三相電壓型PWM整流器的改進(jìn)控制策略的研究

1、第32卷第3期2005年6月文章編號(hào):100022472(2005)0320093204湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofHunanUniversity(NaturalSciences)Vol.32,No.3Jun12005三相電壓型PWM整流器的改進(jìn)控制策略的研究歐陽(yáng)紅林,陳繼華,黃守道,盧劍濤(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410082)摘要:首先從現(xiàn)有三相PWM整流器d2q模型出發(fā),采用電網(wǎng)電壓、d2q軸電流的前饋補(bǔ)償技術(shù),得到一種通用的矢量解耦控制策略.然后根據(jù)頻域分析法,得出了整流器的一階慣性模型,并推導(dǎo)出系統(tǒng)的頻域控制模型.為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,提出一種新型的負(fù)載

2、電流前饋控制方案.該方案認(rèn)為負(fù)載電流對(duì)系統(tǒng)而言是一個(gè)外部干擾信號(hào),并根據(jù)控制系統(tǒng)的頻域控制模型得出了對(duì)該干擾信號(hào)的最佳補(bǔ)償,對(duì)其進(jìn)行拉氏逆變換后整定為一單位脈沖函數(shù),并將它加在d軸指令電流輸出環(huán)節(jié),.最后仿真驗(yàn)證了該前饋控制方案的正確性.關(guān)鍵詞:整流器;矢量控制;慣性模型;前饋中圖分類號(hào):TP271.4:AImprovedControlStrategy2PhasePWMVoltageRectifierOUYANGHong2lin,CHENJi2hua,HUANGShou2dao,LUJian2tao(CollegeofElectricalandInformationEngineering,Hu

3、nanUniv,Changsha,Hunan410082,China)Abstract:Fromthefeedforwardcompensationtechnologyofnetvoltageandd2qaxiscurrent,wegotagen2eralvectordecouplingcontrolstrategybasedonthepresentd2qmodelofthree2phasePWMrectifier.Then,ac2cordingtothefrequencydomaincontrolmethod,weeducedtherectifiersone2orderinertiamode

4、landdeducedthesystemsfrequencydomaincontrolmodel.Toimprovethedynamicperformanceofthesystem,anewload2currentfeedforwardcontrolschemewasproposed.Theschemeviewedtheloadcurrentasanexternalinterferen2tialsignaltothesystemanddrewoutthefittestcompensationoftheinterferencethroughthefrequencydomainmodelofthe

5、controlsystem.TheresultwasadjustedintoaunitpulsefunctionafteraninverseL2transformationandwasaddedtothedaxiscommandcurrentoutputnode,whichgreatlyboostedthesystemstrackingabilityforthecommandcurrent.Finally,thesimulationverifiedthevalidityofthefeedforwardcontrolscheme.Keywords:rectifier;vectorcontrol;

6、inertiamodel;feedforward變速恒頻發(fā)電技術(shù)是近年來(lái)新興的發(fā)電技術(shù),非常適用于風(fēng)力發(fā)電、變水位發(fā)電、潮汐能發(fā)電等變速發(fā)電場(chǎng)合1該種用途的變頻器的整流器必須具有能量雙向流動(dòng)的功能,并且為了給電網(wǎng)輸送高質(zhì)量的電能,要求整流器的效率高(功率因數(shù)接近1)、諧波含量少.脈沖寬度調(diào)制(PWM)整流器作為一種新型的整流器,完全可以滿足上述要求,因而很適合用作變頻供電電源.目前,PWM整流器的控制主要分為間接電流控制和直接電流控制2種.間接電流控制1的優(yōu)點(diǎn)收稿日期:2004-09-20基金項(xiàng)目:湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(04JJ3007)作者簡(jiǎn)介:歐陽(yáng)紅林(1965-),男,湖南祁東人,

7、湖南大學(xué)副教授,博士研究生E2mail:oyhl1405.ouyang94湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2005年在于控制簡(jiǎn)單、無(wú)需電流反饋控制,不足之處在于電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠快,甚至交流側(cè)電流中含有直流分量,且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)較敏感2.直接電流控制3以快速電流反饋控制為特性,可獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng),但控制結(jié)構(gòu)和算法較復(fù)雜,不易于數(shù)字實(shí)現(xiàn).另一種是基于同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的矢量控制方案,它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能好、消除電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差、可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的解耦控制4,5等優(yōu)點(diǎn),是一種較理想的控制策略.本文從系統(tǒng)的頻域模型6-8出發(fā),提出了一種可以獲得更佳電流動(dòng)態(tài)性能并且控制比較簡(jiǎn)單的負(fù)載電流前饋控制策略

