基于改進矢量控制的三相電壓型整流器的系統(tǒng)分析和設(shè)計

1、基于改進矢量控制的三相電壓型整流器的系統(tǒng)分析和設(shè)計浙江大學熊宇李君張仲超重慶大學于相旭摘要：文章首先對基于矢量控制的三相電壓型P WM 整流器的控制系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計，然后在此基礎(chǔ)上提出1種新的改進系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的前饋控制方案，最后通過仿真驗證了該控制方案的正確性。關(guān)鍵詞：三相整流器功率因數(shù)校正矢量控制前饋A n a l y s i s a n dD e s i g n o f a T h r e e -p h a s eV o l t a ge S o u r c eR e c t i f i e r B a s e d o n a n I L p r o v e dV e c t o r

2、C o n t r o l S c h e L e X i o n g Y u L i J u n Z h a n g Z h o n g c h a o Y uX i a n gx u A b s t r a c t ：T h e c o n t r o l d e s i g n a n d s y s t e ma n a l y s i s o f t h r e e -p h a s e v o l t a ge s o u r c eP WMr e c t i f i e r b a s e d o n t h e c o n -c e p t i o n o f v e c t

3、o r c o n t r o l a r e f i r s t p r e s e n t e d ，t h e n a n o v e l f e e d f o r w a r d c o m p e n s a t i o n s c h e m ew h i c h c a n i m p r o v e t h e d y -n a m i c r e s p o n s e i s g i v e n . S i m u l a t i o n s v e r i f i e d t h e p r o po s e d s c h e m e . K e yw o r d s

4、 ：t h r e e -p h a s e r e c t i f i e r p o w e r -f a c t o r -c o r r e c t i o n v e c t o r c o n t r o l f e e d f o r w a r d 1引言 在三相電壓型高功率因數(shù)P WM 整流器的控制策略中比較引人注目的有2種，即電壓空間矢量調(diào)制（S V M ）和基于d -q 坐標系的矢量控制。前者的優(yōu)點是直流側(cè)電壓利用率高，易于數(shù)字化實現(xiàn)，但其實質(zhì)是以間接電流控制方式控制電流，因而難免動態(tài)響應(yīng)不理想（它更適用于電壓型逆變器）1。而后者盡管多用模擬器件實現(xiàn)，但它不僅具有一般直接

5、電流控制的動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能好、自身具有限流保護能力等優(yōu)點，還具備如下優(yōu)點：一是消除電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差，二是可以實現(xiàn)無功功率的解耦控制，故目前實用化的是矢量控制。基于矢量控制的三相電壓型高功率因數(shù)整流器的控制系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，目前尚無文章給出1種較明朗的設(shè)計方法。文章首先對基于d -q 坐標系的矢量控制方案進行分析，接著對基于該方案的控制系統(tǒng)給出1種清晰的分析和設(shè)計方法，然后在此基礎(chǔ)上提出1種改進系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的前饋控制策略，最后通過仿真驗證了文中所作分析及設(shè)計的正確性。2矢量控制的原理三相電壓型P WM 整流器主電路見圖1。分析時假設(shè)系統(tǒng)參數(shù)都對稱、穩(wěn)定。 L w-w -L i d i q -

6、L 00L V p dV p q+L 00L V d V q式中：L 、r 分別為交流側(cè)輸入電感及其等效輸入電阻；w 為電網(wǎng)角頻率；V d 、V q 為交流電源電壓空間矢量在d 、q 軸上的分量；V p d 、V p q 為整流器交流側(cè)輸入電壓空間矢量在d 、q 軸上的分量。由此可寫如下微分方程V d E r i d +L i d +V p d -w L i q（1）V q E r i q +L i q +V p q+w L i d （2）由式（1）、式（2）可畫出d 通道（q 通道可類似畫出）電流環(huán)控制方塊圖如圖3所示。當交流電源電壓穩(wěn)定時，V d 、V q 為恒定的直流量，因而對電流環(huán)而言

