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1、一种具有能量回馈功能的级联型高压变频器的仿真研究一种具有能量回馈功能的级联型高压变频器的仿真研究网络转载导语：本文采用成熟的三相pwm整流技术，使用可控开关器件组成单个功率单元的整流电路，实现能量双向传输。同时对直流母线电容电压进展闭环控制来稳定直流母线电容的电压。1引言如图1所示，一般的级联型高压变频器的整流局部都是采用不可控的二极管，因此能量传输不可逆，当电机处于再生发电状态时，回馈的能量传输到直流母线电容上，产生泵升电压，使电容电压不稳。过高的泵升电压有可能损坏开关器件，进而威胁变频器的平安工作。为此本文采用成熟的三相pwm整流技术，使用可控开关器件组成单个功率单元的整流电路，实现能量双
2、向传输。同时对直流母线电容电压进展闭环控制来稳定直流母线电容的电压。这种方法还能实现网侧单位功率因数，使级联型高压变频器成为真正的绿色变频器。仿真证实该方法简单有效。2单个功率单元整流局部的数学建模及工作原理从图1a的拓扑构造可以看到，级联型高压变频器由多个功率单元级联而成。因此，可以以单个功率单元为研究对象，建立它的数学模型并分析其工作原理。从图1b可以看到，功率单元的整流局部是由不可控的二极管组成。为了实现能量回馈，稳定直流母线电容电压，需要用可控的igbt替换二极管，进展pwm整流控制。图2是改造后的功率单元拓扑构造图。图2中，lxx=a，b，c为沟通侧滤波电感，电阻rxx=a，b，c为
3、滤波电感lx的等效电阻和功率开关管损耗等效电阻的合并。设三相电源电压为：式中：ed，eq，id，iq分别为功率单元整流局部的电源电压矢量、输入电流矢量在d-q轴上的分量。由3式可以看出，d、q轴变量互相耦合，因此无法对d、q轴的电流进展单独控制。为此引入id、iq的前馈解耦控制，且采用pi调节器作为电流环控制器，那么有以下方程：式中：ud*、uq*是d-q轴的电压给定；kdp和kdi分别是d轴pi调节器的比例和积分系数；kqp和kqi分别是q轴pi调节器的比例和积分系数。由式4可以看出，电压指令已经实现了完全解耦控制，其系统控制框图如图3所示。图3中，采用由pi调节器组成的电压电流双闭环构造，
4、外部电压环用于实现输出电压的稳定，内部电流环控制沟通输入电流与输入电压同相。其工作原理如下：输出电压vdc和给定参考电压vdc*比拟后送入电压pi控制器，电压控制器的输出信号作为网侧电流有功分量的给定值id*，其大小根据整流器的有功输出调节，为到达单位功率因数整流或者逆变，无功分量的给定值iq*设定为0，稳态时dq轴的电流给定信号都为直流量，两个给定值与网侧经过变换后的反应值id、iq相比拟后，送入电流pi调节器，在经过解耦和dq变换后得到三相网侧电压在两相静止坐标系上的控制信号，再经过电压空间矢量脉宽调制模块后，输出六路svpwm控制信号，进而实现对功率单元整流器的控制。3功率单元级联的仿真
5、系统按照第2节介绍的数学模型，搭建的功率单元仿真模型如图4所示。其中，整流局部控制器的仿真模型如图5所示。4功率单元级联的仿真系统图6是每相串联3个功率单元级联型高压变频器的系统仿真模型。5仿真实验在系统仿真中采用的实验参数如下：电压环采样频率为2.5khz；电流环采样频率为2.5khz；三相pwm整流器输入电压有效值vm=380v；电感寄生电阻阻值r=0.5；直流母线电压给定vdc*=750v，初始电压vdc=550v；三相输入电源频率f=50hz；三角波载波频率fs=2.5khz；直流母线端电容c=3200f；网侧滤波电感l取0.8mh。负载功率为1mw。仿真中不考虑开关损耗的影响。本仿真
6、实验中，在00.25s，级联变频器的整流器处于不控整流状态，由整流器中igbt内反并联的二极管进展不可控整流；在0.25s0.55s，级联变频器的整流器处于可控整流状态，整流器中的igbt开场工作；在0.55s变频器突投负载；在0.8s改变变频器受控电流源的电流方向，变频器的能量开场回馈，级联变频器的整流器由整流状态转变成逆变状态。图7是级联型变频器网侧相电流、相电压和功率单元直流母线电压的仿真波形。从图7b中可以看出，在0.25s级联变频器的整流器开场工作时，vdc由初始值550v迅速上升至给定值vdc*，并很快稳定下来；在0.55s时，变频器突投负载，vdc被瞬时拉低，但很快就能重新稳定在
7、给定值。稳定后电压波动很小；在0.8s时刻，由于改变受控电流源的电流方向，变频器的能量开场回馈，整流器开场由整流状态转变成逆变状态。回馈的能量使vdc在0.8处瞬时拉高，但由于级联变频器的整流器的响应速度非常快，很快就使vdc重新稳定在给定值。同时，也由于整流器的响应速度快，使vdc在0.8处的升高的不多，保证了系统的平安运行。从图7a中可以看出，在0.25s时级联变频器的整流器开场工作时，网侧电流有些波动，但在很快就能稳定下来；在0.55s变频器突投负载时，网侧电流波动很小，并很快稳定下来。通过比拟网侧电压和电流的相位可以看出，两者相位几乎重叠在一起，功率因数接近于1；在0.8s时刻，级联变频器进入能量回馈的状态，整流器处于逆变状态。整流器使网侧电流的相角网侧电压的相差近180，功率因数接近-1。级联变频器逆变器的三相输出电压、电流和单相输出电压波形如图8所示。6完毕语通过仿真实验的波形可以看出，改良后的级联型高压变频器不仅可以进展能量的双向传输，实现能量回馈；而且，控制系统的响应速度非常快，使变频用具有较好的动态性能。因此，该改良方案是正确可行的。