PWM整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制仿真研究

1、整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制仿真研究趙仁德 賀益康浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州310027摘要:三相電壓型PWM 整流器與三相交流變頻調(diào)速電機定子電路有很大的相似性O(shè) 采用類似于交流電機磁鏈觀測的方法來構(gòu)造一個虛擬電網(wǎng)磁鏈 可以代替電網(wǎng)電壓作為PWM 整流器矢量控制中的定向矢量 達(dá)到省去交流側(cè)電網(wǎng)電壓傳感器 降低PWM 整流器成本的目的O 根據(jù)交流電機磁鏈觀測器的設(shè)計方法 設(shè)計了虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器 并構(gòu)造了基于Matlab /Simulink 的PWM 整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向無電網(wǎng)電壓傳感器的仿真模型O 仿真結(jié)果驗證了觀測器的可靠性和控制方案良好的動靜態(tài)特性O(shè) 關(guān)鍵詞:脈寬調(diào)制整流器G 矢量控

2、制G 無電網(wǎng)電壓傳感器G 磁鏈觀測G 仿真中圖分類號:TM 46文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003-8930 200505-0094-05Simulation Study on the Virtual Line Flux OrientedVector Control of the Rectif ierZAORen -de Eyi -kangSchool of Electrical Engineering Zhejiang university angzhou310027 China Abstract :The main circuit of the PWM rectifier is simila

3、r to that of an AC machine fed by an inverter . So a virtual line flux has been constructed to serve as the oriented vector instead of the line voltage vector to remove the AC voltage sensors and reduce the cost of PWM rectifiers . A simple virtual line flux observer is proposed based on the method

4、used in AC machines . A simulation model of the AC voltage sensorless virtual line flux oriented vector control of PWM rectifier has been established using Matlab /Simulink . Good steady and dynamic characteristics of this control scheme have been shown by simulation results . Key words :PWM rectifi

5、er G vector control G sensorless G flux observer G simulation1前言電力系統(tǒng)中諧波和無功問題越來越嚴(yán)重 諧波抑制和無功補償技術(shù)變得十分重要O 在諧波抑制和無功補償技術(shù)中 PWM 整流技術(shù)是一種積極而有效的方法 它具有電流輸入近似正弦 功率因數(shù)可控 能量可雙向流動等優(yōu)點O PWM 整流器的成本較二極管整流器高 所以目前只使用在有較高要求的場合O 在不降低PWM 整流器可靠性的前提下降低PWM 整流器的成本成為當(dāng)前研究的熱點13! O目前廣泛應(yīng)用的是電壓型PWM 整流器 它的主電路及傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓定向矢量控制框圖如圖1所示O 由圖1可知

6、可以減少的成本只有某些傳感器及其處理電路O 在傳統(tǒng)的PWM 整流器控制中需要檢測電網(wǎng)電壓" 輸入電流和直流母線電壓 在有負(fù)載電流前饋的控制中還要檢測直流側(cè)輸出電流O 由于PWM 整流器的主要任務(wù)是保持直流母線電壓穩(wěn)定 直流母線電壓傳感器一般不可以省去O 交流電流傳感器不僅提供電流反饋信號 而且還承擔(dān)著過流保護(hù)的作用 也不宜省去O 電網(wǎng)電壓傳感器可以省去而不影響PWM 整流器的控制性能 實際中應(yīng)用最多的也是無電網(wǎng)電壓傳感器控制1! O 無電網(wǎng)電壓傳感器控制的方案主要有:估計電網(wǎng)電壓2! " 估計電網(wǎng)電壓的電角度3! 和估計虛擬電網(wǎng)磁鏈1! O由于虛擬電網(wǎng)磁鏈信號對測量的干擾有

7、良好抑制作用 所以基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的PWM 整流器無電網(wǎng)電壓傳感器矢量控制更具有實用價值O 本文對該控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究O第17卷第5期2005年10月電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報Proceedings of the CSu-EPSA#ol. 17$o. 5Oct. 2005收稿日期:2004-08-02G 修回日期:2004-11-05圖1PWM 整流器主電路及電網(wǎng)電壓定向矢量控制框圖Fig. 1Basic scheme of the PWM rectif ier and diagramof line voltage oriented vector control2虛擬電網(wǎng)磁鏈的引入圖2(a

8、 是三相電壓型PWM 整流器的主電路,其中 a b c 分別是三相電網(wǎng)電壓, LR 是進(jìn)線電抗器的電感與電阻, V dc 是直流母線電壓, 圖2(b 是一臺由三相變頻器供電的三相交流電機, 其中e a e b e c 分別是電機三相定子繞組的感應(yīng)電勢, L o 和R 分別是定子繞組的漏感與電阻, 比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)二者有很大的相似性, PWM 整流器中的電網(wǎng)電壓相當(dāng)于交流電機的氣隙磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢, 電抗器的電感和電阻分別相當(dāng)于電(a三相電壓型PWM 整流器的主電路(b三相變頻器供電的三相交流電機主電路圖2PWM 整流器與變頻調(diào)速交流電機主電路比較Fig. 2Comparison

