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新能源汽车充电模块之Vienna整

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jiluo1987
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初级工程师
  • 2018-10-15 10:37:39
2.3基于三相静止坐标下的数学模型
VIENNA 整流器的工作原理可知,通过控制每个桥臂功率开关管的通断并结合电流方向,每相交流侧都有 1/2Vdc -1/2Vdc 0 三种电平状态。
定义开关函数,设 Si ( i= a b c)为第 i 相的开关函数, 可表示为
                                           0     Si导通
                                         Si=                      1        Si关断i>0    式(2-1
                                          -1     Si关断i<0        
将开关函数 Si 分解为 Sip Sio Sin,3 个单支开关。根据开关管的导通情况和电流的方向有以下关系式成立:若 Si=1,则 Sip=1 Sio=0 Sin=0 Si=0,则 Sip=0 Sio =1 Sin =0 Si=-1,则 Sip=0 Sio =0 Sin =1。显而易见开关满足如下约束关系:
Sip+Sio+Sin =1
简化之后 VIENNA 整流器的等效电路图如图 2-4 所示
图片4.png
2-4

根据三电平整流桥主电路,由 KVL 定律, 可以得到下面的等式
QQ图片20181013145649.png

式中,La,Lb,Lc为整流桥交流侧电感, RL为交流侧等效电阻, Va,Vb,Vc
分别为电网三相交流电压,ia,ib,ic 为电网三相交流电流,VaN,VbN,VcN分别为整流桥交流输入端对交流电源N 的电压, 可以表示为


                  QQ截图20181013145807.png         
式中, VaM VbM VcM分别为整流桥三相桥臂交流输入端对输出中点 M 的电压, VMN 为输出母线中点 M 对中性点 N 的电压。由开关函数的定义和电路图可得交流侧电压
                                                   QQ截图20181013145953.png


三相对称时, 有下列恒等关系式
                         5.png
由式(2-2) (2-3) (2-4) (2-5) 可得
                                        6.png
对图 2-4 中直流侧的 P 点,应用 Kirchhoff 电流定律,得到
                                     66.png

同理对图2-3中的n点,有
                                          7.png
对图2-3中的M点,有:
                                       8.png
即为
                                  9.png
由式(2-6)加减式(2-7)得
                10.png
直流侧回路,有
                               11.png
在满足三相电网电压对称的时候,得到在 abc 坐标系下 VIENNA 整流器的数学模型表达式 12.png 表示为矩阵
13.png

            用了这么多公式总算得到三相静止坐标系下 VIENNA 整流器的数学模型 ,数学模型有什么作用?最终的目的就是指导我们设计闭环控制环路补偿。
         有了数学模型就可以建立VIENNA 整流器小信号交流模型,最后得到系统开环传递函数,根据开环传递函数就可以进行补偿网络设计,具体方法可以参考学习一下浙大徐德鸿的《电力电子系统建模和控制》一书,本文不做重点推导,后续文章做相关描述。
2.4整流器的环路控制
    电压外环电流内环的双闭环控制是目前应用最广泛, 最为实用的控制方式。电压外环的输出作为电流指令信号,电流内环用数字PI控制输入电流,使之快速地跟踪电流指令。我们知道,PI控制交流信号会有一定的静差,这一点PR控制会好很多,但是我们的整流器主要是用作整流,为后级提供能量和PFC功能,对电流的静差没有要求,所以这是一个很好的控制策略。本文就双环PI控制和三相SPWM调制结合建立仿真模型。
电流内环控制框图可以简单如下显示

QQ截图20181013145306.png
控制框图中PI环节即为数字控制里要设计的补偿环路。

电压外环设计如下
由交流小信号模型设计:
14.png
               







电压外环控制框图可以简单如下显示
QQ截图20181013145136.png




正负母线电压平衡设计补偿
15.png
其调节所得值加入三相电流参考端作为给定电流一部分,然后与三相电流反馈值进行PI调节。
三.仿真模型和波形分析
    仿真分析对实际设计起到重要的指导作用。用PSIM软件对电力电子模型进行分析、研究,开发能提高分析速度、分析精度和分析广度。比真实电路实验可扩大研究范围,获取更多数据,也可测一些实验中无法直接测量的数据。 仿真进行充分可行性论证后再定购贵重、特殊元件,既节省资金又缩短开发过程, 提高产品的质量, 最后仿真系统代替实验可大大减少元器件损坏引起的损失,下面就 SPWM VIENNA 整流器系统进行 PSIM 仿真研究。
3.1VIENNA 整流器总体仿真模型
VIENNA 整流系统仿真结构图如下
图片5.png
仿真中设置三角载波频率 50kHz ,采样频率50KHz,电路参数交流电感量0.33mH,正负母线电容量1.2mF。具体选型本文不做重点推导。
3.2静态波形
图片6.png
3-1 20%3KW输出电流波形和电感电流波形
图片7.png
3-2 50%7.5KW输出电流波形和电感电流波形

