电能回馈装置与二极管整流装置并联研究

摘要：通用变频器中常用二极管整流装置进行整流，存在无电能回馈功能的缺点。三相电能回馈装置作为一个独立、外挂式的回馈装置与二极管整流装置并联使用，可实现变频器回馈功能。然而在装置进入回馈状态后，因为两种装置并联会导致二极管整流装置存在脉冲电流通过的问题，影响电网及周边电子设备。提出了一种改进拓扑结构结合滞环电流控制的解决方法消除脉冲电流。最后，通过仿真分析及实际应用证明了该方法的有效性和正确性。
关键词：变频器；电能回馈；二极管整流；滞环电流

1 引言
通用变频器常用二极管整流装置对三相交流电进行整流，从而为直流母线提供直流电压，但存在无回馈功能的缺点，当电机处于再生发电状态时，回馈的能量将传输到直流母线电容上，产生泵升电压，使电容电压不稳。而且高泵升电压可能损坏开关器件，从而威胁变频器安全工作。通常做法是并联一个电阻将这部分电能消耗掉，但又存在电能浪费、电阻发热等问题。
此处提出一种采用回馈装置与二极管整流装置并联的方法，当电机处于再生制动状态时，将再生能量回馈到电网，解决了电网污染、电能浪费等问题，保证了电机系统安全可靠运行。主要对回馈装置与二极管整流装置并联带来的问题及解决方法进行研究，并给出了仿真分析及实际应用结果。

2 系统拓扑结构及改进
2．1 电能回馈装置拓扑结构及数学模型
图1示出三相电能回馈装置拓扑结构，主要由三相逆变器、滤波器和电网组成。

为建立图1中电能回馈单元数学模型，假设：①电源为三相对称正弦电压；②网侧滤波电感是线性的，且不考虑饱和；③功率开关管为理想开关，无导通关断延时，无损耗。对于三相对称系统有：
uu=Emsinθ，uv=Emsin(θ-2π／3)，uw=Emsin(θ+2π／3) (1)
uu+uv+uw=0， ia+ib+ic=0 (2)
式中：uu，uv，uw为三相对称电网相电压；Em为电网相电压峰值；ia，ib，ic为三相线电流；θ为相位角。
对三相交流侧应用基尔霍夫电压定律，则有：

式中：Sj(j=a，b，c)为单极性二值逻辑开关函数，Sj=1时，上管导通，下管关断，Sj=0时，上管关断，下管导通；Udc为直流母线电压；uNO为N点相对于O点电位。
由式(2)，(3)联立可得：
uNO=-Udc(Sa+Sb+Sc)／3 (4)
2．2 并联系统拓扑结构及改进
为实现通用变频器的回馈功能，简单且节省成本的方法就是直接在直流母线和三相电网间并联一套三相电能回馈装置，如图2所示。

此时，三相电能回馈单元作为一个独立、外挂式的电能回馈装置，当电机处在制动或负载倒拖时，电机将处于发电状态，给直流母线电容充电，Udc上升。当上升到一定值如620 V时，三相电能回馈装置开始工作，将直流母线电容上的电能及时回馈到电网，使Udc维持在一个安全的范围内。当电机制动结束或负载不再处于倒拖状态，电机进入电动状态时，Udc开始下降。当下降到设定值假设为615 V时，三相电能回馈装置停止工作。三相电能回馈装置一直重复回馈→停止→+回馈的过程。
若不并联电能回馈装置，当Udc高于620 V时，二极管整流装置必然处在截止状态；但当两者并联应用时，Udc高于620 V时，三相电能回馈装置进入工作状态，6个IGBT就会进入开关调制状态，受上桥IGBT开通关断状态的影响，由式(4)可知，uNO会产生浮动变化。此处以u相为例分析说明三相电能回馈装置与二极管整流装置并联后，电能回馈装置对二极管整流装置的影响。[p]
由基尔霍夫电压定律可知：
uVD2+uNO-uu=0， -uVD1+Udc+uNO-uu=0 (5)
式中：uVD2，uVD1分别为二极管VD2，VD1两端反向压降。
将式(1)，(3)代入式(5)可得：