9、of the main circuits of the PWM rectif ier and the AC machine f ed by the inverter機的定子繞組的漏感和電阻, 在三相交流電機的矢量控制中, 普遍采用磁鏈作為矢量控制中的定向矢量, 利用定子電流和變頻器的開關(guān)信號構(gòu)成多種觀測磁鏈的方法14, 由此可以想到在PWM 整流器中, 也可將電網(wǎng)電壓看成是一個虛擬的磁鏈微分量, 采用類似于交流電機磁鏈觀測的方法來觀測這個虛擬電網(wǎng)磁鏈, 取代電網(wǎng)電壓作為定向矢量, 達(dá)到省去電網(wǎng)電壓傳感器的目的,3d 軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向下PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡, 忽略進(jìn)線電抗

10、器和線路的電阻, 則PWM 整流器在O -B 坐標(biāo)系下的電壓方程為O =LOdt-U O B =L dt -UB (1U O =3V dc (S O -2(S b -S c U B = 3dc (S b -S c 式中, U O 和U B 為PWM 整流器三相全控橋交流側(cè)輸出電壓的OB 分量; S a S b S c 是三相橋臂的開關(guān)函數(shù), S k =1表示相應(yīng)橋臂上管導(dǎo)通, 下管關(guān)斷, S k =0表示相應(yīng)橋臂下管導(dǎo)通, 上管關(guān)斷(k =a, b, c ; O B z O z B 分別是三相電網(wǎng)電壓與三相電流的OB 分量,如直接用式(1 進(jìn)行電網(wǎng)電壓估計可得到無電壓傳感器控制, 但是, 這種

11、觀測器用到了電流的微分量, 在實際控制系統(tǒng)中容易放大噪聲干擾11, 將式(1 兩邊同時積分可得O dt =(LOdt-U O dt Bdt = (L Bdt -U Bdt (2令 O = OdtB = Bdt于是有O = O dt -LzOB = B dt -LzB(3令U = O -j B , = O -j B , 則電網(wǎng)電壓空間矢量U 超前虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶?為T/2,在d 軸電網(wǎng)電壓矢量定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型為59 2005年第5期趙仁德等, PWM 整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制仿真研究Lddt=U d -S d V dc -Ri d +Lci g L gdt=

12、-S g V dc -Ri g -Lci d Cdc dt=2S d i d +2S g i g -i d(4式中; S d S g 為d -g 坐標(biāo)系中的開關(guān)函數(shù); U d 為電網(wǎng)電壓的d 軸分量; i d i g 為電流的dg 軸分量O 電網(wǎng)電壓矢量超前虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶縏/2 所以由式(4 可得d 軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向下PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型Lgdt=U g -S g V dc -Ri g -Lci d L ddt=-S d V dc -Ri d +Lci g Cdc dt=2S g i g +2S d i d -i d(5由式(5 可得d 軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向下PWM 整流器的穩(wěn)態(tài)矢量圖

13、如圖3所示O圖3d 軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的PWM 整流器穩(wěn)態(tài)矢量圖Fig. 3Vector diagram of the PWMrectif ier in steady state4虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器及d 軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向PWM 整流器矢量控制系統(tǒng)虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的問題實際上就是圖3中0角的觀測問題O 由圖3可知sin 0= /c s 0= o / ( 于是0角的觀測可以轉(zhuǎn)化為虛擬磁鏈的DB 分量的觀測問題O 式(3 給出了虛擬電網(wǎng)磁鏈與已知量的關(guān)系 但由于等號右邊含有積分項 而積分的初始值未知 所以直接積分得到的結(jié)果會含有與積分初始值有關(guān)的直流偏置O 這樣得到的磁鏈軌跡在D -B 坐標(biāo)系中不

14、是以原點為圓心的圓 而是一個以相應(yīng)的直流偏置為圓心的圓O 如果以此磁鏈軌跡來進(jìn)行坐標(biāo)變換 則會得到錯誤的結(jié)果O 參考三相交流電機的磁鏈觀測器的設(shè)計14 在式(3 的基礎(chǔ)上構(gòu)造PWM 整流器開環(huán)虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器 如圖4所示O 這里用一個低通濾波器取代純積分器 實際上相當(dāng)于一個純積分器加上一個一階高通濾波器 從而達(dá)到消除直流偏置的效果O 當(dāng)然 高通濾波器會造成一定的幅值和相位的誤差 只要選擇合適的截止頻率 誤差在工程上是可以忽略不計的O圖4虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器Fig. 4Virtual line f lux observer類似于d 軸電網(wǎng)電壓定向的PWM 整流器矢量控制 圖5給出了d 軸虛擬電網(wǎng)

