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(多图) 一种具有能量回馈功能的级联型高压变频器的仿真研究

21ic?? 2012年03月06日 ?? 收藏0
1 引言

如图1所示,一般的级联型高压变频器的整流部分都是采用不可控的二极管,因而能量传输不可逆,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,从而威胁变频器的安全工作。

级联型高压变频器结构图

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,实现能量双向传输。同时对直流母线电容电压进行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。仿真证明该方法简单有效。

2 单个功率单元整流部分的数学建模及工作原理

从图1(a)的拓扑结构可以看到,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1(b)可以看到,功率单元的整流部分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替代二极管,进行pwm整流控制。图2是改造后的功率单元拓扑结构图。

改造后的功率单元拓扑结构图

图2中,lx(x=a,b,c)为交流侧滤波电感,电阻rx(x=a,b,c)为滤波电感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:

公式

式中:ed,eq,id,iq分别为功率单元整流部分的电源电压矢量、输入电流矢量在d-q轴上的分量。

由(3)式可以看出,d、q轴变量相互耦合,因而无法对d、q轴的电流进行单独控制。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,则有以下方程:

公式

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-电流双闭环结构,外部电压环用于实现输出电压的稳定,内部电流环控制交流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*比较后送入电压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,为达到单位功率因数整流或逆变,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馈值id、iq相比较后,送入电流pi调节器,在经过解耦和dq→αβ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,从而实现对功率单元整流器的控制。

系统控制框图

3 功率单元级联的仿真系统

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。

功率单元仿真模型

其中,整流部分控制器的仿真模型如图5所示。

整流部分控制器的仿真模型

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。

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

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


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变频器? 能量回馈? 仿真?

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