電壓型PWM整流器橋臂側(cè)功率平衡的控制策略

1、SHIP ENGINEERINGVol.37 Supplement 1 2015船舶工程 總第 37 卷， 2015 年增刊 1電壓型 PWM 整流器橋臂側(cè)功率平衡的控制策略萬(wàn) 鵬，章建峰，鮑陳磊（中國(guó)船舶重工集團(tuán) 第 704 研究所，上海 200031）摘 要： 分析了不平衡電網(wǎng)電壓條件下三相電壓型 PWM 整流器的控制策略，研究了基于功率平衡的控制策略，以消除直流電壓二次諧波。船舶電網(wǎng)不平衡時(shí)，線路阻抗的功率不平衡，當(dāng)電網(wǎng)不平衡功率完全被線路阻抗吸收時(shí)，整流器橋側(cè)的功率則恒定平衡，這給消除直流電壓二次諧波帶來(lái)便利。最后 進(jìn)行了仿真及原理樣機(jī)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。關(guān)鍵詞： PWM 整

2、流器；不平衡電網(wǎng)；功率平衡中圖分類號(hào)： TM743 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 【DOI 】 10.13788/ki.cbgc.2015.S1.001The Control Strategy of Power Balance at the Arm Side forVoltage Source PWM RectifierWAN Peng, ZHANG Jian-feng, BAO Chen-lei(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)Abstract: The control strategy in un

3、balanced power grid for three-phase voltage source PWM rectifier is investigated in the paper . The control strategy based on power balance is researched to eliminate the second harmonic of DC voltage. The power of the transmission line impedance is unbalanced when the power grid is unbalanced. And

4、the power at the arm side for PWM rectifier keeps balance when the unbalanced power in grid is absorbed completely by the transmission line impedance. Thus the effective measures can be obtained to eliminate the second harmonic of DC voltage. Finally, the simulation and the test of prototype are imp

5、lemented, and the experimental results agree with theoretic analyses.Key words: PWM rectifier; unbalanced power grid; power balance0 引言 整流器廣泛應(yīng)用于船舶電力電子變流裝置中，為 變頻傳動(dòng)、不間斷電源和功率因數(shù)校正等裝置提供穩(wěn) 定可靠的直流電壓 1 。傳統(tǒng)的整流裝置有二極管整流 器和晶閘管相控整流器，這些整流器工作時(shí)網(wǎng)側(cè)交流 電流含有大量諧波電流將在線路阻抗上產(chǎn)生諧波電 壓，造成電網(wǎng)電壓波形畸變，從而會(huì)影響其他并聯(lián)在 電網(wǎng)中的負(fù)載正常工作 2 。當(dāng)船舶電網(wǎng)電壓

6、不平衡時(shí)，電網(wǎng)負(fù)序電壓分量在 PWM 整流器的交流側(cè)產(chǎn)生幅值較大的負(fù)序電流分 量，負(fù)序電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)和負(fù)序交流電流共同作用，使得 三相 PWM 整流器將從電網(wǎng)吸收不平衡的瞬時(shí)功率，導(dǎo)致直流側(cè)電壓波動(dòng)。 1999 年 Hong-seok Song 和 Kwanghee Nam3 提出了三相不平衡條件下雙 dq 旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系下對(duì)正負(fù)序電流獨(dú)立控制策略，該方案采用網(wǎng) 側(cè)輸入功率平衡求取正負(fù)序電流控制指令，保證了整 流器從網(wǎng)側(cè)吸收平衡的瞬時(shí)功率，直流母線電壓的二 次脈動(dòng)也要小得多，接著 Hong-seok Song 在文獻(xiàn) 1 的基礎(chǔ)上，考慮三相不平衡條件下整流器交流側(cè)濾波 電感上壓降的不對(duì)稱性，指出雖然

