分析5 8 结论6 3 目录 7 1 小结6 3 7 2对今后工作的思考6 3 参考文献6 5 作者简历6 8 独创性声明6 9 学位论文数据集7 1 引言 1 1 研究背景及意义 1 引言 蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点【1 , 2 】。当前，各种大容量的 蓄电池在国民生产各部门应用越来越广泛，新能源技术飞速发展，其中涉及到的 很多储能环节也同样依赖于大容量的蓄电池，如电动汽车，风能和太阳能发电中 的储制3 1 。这使得蓄电池的研发和生产均在迅速加快，据相关合作的电池厂家介绍， 今后三年国内各电池厂家投入大容量动力电池的研发资金大约有数百亿。据预测， 到2 0 2 0 年，中国车用动力电池市场规模将达到数千亿元人民币，储能电池的市场 规模预期会更大，大容量动力蓄电池将会有巨大的市场前景。这对电池产业化批 量生产的能力及电池的产品质量提出了更高的要求，电池化成技术是与电池相伴 而生的，与电池的发展和应用有着密切的关系。 电池在生产过程中必须经过化成工序，这其中包括了对电池单体的多次充放 电。一种常用的电池化成方式的放电是采用将电池内部能量通过电阻方式消耗的， 沿用的是小容量电池化成方法，但对于大容量蓄电池，此方法会造成极大的能源 浪费，同时释放的热量还会影响最终化成后的电池性能【4 】。而另一种传统充放电设 备则是采用晶闸管作为整流逆变功率器件，虽然可实现能量回馈电网，且具有技 术成熟、价格低廉的优点，但其缺陷更为严重，即装置复杂，调节周期长，动态 响应慢，深度控制下网侧功率因数低，造成网侧电流畸变，产生畸变功耗，对电 网的谐波污染也比较大垆j 。 小容量的蓄电池由于电池单体成本较低，高效率的电池化成设备成本相对较 高，使高效率的电池化成设备没有实际的应用价值，这方面的研究也很少。但随 着各电池厂家进入大容量蓄电池领域，高效率的电池化成设备的优势便随之体现 出来，因为单体蓄电池容量越大，充放电消耗能量越多，而化成设备所节省的电 能也越可观。同时，大容量蓄电池生产数量的增大也使得电池化成过程造成的能 量浪费问题更加明显。据估算，电池化成消耗的电能费用可占到生产成本的2 0 - - - , 3 0 ，尤其在单体电池大容量化的趋势下，能量浪费则更加明显。因此，必须在大 容量蓄电池大规模应用的前期对高效率电池化成设备进行研究，为大容量蓄电池 大规模应用提供必需的生产设备，既为生产厂家节电节能，也符合国家节能减排 的要求，这对电池生产厂家和全社会都是十分有益的。 国内对于此类具有再生回馈功能的系统研究实际上早已展开，典型的有太阳 北京交通人学硕十学位论文 能、风能，还有各种电子负载出厂前的测试，从而可以看出，对于高效的双向能 量传输变换器的研究具有非常好的推广应用价值和市场前景。 本文主要针对新型化成装置的实际需求设计了一种节能、高功率因数的可逆 p w m 整流器【6 。就是将p w m 整流器技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧 电流正弦化，且可运行于单位功率因数。p w m 整流器实现的能量双向流动不仅体 现a c d c 的整流特性，还有d c a c 的逆变变流特性，真正体现出“绿色电能变 换”【s 9 】。由于本文研究的p w m 整流器不带隔离变压器，节省了成本，也减小了 变压器损耗，除了效率高，其优势还在于p w m 整流器工作时可通过闭环控制根据 负载情况自行工作在空载、整流或逆变状态，以适应各电池单体充放电模块独立 工作的需要。作为一种四象限变换器，它实际起到馈能型稳压电源的作用，这些 特点决定了它可广泛应用于具有再生回馈功能的d c a c 变换系统中。本课题设计 的p w m 整流器不仅在提高电池化成效率的节能方面有着积极的意义，其高功率因 数运行对于改善谐波污染也具有重要的理论和应用价值。 1 2 可逆p w m 整流器国内外发展现状 在当今世界能源日趋紧张的形势下，新能源技术得到了各国的重视并且发展 迅猛，双向变流技术作为很多新能源技术的重要部分也越来越成为研究的热点。 