图片8.png
3-3 100%15KW输出电流波形和电感电流波形
图片9.png
3-4 母线电压800V和交流线电压Vab


图片10.png
3-5 输入电压电流PF=99.8%和交流电感电压VPL

3.3动态波形
图片11.png
3-6 软启动母线电压给定Vref和实际电压Vdc
图片12.png

3-7 上下母线VpVn不平衡和造成的畸变电流ia
t=0.2s加入中点平衡控制,两母线电压都稳定在400V,电网电流THD会变差。
图片13.png
3-8 t=0.25s时由20%载突加至满载
电流波形和母线电压波形,电压有20V左右跌落
图片14.png

3-9 t=0.25s时由满载载突减至20%
电流波形和母线电压波形,电压有20V左右过冲
图片15.png
3-10 t=0.25s时电网电压由220V突降至150V
输入电流突然变大,母线电压由5V左右跌落

图片16.png
3-11 t=0.25s时电网电压由220V突升至260V
输入电流突然变小,母线电压由2V左右突升
    本节用PSIM搭建了系统的总体仿真模型,从理论上验证了 VIENNA 整流电路不但有功率因数校正功能, 而且有很好的静态性能和动态性能 ,具有一定的实用价值。

3.4总结
    未来新能源充电技术将朝着大功率、高功率因数、高效率、低谐波、体积小方向发展。本文通过对Vienna整流器的分析和仿真,全面解释其工作原理和优势,限于本人水平有限,就写到这里,后续再做相关技术探讨,此文抛砖引玉,还望各位专家不吝指正,若觉得本文有可鉴之处,关注我的公众号Exdry艾昌德瑞电子科技,欢迎下载本文和相关仿真模型!
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QQ图片20181013145508.png
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jiluo1987
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初级工程师
  • 2018-10-15 10:41:47
 
第一次发帖 ,内容太长 ,不知道怎么排版,还有前一部分 内容,写在另外一个帖子里了!
bake_ql
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副总工程师
  • 2018-10-15 22:14:39
 
zan 写的清清楚楚

Vn控制,也就是正负输入不平衡,需要加入均压控制,比较好的方式,均压环调整duty;

输入Y 共点要是连接到输出中点,CM会比较好吧
nc965
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版主
  • 2018-10-16 09:17:35
 
其实那里就是地,仿真可以不论,实板就很要紧了。

10.png

jiluo1987
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初级工程师
  • 2018-10-16 09:53:42
 
是的 仿真部分没有处理共模问题,实物是要的
jiluo1987
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初级工程师
  • 2018-10-16 09:55:49
 
是的,均压PI控制 加入到每相电流参考值 与每相电流反馈值进行闭环

bake_ql
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副总工程师
  • 2018-10-17 21:17:29
  • 倒数9
 

请教一下:
输入对称下建立的模式,在三相不对称时候使用是否可靠,合适,比如三相不平衡,缺相或者一相短路;这时候你的输入电压检测是怎样判断的;三个电流环是独立控制的吗,本质上三个电流环有两个是独立的;三相不平衡时候需要考虑每相的限制功率和电流限制;

westbrook
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副总工程师
  • 2018-10-18 09:50:47
  • 倒数7
 
均压是不是采用比例P比较好,PI控制实调不太好,退饱和有问题。
jiluo1987
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LV4
初级工程师
  • 2018-10-18 10:16:48
  • 倒数6
 
退饱和遇到什么问题了呢
jiluo1987
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初级工程师
  • 2018-10-18 09:40:12
  • 倒数8
 
你的问题很有实际意义这个模型是三相平衡下建立的,对于三相不平衡情况肯定是不同的,va+vb+vc不为0,
数学模型肯定会有变化。具体的实物我还没有测过。
凭经验,在实际情况,应该这样处理,比如用DSP数字控制,对于电网的检测会有正负序分离运算,
如果不平衡很严重,或者缺相,或者造成单相电流过大,那么就会进行软件保护,停机。
如果不平衡度不大,这个控制策略还是可以的,提取电网正负分量来运算作为电流的参考。
本人拙见,如有不当,各位指正。
bake_ql
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副总工程师
  • 2018-10-22 21:02:47
  • 倒数5
 