7、網(wǎng)側(cè)輸入瞬時(shí)功率 平衡，但實(shí)際輸入整流器直流側(cè)的瞬時(shí)功率仍為不平 衡，這樣就不能完全消除直流側(cè)母線電壓的二次諧波， 因此提出了基于整流器橋臂側(cè)功率平衡的電流控制策 略4，從而完全消除了直流電壓的二次諧波，但其獲船舶電氣、導(dǎo)航與自動(dòng)化控制取電流指令算法過于復(fù)雜，在線運(yùn)算工作量巨大。為因數(shù)可調(diào)。此，本文在其基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了電流控制指令求取算法，基于整流器橋臂側(cè)功率平衡實(shí)現(xiàn)直流電壓恒定和功率1 不平衡電網(wǎng)條件下電流指令求取收稿日期： 2015-05-16；修回日期： 2015-05-21作者簡(jiǎn)介： 萬(wàn)鵬（ 1988-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子 PWM 整流技術(shù)。萬(wàn)鵬等，電壓型 PWM 整流器

8、橋臂側(cè)功率平衡的控制策略三相電壓型 PWM 整流器的最終控制目標(biāo)是對(duì)整流器輸入的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制。對(duì)整流器 功率控制轉(zhuǎn)換成了有功電流和無(wú)功電流的獨(dú)立控制。 因此，首先要對(duì)不平衡電網(wǎng)條件下瞬時(shí)功率進(jìn)行計(jì)算， 再根據(jù)瞬時(shí)有功和無(wú)功功率與電流正負(fù)序分量的關(guān)系IdPIqPN*IdIqN*PdP UqP UqN UdN確定不同控制策略下電流控制指令。假設(shè)整流橋側(cè)的瞬時(shí)有功、無(wú)功功率分別為PT(t)、QT(t)，整流器橋臂中點(diǎn)與負(fù)母線間的相電壓分 別為 Ua、Ub、 Uc。在兩相靜止坐標(biāo)系 中，整流橋 側(cè)電壓矢量復(fù) U可以寫成 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下正、 負(fù)序 復(fù)矢量 UdPq、UdNq 線性疊加的

9、形式：Uej tUdPq e j tUdNq(1)根據(jù)瞬時(shí)功率定義方法 5，可以寫出不平衡條件 下整流橋側(cè)瞬時(shí)功率表達(dá)式：PT (t) PT PTc2 cos(2 t) PTs2 sin(2 t) (2)( 2 )QT (t) QT QTc2 cos(2 t) QTs2 sin(2 t) 式中，PT 、QT 分別為整流橋側(cè)有功功率平均值、式中， D無(wú)功功率平均值； PTc2、PTs2分別為整流橋側(cè) 2 次余弦、 正弦項(xiàng)有功功率幅值； QTc2、QTs2分別為整流橋側(cè) 2 次余弦、正弦項(xiàng)無(wú)功功率幅值。為了控制整流器的輸入功率因數(shù)為橋側(cè)功率平衡控制PT QT PTc2 PTs 20策略T001，基

10、于整流時(shí)，控制把各個(gè)功率系數(shù)寫成矩陣的形式可以得到：PTPT*UQT03UPTc202UPTs20UP dP qN qN dUqPUdPUdNUqNUdNUqNUqPUdPUqN UdN UdP UqPIdP其中， PT* 為整流橋側(cè)平均有功功率，IPIqN*IdIqN*其值為電壓3)外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出與電壓給定值的乘積，通過式( 4)進(jìn)一步可以求得電流控制指令為：i N*UqPUdP UdN UqNP 2 P 2 N 2 N 2 (UdP)2 (UqP)2 (U dN )2 (UqN)2 。 (UP)2 (U N)2。設(shè)正序電壓、 電流矢量為 UP、iP* ，負(fù)序電壓、 流 UN、iN*，則：

11、P* Pi kUiN* kU NP* N *iikPNU P U N*式中， k 2PT* /3D 。5)由式( 5)即可以計(jì)算出正負(fù)序電流控制指令， 然而整流器側(cè)的各相橋臂中點(diǎn)電壓含有大量開關(guān)噪聲諧波較大，難于采樣。而不平衡整流器控制系統(tǒng)由于采用雙 dq坐標(biāo)系的電流控制， 必須用到三相網(wǎng)側(cè)輸入電 壓進(jìn)行鎖相以及前饋補(bǔ)償，所以可以用網(wǎng)側(cè)輸入電壓 來(lái)代替式式 (5)中的整流器橋臂中點(diǎn)電壓， 經(jīng)計(jì)算最后給出正負(fù)序 dq 軸電流指令值如下：PPP2Pi cosik2Edk1LEqPPP2Pi sinik2Eqk1LEdiN cos iNk2 EdN k12 L EqNiN sin iNk2 EqN