若uVD10，则VD1导通；若uVD20，则VD2导通。由式(6)可知，随着Sa，Sb，Sc和θ的变化，uVD2，uVD1的值随时会小于零，例如当Sa= 0，Sb=0，Sc=0，θ=1．5π时，uVD2=-Em，VD2导通；当Sa=1，Sb=1，Sc=1，θ=0．5π时，uVD1=-Em，VD1导通。VD1，VD2一旦导通，将会有很大的脉冲电流通过。同理可分析v相和w相二极管的情况。
综上所述，二极管整流装置中的脉冲电流是由三相电能回馈装置和二极管整流装置并联这种新的拓扑结构造成的，与电流回馈控制算法无关，若不改进这种新的拓扑结构，这个问题就无法解决。以下是针对此问题提出的一种解决方案。
由式(1)，(6)可得：
uCD2=Emsinθ-uNO，uVD1=Udc+uNO-Emsinθ (7)
要使VD1，VD2无脉冲电流流过，则必须使VD1，VD2处在截止状态，即uVD1≥0，uVD2≥0，代入式(7)可求出满足条件的uNO为：
Em-Udc≤uNO≤-Em (8)
将式(8)进一步简化，则可求出使VD1，VD2无脉冲电流的条件为：
uNO≤-Em，Udc≥2Em (9)
将LCL滤波器中两组滤波电容Cf1，Cf2的另一端接在直流母线上，可满足式(9)，如图3所示。

根据图3对电能回馈拓扑结构进行改进后，启动装置且电机停止工作时，电网通过两组二极管快速对直流母线电容充电，Udc升至537 V左右，此时电网继续对Cf1，Cf2充电。电网正半波电压通过VD1，VD3，VD5对Cf1继续充电，使P点相对O点电位uPO最高达Em，即310 V；电网负半波电压通过VD2，VD4，VD6对Cf2继续充电，使uNO最高达-Em，即-310 V。故Udc最高达2Em，即620 V，正好满足式(9)，从而保证VD1，VD2可靠截止，无脉冲电流流过。其余两相分析同理。
当电机进入电动耗电状态时，Cf1，Cf2因电容很小，不能作为储能电容为电机提供电能，故Udc电压基本维持在537 V左右，此时拓扑结构工作方式与仅有二极管整流装置时完全一样。
当电机处在再生制动或被负载倒拖时，电机进入发电状态，Udc升高，当Udc高于620 V时，才能满足式(9)条件，二极管整流装置才会完全被截止，无脉冲电流流过。故设置Udc=2Em为电能回馈装置的门槛电压，仅当Udc>620 V时，电能回馈装置才会进入回馈状态。此时，uPO会围绕Udc／2上下波动，uNO会围绕-Uac／2上下波动，其平均值为：

式(10)仍满足式(9)条件，故Udc>2Em，电能回馈装置进入回馈状态后，能保证二极管整流装置完全被截止，有脉冲电流流过。由式(10)可知，改进后拓扑结构中，uNO与式(4)不再符合，因此，矢量控制不再适合作为电流回馈电网控制。同时，因为滞环电流控制能以三相指令电流为参考对回馈电流进行跟踪控制，且三相电流的控制是相互独立的，故此时拓扑结构只有滞环电流控制适合于电能回馈控制。在改进后拓扑结构中，电能回馈装置进入电流回馈电网状态后，uPO，uNO发生变化，如式(10)所示，c1点相对O点电位uc1O=Emsinθ，故可得滤波电容组的电压范围为：
uPc1≤400V+Em，uc1N≤400V+Em (11)
可见，Cf1，Cf2的电压等级最少为Em+400V。
[p]
3 仿真及实验结果
3．1 仿真分析
在Simulink中构建仿真系统，结果如图4所示。

由图4a，b可见，拓扑结构改进前，当三相电能回馈单元进入回馈状态后，整流二极管两端反向压降会达到零以下，从而导致二极管导通产生脉冲电流，对电网和回馈电流产生严重影响，致使电网电压和回馈电流产生严重畸变；由图4c，d可见，拓扑结构改进后，可从根本上解决上述问题。
3．2 实验结果分析
实验采用以DSPF28035为主的三相电能回馈平台，实验波形如图5所示。图5a为采用SVPWM双极性调制时ia和VD2两端正向压降uVD2+波形，ia有效值为5 A。图5b为改进拓扑结构后采用滞环单极性调制的ia，uu波形，ia有效值为12 A。可见，改进拓扑结构前，uVD2+>0，迫使VD2导通，产生脉冲电流，对回馈电流影响很大，致使电流总畸变率增加；改进拓扑结构后，采用滞环单极性调制可很好地控制电流，使电流谐波接近国家标准的要求，与仿真分析一致。

4 结论
研究了回馈装置与二极管整流装置并联带来的问题及解决方法，通过改进并联的拓扑结构解决了装置进入回馈状态后，因两种装置并联所产生的二极管整流装置存在脉冲电流的问题。分析论证了该问题的固有性及解决的必要性，通过仿真和实验证明了改进后拓扑结构可有效解决此问题，且可采用滞环单极性调制很好地控制电流，使电流谐波接近国家标准的要求。