電壓型pwm整流器直接功率控制

電壓型pwm整流器直接功率控制

1控制策略分析vm全流器具有雙向能量流動、穩(wěn)定直流電壓控制、低波形輸入電壓和高矩陣方程（通常接近1）的優(yōu)點。廣泛應用于單位矩陣治理、濾波、無源濾波、交流傳動等流量控制。PWM整流器控制策略有多種,現(xiàn)行的控制策略有直接和間接兩種電流控制方案,這兩種電流控制策略需要復雜的算法(由DSP或多片單片機實現(xiàn))和調制模塊。由于電壓型PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)具有更高的功率因數(shù)、低的THD、算法及系統(tǒng)結構簡單等優(yōu)點,成為國內(nèi)外學者研究的熱點。DPC系統(tǒng)中功率滯環(huán)比較器滯環(huán)寬對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生一定的影響,為降低開關頻率、減少損失,需提高滯環(huán)寬,則易引起瞬時有功功率和直流電壓的波動,至今尚未解決。對此,提出了一種設置扇形邊界死區(qū),消除在扇形邊界誤選開關量現(xiàn)象,使瞬時有功功率和直流電壓波形趨于平穩(wěn)的控制策略。通過對Simulink環(huán)境下的仿真模型仿真,證明了該策略的可行性。2三相功率計dpc系統(tǒng)的原理2.1相電壓型dm整流器的數(shù)學模型三相電壓型PWM整流器主電路如圖1所示,圖1中ua,ub,uc為三相對稱電源電壓;ia,ib,ic為三相線電流;Sa,Sb,Sc為整流器開關管的開關信號,Sj(j=a,b,c)=1(上橋臂開關管導通,下橋臂開關管關斷),sj=0(下橋臂開關管導通,上橋臂開關管關斷);Udc為直流電壓;R,L為濾波電抗器的電阻和電感;C為直流側電容;RL為負載;Ura,Urb,Urc為整流器的輸入電壓;iL為負載電流。對于交流側應用KVL,由圖1可得Lddt[iaibic]=[uaubuc]-R[iaibic]-[uraurburc]Lddt???iaibic???=???uaubuc????R???iaibic???????uraurburc???或L(di/dt)=u-Ri-ur(1)其中ura=SaUdc+UONurb=SbUdc+UONurc=ScUdc+UON另外,對直流側應用KCL,由圖1可得C(dUdc/dt)=idc-Udc/RL(2)其中idc=Saia+Sbib+Scic式(1)、式(2)即為三相電壓型PWM整流器在ABC坐標系下的數(shù)學模型。遵守功率不變的原則,將ABC坐標系下的系統(tǒng)變換到αβ兩相靜止坐標系統(tǒng)中。經(jīng)3/2正交變換后,三相電壓型PWM整流器在αβ坐標系下的數(shù)學模型為Lddt[iαiβ]=[uαuβ]-R[iαiβ]-[urαurβ]Lddt[iαiβ]=[uαuβ]?R[iαiβ]?[urαurβ]或L(di/dt)=u-Ri-ur(3)CdUdcdt=idc-iL=(iαSα+iβSβ)-iL(4)CdUdcdt=idc?iL=(iαSα+iβSβ)?iL(4)Sα=1√6(2Sa-Sb-Sc)Sα=16√(2Sa?Sb?Sc)Sβ=1√2(Sb-Sc)Sβ=12√(Sb?Sc)考慮到三相對稱系統(tǒng),有uON=0,urα=SαUdc,urβ=SβUdc。式(3)、式(4)為三相電壓型PWM整流器在αβ坐標系下的數(shù)學模型。2.2快速跟蹤的識別方案電壓定向直接功率控制(VO-DPC)系統(tǒng)組成有傳感器和無傳感器兩種方案,無電壓傳感器方案由于功率估算受到電流微分及開關量的影響,影響系統(tǒng)的性能;參考文獻采用有傳感器方案,系統(tǒng)獲得了優(yōu)良性能。綜合考慮采用有傳感器方案如圖2所示,圖2中略去了R的影響,采用電壓外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)結構。電壓外環(huán)起到快速跟蹤給定電壓的作用。瞬時功率根據(jù)檢測到的電壓ua,ub,uc和電流ia,ib,ic進行計算,得到瞬時有功和無功功率的估算值p、q及三相電壓ua,ub,uc在固定αβ坐標系中的uα,uβ。p和q與給定的pref和qref比較后送入功率滯環(huán)比較器輸出Sp,Sq開關信號,pref由直流電壓外環(huán)設定,qref設定為0,實現(xiàn)單位功率因數(shù)。uα,uβ送入扇形選擇器輸出θn信號。根據(jù)Sp,Sq,θn在開關表中選擇所需的Sa,Sb,Sc,去驅動主電路開關管。2.2.1環(huán)寬hpp=u·i=uαiα+uβiβ(5)q=|u×i|=uβiα-uαiβ(6)Sp,Sq按下列規(guī)則確定Sp={1p＜pref-Ηp0p＞pref+Ηp(7)Sp={10p＜pref?Hpp＞pref+Hp(7)Sq={1q＜qref-Ηq0q＞qref-Ηq(8)Sq={10q＜qref?Hqq＞qref?Hq(8)式中:Hp,Hq為有功和無功功率滯環(huán)比較器的環(huán)寬;Hp,Hq決定了功率控制精度,亦決定了整流器的開關頻率。2.2.2電源矢量的表現(xiàn)開關表是根據(jù)式(7)、式(8)及u的位置確定DPC系統(tǒng)所需的ur,即Sa,Sb,Sc的取值。