主要是你的输入电压检测是怎样做,如果直接检测相电压的方式不可行,要检测线电压,再变换为相电压,这样在不平衡时候或者缺相时候检测到的相电压不同,输入电流可根据此控制;
jiluo1987
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LV4
初级工程师
  • 2018-10-23 11:13:44
  • 倒数4
 
电阻分压 采三相相电压,为何检测相电压不可行?
jiluo1987
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初级工程师
  • 2018-10-16 16:09:37
  • 倒数10
 
新能源汽车充电模块之Vienna整流
一.技术背景及研究意义
新能源汽车是未来的发展趋势,充电桩的建设已纳入到市政建设中,新建小区必须预留充电桩建设位置,充电桩的前景将会越来越好,在最近几年也将要迎来爆发期,我们今天要探究的VIENNA整流技术,是新能源充电桩模块上主要拓扑结构之一,已经很成熟和广泛的应用在7.5KW12KW15KW等系列充电模块上。
上个世纪90 年代初,VIENNA 大学的 J.W.Kolar 等提出了一种新型的整流器拓扑,即 VIENNA 整流器 ,VIENNA 整流器具有以下特点:
1) 类似于 Boost PFC整流器,可以实现输入电流正弦跟随输入电压,波形畸变率低,能够实现整流器功率因数PF->1
2) 功率MOS管、功率二极管等器件上所承受电压应力低,理论上最大电压        Vrm为直流输出电压的一半。
3) 相较于普通两电平全桥整理器,在相同的开关频率下电感的电流纹波降低,因而减小了电感的体积,提高了整流器的功率密度。
4) 功率开关管与上、下桥臂的二极管串联,因此不会因为开关管的误导通造成桥臂的直通从而烧毁器件,因此具有较高的可靠性。
按是否有中性线连接,三相 VIENNA 整流器可分为三相四线制及三相三线制,在三相四线制 VIENNA 整流器中,用中性线将输入侧中性点与电容中点连接,则整流器可解耦为三个单相 BOOST 拓扑,由于中性线的引入,在实际应用中会给设计带来困难并且限制了应用场合,在充电模块上实际应用的是三相三线 VIENNA 整流器。

二.数学模型和控制框图2.1 VIENNA 整流器拓扑结构分析
三相 VIENNA 整流器拓扑结构如图 2-1 所示,采用三相三线制的型式,连接电容中点 M 和中性点 N 就构成了三相四线制结构。 其中, Va Vb Vc为三相对称的三相电源, La Lb Lc 为三相升压电感, D1、D2、D3、D4D5D6为续流二极管, 功率器件 Sa1Sb1Sc1Sa2Sb2Sc2 连接于整流器输入端和直流母线电容中点, 每个开关管有开通和关断两种状态。
图片1.png
2-1
2.2 VIENNA 整流器工作原理及开关状态分析
VIENNA 整流器的工作原理与开关管的状态及电源侧电流方向有关,每一相桥臂都可以等效为一个正向和反向 Boost 电路。三相三线制结构流入 M 点的一相电流通过另外两相构成回路。现以一相电流流通路径为例,另两相与之相同,以下根据电网电压极性,分两种情况进行讨论:
电网电压为正半周时
在电网电压为正半周,开关导通和关断的时候,每一相桥臂上电流的流通路径分别如图 2-2 中箭头所示。
图片2.png
2-2
当开关管 Sa1 导通时,电流通过 Sa1Sa2 至电容中点M,该过程中电压 Va>0,电流不断地增大对电感 La 进行 储能,此时 A 点相对于电容中点M电位为 0。当开关 Sa1 关断后,电流通过续流二极管 D1续流,电感释放能量,对电容 C1 充电, A 点相对电容中点M电位为 1/2Vdc。这一过程相当于一个 Boost电路的充放电过程。
电网电压为负半周时
在电网电压为负半周,开关导通和关断的时候,每一个桥臂上电流的流通路径如图 2-3 中箭头所示:
图片3.png
2-3
当开关管 Sa2 导通时, A 点电位被钳位至电容中点 M A 点对中点电位为0。当开关 Sa2 关断后,电流通过续流二极管 D2续流,A 点对中点电位为-1/2Vdc。这一过程相当于一个反向 Boost 电路。

srtx
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本网技工
  • 2018-12-4 23:17:25
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您好我加了公众号怎么下载仿真
maoyuan610
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助理工程师
  • 2019-7-13 11:09:17
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怎么下载仿真!
超越自我lc
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  • 2020-5-5 20:46:08
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同问?已关注公众号,请问如何怎么下载?
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