论文部分内容阅读
摘要： 基于智能回馈技术，对三相整流拓扑进行了分析，指出了其相对其他整流单元的区别，并针对其控制实现方案进行了研究，指出锁相法具有更强的实用性。为了对上述分析进行验证，文中给出了仿真和实验实例，仿真和实验结果验证了理论分析控制策略的正确性和拓扑的可行性。
关键词： SRU（Smart Rectifier Unit）; SPLL; 回馈
中图分类号： TP302 文献标识码： A
Topology Analysis and Control Research of Smart Three-phase Rectifier Technology
LU Yun -lai
（CNPC XIBU Drilling Engineering Company Limited， Urumqi 830001， china）
Abstract： Based on intelligent feedback technology， three-phase rectifier topology is analyzed.， and points out the relative difference between other rectifier units. By the research of the control method， points out the soft phase-locked loop has more practical. In order to verify the above analysis， the simulation and experimental results are given. The simulation and experimental results verify the correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the topology.
Key words： SRU（Smart Rectifier Unit）; SPLL; feedback
1 引言
在石油钻井、起重以及冶金轧钢传动系统中，常用的三相整流单元有二极管整流单元（Diode Rectifier Unit）、晶闸管基本整流单元（Basic Rectifier Unit）和AFE有源整流单元（AFE Active Rectifier Unit）。在大功率场合，由于存在电机能量回馈，如果能有效处理该回馈能量，将会起到较好的节能效果。故从节能回馈方面考虑，以上整流单元的主要特点如下。
1.1 二极管整流单元（DRU）
如图1所示为DRU为三相二极管整流拓扑，其原理简单、经济且运行可靠，但是能量不能回馈电网，电机侧回馈能量只能通过制动单元以热的形式消耗在制动电阻上。
1.2 晶闸管基本整流单元（BRU）
晶闸管基本整流单元BRU有两种形式，一种为单向晶闸管（如图2所示），一种为双向晶闸管[1，2]（如图3所示）。
单向晶闸管基本整流单元可通过控制晶闸管触发角以实现对母线电压大小调节，但实际上该控制仅用于控制母线电容软起的过程中，其本质和DRU电路相同，对于回馈能量只能通过制动单元以热的形式消耗在制动电阻上。
双向晶闸管整流由正反两个可控整流桥组成，这种结构能够实现能量回馈[3]，实现四象限运行，整流时正向桥工作，回馈时反向桥工作。但是该拓扑存在的主要问题是，在回馈工作时如果电网掉电，加之晶闸管不能控制关断的特点，将会导致母线电容经过晶闸管短路，从而发生设备损坏风险。
1.3 AFE有源整流单元（AFE Active Rectifier Unit）
如图4所示为AFE有源整流单元，其通过PWM[4]调制、电压外环和电流内环双闭环调节，使得母线电压可调，可完美实现能量双向流动，同时功率因数可调节。但其主要缺点体现在：由于需要配置前端LCL滤波器FIU，故成本相对高;由于有高频成分流过滤波器，故噪音较大;其控制复杂，要求配合使用较高性能的控制器。
通过对上述几種整流单元特点的分析，为了既能满足回馈的节能需求，同时又能有效的控制成本、提高可靠性和降低噪音，提出了一种新型的智能整流单元SRU（Smart Rectifier Unit）的拓扑应用。本文通过对其基本原理的深入分析和实验验证，证实了拓扑应用方案的可行性和可靠性。
2 智能回馈整流单元基本原理及实现
智能回馈整流单元拓扑如下图5所示，其包括三相输入平波电感L和三相IGBT（内置反并联二极管）整流电路。其基本工作原理为： IGBT及内置二极管当二极管在自然换流点自动导通时，通过外部电路控制IGBT导通;同理当二极管关断时，控制IGBT关断。
由于二极管和IGBT同时导通，故相当于一个双向开关，从而该拓扑可同时工作为两种模式下：整流模式和逆变回馈模式。整流模式下为电网输入电压经IGBT内部的反并联二极管形成三相不控整流回路给母线电容充电;逆变回馈模式下为母线电容经IGBT形成三相回馈回路向电网回馈能量。能量的流向只取决于母线电压和电网侧电压的大小，网侧电压高则工作在整流模式，母线电压高则工作在回馈模式。
2.1 滞环比较法
滞环比较法通过对采样得到的三相电网侧相电压做差，然后通过滞环控制器来得到所需的开关信号。为了对其进行验证，搭建Matlab仿真模型如图6所示，其仿真结果如图7所示。 根据分析，对A相桥臂上管AU分析可知，只有当相电压Va > Vb 且 Va > Vc时，满足导通条件;对A相桥臂下管AD分析可知，只有当相电压Va < Vb 且 Va < Vc时，满足导通条件;B和C相桥臂可同理分析得到。图7的仿真结果和理论分析一致。
对于采用相电压的差值做滞环控制，主要是考虑到电网电压存在畸变的情况，尤其是电压采样点为电感L后端时，通过滞环可以在比较值的临界状态避免抖动，也可通过调节滞环带宽来调节导通角大小，得到需要的回馈起始电压门槛，但滞环大小的取值不好确定，太小可能不能有效抑制抖动，太大又将减小了系统的带载能力。
2.2 锁相法
为了避免滞环比较法[5]中由于滞环设置不合理导致的输出抖动问题，一般采用三相软件锁相环（SPLL[6]）方法。电压合成矢量■与d、q轴电压分量Vd、Vq的关系图如图8所示，其中θ为三相电压矢量空间合成角，为目标锁相角度，θ1为假设的软件锁相角度，可看出，如果θ1≠θ，则Vq不为0，或为正值，或为负值。故通过环路控制使Vq=0，则此时软件锁相角度θ1=θ，从而实现锁相。
设三相对称正弦相电压的瞬时值可以表示为：
Va =Vsm cosθVb =Vsm cos（θ-120°）Vc =Vsm cos（θ+120°）
式中，θ=？棕·t，为输入相位角;？棕为电网角频率;Vsm为电网相电压峰值。
三相对称电压变换到两相旋转坐标系变换后得到的d、q轴电压分量可以表示为：
Vd =Vsm cos（θ-θ1）Vq =Vsm sin（θ-θ1）
三相电压SPLL控制原理框图如图9所示，图中ω为压控振荡器的固有频率，此处对应于电网额定频率，ω=100π。通过q轴电压PI不断调节，使输出相位角θ1跟随输入相位角θ变化，即相位角θ与A相电压相位同步变化。可以看出，SPLL控制原理简单明了，也方便于采用DSP程序进行编程实现。
锁相输出结果如图10所示，图10（上）为锁相角输出，锁相零点对应Vα的峰值点，而Vα=Va;为了便于应用，将锁相角阶梯化为6个分区，每个分区跨度为60度角，如图10（中）所示;在图10（中）的基础上对锁相角进行移位（左移60度角）处理后即可得到相应的三相上管驱动波形输出，如图10（下）所示，三相下管通过在各相上管的基础上右移60度即可得到下管输出波形。
考虑到电网谐波和IGBT开关的干扰，采用SPLL锁相的方式，得到的触发换相点更为精确。在切入回馈时，母线电压波动也不会受到干扰。对于采样点的选取，也更加灵活。
3 仿真及实验验证
为了对以上分析进行验证，同时考虑到锁相法相对滞环比较法更具适应性和实用性，故仿真和实验验证采用锁相法进行。
研制样机为690V/710KW SRU，IGBT采用FS450R17OE4，母线电容为7800uF，输入电感为68uH。以下图11为仿真结果，其中图（a）为整流状态，此时由于母线输出带载，从而母线电压在A相上管导通期间持续小于电网电压，从而电流全部为整流电流，方向为正（电流正方向定义为网侧到直流侧）;图（b）为当母线升高为在A相上管导通期间持续大于电网电压，从而电流全部为回馈电流，方向为负。
实验过程中的锁相波形如图12所示，其锁相零点对应Vα的峰值，和2.2节的理论分析和仿真结果一致。
通过实验可以发现，智能回馈整流单元中回馈能量的IGBT始终按照电网频率，在自然换相点触发导通，且经过电气角度120°处触发关断，如图13所示，和和2.2节的理论分析和仿真结果也一致。
在690V系统样机中，将母线电压设置为1000V，从而理论分析由于其大于电网电压的峰值，故在A相导通期间，电流将全部通过IGBT回馈到电网，实际电流测试波形如图14所示（回馈电流方向为正方向），和理论分析保持一致。
4 结束语
通过本文的分析，得出了下列结论：智能回馈整流是一种性价比高的可用于节能回馈场合的整流单元，且控制简单，应用可靠;智能整流回馈单元的实现方式有滞环比较法和锁相法，相比较而言，在考虑到电网波动和采样点的灵活性方面，锁相法相对具有较强的适用性和实用性;通过仿真和实验，证明了智能回馈拓扑及其控制方案的可行性。
参考文献：
[1]马小亮. 交-直-交变频器的IGBT（IGCT）整流/回饋电源[J]. 电气传动2012，12（10），43-43.
