宽范围输入三相Buck PFC整流器控制策略研究

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三相Buck PFC整流器因其输出电压范围宽,具有短路电流限制能力,无需预充电电路,可实现更高效率等优点,已被广泛应用于航空电源、电动汽车充电系统、高压直流UPS供电系统等领域。目前三相Buck PFC整流器的研究,主要是基于网侧电压额定输入开展的,而实际应用中,网侧电压是宽范围变化的。因此,本文针对适用于宽输入电压与宽输入频率的三相Buck PFC整流器控制策略进行研究。本文首先分析了三相Buck PFC整流器的拓扑结构以及工作原理,建立了三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系的数学模型,为控制策略研究提供了理论基础。基于12扇区五段式SVPWM调制策略,推导了各扇区内的基本电流矢量作用时间表达式;针对电流型SVPWM的过调制现象进行了分析,推导了过调制时输入电流表达式以及目标电流矢量旋转轨迹;通过仿真验证了过调制对整流器网侧输入电流THD和直流侧电感电流的影响,仿真结果表明过调制可以扩大整流器的输出电压范围,但是引入大量网侧电流低频谐波,因此三相Buck PFC整流器应避免出现过调制。重点研究了宽范围输入三相Buck PFC整流器控制策略。研究了一种基于三相静止坐标系的双闭环间接电流控制策略,该策略基于三相静止坐标系,无需坐标变换和锁相环,且采样交流侧输入电压瞬时值计算开关管导通时间占空比,因此适用于宽频率输入的三相Buck PFC整流器。基于间接电流控制策略,研究了一种变输出电压参考值的宽电压输入控制策略,并分析了输入电压宽范围瞬变对整流器工作状态的影响。分析结果表明不同输出电压参考值时,输入电压瞬间下降将导致整流器出现过调制问题;分析了双闭环PI控制不能有效抑制过调制,研究了一种对占空比直接作用的预估补偿算法。通过仿真对采用上述控制策略的宽输入三相Buck PFC整流器工作特性进行了验证。最后,推导了整流器功率器件电压、电流应力和输入、输出LC滤波器参数,搭建了一台800W实验样机。通过实验验证了本文研究的间接电流控制策略能够保证三相Buck PFC整流器在网侧电压宽范围输入(80Vac~140Vac,50Hz~800Hz)时具有高功率因数、低输入电流谐波、高效率等良好性能;验证了输入频率瞬变和输入电压瞬变时整流器的工作特性;验证了预估补偿算法对输入电压宽范围瞬间下降时过调制现象的抑制效果。
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