能量回馈型同相供电系统的单相PWM整流器研究

1 引言
    我国电气化铁路主要采用单相交流变压器供电方式，该供电方式存在负序、谐波、无功、电分相、供电效率低等问题，不仅对电力系统造成了严重影响，且随之产生的过电压现象严重影响了机车的正常运行，极大地制约了高速重载运输的实现。
    近年来，提出的基于三相-单相电力电子变流器的新型同相供电系统，可从根本上解决上述问题。这里基于文献中新型同相供电装置拓扑结构，研究了该应用场合下的大功率单相PWM整流器控制系统的控制策略。
    这里采用比例-积分(PI)和比例-谐振(PR)调节器构成双闭环控制系统，对单相PWM整流器的直流母线电压及输入电流进行控制，并给出了
一种异步采样方法，解决了传统的规则采样法在低开关频率下带来的控制系统滞后增大的问题。

2 同相供电装置拓扑结构
    新型同相供电拓扑结构如图1所示。

    图1中，新型同相供电装置由多个单相背靠背功率单元构成，每个功率单元输入侧连接一个三相工频多绕组变压器的次级绕组，输出侧采用多单元串联方式输出单相工频交流电压。该结构采用全电力电子变流方式，可从根本上解决目前铁路供电中存在的问题，同时实现单位功率因数电能回馈。
    图1中每个功率单元拓扑结构如图2所示。

    图2中，AC／DC／AC结构的功率单元由背靠背H桥组成。选择：IGCT作为开关器件，以适应大功率变流器要求。由于单相变流系统的瞬时功率存在二倍频波动，且功率单元输入、输出侧均为工频50 Hz，造成直流母线电压存在二倍频波动，如果不加以抑制，该波动将通过控制系统使网侧电流产生低次谐波。因此，该拓扑在直流母线电容旁并联了中心频率为100 Hz的LC带阻滤波电路，抑制直流母线二倍频波动。
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3 系统控制策略
    功率单元整流侧控制框图如图3所示。PLL为锁相模块，PWM为调制波模块。

    图中，PWM整流器采用双闭环控制策略，直流母线电压外环PI调节器加入I0前馈，减轻PI调节器负担并抑制负载扰动：电流内环采用PR
调节器并引入uN前馈，实现单相正弦电流无静差跟踪并抑制输入电压扰动。
3．1 基于输入电压前馈的电流内环设计
    根据单相PWM整流器拓扑，得到功率单元整流侧电流环控制框图如图4所示。图中，虚线框部分为整流器的数学模型。可见，uN为控制系统中存在的扰动源，因此将其作为前馈加入PR调节器输出中，抑制uN波动带来的系统扰动。为提高电流环动态响应能力并适当增加带宽，采用准PR调节器，传递函数为：
   
    选择准PR调节器参数为Kp=5，Kr=200，ωc=5。在调节器开环根轨迹图中，根轨迹所有点模值均为ω，说明该调节器对基频信号具有极高增益。闭环极点无限接近虚轴，既保留了高增益的特点，又避免了系统出现临界稳定的情况。通过调节根轨迹增益，可得到合适的阻尼比，使系统在基频下稳定高增益运行。

3．2 基于直流负载电流前馈的电压外环设计
    图5为单相PWM整流器电压外环控制框图，其中虚线框部分为电压外环中的物理模型。

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    图中，部分传递函数为：
   
    式(2)第2式中，将电流内环等效为一个惯性环节，Ki，Ti分别为增益及时问常数。式(2)第3式中，Kp，Ti分别为PI调节器中的比例增益和积分时间。由图5可知，直流负载电流对于电压外环控制系统是一扰动源。对于电气化铁路供电而言，机车是一个不确定且快速变化的负载，造成直流负载电流经常突变，对系统造成扰动。因此，将I0前馈引入直流母线电压PI调节器的输出，提高系统动态响应能力，使系统很好地适应快速变化的负载。
    硬件电路中虽然包含2次滤波电路，但为保证电压外环调节器的反馈量为不含脉动的直流量，对Ud采样值进行以基频为周期的均值滤波，防止直流母线波动反馈至控制系统。综合以上软硬件手段，可对直流母线电压的二倍频波动达到较好的抑制效果。为使PI调节器具有一定的滤波能力，将其零点选择为10 Hz，远小于二倍基频100 Hz。故选择PI调节器参数为：Kp=0．5，Ti=16 ms。电压外环闭环传递函数波特图如图6所示。