[2]徐文伟，肖 兵，杨传海. 电能回馈装置与二极管整流装置并联研究[J]. 电力电子技术，2013，47（1）：29-31.
[3]王仕韬，吕征宇，王鹿军，张德华，姚文熙. 永磁风力发电系统的变拓扑晶闸管整流器控制策略[J]. 电力系统自动化，2012，36（4）：47-53.
[4]李世平，李华德，李 擎，唐 勇. 带有有源前端的大功率双三电平变频器及其控制[J]. 电气传动，2005，35（6）：77-81.
[5]张 兴，张崇巍. PWM整流器及其控制[M]. 北京：机械工业出版社.2012：183-196.
[6]龚锦霞， 解 大. 三相数字锁相环的原理及性能 [J]. 电工技术学报，2009， 24 （10）： 94-99.
作者简介：
鲁运来（1978-），男，江苏邳州人.就职于中国石油西部钻探工程有限公司吐哈钻井公司物资装备科，工程师，毕业于重庆科技学院，从事石油相关设备管理，配套、修理、物资计划及能源管理。
收稿日期：2019-04-29
关键词： SRU（Smart Rectifier Unit）; SPLL; 回馈
中图分类号： TP302 文献标识码： A
Topology Analysis and Control Research of Smart Three-phase Rectifier Technology
LU Yun -lai
（CNPC XIBU Drilling Engineering Company Limited， Urumqi 830001， china）
Abstract： Based on intelligent feedback technology， three-phase rectifier topology is analyzed.， and points out the relative difference between other rectifier units. By the research of the control method， points out the soft phase-locked loop has more practical. In order to verify the above analysis， the simulation and experimental results are given. The simulation and experimental results verify the correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the topology.
Key words： SRU（Smart Rectifier Unit）; SPLL; feedback
1 引言
在石油钻井、起重以及冶金轧钢传动系统中，常用的三相整流单元有二极管整流单元（Diode Rectifier Unit）、晶闸管基本整流单元（Basic Rectifier Unit）和AFE有源整流单元（AFE Active Rectifier Unit）。在大功率场合，由于存在电机能量回馈，如果能有效处理该回馈能量，将会起到较好的节能效果。故从节能回馈方面考虑，以上整流单元的主要特点如下。
1.1 二极管整流单元（DRU）
如图1所示为DRU为三相二极管整流拓扑，其原理简单、经济且运行可靠，但是能量不能回馈电网，电机侧回馈能量只能通过制动单元以热的形式消耗在制动电阻上。
1.2 晶闸管基本整流单元（BRU）
晶闸管基本整流单元BRU有两种形式，一种为单向晶闸管（如图2所示），一种为双向晶闸管[1，2]（如图3所示）。