尽管p w m 整流器的早期应用是在电力牵引与传动控制方面，但目前出现在各种需 要用到双向a c d c 变换器的系统中。例如，具有储能功能的太阳能并网逆变器， 风能发电的变流器，电力传动中具有再生制动功能的四象限变换器，大负载电气 产品( 例如电源、变频器、充电机) 出厂前的负载实验以及电池充放电测试设备 都属于这一领域应用范畴。因此，兼有整流和逆变功能的电力电子技术也日益得 到人们的重视【11 , 1 2 j 。 从p w m 整流器技术发展看，从最初模拟控制，到后来随着微处理器性能的提 高和价格的下降，模拟控制己逐渐被数字控制取代。为了更进一步提高数字控制 p w m 逆变电源的性能，国内外学者致力于2 个方面的研究，一方面是充分发挥数 字控制的优势，提出了大量诸如无差拍控制、重复控制、滑模控制等一系列数字 控制方案。另一方面是尽量克服数字控制自身存在的问题。虽然数字控制方案获 得了大量的研究，且为逆变电源性能的提高带来了更多优势，但是数字控制自身 存在的问题却又限制了优势的发挥。数字控制自身的问题主要体现在以下几方面： 采样和量化过程产生的误差、数字处理器采样、计算延时以及模拟量离散化对的 数字逆变电源性能的影响。这些问题也已经成为国内外学者的研究热点。 在国内，可逆p w m 整流器的应用目前主要集中在价格较高、应用数量较少的 2 电池测试设备中。电池测试设备可高效率地对电池充电，还能将电池放电的能量 回收到电网中，避免消耗在电阻上。但电池测试设备技术复杂、成本过高，且所 采用的技术主要是针对小容量成组电池的测试工作，无法对批量电池单体独立充 放电，因此不适于大规模生产的单体电池化成过程 1 3 , 1 4 1 。 1 3 馈能型电池化成技术发展现状 国内在馈能型蓄电池的化成装置方面已经出现了若干专利，并且一些电源生 产厂家也研发出了类似的产品，例如深圳市博科达电源有限公司的“能量回收型 锂离子动力电池化成检测分选系统”，高效节能，采用互补充放电技术，将化成中 放电能量重新利用，从而使得整个系统更节能。与传统化成方法相比，耗电节省 3 0 6 0 ，缺点是装置体积大，能量互补技术使得系统控制策略复杂，能量并不能 得到最佳平衡，成批化成的电池，由于电池单体性能上的差别，单体充放电时间 不同，同一批已完成化成的电池需等待其他电池全部化成完成才能更换下一批化 成，降低了整体化成的效率。 国内已有一种实用新型，使用的是充放电能量通过交流母线平衡的策略，每 个d c d c 模块均需单独配置a c d c 变换器并网，增加了成本且降低了整体效率， 同时容易给电网带来更多谐波。还有的化成系统选择使用低压直流母线平衡部分 充放电能量，不足的能量单独由电网提供，这增加了系统的复杂程度，并且在同 样充放电功率下，母线电压低，流过电流较大，增大了能量在低压母线传递过程 中的损耗，降低整个系统的效率，如图1 1 。 电网 直流母 图1 1 一种平衡电池充放电能量的实用新型f ”1 f i g 1 一la b a l a n c e d b a t t e r y c h a r g ea n d b a t t e r y d i s c h a r g e e n e r g y u t i l i t y m o d e l 3 北京交通人学硕士学位论文 另有一种实用新型，虽然有直流母线平衡充放电模块能量，但并没有采用馈能 型并网接口，当化成模块整体放电能量大于充电能量时只能通过耗能方式释放电 能【1 6 】。 1 4 课题研究内容 本课题是一种新型高效单体电池化成系统的配套部分，化成系统整体由三部 分构成，上位机监控系统、若干充放电及测量模块及可逆p w v t 整流器。图1 _ 2 是系统结构图。 