8、,最后用Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了理論分析的正確性.圖2電壓向量圖Fig.2Voltagevectorfigure1整流器的基本原理圖1是三相PWM整流器的拓樸結(jié)構(gòu),逆變器的結(jié)構(gòu)完全相同.式動(dòng)作.,穩(wěn)壓,電壓可保持不變.2,本文采用d2q坐標(biāo).電網(wǎng)同步速d2q坐標(biāo)系下4如下:-dtLLidiq+=-dtLLu0dt2C2C00L圖1三相PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu)Fig.1ThemaincircuitstructureofthreephasePWMrectifierLusdusq-(1)iL圖2是整流器輸入電壓Us、輸入電流Is、交流側(cè)控制電壓Ur間的向量圖.(a)圖中,整流器工作在整

9、流狀態(tài),電流矢量Is與電壓矢量Us平行且同向,此時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性,實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制,負(fù)載從電網(wǎng)吸收有功功率.(b)圖中,整流器工作在逆變狀態(tài),電流矢量Is與電壓矢量Us平行且反向,此時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電阻特性,實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變控制,負(fù)載向電網(wǎng)釋放有功功率.下面就從整流器的基本數(shù)學(xué)模型出發(fā),找出一種具有優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能、簡(jiǎn)便易行的直接電流控制方案.式中L為交流側(cè)輸入電感;R為每相電阻;C為直流側(cè)電容;sasb,sc是三相橋臂的開(kāi)關(guān)函數(shù),定義如下1上橋臂開(kāi)通,下橋臂關(guān)斷(2)sk=0下橋臂開(kāi)通,上橋臂關(guān)斷將式(2)化簡(jiǎn)可得ud=usd-(Lp+R)id+Liquq=usq-(Lp

10、+R)iq-LidC(is+iqsq)-iL=dt2dd式中p=d/dt為微分算子.顯然,式(3)中d,q軸電流沒(méi)有解耦,因而無(wú)法(3)對(duì)兩通道的電壓進(jìn)行單獨(dú)控制,為此,引入id.iq的前饋解耦控制,對(duì)usd,usq進(jìn)行前饋補(bǔ)償,且采用PI調(diào)節(jié)器作為電流環(huán)的控制器,可得三相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相電流控制時(shí)的電壓指令為第3期歐陽(yáng)紅林等:三相電壓型PWM整流器的改進(jìn)控制策略的研究95ud=usduq=usq3)(id+(KP+-id)+LiqS3)(iq+(KP+-iq)-LidS(4)常數(shù).由于控制時(shí)保持iq=0,引入的負(fù)載電流前饋補(bǔ)償應(yīng)加在d軸,如圖4所示.式中KP,KI分別為比例系數(shù),積分系數(shù)

11、.經(jīng)補(bǔ)償后,式(4)變?yōu)閡d=(KP+3)(id-id)Suq3)(iq=(KP+-iq)S(5)圖4前饋控制傳遞函數(shù)模型Fig.4Feedforwardcontroltransferfunctionmodel顯然,式(5)表示的電壓指令已實(shí)現(xiàn)完全解耦控制,其硬件控制框圖如圖3所示.圖中Gvd(s)為電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)模型,GL(s)為前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)模型,根據(jù)圖4可得到直流輸出電壓為udu(s)=udc-udcd(s)Gi(s)GS+(8)GL(si(s)iL圖3PWMFig.3Thediagramofrectifier,只要設(shè)計(jì)合理補(bǔ)償使第二項(xiàng)為零,就可以消除負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)影響,使實(shí)

12、際電流迅速逼近指令電流id,提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度.令(9)GL(s)=()GisKi對(duì)其作拉氏逆變換,得到時(shí)域模型為3改進(jìn)的控制策略上述控制策略的不足之處在于沒(méi)有對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行控制,如果引入負(fù)載電流的控制,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有望得到進(jìn)一步的提高.當(dāng)負(fù)載電流iL變化時(shí),首先使直流輸出電壓udc偏離設(shè)定值,然后通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié),減小直到消除udc同設(shè)定值之間的差,系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài).可見(jiàn),負(fù)載電流iL對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言是一個(gè)外部擾動(dòng)信號(hào),根據(jù)控制理論,前饋控制可以消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響,引入前饋控制后能克服電壓調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)速度慢的不足,從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),減小負(fù)載擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響.忽略整流器橋路