12、k12 L EdN6)結(jié)合式( 5)與式( 6)可以知道 k1與 k2 的關(guān)系：k12 1 1 4 2 L2k22 / 2 2 L2(7)求取了各電流指令，可以得到基于整流橋側(cè)功率平衡控制策略系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。EP dRN sqN* sdN*didNN iqNEN qTRs Rs Rsiaea eb eceab圖 1 不平衡電網(wǎng)條件下基于整流橋側(cè)功率平衡控制框圖船舶電氣、導(dǎo)航與自動(dòng)化控制2 仿真驗(yàn)證圖 2 為基于整流橋側(cè)功率平衡控制策略仿真波 形。圖 2(a)說明了基于功率平衡控制時(shí)，為了消除直 流側(cè)直流電壓二次諧波分量， 網(wǎng)側(cè)電流必然為不平衡。 圖 2(b) 給出了輸入瞬時(shí)功率與輸出功

13、率波形，從圖中 可以看出，功率平衡控制時(shí)目標(biāo)是維持橋側(cè)有功功率 平衡，從而保證輸出有功功率恒定平衡，從圖中可以 看出其網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)有功功率脈動(dòng)較大，但輸出有功功率 幾乎沒有脈動(dòng)，如圖 (c)所示，從而控制了直流母線電 壓的二次諧波電壓被完全消除。 從圖 (d)可以看出直流 電壓幾乎不含有二次諧波。3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電網(wǎng)不平衡條件下三相 PWM 整流器控制研究的 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是在一臺(tái) 1.6kW 原理樣機(jī)上完成的。 圖 3 為 不平衡條件下基于整流橋臂側(cè)功率平衡控制的整流器 相關(guān)波形。由圖 3(a)可知，基于整流橋側(cè)功率平衡控制基本 完全消除了直流電壓中的二次諧波，說明所提出的控 制策略符合理論分析。同時(shí)

14、 3(b)給出了基于整流橋側(cè) 功率平衡控制的 A 相電壓與 A 相電流波形，可見輸出 功率僅含有較小的無(wú)功功率，系統(tǒng)可近似認(rèn)為工作在 單位功率因數(shù)下。(b) 網(wǎng)側(cè)輸入瞬時(shí)有功、無(wú)功功率1580(a) 網(wǎng)側(cè)輸入電流Pdc:2W/divTime:50ms/div16001590355345udc:1V/divTime:20ms/div350(c) 圖直2流 側(cè)不功平率衡條件下基于整流橋側(cè)功率平衡控制策略(d仿) 真直波流形母線電壓udc:100V/divia、ib、ic:10A/divTime:10ms/div(a) 三相網(wǎng)側(cè)電流圖與3直 流不電平壓衡條件下 PWM4 結(jié)論 本文分析了抑制直流側(cè)電

15、壓二次諧波分量的功率 平衡控制策略。船舶電網(wǎng)不平衡時(shí)，線路阻抗的功率 不平衡，當(dāng)電網(wǎng)不平衡功率完全被線路阻抗吸收時(shí)， 整流器橋側(cè)的功率則恒定平衡，對(duì)消除直流電壓的二 次諧波電壓更加有利，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于整流 橋臂側(cè)功率平衡控制策略基本能完全消除直流電壓的二次脈動(dòng) 參考文獻(xiàn)：1 趙振波 , 許伯強(qiáng) , 李和明. 高功率因數(shù) PWM 整流器綜 述J. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào) , 2002, 29(4): 508-515.2 張崇巍, 張興. PWM 整流器及其控制 M. 北京 : 機(jī)械 工業(yè)出版社 , 2012.萬(wàn)鵬等，電壓型 PWM 整流器橋臂側(cè)功率平衡的控制策略3 Hong-seok song, Kwanghee Nam. Dual Current Control Scheme for PWM Converter under Unbalanced Input Voltage Conditions J. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1999, 46(5): 953-959.4 Yongsug Suh, Tijeras, V., Lipo, T.A. A Nonlinear Control of the Instantaneous Power in