图卜2 系统结构图 f i g 1 - 2b l o c kd i a g r a mo fs y s t e m 在整个系统中充放电模块并联于一条直流母线，每个模块可单独工作在充电 或放电模式，所有模块的总能量差由p w m 整流器通过电网来平衡，当这些模块充 电总能量大于放电总能量时p w m 整流器向母线输送电能来补充能量差，充电总能 量小于放电总能量时p w m 整流器则向电网回馈多余能量。本系统包含充电恒压 恒流闭环控制、放电恒流闭环控制及p w m 整流器恒压闭环控制共三个闭环控制环 节，必须将这三个控制系统的时间常数匹配起来，才能保证整个直流母线电压的 稳定和系统稳定正常工作。这种化成系统对于可逆p w m 整流器提出以下要求： 4 引言 ( 1 ) 主电路结构为典型的非隔离单相p w m 整流器，额定功率3 k w ，交流侧 并网，直流侧电压要求稳定在3 5 0 v 。 ( 2 ) 交流侧功率因数大于0 9 8 ，交流电流总谐波畸变小于5 ，直流侧电压 纹波小于1 0 。 ( 3 ) 整流器工作时不需要人工干预，可根据不同负载情况工作在空载、整流、 逆变状态，自行调节切换，同时保证母线电压稳定。 ( 4 ) 具有可靠的过压、欠压、过流及i g b t 保护功能。 ( 5 ) 整流器在额定功率下逆变和整流的效率要求达到9 4 以上。 1 5 论文的主要研究工作 北京交通大学电气工程学院新能源研究所一直从事新能源应用领域的研究和 开发参与了很多国家级和北京市科委的项目。本论文讨论的单相可逆p w m 整流器 就是为北京市科委项目“大容量锂离子电池化成设备”所设计开发的。 论文第二章对现有的p w m 整流器技术进行了分析和比较，在随后第三章中确 定了电流差值跟踪与经典数字p i 调节相结合优化后的控制方案，分析了其工作原 理和特点，还分析了直流侧和交流侧电压较接近时死区在电流波峰附近造成的畸 变的原因，提出了调整测量点和补偿占空比的改进方法。第四章介绍了可逆p w m 整流器在硬件上的设计，包括主电路及测量电路等部分各关键元件的选用和参数 设计，第五章论述了p w m 整流器的软件实现方案，包括结构，平台和流程图等， 最后在第六章对于制作出的样机进行了详尽的实验测试，给出实验数据和测试波 形并进行了分析，并与预定的设计目标进行了比对。 5 北京交通大学硕十学位论文 2p w m 整流器技术研究 p w m 整流器因其在谐波抑制、功率因数校正以及能量双向流动等方面的突出 优势，成为电力电子技术和电能变换领域中的一项主要的研究方向。同时，p w m 控制技术的进步和电力电子器件以及拓扑的发展，使得p w m 整流器的性能不断提 高和改进。国内外专家学者多年的研究主要集中在p w m 整流器的电路拓扑结构， 数学模型，控制方法等方面。 2 1p w m 整流器分类 p w m 整流器分类方式较多，但通常可按照下述方式分类【1 7 l ： ，按直流侧储能形式弋电压型 il 电流型 i 按桥路结构 o ，模式( g ) 下，直流侧电压高于交流侧，向 电感和电网提供能量，当s 2 或s 3 关断，即模式( f ) 或( d ) 的情况，电感从直流侧获得 的能量向电网释放，在电网负半周，电路工作情况和电流变化规律与正半周类似。 由此可见，和双极性调制方式相比，单极性调制下，开关管控制方式都是非 对管互补的，正半周和负半周开关管导通情况不同，且整流和逆变情况下的开关 管的导通情况也不相同。尽管软件编程可以实现p w m 控制脉冲的单独输出，但单 极性调制对整流和逆变以及正负半周等状态的判断要求较高，单管的时序控制在 程序上实现起来相对复杂，降低了系统的可靠性。 3 3 2 双极性调制 ( a ) ( c )( d ) 图3 - 3p w l v l 整流器双极性工作模式图 f i g u r e 3 - 3b i p o l a rm o d eo fp w mr e c t i f i e r 图3 3 描述的是p w m 整流器在双极性调制方式下的工作模式，通过和单极性 模式图对比可以明显看出，这四种开关模式即存在于整流状态也存在于逆变状态。 