ur為離散值U0,U1,…,U7,其值由Sa,Sb,Sc及Udc決定,即SaSbSc=000～111對應于U0～U7,即U0(000),U1(001),U2(010),U3(011),U4(100),U5(101),U6(110),U7(111)。分布如圖3所示,其值為|ur|={√23Udc(U1～U6)0(U0或U7)(9)|ur|={23√Udc0(U1～U6)(U0或U7)(9)為實現(xiàn)電源電壓空間矢量位置的選擇,由uα,uβ確定U的幅角θ=arctanuβuα,根據(jù)θ確定U的位置。為優(yōu)化整流器輸入電壓矢量,把輸入空間分為12個扇區(qū),如圖3所示,θn由式(10)確定。(n-2)π6≤θn≤(n-1)π6n=1,2,??12(10)下面從電流矢量逼近電壓矢量角度對開關表的形成機理予以分析。由式(1)、并略去R的影響,得Ι=Ι0+1L∫t0(U-ur)dτ(11)設電源電壓矢量U處在1扇區(qū)(見圖3),電流矢量I滯后于U,給定電流Ir與U同相位;此時,Sp=1(p小),Sq=0(q>0)。由于I0=I,為使電流矢量逼近Ir,由式(11)可知,需選擇U5,使I沿著U-U5方向逼近Ir,選擇SaSbSc=101,即ur=U5。由圖3可知,U5既可減少q,又可增加p;但無功功率調節(jié)能力強,有功功率調節(jié)能力弱。其他扇區(qū)情況也可按此分析,從而得到VO-DPC系統(tǒng)開關表見表1。表1中設置了零空間矢量,是為了減少開關通斷次數(shù)及使負載與電源不進行能量交換,如Sp=Sq=1時。3誤差對系統(tǒng)的影響滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度影響瞬時功率的控制精度。若滯環(huán)寬度小,控制精度高,導致主電路開關管開關頻率變高,開關損失大;若滯環(huán)寬度大,控制精度低,開關頻率低,開關損失小。從系統(tǒng)運行性能看,希望在控制精度允許的范疇內(nèi),提高滯環(huán)寬度,降低開關頻率;但易引起瞬時有功功率、直流電壓的波動,對系統(tǒng)負載運行不利。圖4為三相電壓型PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)(見圖2)在MATLAB/Simulink環(huán)境下的交流電壓和交流電流、直流電壓和瞬時功率的仿真曲線。仿真參數(shù)為:Ua=Ub=Uc=85V,電源頻率f=50Hz,L=4mH,R=0.1Ω,C=2200μF,RL=10Ω,Udcref=200V,ILN=20A,H=100。由圖4b、圖4c可以看出,直流電壓和瞬時功率出現(xiàn)了波動。若取H=50,則直流電壓和瞬時功率波動變小,但開關頻率變高(仿真曲線略去)。出現(xiàn)瞬時有功功率、直流電壓波動的原因分析如下:由圖3及表1可知,當系統(tǒng)工作于扇形邊界時,極易產(chǎn)生誤選開關量現(xiàn)象;如θ1和θ2扇形邊界處(θ=0°),對應于Sp,Sq的組合有兩組開關量可供選擇,即101,111,101,100和111,111,100,110,若在θ1域內(nèi)的邊界處誤選θ2域對應的開關量,會導致瞬時有功功率得不到及時調節(jié)。當滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度比較小,開關頻率比較高時,誤選開關量的影響時間極短,對系統(tǒng)的影響很小,可予以忽略。當滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度比較大,開關頻率比較低時,被誤選開關量的影響時間變長,同時對調節(jié)用有功功率和無功功率不利;由于表1具有無功功率調節(jié)能力強,有功功率調節(jié)能力弱的特征,則對有功功率調節(jié)產(chǎn)生較大影響,使瞬時有功功率波動,導致直流電壓波動,對負載運行不利。4基于dpc系統(tǒng)開關量的方法為抑制由降低開關頻率、增大滯環(huán)寬度時,扇形邊界對系統(tǒng)的影響,提出設置扇形邊界死區(qū)的控制策略,即在每一個扇形邊界±Δθ范圍內(nèi)設置死區(qū),死區(qū)內(nèi)開關量統(tǒng)一取為000或111(零空間矢量),可消除扇形邊界的影響。為實施該控制策略,可修改DPC系統(tǒng)開關表,在每一扇形邊界±Δθ范圍內(nèi)設置000或111,即得到設置扇形邊界死區(qū)DPC系統(tǒng)。Δθ取的過大,對系統(tǒng)影響更大;取的過小,不能抑制邊界的影響。圖5給出了Δθ=±0.5°時的仿真曲線,其仿真參數(shù)同前。從仿真結果可以看出,消除了扇形邊界的影響,瞬時有功功率和直流電壓波形與圖4相比,得到了明顯的改善,直流電壓有所提高。5dpc系統(tǒng)的特點1)根據(jù)電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)的組成和原理,從電流矢量逼近電壓矢量角度分析了開關表的形成機理,得出按表1實施功率控制,DPC系統(tǒng)具有有功功率調節(jié)能力弱,無功功率調節(jié)能力強的特點。2)為降低開關頻率、減少損失,需增大功率滯環(huán)比較器的