单向晶闸管基本整流单元可通过控制晶闸管触发角以实现对母线电压大小调节，但实际上该控制仅用于控制母线电容软起的过程中，其本质和DRU电路相同，对于回馈能量只能通过制动单元以热的形式消耗在制动电阻上。
双向晶闸管整流由正反两个可控整流桥组成，这种结构能够实现能量回馈[3]，实现四象限运行，整流时正向桥工作，回馈时反向桥工作。但是该拓扑存在的主要问题是，在回馈工作时如果电网掉电，加之晶闸管不能控制关断的特点，将会导致母线电容经过晶闸管短路，从而发生设备损坏风险。
1.3 AFE有源整流单元（AFE Active Rectifier Unit）
如图4所示为AFE有源整流单元，其通过PWM[4]调制、电压外环和电流内环双闭环调节，使得母线电压可调，可完美实现能量双向流动，同时功率因数可调节。但其主要缺点体现在：由于需要配置前端LCL滤波器FIU，故成本相对高;由于有高频成分流过滤波器，故噪音较大;其控制复杂，要求配合使用较高性能的控制器。
通过对上述几種整流单元特点的分析，为了既能满足回馈的节能需求，同时又能有效的控制成本、提高可靠性和降低噪音，提出了一种新型的智能整流单元SRU（Smart Rectifier Unit）的拓扑应用。本文通过对其基本原理的深入分析和实验验证，证实了拓扑应用方案的可行性和可靠性。
2 智能回馈整流单元基本原理及实现
智能回馈整流单元拓扑如下图5所示，其包括三相输入平波电感L和三相IGBT（内置反并联二极管）整流电路。其基本工作原理为： IGBT及内置二极管当二极管在自然换流点自动导通时，通过外部电路控制IGBT导通;同理当二极管关断时，控制IGBT关断。
由于二极管和IGBT同时导通，故相当于一个双向开关，从而该拓扑可同时工作为两种模式下：整流模式和逆变回馈模式。整流模式下为电网输入电压经IGBT内部的反并联二极管形成三相不控整流回路给母线电容充电;逆变回馈模式下为母线电容经IGBT形成三相回馈回路向电网回馈能量。能量的流向只取决于母线电压和电网侧电压的大小，网侧电压高则工作在整流模式，母线电压高则工作在回馈模式。
2.1 滞环比较法
滞环比较法通过对采样得到的三相电网侧相电压做差，然后通过滞环控制器来得到所需的开关信号。为了对其进行验证，搭建Matlab仿真模型如图6所示，其仿真结果如图7所示。 根据分析，对A相桥臂上管AU分析可知，只有当相电压Va > Vb 且 Va > Vc时，满足导通条件;对A相桥臂下管AD分析可知，只有当相电压Va < Vb 且 Va < Vc时，满足导通条件;B和C相桥臂可同理分析得到。图7的仿真结果和理论分析一致。
对于采用相电压的差值做滞环控制，主要是考虑到电网电压存在畸变的情况，尤其是电压采样点为电感L后端时，通过滞环可以在比较值的临界状态避免抖动，也可通过调节滞环带宽来调节导通角大小，得到需要的回馈起始电压门槛，但滞环大小的取值不好确定，太小可能不能有效抑制抖动，太大又将减小了系统的带载能力。
2.2 锁相法
为了避免滞环比较法[5]中由于滞环设置不合理导致的输出抖动问题，一般采用三相软件锁相环（SPLL[6]）方法。电压合成矢量■与d、q轴电压分量Vd、Vq的关系图如图8所示，其中θ为三相电压矢量空间合成角，为目标锁相角度，θ1为假设的软件锁相角度，可看出，如果θ1≠θ，则Vq不为0，或为正值，或为负值。故通过环路控制使Vq=0，则此时软件锁相角度θ1=θ，从而实现锁相。
设三相对称正弦相电压的瞬时值可以表示为：
Va =Vsm cosθVb =Vsm cos（θ-120°）Vc =Vsm cos（θ+120°）
式中，θ=？棕·t，为输入相位角;？棕为电网角频率;Vsm为电网相电压峰值。
三相对称电压变换到两相旋转坐标系变换后得到的d、q轴电压分量可以表示为：
Vd =Vsm cos（θ-θ1）Vq =Vsm sin（θ-θ1）