当p w m 整流器刚上电时，若直流侧电容电压观为o ，此时由于四个反并联 1 7 北京交通大学硕士学位论文 二极管的存在，组成了不控整流桥，此时对开关管的控制并不能起到效果，电路 处于自然整流的状态，这一过程一直持续到直流电容电压达到电网峰值电压为止， 之后便可控制开关管升压整流或降压逆变了，但必须保证直流电压高于交流侧峰 值电压。 设电感两端电压参考方向与电感电流参考方向与图3 3 中抽相同。当工作在 整流状态且电网正半周时，u n o ，i s o ，i n o ，模式( a ) 中电网和直流侧电压极性叠加，通过、岛使电感储能增加， 电感两端电压为正，抽幅值增大，能量从电网传向电感，当处于模式( b ) 时，电感 两端电压为负，抽幅值减小，电感能量向电网传送。模式( a ) 和( d ) 中“= u d ，( b ) 和( c ) 中铲一觇，无论工作在逆变还是整流状态，电网的正半周还是负半周，“都 是在正负交错变化的，体现了双极性调制的特点。 3 3 3 两种调制的比较 由前面分析的单相全桥p w m 整流器电路来看，单极性调制比双极性调制多一 种调制电压为零电平的模式，使得单极性调制下电感电流变化率比双极性调制的 小很多，因此可以通过单极性调制明显降低开关频率，同时，单极性调制的谐波 也比双极性调制的低，但是单极性调制也有很多缺陷，比如在电网电压过零点附 近，由于电感两端电压很小，使得电感电流变化率很低，实际电流对参考电流跟 踪能力降低，出局部失控情况。在数字控制的p w m 整流器中采用单极性调制方式 时；通过软件编程对单独的开关管脉冲控制相对容易，但还需对整流器工作状态 及电网所处半周的正负进行准确判断后才能控制对应开关管的开断，不仅增加了 程序的复杂性，在过零点或者空载电流很小这些工作状态特点不明显的分界点附 近容易判断不准，造成波形畸变，反而增加了电流的谐波含量，也降低了系统的 可靠性。 相比而言，双极性调制方式下虽然开关频率高，但控制规律简单很多，都是 对对管同时控制，且可以使用互补脉冲方式，逆变和整流可以采取同样的控制方 法，大大降低了控制的复杂程度，提高了系统可靠性，并且在电网过零点，电感 电流变化率最大，可以很好地跟踪参考电流。单极性调制有八种工作模式，而双 极性调制只有四种，使得双极性控制算法简单，占用时间少，这对于数字控制系 可逆p w m 整流器关键技术研究 统来说十分重要，因为每个周期的计算控制必须要在本周期内完成，否则会影响 到下一周期p w m 占空比的加载。开关频率越高，对控制算法占用的计算时间就会 要求越少，否则将不能达到控制要求。 3 4电流差值跟踪控制 基于数字控制的p w m 整流器，因采样周期及p w m 控制延时的存在，使得对电感电 流控制存在滞后，这将影响电流跟踪控制的动态性能，其电流控制的最小延时至 少需要一个p w m 开关周期，而电流差值跟踪控制则可以将对电流控制的延时降低到 很小。电流差值跟踪控制本质仍然是直接电流控制，它是一种固定开关频率的平 均电流单周期的数字化控制方法。它的特点是跟踪相邻开关周期电流期望与实际 的差值。具体方法是：利用本周期测得的平均电流与下个周期参考电流的差值， 按照数学模型，即公式( 3 5 ) ，计算出下一个开关周期p w m 占空比，迫使电流在下 个周期达到参考电流值。这种方法的优点是本周期的实际电流和参考电流的误差， 可以在下一个周期得到补偿，保证每个开关周期的平均电流良好的跟踪电流参考 值，避免电流误差积累，具有开关频率固定，算法简单，动态性和鲁棒性较好的 特点。 ( a ) s 2 和s ，导通 ( b ) dj 和d 。导通 图3 - 4 双极性调制电路逆变状态模型 f i g u r e 3 - 4b i p o l a rm o d u l a t i o nc i r c u i ti n v e r t e rm o d e l 单相p w m 整流器双极性调制下的数学模型是电流差值跟踪控制方法的基础汹1 。 具体分析图3 4 所示整流器的双极性控制下逆变数学模型，设p w m 开关周期固定 为l & 和岛导通时间为t l ，则d 1 和d 4 导通时间为卜f l ，占空比胪t l t 。