基于能量回馈型的双PWM功率单元的研究

汤雪华，陈海滨，唐丽婵

(上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070)

0 引言

目前基于级联型逆变器的高压变频器已广泛应用于风机、水泵等低启动转矩、能量单向传递并且对调速精度要求不高的负载场合，并取得了显著的节能效果，传统的功率单元输入端采用二极管不控整流桥，受其结构所限，无法应用于某些需要四象限运行的负载场合，传统的高压变频器已经无法适用于需要能量回馈的场合了［1］。所以本文采用了三相(Pulse Width Modulation，简称PWM)整流技术替代不控整流桥，能够有效地解决能量回馈的问题，为高压变频器的能量回馈提供了一个良好的解决方案。

1 能量回馈型功率单元

功率单元主要由输入熔断器、三相全桥式整流器、预充电回路、电容器组、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)逆变桥、直流母线和旁通回路构成，同时还包括电源、驱动、保护监测、通讯等组件组成的控制电路，双PWM功率单元结构如图1所示。

图1 功率单元拓扑结构

1.1 PWM整流器基本工作原理

根据功率单元整流侧结构的不同，能量回馈型多单元串联高压变频器功率单元拓扑主要有种带有三相PWM整流器的功率单元拓扑，带有单相全桥PWM整流器的功率单元拓扑和带有单相半桥PWM整流器的功率单元拓扑［2］，我们采用三相PWM整流器的功率单元拓扑，如图2所示。

图2 PWM整流器的主电路拓扑结构

基于图2的电路拓扑结构，建立PWM整流器的数学模型:

式中Sk(k=a、b、c)分别为电路拓扑的开关函数。其中:

Sk=1:表示桥臂的上桥臂导通，下桥臂关断;

Sk=0:表示桥臂的下桥臂导通，上桥臂关断［3］;

通过Clarke变换和Park变换将静止坐标系下的三相电压和电流转化为旋转坐标系下的两相电压电流，从而能够使交流分量变为直流分量，方便控制算法的调试。经过一系列坐标变换后得到数学模型，如下公式:

由式(2)显示，在旋转坐标系下的两相电流id、iq受到多个变量的调制，主要有:可控的电压控制量ud、uq;电感产生的耦合电压ωLiq、-ωLid;外界产生的电网电压Ed、Eq。因此，如果只对 id、iq进行控制无法消除旋转坐标系下两相电流之间的耦合，于是本文引入了状态控制。

1.2 PWM整流器的控制策略

从上文的理论模型得出系统控制策略，如图3所示。控制框图一共有两个环路组成，即一个控制电压的外环和一个控制电流的内环，内环的给定控制由外环决定。由于本文要控制的就是直流母线电压，所以直流母线电压的实际值为外环的给定量。本文采用了PID(Proportional Integral Differential)控制进行外环的控制，而外环的输出是内环变量id的给定量。并且由于不需要无功补偿，所以另一个内环的变量iq给定量为0。从式(2)的数学模型中可以看到，除了电压控制量ud、uq外，还有耦合电压，所以要加上前馈补偿，最后形成如图3所示的控制框图。

图3 PWM整流器的控制框图

1.3 三相电压型PWM整流器(VSR)的空间矢量调制方法

空间矢量PWM-SVPWM(Space Voltage vector Pulse Wide Modulation)调制方法是一种目前最流行的调制方法，它相比于传统的SPWM(Sinusoidal Pulse Wide Modulation)调制方法具有直流电压利用率高的特点，但是计算也更加复杂。它依据的是电压空间矢量调制，通过判断电压空间矢量落在哪个扇区来进行矢量调节。

PWM整流器控制的关键就是确定六个开关管的开通状态和时间，其状态必须满足在同一时间只有3个开关管处于导通状态，另3个开关管处于判断状态;非零空间矢量如图4所示一共有6个，另外两个是零矢量，在图中并未标示，但是零矢量可以控制输出电压的谐波。最后，落在平面内的任何矢量都可以由这个8个矢量进行合成，得到相应的调制方式［4］。如图4所示。