7、可視作恒值擾動。在變換器的P WM 調(diào)制中，設(shè)三相調(diào)制波的空間矢量在d 、q 軸上的分量為m d 、m q ，設(shè)輸出電壓為V o ，則有下式成立m d2E V p d m q 2E V p q 設(shè)三角載波幅值為E c，則可導出下式m d 2E2E cV o （3）m q2E 2E cV o （4）式中：i m d 、i m q 分別為d 、q 通道電流調(diào)節(jié)器的輸 出。c；G f b （s）表示反饋系數(shù)；G c （s ）為電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，w L i d 與w L i q為兩電流環(huán)間耦合量，穩(wěn)態(tài)時為直流量。在圖3中，系統(tǒng)的動態(tài)特性決定于表征有功功率傳送的d 通道5。電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的是直流量，因

8、而具有恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)點，文章選用P I 調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器。r fb （s ）給定系統(tǒng)參數(shù)為：輸入相電壓幅值為156V ，輸入端電感L E 5m H ，電感電阻為0. 5A ，輸出電容C E 1000F ，負載電阻R E 100A ，輸出參考電壓為400V 。則由波德圖法設(shè)計的電流調(diào)節(jié)器為K P WM E200，G i （s ）E （1+s），取G f b（s ）E 10-4s +1，則可得電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為41電氣傳動2002年第5=期G o i （s ）E （）s （5*10-3s +0. 5）（10-4s +1）由此可畫出開環(huán)傳遞函數(shù)的波德圖，見圖4。由圖4可見幅值裕量為24d B

9、 ，相位裕量為31，因而系統(tǒng)能夠穩(wěn)定。其閉環(huán)傳遞函數(shù)的波德圖見圖5 。t+i L o a d式中：i L o a d整流器直流側(cè)負載電流。若系統(tǒng)無損耗，在單位功率因數(shù)條件下，可得以下功率平衡關(guān)系式3V r m s i r m s E V o i o （5）式中：V r m s 、i r m s分別為輸入電網(wǎng)電壓有效值、輸入電流有效值；i o 為輸出電流?？紤]到三相靜止坐標系到d -q 同步旋轉(zhuǎn)坐標系的變換關(guān)系，有i dE m式中：i m 為輸入電流幅值。則式（5）可改寫為 r m s i d E V o i o（6）由于在整個閉環(huán)控制系統(tǒng)中，d 通道的電流參考信號是由電壓調(diào)節(jié)器的輸出給定。因此

10、有i d E i d r e f K c （7）式中：K c 電流閉環(huán)增益。若令i d E I d +i d v r m s E V r m s +v r m sv o E V o +v o i o E I o +i o i d r e f E I d r e f +i d r e f i l o a d E I l o a d +i l o a d運用小信號線性化方法并忽略高階項，可得如下穩(wěn)態(tài)方程和小信號方程 r m s I d r e f K c E V o I oI o E I L o a di o V o d r e f V o r m s-V o oC E d t E i o -i

11、lo a d根據(jù)上述方程，并利用電壓調(diào)節(jié)器G v （s ），可得電壓環(huán)的小信號控制方框圖見圖6，其中有關(guān)參數(shù)如下G V iV oG K V oZ L （s ）E s C G Z EV o由圖6可得電壓環(huán)的傳遞函數(shù)W c E v r e f E （）1+Z L K f bG k G V s +G Z （8）s則系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)為K o pC V o根據(jù)文章給定的系統(tǒng)參數(shù)，電流閉環(huán)增益約為1，則G K E 0. 4776，z c E s，K f b取為1，G Z 51電氣傳動2002年第5=期E 0. 01，若取G V （s ）E 1+s，則整個系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 W c （s ）E （）0.