设定 开关器件的开关频率为1 6 k h z ，在一个开关周期内，可以将直流母线电压和交流侧 电压均等效为一个恒定电压。在& 和岛导通期间，等效电路为图3 - 4 ( a ) ，d 1 和 d 4 导通期间，等效电路为图3 - 4 ( b ) 。 1 9 北京交通大学硕十学位论文 按照图3 - 4 中电压电流参考方向，可推导出单周期控制下p w m 调制占空比表 达式为： d ：! + 盟一鳇兰幺 ( 3 5 ) 2 2 u dt 当p w m 整流器工作时，开关频率设置为固定值，控制芯片根据本周期的测量 值和下个周期的电流参考期望值，在每次a d 转换完成产生的中断子程序中使用公 式( 3 - 5 ) 计算下个周期p w i d 脉冲的占空比，从而使下个p w , t 周期的平均电流跟随给 定参考电流。给定参考电流为离散的电流正弦表值与电流给定幅值的乘积。开关 频率为1 6 k h z ，电网周期约5 0 h z ，因此电流正弦表对应为3 2 0 个离散值，同时程 序还需设置一个索引变量实时对应于每个正弦表值。为保证索引变量与电网同步， 通过同步电路可以获取电网同步信号，在每个电网周期的开始产生中断，而同步 中断程序则主要完成初始化索引变量的工作。 a d 转换完成中断子程序的是系统控制的核心算法，计算量相对较大，必须在 下一p w m 周期开始( 即占空比加载点时刻) 之前计算完成，才能实现控制目标。 由于电感电流采样点在p w m 周期中点，考虑a d 转换所需的时间，则中断子程序允 许运行时间在2 5 9 5 - 3 0 0 5p 之间。经测试，中断子程序运行时间大约1 5 邺， 在实际工作中可以达到控制要求。 公式( 3 - 5 ) 是双极性调制方式下电流差值跟踪控制的核心算法，此控制方法 电路开关模式简单，对于工作在整流状态和逆变状态，由于电路工作原理相同，无 需判断整流或逆变状态，可靠性强。只需改变电流参考方向，p w m 整流器便可在整 流和逆变状态下自由切换。因此这种控制方法较适合可逆p w m 整流器，保证系统 良好的动态性能及稳定性。 3 5 控制量的测量 本设计需要在一个开关周期内测量电网电压，电感电流以及直流电压这三个 量，电流差值跟踪控制的方法要求准确测量一个开关周期的电感电流平均值。p i l l 调制方式设置为中心对齐方式，由于电感中电流呈折线，如图3 - 5 ，经几何分析可 知，开关周期内电感电流平均值可用该周期中点处电流测量值代替。d s p 5 6 f 8 0 3 芯 片有8 个a d 转换模块，可双路同时测量，最多设置四个测量点，因此，通过定 时器设置，可调整电流测量点在周期中点。电网电压和直流电压由于相对稳定， 测量点可设置在周期中点前后，多次测量取平均值，保证测量的可靠性。 可逆p w m 整流器关键技术研究 图3 5 测量波形图 t f i g u r e3 - 5m e a s u r e m e n tw a v e f o r m 3 6 死区效应原理分析及改善 在具有直流母线的桥式逆变器中，由于开关管开通和关断都需要一定时间， 为防止同一桥臂一个开关管未完全关断前另一个开关管开通，导致桥臂贯穿短路， 必须在一个开关管关断信号和另一个开关管开通信号之间加入一段延迟时间，也 称作死区时间。死区时间存在的必要性有三个条件：1 ) 存在直流侧母线电压；2 ) 该母线上的桥臂由若干开关器件串联构成；3 ) 串联构成母线上桥臂的开关器件有 交替导通的工作情况。当以上三个条件同时具备，死区时间才有存在的必要。在 死区时间内，同一桥臂的两个开关管输出被封锁，使得交流电压输出不能完全复 现信号的波形，产生新的谐波，导致输出波形变坏。在双极性调制方式下，对于 无源逆变系统，若交流负载为阻性，则死区内交流电流断续且无电压输出，若交 流侧负载存在较大感性，由于反并联二极管的存在，可能输出相反电压，但最终 都会造成输出电流波形畸变；而对于双极性调制下的有源逆变系统，由于交流电 感的存在，死区时间内必然存在反并联二极管的续流过程，同样会造成交流侧电 流的畸变。