图4 空间电压矢量分区及合成

2 硬件设计部分

如图5所示，硬件设计采用了双核结构，DSP(digital signal processing)作为整个系统的主控部分，主要负责与各个模块的通信算法以及三相PWM整流的核心控制算法。而FPGA(Field Programmable Gate Array)作为协处理器，进行AD芯片数据的读取，并通过并行口与DSP进行实时通信。FPGA还负责接收DSP给的IGBT的PWM驱动信号，并作为PWM输出模块的输出信号［5］。

图5 主控板设计原理图

主控和各功率单元通过光纤通讯，协调各功率单元的运行，接收操作指令及连接外部接口。DSP处理器采用美国德州仪器公司生产的高可靠性的32位浮点数字信号处理器DSP(TMS320F28335)，该处理器带有32位操作的硬件乘法器，工作频率可达到150 MHz，可以通过 EPWM(Enhanced Pulse Width Modulator)进行PWM输出。

AD采用AD7656芯片，通过专用高速六路同步采样模数转换器进行交流同步采样，减少主控制的占用时间，通过FPGA来与各功率单元同步并行通信，能充分发挥FPGA数字逻辑控制功能强的特点，作为协处理器大大降低主控处理器的占用时间，为实现复杂算法运算提供好的硬件条件。

3 程序设计及调试

3.1 程序控制方法

程序主控制方法原理图如图6所示。

图6 主控制方法原理

3.2 调试步骤与调试结果

调试分为四个阶段进行。

第一阶段，检测各电压电流相位。先确保电流传感器的绕线方向与实际电流流向一致，再用示波器检查相序。

第二阶段，检测各电压电流是否正确采用，同时检测锁相环PLL输出的正确性。

第三阶段，PID参数调节。通过调压器，控制直流侧电压在较小的幅值，进行闭环调试，检测PWM整流输出。

第四阶段，整流+逆变功能调试。

(1)将逆变控制板和四象限双PWM输出控制板放入功率单元，先确认IGBT上下管驱动信号及死区时间，并示波器测量功率单元输出波形(不可控整流下)。

(2)做空载试验，可控整流并逆变到50 Hz。

(3)做带载试验，可控整流并逆变到50 Hz，用示波器测量功率单元输出电压母排，四象限功率控制板Ia，Udc，Ubc波形(见图7)。

图7 带载波形L+(R//C)(整流+逆变)

4 结束语

高压变频器在节能减排方面有突出的作用和贡献，在水泥、钢铁行业被广泛应用。基于级联结构的高压变频器在风机、泵类等控制性能要求不高的大功率、低启动转矩的负载场合获得了广泛应用，并取得了显著的节能效果。然而目前采用的V/F控制策略只能用于风机和水泵，而对于提升机和轧钢机等需要四象限能量回馈的场合已经不再适用［6］。所以基于能量回馈型功率单元的高压变频器具有良好的市场前景和研究意义。

本系统采用了三相PWM整流器替代了二极管组成的不控整流器，从而有效地解决了传统高压变频器的功率单元无法能量回馈的问题。本文采用了SVPWM(空间矢量调制)调制方法和PID控制算法进行了可控的三相PWM整流控制，硬件采用了DSP+FPGA的双核结构，并且论述了回馈型功率单元的软件流程设计和调试过程及步骤，为高压变频器的转型升级提供了有效且效果良好的解决方案。

［1］吴凤江.四象限级联型多电平逆变器拓扑及控制策略的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.

［2］周京华，国敬，章小卫，等.能量回馈型多单元串联高压变频器综述［J］.电气传动，2012，42(12):3-8.

［3］李柱炎.单元级联型多电平高压变频器的研究［D］.武汉:华中科技大学，2012.

［4］王万宝.三相电压型 SVPWM 整流器仿真研究［D］.重庆:重庆大学，2009.

［5］丁伟.高压变频调速控制策略及实现技术的研究［D］.长沙:湖南大学，2009.

［6］陈江洪，陈海滨，齐亮，等.基于神经网络的三相空间矢量脉宽调制整流的研究［J］.上海电气技术，2014，7(1):42-47.