三相PWM整流器基于空間矢量的直接功率控制52_4414

1、三相PWM整流器基于空間矢量的直接功率控制張明蓮1 楊雪峰2（1徐州空軍學(xué)院四站系航空電氣教研室 江蘇 徐州 221002）（2中國礦業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院 徐州 221006）摘要：本文介紹一種新型的三相電壓型PWM整流器基于空間矢量調(diào)制的直接功率控制(DPC-SVPWM)，給出了基于虛磁鏈的功率估算式，設(shè)計了功率調(diào)節(jié)器參數(shù)，對有功功率調(diào)節(jié)器和無功調(diào)節(jié)器之間的相互耦合影響關(guān)系做了分析，并做了仿真研究。研究和分析表明，三相電壓型PWM整流器基于空間矢量調(diào)制的直接功率控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)和算法簡單、高功率因數(shù)、低諧波、開關(guān)頻率固定等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：PWM整流器；直接功率控制；虛磁鏈；空間矢量Simple

2、 Direct Power Control of Three-Phase PWM Rectifier Using Space Vector Modulation (DPC-SVM)ZHANG Ming-lian1 YANG Xue-feng2（1 The electric staff room of four stations,the air force martial eustitute of xuzhou）Abstract：This paper introduces a novel and simple direct power control of three-phase pulse -

3、width -modulated (PWM) rectifiers using space-vector modulation (DPC-SVM). The active and reactive powers are used as the pulse width modu -lated (PWM) control variables instead of the three-phase line currents being used.Moreover, line voltage sensors are replaced by a virtual flux estimator. The t

4、heoretical principle of this method is discussed. The results of DPC-SVM that illustrate DPC -SVM exhibits several features, such as a simple algorithm, good dynamic response, constant switching frequency,and particularly it provides sinusoidal line current when supply voltage is not ideal. Key word

5、s：PWM rectifier;Direct Power control ;Virtual_flux ;Space voltage引言與感應(yīng)電機(jī)磁場定向的直接轉(zhuǎn)矩控制相似，三相PWM整流器基于電壓的直接功率控制(Voltage-based Direct Power Control，V-DPC) 1和基于虛擬磁鏈定向的直接功率控制(Virtual- Flux-based Direct Power Control，VF-DPC) 2是通過直接對整流器輸入輸出功率進(jìn)行控制，即通過估算功率和給定功率的偏差來實時確定開關(guān)狀態(tài)的選擇，以實現(xiàn)整流器直流側(cè)和網(wǎng)側(cè)能量的平衡。V-DPC和VF-DPC都是采用功率

6、滯環(huán)控制器實現(xiàn)PWM波形，開關(guān)周期的長度為功率誤差從到然后再返回變化一周的時間，實際控制中的變換頻率是一個時變量，因此開關(guān)頻率也不固定。開關(guān)頻率不固定會使整流器運(yùn)行噪聲增加，而且產(chǎn)生的電磁干擾頻帶寬，EMI問題難解決?；谶@種情況，本文介紹一種新的基于空間矢量的直接功率控制（Direct Power Control Using Space Vector Modulation，DPC-SVPWM）34，與V-DPC和VF-DPC系統(tǒng)相比，這種控制策略采用SVPWM代替開關(guān)邏輯狀態(tài)選擇，因此可以解決開關(guān)頻率不固定的問題。1、 虛磁鏈定向原則和整流器功率估算圖1 三相Boost型PWM整流器主電路拓

7、撲根據(jù)park變換在靜止坐標(biāo)系上的三相正弦電壓，在空間上可以等效成為一按正弦角頻率旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量，虛磁鏈?zhǔn)噶渴菍Φ姆e分2，那么在空間上也是一按正弦角頻率旋轉(zhuǎn)的矢量。所謂虛磁鏈定向就是在坐標(biāo)系中令虛磁鏈?zhǔn)噶颗c軸重合，即，在坐標(biāo)系中的各矢量關(guān)系如圖2所示。圖2 虛磁鏈參考坐標(biāo)系和各矢量運(yùn)用復(fù)數(shù)定義，三相整流器瞬時有功功率p和瞬時無功功q率可以計算如下 （1）式中為整流器網(wǎng)側(cè)電流合成矢量，為的共軛。 （2）當(dāng)三相電網(wǎng)電壓平衡對稱且為正弦，且整流器橋臂入端電壓也平衡對稱時。則 （3）式中，為虛磁鏈?zhǔn)噶康妮S分量。 （4）式中，為整流器交流側(cè)電流合成矢量的軸分量。則有 （5）2、 DPC-SVM控制原