    由图可知，系统的通带频率为0～0．4 Hz，在低频段增益很高，高频段快速衰减，既保证了系统的稳态精度，又保证了系统的滤波能力。系统在通频带内具有70°幅值裕度，满足稳定性要求。系统幅频曲线谐振峰频率及相频曲线与-180°，-360°相交的频率．均为27 Hz以上，对于高频阶跃信号的跟踪反应较慢，稳定性良好。

4 低开关频率下的调制策略
    数字控制系统一般使用规则采样法，采样频率等于开关频率或开关频率的两倍，系统由计算得出调制信号到发出相应PWM脉冲，延时一个或半个开关周期。相对模拟控制系统，该延时使PWM存在一个惯性环节，造成系统控制精度下降，动态响应能力差，甚至对稳定性造成影响。
    由于IGCT器件的限制，该系统开关频率为500 Hz，若使用非对称规则采样法，调制延时将达到1 ms。同时，对于控制系统而言，采样频率过低，使得控制性能严重下降，甚至威胁系统稳定性。
    因此，这里给出一种高速的异步采样调制方式，即系统采样频率远高于开关频率，定为10 kHz。每次采样后均经过调节器的运算，得出最新的调制参考电压，当到达载波顶点时，将调制脉宽刷新，使PWM环节的滞后仅为100μs，大大提高了系统性能。H桥的基本调制方式为双极性二重化调制，使系统在不改变开关频率的条件下达到1 kHz的等效开关频率。

5 硬件平台设计及控制任务分配
    系统硬件连接关系及传递信息如图7所示。图中，控制系统对DSP及CPLD进行了一定的任务分配。DSP具有较强的数据运算能力，但执行速度较慢，主要任务有：对采集量进行数字滤波等信号处理；控制系统保护功能的执行；双闭环控制算法的执行；PWM信号调制及死区补偿CPLD具有并行任务处理能力以及可靠的硬件逻辑结构，执行的主要任务有：通过外部A／D实现高速采样；对PWM信号及驱动信号进行保护处理；通过光纤与上位机通信；控制外围I／O电路。

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6 实验结果
    装置设计额定容量1 MVA。由于实验条件限制，目前仅在低压条件下进行实验验证。主电路设计参数：LN=1．5 mH，uN=300 V，iN=216 A，Ud=540 V。能量回馈型同相供电系统中，功率单元PWM整流器设计指标为：①直流母线纹波小于10％；②负载突变等动态过程中，直流母线电压短时间内峰值误差不超过-30％～20％，输入电流短时间内过流不超过50％；③输入电流功率因数不低于0．98。
    在实验中，由于使用高压探头的原因，电压采集信号为实际信号的0．9倍。为准确标示uN相位，采集实验变压器初级电压380 V。
    在稳态条件下分别验证了系统整流供电及系统能量回馈性能，如图8所示。图8a中，系统低压满载运行稳定，输入功率为63 kVA，直流母线纹波小于20 V，经测量功率因数为0．99。图8b中，系统低压回馈稳定运行，直流母线纹波8％，回馈功率因数-0．99，电流波形无明显畸变。

    在动态条件下，分别验证功率单元整流系统以下性能：有、无前馈空载突切额定运行，有、无前馈额定突切空载运行，如图9所示。

    图9a中，Ud波动峰值160 V，iN超调峰值70 A，调节时间1．5 s；在图9b中，Ud波动峰值100 V，iN超调峰值35 A，调节时间0．1 s。图9c中，Ud波动峰值100 V，且存在振荡；调节时间约为0．5 s。图9d中，Ud波动峰值50 V，无振荡，调节时间约为0．25 s。可见，加入前馈后，系统动态响应速度明显加快，完全满足设计指标，使系统能够适应电气化铁路供电中机车负载变化频繁的工况。

7 结论
    针对能量回馈型同相供电中的大功率低开关频率单相PWM整流器，提出一种带有电压、电流前馈的控制策略，给出一种适用于该应用领域的高速异步采样调制方法，并基于DSP及FPGA构建了硬件控制系统。经实验验证，控制系统性能良好，可以实现控制目标，前馈的加入提高了系统动态响应能力，PR调节器及高速异步采样方法可在低开关频率下实现大功率单相正弦电流调节。