12、8s 2+383s +305. 6 由此可得整個閉環(huán)系統(tǒng)的波德圖，見圖7。由圖7可見，電壓環(huán)的閉環(huán)帶寬為71H z ，遠遠低于電流環(huán)帶寬。 （9 ）對式（9）進行小信號線性化并忽略高階項可得如下小信號模型i Fc V 2r m s r m sc V r m s（10）于是前饋補償器函數(shù)為F vF i i r e f E i v +i F帶前饋控制的系統(tǒng)控制方框圖如圖8所示。在本系統(tǒng)中，K c 近似為1。在理想情況下，補償器的輸出與i d r e f 相等，此時電壓調(diào)節(jié)器的輸出近似為零。5新方案的仿真驗證為了驗證以上分析，本文利用給定的系統(tǒng)參數(shù)，采用仿真軟件S a b e r 5. 1進行了仿真

13、。部分仿真結(jié)果見圖9。 波形完全同相。圖9b 為d 通道、q 通道電流波形，由圖可見，三相電壓型P WM 整流器剛啟動時，三相電流未跟蹤輸入電壓，i q 不為零，此時整流橋處于不可控整流狀態(tài)。圖9c 為未加前饋控制時在60m s 由空載到突加階躍負載（50A ）時的V o 、i a 情形。圖9d 為加入前饋控制后在60m s 由空載到突加階躍負載（50A ）時V o 、i a 的情形。由圖9c 、圖9d 比較可知，加入前饋控制后V o 、i a 的動態(tài)響應(yīng)明顯加快，抗負載擾動的能力大大加強。圖9e 為加入前饋控制前電網(wǎng)相電壓幅值在80m s 由156V 變?yōu)?20V 時V o 、i a的波形，

14、圖9f 為加入前饋控制后電網(wǎng)相電壓幅值在80m s 由156V 變?yōu)?20V 時V o 、i a的波形，由圖9e 、圖9f 可見加入前饋控制后系統(tǒng)響應(yīng)明顯加快。6總結(jié)文章首先對基于矢量控制的三相電壓型P WM 整流器系統(tǒng)進行了分析，然后運用“雙環(huán)分離法”的思想和功率平衡的原理對電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)進行了設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上提出一種新的前饋控制策略。采用該控制策略不僅可以獲得很好的穩(wěn)態(tài)性能，還可以大大提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)能力，最后通過仿真驗證了所作的分析和設(shè)計。文章提出的含前饋控制的矢量控制方案以及相應(yīng)的系統(tǒng)分析及設(shè)計方法，對于指導實際系統(tǒng)的設(shè)計均具有較高的參考價值。參考文獻1于相旭.三相升壓型功率因數(shù)

15、校正電路的建模與仿真. 重慶大學博士學位論文，20012許大中編著.交流電機調(diào)速理論. 浙江大學出版社，19913R u s o n g W u ，S h a s h i D e w a nB . A n a l y s i s o f a nA c t oD cV o l t a ge S o u r c e C o n v e r t e rU s i n g P WM w i t hP h a s e a n dA m pl i t u d eC o n -t r o l . I E E ET r a n s . o n I E ，1991，27（2）：3553644吳昕.開關(guān)電源功率因

16、數(shù)校正器的研究. 重慶大學碩士學位論文，19965熊宇. 三相電壓型功率因數(shù)校正器的研究. 重慶大學碩士學位論文，20016H e n g c h u nM a o ，D u s h a nB o r o ye v i c h ，F(xiàn) r e dCL e e . N o v e l R e d u c e d -o r d e r S m a l l -s i g n a l M o d e l o f a T h r e e -p h a s e P WMR e c t i f i e r a n d I t s A p p l i c a t i o n i nC o n t r o l D

17、 e s i g n a n d S y s t e mA n a l ys i s . I E E ET r a n s . o nP E，1998，13（3）：511521! 2002-02-19（上接第5頁）k H z 。這樣P WM 波形中的高頻成分將被濾去，將有效地減少原D r i v e -C a b l e -M o t o r 電路諧振現(xiàn)象，使有可能引起共振的高頻成分無法到達電機。注意應(yīng)用L C 濾波器時，變頻器P WM 調(diào)制波的載波頻率應(yīng)大于5k H z ，以防L C 濾波器中的電流 對變頻器產(chǎn)生誤動作。2002-01-2571電氣傳動2002年第5" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "