摘 要： 提出一種新的復合型整流器拓撲結(jié)構(gòu)" title="拓撲結(jié)構(gòu)">拓撲結(jié)構(gòu),，該整流器與傳統(tǒng)的多重化" title="多重化">多重化整流器相比,，其THD達到了電力系統(tǒng)小于5%的要求,，功率因數(shù)" title="功率因數(shù)">功率因數(shù)在0.95以上,，且當其作為三電平逆變器的輸入級時,，能夠在整流側(cè)實現(xiàn)NPC功能,，減輕了逆變側(cè)的控制負擔,，對改善三電平變頻器的性能起著重要的作用,。通過仿真驗證了拓撲結(jié)構(gòu)的合理性和控制策略的正確性。
關(guān)鍵詞： 多重化,；復合型整流器,；中點箝位控制；高功率" title="高功率">高功率因數(shù),；低諧波
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隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展,，逆變技術(shù)、PWM調(diào)制技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域都有了長足的發(fā)展,，但作為變頻器輸入級的高功率整流器等技術(shù)卻相對發(fā)展較慢[1],。目前，多數(shù)變頻器廠商的產(chǎn)品中采用不控整流二重化技術(shù),，其特點是結(jié)構(gòu)簡單,，成本低，且相對于普通的不控整流結(jié)構(gòu),，其交流側(cè)電流諧波有了明顯的改善[2],。但其缺點仍十分明顯，如交流側(cè)THD仍較高,、功率因數(shù)較低等,，這將直接導致電力系統(tǒng)中諧波與無功的增加[3-4]。圍繞抑制諧波電流,、提高整流器的功率因數(shù)等方面,，本文提出了一種新型的復合型高功率因數(shù)整流器，從拓撲結(jié)構(gòu),、控制系統(tǒng)等幾個方面展開深入研究,，并用Matlab/Simulink進行仿真，結(jié)果表明本文提出的新型復合型整流器拓撲結(jié)構(gòu)及其控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)中高壓下的高功率因數(shù)和低輸入電流諧波的電能變換,。
1 整流器主電路結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 復合型整流器的拓撲結(jié)構(gòu)
新的復合型高功率因數(shù)整流器由不控和可控兩部分組成,，其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。交流側(cè)接變壓器的原端A、B,、C三相,。整流變壓器為三繞組接法，原端為單繞組三相,，副端為雙繞組三相,，繞組中點有抽頭，可在應用于可控整流和不控整流中分別實現(xiàn)Y接法和△接法,。當二次側(cè)均為Y接法時,，可應用于復合型整流器中。繞組匝數(shù)比為
,，輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓較高的繞組每相通過串聯(lián)感抗與后面的不控整流橋臂構(gòu)成升壓型電路,，輸出電壓較低的繞組每相通過串聯(lián)感抗與后面的可控整流橋臂構(gòu)成升壓型電路。這是由于不控整流相對于可控整流而言,，其直流電壓利用率低,，若要保證其輸出直流電壓在同一數(shù)量級，應保證不控整流有相對較高的三相交流輸入電壓,。不控整流單元采用功率二極管作為開關(guān)器件,，可控單元采用IGBT反并聯(lián)二極管作為其開關(guān)器件。直流側(cè),，兩單元串聯(lián)后其連接點作為后續(xù)逆變電路的電位中點,，兩側(cè)直流電壓經(jīng)吸收電容、濾波電容后對負載供電,。與傳統(tǒng)的相移式多重化整流拓撲一樣,，該復合型整流側(cè)拓撲中每個開關(guān)器件和功率二極管在關(guān)斷時承受的電壓都為整流輸出電壓的一半。
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1.2 復合型整流器的工作原理
復合型多重化整流器是從相移式多重化整流器發(fā)展而來的,。相移多重化整流器主要通過變壓器移相實現(xiàn),，變壓器輸出電壓的相移角度起到了關(guān)鍵的作用，多重化整流器消諧性能的好壞也取決于變壓器相移角度的準確性,。一旦出現(xiàn)偏差,，相應次數(shù)的諧波將不能完全消去，嚴重影響相移多重化整流器的性能,。特別是在采用18脈動以上的結(jié)構(gòu)時,，普通變壓器很難實現(xiàn)分數(shù)角度的相移，需采用變壓器的曲折接法,，其實現(xiàn)難度更高,，精度更難于把握。在復合型多重化整流器中,，變壓器的這種作用被減弱了,，它不需要變壓器實現(xiàn)諧波的相移,，而是通過PWM調(diào)制技術(shù)，使得可控整流產(chǎn)生的諧波成分與不控整流產(chǎn)生的諧波成分幅值相等,，相位錯開180°,，從而達到兩單元諧波成分移相、相消的目的,。
復合型整流器的原理如圖2所示,。圖中Us表示交流電源電壓，is為電源電流,，iL1,、iL2分別為不控和可控兩個整流單元的負載電流，iC1,、iC2為不控和可控整流單元的交流側(cè)電流,。電源電流is為不控和可控整流單元的交流側(cè)電流之和再乘以變壓器變比k獲得，即is=k(iC1+iC2),。不控整流單元為非線性作為諧波源，它產(chǎn)生諧波,?？煽卣鲉卧饕蓛纱蟛糠纸M成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路,、驅(qū)動電路和可控整流電路三部分構(gòu)成),。系統(tǒng)基本工作原理是：檢測交流三相電源處的電流和電壓，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號,，據(jù)此由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補償電流,，該補償電流與不控整流單元交流電流中要補償?shù)闹C波電流相抵消，最終得到期望的電源電流,。