8、理及框圖借鑒國外三相電壓型PWM整流器直接功率控制研究現(xiàn)狀34，DPC系統(tǒng)控制框圖如圖3所示，與VF-DPC控制系統(tǒng)不同之處在于采用了PWM空間矢量調(diào)制代替開關(guān)邏輯表。瞬時有功和無功功率估算值和與給定的和比較后輸入PI調(diào)節(jié)器，得到整流器入端電壓軸電壓和，再經(jīng)轉(zhuǎn)旋-靜止坐標(biāo)變換可得坐標(biāo)系參考電壓的分量，然后利用空間矢量調(diào)制可得到PWM開關(guān)信號對整流器中的開關(guān)器件進(jìn)行控制。圖3 控制框圖（DPC-SVM）3、 功率調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計由圖1所示的虛磁鏈定向系統(tǒng)由于，則 （6）式中，為三相正弦電壓矢量的軸分量，為三相正弦電壓的幅值。根據(jù)式（1）可以推知 （7）將式（6）代入dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下整流器的數(shù)學(xué)模

9、型5可以得到 （8）式中，為整流器電抗器及線路的電感，為整流器交流側(cè)等效電阻，為網(wǎng)側(cè)電流合成矢量的軸分量。根據(jù)表達(dá)式（8）可以得到如圖3所示的整流器簡化數(shù)學(xué)模型。圖4 PWM整流器簡化模型為兩功率環(huán)間耦合量，穩(wěn)態(tài)時為直流量，根據(jù)表達(dá)式（6），為實現(xiàn)整流器單位功率因數(shù)，則需令（從而實現(xiàn)無功），則有功功率等效控制環(huán)如圖4，當(dāng)交流電源電壓穩(wěn)定時為恒定的值，因而對功率環(huán)而言可以看作是常值擾動，其擾動可通過PI調(diào)節(jié)器中的積分成分得到補(bǔ)償。為了零極點(diǎn)對消和設(shè)計方便，令： （9） 圖5 有功功率調(diào)節(jié)器是系統(tǒng)的開環(huán)時間常數(shù)，是一個很小的量。圖4系統(tǒng)又可以簡化為圖5所示的一階系統(tǒng)。圖6 等效有功功率調(diào)節(jié)器閉環(huán)傳

10、遞函數(shù)為： （10） 式中： ， ，為系統(tǒng)閉環(huán)時間常數(shù)，它反映系統(tǒng)的慣性，其值越小系統(tǒng)響應(yīng)過程越快，反之越大越慢。則PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為： （11）由等式（11）推知：對于不同的， 是一個常量且等于開環(huán)時間常數(shù)，除了對系統(tǒng)的快速性能有較大影響外，同時它的取值還決定著無功和有功功率環(huán)之間的解耦控制程度，因而是一個很重要的參數(shù)。4、軸耦合量相互影響分析現(xiàn)對有功功率閉環(huán)進(jìn)行分析，可將看作擾動信號，令 ，如圖7所示。圖7 耦合影響簡化示意圖從圖7可以分析出無功功率的變化對有功功率的影響，運(yùn)用Laplace變換： （12）再運(yùn)用Laplace反變換： （13）等式（13）說明無功功率的階躍變量會對有功功率產(chǎn)

11、生影響，因系統(tǒng)的閉環(huán)時間常數(shù)小于開環(huán)時間常數(shù)，式（13）可以簡寫為： （14）類似的有功功率的階躍變量對無功功率的影響為： （15）從式（14）（15）易知的值取的越小，無功功率和有功功率間相互耦合影響也越小，實際運(yùn)用中與系統(tǒng)采用時間常數(shù)保持一致。 5、仿真結(jié)果分析根據(jù)圖2構(gòu)建了三相電壓型PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)基于MATLAB/Simulink環(huán)境下的仿真模型，仿真主要驗證在三相不平衡時的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形。仿真主電路參數(shù)為相電壓幅值，等值電阻為，電感為，直流側(cè)電容為，負(fù)載。直流電壓給定：，采樣頻率：，平均開關(guān)頻率：。則功率調(diào)節(jié)器參數(shù)為：，。三相不平衡電壓定義為，時整流器輸入a相線電流波形及諧

12、波頻譜見圖8，可以看出當(dāng)電源電壓三相不平衡時，系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流THD為4.12%。圖8 DPC-SVM系統(tǒng)三相不平衡時網(wǎng)側(cè)a相電流波形及THD從仿真結(jié)果可以看出在電源電壓三相不平衡情況下， DPC-SVM系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流THD很小，從而顯示出這種控制策略的最大優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1 T.Noguchi,H.Tomiki,S.kondo,and I.Takahashi.Direct power contrl of PWM converter without power source voltage sensors.IEEE Trans.Ind. Appl.,vol.34,no.3,pp.473-479,199

13、8.2 M.Malinowski and M.P.Kazmierkowski“virtual Flux Based Direct power control of three phase PWM rectifier.IEEE Trans.Ind.Appl,vol.37,no.4pp.1019-1027,2001.3 M.Malinowski,M.P.Kazmierkowsk Simple Direct Power control of three phase Pwm rectifier.Using space-vector Modulation IEEE Trans.Ind.Appl,vol.51,no.2, pp. 447-454,2004.4 Ambrozic V,Fiser R,Nedeljkovic D.Direct current control-a new curr