三相电压SPLL控制原理框图如图9所示，图中ω为压控振荡器的固有频率，此处对应于电网额定频率，ω=100π。通过q轴电压PI不断调节，使输出相位角θ1跟随输入相位角θ变化，即相位角θ与A相电压相位同步变化。可以看出，SPLL控制原理简单明了，也方便于采用DSP程序进行编程实现。
锁相输出结果如图10所示，图10（上）为锁相角输出，锁相零点对应Vα的峰值点，而Vα=Va;为了便于应用，将锁相角阶梯化为6个分区，每个分区跨度为60度角，如图10（中）所示;在图10（中）的基础上对锁相角进行移位（左移60度角）处理后即可得到相应的三相上管驱动波形输出，如图10（下）所示，三相下管通过在各相上管的基础上右移60度即可得到下管输出波形。
考虑到电网谐波和IGBT开关的干扰，采用SPLL锁相的方式，得到的触发换相点更为精确。在切入回馈时，母线电压波动也不会受到干扰。对于采样点的选取，也更加灵活。
3 仿真及实验验证
为了对以上分析进行验证，同时考虑到锁相法相对滞环比较法更具适应性和实用性，故仿真和实验验证采用锁相法进行。
研制样机为690V/710KW SRU，IGBT采用FS450R17OE4，母线电容为7800uF，输入电感为68uH。以下图11为仿真结果，其中图（a）为整流状态，此时由于母线输出带载，从而母线电压在A相上管导通期间持续小于电网电压，从而电流全部为整流电流，方向为正（电流正方向定义为网侧到直流侧）;图（b）为当母线升高为在A相上管导通期间持续大于电网电压，从而电流全部为回馈电流，方向为负。
实验过程中的锁相波形如图12所示，其锁相零点对应Vα的峰值，和2.2节的理论分析和仿真结果一致。
通过实验可以发现，智能回馈整流单元中回馈能量的IGBT始终按照电网频率，在自然换相点触发导通，且经过电气角度120°处触发关断，如图13所示，和和2.2节的理论分析和仿真结果也一致。
在690V系统样机中，将母线电压设置为1000V，从而理论分析由于其大于电网电压的峰值，故在A相导通期间，电流将全部通过IGBT回馈到电网，实际电流测试波形如图14所示（回馈电流方向为正方向），和理论分析保持一致。
4 结束语
通过本文的分析，得出了下列结论：智能回馈整流是一种性价比高的可用于节能回馈场合的整流单元，且控制简单，应用可靠;智能整流回馈单元的实现方式有滞环比较法和锁相法，相比较而言，在考虑到电网波动和采样点的灵活性方面，锁相法相对具有较强的适用性和实用性;通过仿真和实验，证明了智能回馈拓扑及其控制方案的可行性。
参考文献：
[1]马小亮. 交-直-交变频器的IGBT（IGCT）整流/回饋电源[J]. 电气传动2012，12（10），43-43.
[2]徐文伟，肖 兵，杨传海. 电能回馈装置与二极管整流装置并联研究[J]. 电力电子技术，2013，47（1）：29-31.
[3]王仕韬，吕征宇，王鹿军，张德华，姚文熙. 永磁风力发电系统的变拓扑晶闸管整流器控制策略[J]. 电力系统自动化，2012，36（4）：47-53.
[4]李世平，李华德，李 擎，唐 勇. 带有有源前端的大功率双三电平变频器及其控制[J]. 电气传动，2005，35（6）：77-81.
[5]张 兴，张崇巍. PWM整流器及其控制[M]. 北京：机械工业出版社.2012：183-196.
[6]龚锦霞， 解 大. 三相数字锁相环的原理及性能 [J]. 电工技术学报，2009， 24 （10）： 94-99.
作者简介：
鲁运来（1978-），男，江苏邳州人.就职于中国石油西部钻探工程有限公司吐哈钻井公司物资装备科，工程师，毕业于重庆科技学院，从事石油相关设备管理，配套、修理、物资计划及能源管理。
收稿日期：2019-04-29