岳玉1沈茂盛2
　　
　　（1、国家计算机网络应急技术处理协调中心，北京100029）
　　
　　（2、北京交通大学，北京100044）
　　
　　摘要：本文讨论了采用同步PI控制和SVPWM技术的脉冲整流器在能量回馈装置中的应用，基于数字信号处理器TMS320F2812设计了控制电路。实验结果表明，这种同步PI控制脉冲整流器具有良好的动态响应能力，馈网电流接近正弦，功率因数近似为-1.0，且谐波满足IEEE-519标准。
　　
　　
　　中图分类号：TM464
　　
　　1 概述 
　　
　　能源是一个国家发展的重要基础，在国际能源危机环境下，节能减排是我国的一项基本国策。国内很多大中型企业在生产中需要耗费大量的能源，怎么节约生产过程中的能源成节能减排的重要工作。如在蓄电池、电源装置、发电机、柴油机等出厂试验中，国内厂家一般使用普通试验装置来进行，大部分将电能或机械能转化为热能消耗掉，耗费大量的能源。本文提出一种基于PWM整流器的能量回馈装置，通过PWM整流器的精确控制，不仅能实现低谐波含量、高功率因数，同时把试验能量转化为电能，回馈到交流电网，节约大量能源。
　　
　　与普通试验装置相比，能量回馈装置有以下优点：①利用电力电子变换技术在完成测试功率的前提下，将待试设备的输出能量再生利用，节约了能源；②普通试验装置需要大量的辅助设备，而能量回馈装置不需要辅助设备，大大节约了安装空间；③测量精度高，采用高性能的控制芯片，测量精度可达0.5％以上，同时通过现场总线，可以实现集中控制、多机运行以及单机状态的监测和维护；④采用能量回馈的方式，设备的投资将在两至三年内收回，若考虑使用该设备后节省的辅助设备和减少的安装空间，设备的投资将在少于两年的时间内收回。
　　
　　2 系统设计
　　
　　2.1系统原理
　　
　　以蓄电池为例，其出厂试验要求试验装置能够精确测量输出功率，本文提出的能量回馈装置就是模拟实际可变电阻或阻感负载来实现其试验功能，同时实现能量的再生利用。方案原理如图1所示：
　　
　　蓄电池组输出的直流电经过DC/DC变换得到400V左右的直流电，经过电压型PWM整流器实现并网。PWM整流器的开关元件选用IGBT,控制芯片选用数字信号处理器TMS320F2812。
　　
　　2.2主电路分析
　　
　　主电路由两部分组成：直流调节和PWM整流器。直流调节采用升降压斩波器，升降斩波器的主电路拓扑结构如图2所示：

为二极管整流输出电压，为斩波器输出电压。若输入电压发生变化，改变IGBT的脉宽可以稳定输出电压在400V，脉宽的控制由数字信号处理器来实现。
　　
　　PWM整流器采用单相电压型脉冲整流器，其拓扑结构如图3（a）所示：是电网正弦波电压，是输出的恒定直流电压，为无源逆变的PWM输出，为从电网流入脉冲整流器的电流。通过控制电压和，就可以控制电网电流，在同一电网中是固定的，只要选用合适的控制规律调节，即可调节电流的大小和相位，实现网压与网流的反相，把试验能量的回馈利用。逆变工况时，其单位功率因数的矢量图如图3(b)所示。
　　
　　3 SVPWM实现原理
　　
　　与SPWM相比，采用SVPWM可实现更大的电压利用率，交流侧谐波更小。实现SVPWM控制的关键在于如何控制电压矢量的大小、方向和作用时间。如图4所示，

任意给定的空间电压矢量，均可由8个基本空间电压矢量合成。以第一扇区为例，图中的矢量Vref可表示为:
　　
　　Ts为开关周期，为尽量减少谐波，一般采用七段式调制方式，即在一个调制周期的剩余时间t0=Ts-t1-t2内采用零矢量，并将这段时间均匀分布在一个调制周期的开头、结尾和中间。图5(b)为三个桥臂开关函数的波形。
　　
　　根据三角关系，可计算各矢量的作用时间如下：
　　
　　如果知道了电压矢量就能很容易的计算出t1、t2，从而实现脉宽调制。
　　
　　4 防积分饱和PI控制原理
　　
　　数字PI控制算法是同步电流PI控制技术中的重要内容，PI性能的好坏直接影响到系统的性能，本文采用防积分饱和的PI算法[3]。离散化的PI控制器如下:
　　
　　根据系统的数值处理方法的比例关系（电压和电流采样比例关系），可以算出比例系数的初值，再经过微调可得到合理的比例系数。得到比例系数之后，根据工程经验给定抗积分饱和系数和积分系数，进行微调得到合理的取值。
　　
　　图6为本文采用的基于同步旋转坐标系的双环控制结构[1,2]，电压外环控制直流电压稳定，电流内环实现单位功率控制。
　　
　　5 实验结果
　　
　　为验证控制方法的可行性，搭建了小功率等级（2KW）的能馈式试验系统模块，PWM整流器的开关器件采用FUJI公司生产的7MBP25RA120，控制核心由TMS320LF2812和CPLD组成，脉宽调制方式采用SVPWM，电路及PI参数如表1所示：
　　
　　图7为能馈式电池组试验装置的试验波形，图7（a）为脉冲整流器一个桥臂的驱动脉冲波形，开关频率为10kHz，上下管驱动脉冲极性相反；图7(b)、（c）为交流侧并网电压电流波形，通道1为交流电压波形，通道3为馈网电流波形，从波形可以看出，电流波形基本正弦，谐波含量小，与电网电压反相，实现功率因数-1.0；图7(d)为直流侧电压波形，直流电压闭环时电压稳定，开环时，直流电压随电流变化而波动。
　　
　　6 结论
　　
　　 本文提出了基于电压型PWM整流器的电池试验装置，PWM整流器采用同步电流PI控制，脉宽调制方式采用SVPWM，算法先进，控制性能优良。基于高性能数字信号处理器的控制系统，得到了与电网电压反相的馈网电流，实现了电池放电试验能量的再生利用。试验结果验证了实际电流良好的动态性能，电流谐波含量小，功率因数趋近于-1.0，本文采用的控制策略是完全可行的。
　　
　　本文的讨论主要针对电池组的出厂试验而言的，但对其他种类的动力设备同样适用。大功率能馈式试验装置的实际应用，仍需进一步的深入研究。
　　
　　参考文献
　　
　　[1] KazmierkowskiMP,MalesaniL.Currentcontroltechniquesforthree-phasevoltage-sourcePWMconverters-asurvey.IEEETransonIndustrialElectronics.1998.45(5):691~703
　　
　　[2] RowanTW,KerkmanRJ.Anewsynchronouscurrentregulatorandananalysisofcontrol-regulatedpwminverters.IEEETransonIndustryAppl.1986.IA-22(4):678~690
　　
　　[3]DiaoLijun，LiuZhigang.Engineeringdesigntechniqueofenergy-fedPWMrectifierconnectedtoACmains.TransofChinaElectrotechnicalSociety.Vol.20No.112005:75-79.
　　
　　【红尘有你】