然而单极性调制方式下无论有源还是无源逆变系统，除电网电压过零 点处可能因电流极性改变而存在桥臂开关管交替导通的情况外，其他时候同一桥 臂只有一个开关管导通而非两个开关管交替导通，并不需要加入死区时间，可见 此时死区的加入考虑得更多的是系统在过零点处的可靠性和安全性。 分析本设计中的双极性调制下电路工作过程，图3 - 4 为电网正半周时p w m 整 流器工作在逆变时的电路开关模式，对管互补脉冲方式控制。如图3 - 4 ( a ) ，直流 电压高于交流侧峰值，开关管岛、岛在t l 时间内导通。岛、两关断后，尽管此时 2 1 北京交通大学硕士学位论文 互补脉冲作用于s l 、& ，但由于电流不能反向通过开关管，只能通过开关管岛? & 上反并联二极管d i 、d 4 续流，如图3 - 4 ( b ) 这一过程实质是自然换流过程，与 s l 、& 上的互补脉冲信号无关，一直持续到下一开关周期、岛的导通。若加入死 区时间，则死区时间内，四个开关管封锁，电流同样通过d l 、d 4 续流，因此死区 时间内电路同样工作在图3 - 4 ( b ) 中的模式，实际等效增加了卜“，减少了t l 。 蜀、& 上的控制脉冲可认为是一种“无效脉冲 。从原理上分析，一个开关周期内 并不需要独立区分出死区时间内电路开关模式，只存在开关管导通与二极管续流 两种开关模式。当整流器工作到电网负半周时，电流极性反向，此时与电路工作 模式与正半周相反，s l 、& 所控制的开关管导通，d 2 、d 3 续流，s l 和& 上的控制 脉冲信号为“无效脉冲。对于整流工况，如图3 3 ( c ) 和图3 3 ( d ) ，和逆变工况 相反，在正半周对s 卜& 控制脉冲有效，在负半周对、岛控制脉冲有效。 通过对电压型单相可逆p w m 整流器的电路开关过程的分析，不难发现，在这 种并网系统中采用双极性调制互补脉冲控制的方法，由于交流电感的存在，电感 电流通常工作在连续状态，在电感电流极性不变的半个周期内，不存在同一桥臂 两个开关管交替导通的情况，这时死区的设置成为多余的，在电流极性不变的区 间里，可以实现无死区控制，而为了保证可靠性，可以在半周期内对无效脉冲进 行封锁。然而在过零点处，电感电流极性可能恰好在一个开关周期内改变，电流本 应从同一桥臂一个开关管换流到另一个开关管的反并联二极管，但可能由于电流 较小或极性改变，反并联的二极管不能正常导通自然换流，若不插入死区，很可能 在电流极性已改变时开通错误的对管，导致上下桥臂贯穿短路。因此，考虑过零 点以及电流极性的检测误差，过零点附近应加入死区增加系统可靠性。 由于死区时间的存在，可逆p 1 ；y m 整流器在测量上和占空比输出控制上均产生 误差，影响电流跟踪效果，造成电流畸变，图3 - 6 介绍的一种占空比补偿及调整 测量点的方法可以较好的解决这种问题。根据之前分析，当s l 、& 上为有效脉冲 时，固定死区时间的插入减少了有效脉冲下开关管s l 、& 导通时间，反之增大了二 极管d 2 、d 3 续流时间，由于开关周期固定，程序实际是对有效开关管的占空比进 行控制，于是可将程序中占空比计算结果加上死区对应的占空比值，最终与插入 的死区时间抵消，确保实际输出占空比与程序计算值相等。但这将会造成脉冲相 位滞后一个死区时间，原先开关周期的中点不能再作为电流平均值测量点，因此 应将开关周期平均电流测量点也相应向后移动半个死区时间，保证平均电流的准 确测量。 可逆p w m 整流器关键技术研究 无死区蜀、受控制脉冲 无死区& 、控制脉冲 有死区蜀、& 控制脉冲 有死区& 、& 控制脉冲 补偿后& 、& 控制脉冲 补偿后& 、& 控制脉冲 图3 - 6 死区补偿控制脉冲波形图 f i g u r e 3 - 6p u l s ew a v e f o r mo fd e a d - t i m ec o m p e n s a t i o nc o n