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2 復合型整流器的控制方法
2.1 諧波的抑制
(1)諧波的檢測
目前復合型整流器主要采用的控制方法包括基于諧波檢測控制方法,、基于直流側(cè)電容電壓的控制方法和單周控制方法。本文設(shè)計的諧波檢測方法不同于上述幾種,，其控制原理圖如圖3所示,。
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在這種方法中只需要檢測網(wǎng)側(cè)電流，檢測的物理量少,，控制系統(tǒng)得到了簡化,。但為了保證控制的準確性，需要利用瞬時無功理論計算其諧波含量,。
設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為ea,、eb、ec和ia,、ib,、ic,。由下面的變換可以得到α、β兩相瞬時電壓eα,、eβ和α,、β兩相瞬時電流iα、iβ,。
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矢量圖如圖4所示,，eα、eβ,、iα,、iβ分別為e、i在α,、β軸的投影,，瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq分別為電流矢量i在電壓矢量e及其法線上的投影，即：
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其bode圖如圖5所示,。
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2.2 直流側(cè)中點電位控制方法
在變頻器的逆變側(cè),，由于能量流動的不平衡性，作為逆變電路一部分的電位中點同樣受到能量流動的影響,，導致其電位不為零,。但電位中點同樣與整流側(cè)相連，整流側(cè)的能量流動同樣會影響其電位的變化,，只要這種變化趨勢能夠彌補逆變側(cè)帶來的影響,，就能保證中點電位不變或在零附近波動。
根據(jù)復合型整流電路的特點,，其不控單元整流部分的直流輸出電壓是不變且不可控的,，因此控制中點電位的唯一途徑是改變可控單元的直流輸出電壓，使其跟蹤不控單元直流輸出電壓的變化,，保持二者的相等關(guān)系,。
在整流側(cè)控制中點電位平衡的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。不控單元與可控單元的直流側(cè)電壓采樣信號經(jīng)比較器比較后,，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器反饋給電流內(nèi)環(huán),。為保證諧波電流發(fā)生電路具有良好的補償電流跟隨性能，必須將整流器直流側(cè)電容的電壓控制為一個適當?shù)闹?。圖6指令電流運算電路中虛線框內(nèi)的部分結(jié)合諧波電流發(fā)生電路實現(xiàn)對直流側(cè)電壓的控制,。圖中，Vd1是可控單元直流輸出電壓的反饋量,，Vd2是不控單元直流輸出電壓的反饋量,，兩者之差經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器后得到調(diào)節(jié)信號△ip，將它疊加到瞬時有功電流的直流分量ip上，這樣經(jīng)運算在指令信號ich中就包含了一定的基波有功電流,。諧波電流發(fā)生電路根據(jù)ich產(chǎn)生補償電流iL注入電網(wǎng),，使得可控整流單元的補償電流中包含一定的基波有功電流分量，從而使可控整流單元交流側(cè)電流補償不控整流單元交流側(cè)電流后,，仍然能夠有足夠的能量流動到直流側(cè),，保持與不控整流單元直流電壓的平衡關(guān)系。
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3 仿真及實驗結(jié)果
將復合型整流器與傳統(tǒng)的相移式多重化整流器的仿真結(jié)果作對比,，其交流側(cè)電流頻譜如圖7,、圖8所示。
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由圖可見,，普通的相移式多重化整流器中,，其交流側(cè)電流諧波含量仍然較高，為12.46%,，其諧波主要為6k±1(k=1,，2，3…)次,，且11,、13 次諧波含量較高，占基波成分的8%左右,。而新型復合型整流器的交流側(cè)諧波含量明顯降低,，為0.51%，可以滿足電力系統(tǒng)對諧波小于5%的要求,，且各次諧波含量都較小，比例較大的5,、7 次諧波含量也僅為基波的0.3%左右,。
新型高功率復合型整流器與傳統(tǒng)的相移式多重化結(jié)構(gòu)在功率因數(shù)方面的對比如圖9、圖10所示,。
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可見,，普通相移式多重化整流器由于沒有進行閉環(huán)控制，所以不可能工作在單位功率因數(shù)下,，且隨著負載及主電路參數(shù)的變化,，其功率因數(shù)也會隨之改變。而新型的復合型整流器功率因數(shù)接近1,，且當負載及主電路的參數(shù)改變后其功率因數(shù)仍然能保證為1,。
在逆變側(cè)，采用SVPWM控制方法,，但不對中點電位進行控制,，當采用相移二重化整流器供電時，其中點電位波形如圖11所示,。此時由于大小矢量對中點電位的作用效果不同,，中點電壓變化較大,，遠離零電平。
當采用復合型多重化整流器供電時,，其中點電位波形如圖12所示,。此時通過在整流側(cè)采用中點電位控制，中點電壓在零附近波動,，達到了控制中點電位平衡的要求,。
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本文提出了一種復合型高功率因數(shù)整流器的拓撲結(jié)構(gòu)，對該拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理進行了分析,，并給出了諧波抑制以及中點電位平衡等問題的控制策略,，仿真驗證了結(jié)論的正確性。
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