13、損耗,穩(wěn)態(tài)時(shí),交流電源輸出的功率等于負(fù)載吸收的功率,即(6)3usaia=udcidc穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),電容C的充電電流為0,idc=iL,iLia,可以把整流器主電路部分看作一個(gè)比例環(huán)節(jié).事實(shí)上由于整流器具有強(qiáng)耦合非線性的特性,因而可以用一個(gè)小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)Gi(s)來(lái)代替,如式(10)所示:Gi(s)=TiS+1(7)fiL(t)=×Dirac(1,t)+×Dirac(t)KiKi(10)事實(shí)上,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間是毫秒級(jí)的,因而可以略去第一項(xiàng),其余部分由PI調(diào)節(jié)器作出調(diào)節(jié).由式(10),作出近似補(bǔ)償器如下:33id=udc-udc(KP+K)+SiL×KL&#

14、215;Dirac(t0,t)(11)其中第一項(xiàng)為電壓調(diào)節(jié)器的輸出,第二項(xiàng)為近似的前饋補(bǔ)償器,KL是一個(gè)與放大倍數(shù)Ki、時(shí)間常數(shù)Ti有關(guān)的常數(shù),t0是單位脈沖函數(shù)的起始時(shí)刻,兩項(xiàng)都在仿真過(guò)程中不斷地調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳性能.帶前饋控制器的系統(tǒng)控制框圖如圖5所示.其中Ki為整流器的放大倍數(shù);Ti為整流器的時(shí)間圖5前饋控制框圖Fig.5Feedforwardcontroldiagram96湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2005年4仿真驗(yàn)證為了驗(yàn)證上述分析結(jié)果,用Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真,參數(shù)如下:交流電源電壓usa=usb=usc=100V;直流側(cè)反電勢(shì)udc=250V,整流時(shí)E=0V,逆變E=300

15、V;直流側(cè)負(fù)載R=10;直流側(cè)電容C=2200F;交流側(cè)電感L=5mH.部分仿真結(jié)果如圖6所示.圖6(a)為單位功率因數(shù)時(shí),整流器交流側(cè)電壓與電流的波形,由圖可見(jiàn)二者完全同相,即整流器工作在整流狀態(tài),且電流為正弦波,實(shí)現(xiàn)了理論分析的單位功率因數(shù)控制.圖6(b)為整流狀態(tài)下直流側(cè)電壓的波形,由圖可見(jiàn)SVPWM調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤指令電壓的功能,整流器從啟動(dòng)到穩(wěn)定大概需40ms的時(shí)間.圖6(c),(d)分別是無(wú)前饋、有前饋控制時(shí)d軸電流的波形,為了說(shuō)明整流器可以逆變運(yùn)行,令E=300V,于是能量從直流側(cè)流向交流側(cè),因而d軸電流為負(fù),由圖可看出,加上負(fù)載電流的前饋控制后,電流的響應(yīng)快了約5ms,達(dá)到了2

16、5%,大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,證明了前面理論分析的正確性.圖6(e),(f)是直流側(cè)電流的對(duì)比,可見(jiàn)加入前饋控制后,直流電流能迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值.圖6仿真波形Fig.6Simulationwaveform5結(jié)論為了滿足交流變頻電源低諧波、高功率因數(shù)、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及能量雙向流動(dòng)的要求,本文在矢量解耦控制的基礎(chǔ)上,從功率平衡的理論出發(fā),得到整流器的一階慣性模型,從而得到整個(gè)系統(tǒng)的頻域模型,引入了負(fù)載電流的前饋控制.采用該控制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)的動(dòng)態(tài)性能,最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性.J.IEEETransOnIndusAppl,1991,2:355-364.2JOS

17、EREspinoza,GEZAJoos,LUISMoran.Decoupledcontroloftheactiveandreactivepowerinthree2phaserectifiersbasedonnon2lin2earcontrolstrategiesJ.IEEETransonIndusEledronics,1999,1:131-136.3ZARGARINR,JOOSG.Performanceinvestigationofacurrent2con2trolledvoltage2regulatedPWMrectifierinrotatingandstationaryframesProcJ.IEEEAnnuConfIndustrialElectronicsSocietyPro2ceedingsoftheIecon93,1993,2:1193-1198.4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,2003.5熊健,康勇,段善旭,等.三相電壓型PWM整流器控制技術(shù)研究J.電力電子技術(shù),1999,2:5-7,57.6熊宇,李君.基于改進(jìn)矢量控制的三相電壓型整流器的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)J.電氣傳動(dòng),2002,5:13-17.7劉習(xí)春,湛正君,劉輝.Von及C1對(duì)E類零電壓開(kāi)關(guān)整流器的影響J.湖南大學(xué)