15、磁鏈定向的無電網(wǎng)電壓傳感器PWM 整流器矢量控制框圖O 由圖可知 利用兩相電流和橋臂的開關(guān)信號估計出虛擬磁鏈的DB 分量 進(jìn)而得到0的正弦余弦值 據(jù)此進(jìn)行坐標(biāo)變換 得到d 軸虛擬磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng) 在省去電網(wǎng)電壓傳感器的情況下實現(xiàn)了矢量控制O圖5虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的無電網(wǎng)電壓傳感器PWM 整流器矢量控制框圖Fig. 5Diagram of virtual line f lux orientedvector control of the PWM rectif ier69 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報2005年第5期5仿真結(jié)果為了驗證虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的PWM 整流器無電網(wǎng)電壓傳感器控制方式的可行性

16、和評估這種控制方式的性能, 在Matlab/simulink仿真環(huán)境下構(gòu)建仿真模型并進(jìn)行了仿真驗證O 仿真參數(shù)為, 直流母線電容C =Z Z OO MF, 進(jìn)線電抗器電感L =5mH, 電網(wǎng)相壓峰值 U =AO V, 穩(wěn)態(tài)直流負(fù)載電流i load =7. 5AO 仿真結(jié)果如圖6和圖7所示O(a虛擬電網(wǎng)磁鏈圓(b電網(wǎng)電壓電角度與虛擬磁鏈角度比較(c電網(wǎng)a 相電壓與a 相電流(d 直流母線電壓圖6穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果Fig. 6Steady-state wavef orms obtained by simulation圖6給出了部分穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果O 由圖6(a (b 可知觀測得到的虛擬電網(wǎng)磁鏈的幅值約為O.

17、 185, 與其真實值O. 18O 1比較誤差只有Z. 7Z %; 電網(wǎng)電壓電角度超前觀測得到的虛擬磁鏈角度85. 68%,故所設(shè)計的虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器是準(zhǔn)確的O 圖6(c (d 顯示了在這種無電網(wǎng)電壓傳感器控制方式下PWM 整流器的良好輸入輸出特性, 輸入單位功率因數(shù)正弦電流, 輸出直流母線電壓平穩(wěn)O圖7是直流側(cè)負(fù)載電流在O. Z S 時刻由O A 突變?yōu)?5A, 在O. A S 時刻又由+5A 突變?yōu)镺 A 的動態(tài)仿真波形O 圖7(a (b 顯示了這種控制方式的良好動態(tài)響應(yīng)能力O 由圖7(c 可知在負(fù)載突變的情況下, 虛擬電網(wǎng)磁鏈沒有明顯的波動, 說明所設(shè)計的磁鏈觀測器對負(fù)載擾動不敏感O(

18、a三相電流的變化波形(b直流母線電壓的變化波形(c虛擬電網(wǎng)磁鏈角度的波形圖7負(fù)載變化時的仿真結(jié)果Fig. 7Wavef orms under load change conditions obtained by simulation6結(jié)語PWM 整流器與變頻器供電三相交流電機的主電路有很大的相似性, 類似于交流電機中的磁場定向矢量控制O 在PWM 整流器中可以構(gòu)造一個虛擬電網(wǎng)磁鏈作為定向矢量, 實現(xiàn)無電網(wǎng)電壓傳感器矢量控制, 降低PWM 整流器的成本O 仿真結(jié)果表明, PWM 整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的無電網(wǎng)電壓79 Z OO5年第5期趙仁德等, PWM 整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制仿真研究傳

19、感器矢量控制方案有良好的動靜態(tài)特性; 設(shè)計的虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器結(jié)構(gòu)簡單, 有較高的精度和較強的抗干擾能力O參考文獻(xiàn),1MalinoWiski M Sc MariusZ . Sensorless Control Stra -tegies for Three -Phase PWM Rectifiers D .Warsa -W , WarsaW University of Technology , 2001. 2Ohnuki T , Miyashita O , Lataire Ph , et al . A three -phase PWM rectifier Without voltage sens

20、ors A .In , Proceedings of 7th European Conference on PoWer Electronics and Application C .Trondheim Noruay , 1997. 881-886. 3KWon B H , Youm J H , Lim J W . A line -voltage -sensorless synchronous rectifier J .IEEE Trans on PoWer Electronics , 1999, 14(5 , 966-972.4田淳(Tian Chun . 無位置傳感器同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論

21、研究與實踐(Research of the Direct Torgue Control and Sensor -less Technology in the Synchro -nous Motor Drive D .南京航空航天大學(xué)(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , 2001. 作者簡介,趙仁德(1976- , 男, 博士研究生, 研究方向為電機及其控制電力電子技術(shù)O Email , Zhaorende yahoo . com . cn賀益康(1942- , 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事電機及其控制電力電子技術(shù)方面

22、的科研教學(xué)及研究生培養(yǎng)工作O Email , ykhe cee . Zju . edu . cn(上接第81頁對于CERA, m <8時, 算法不收斂O 增大m 可改善收斂性O(shè) CERA 的特點是重啟動后, 精度喪失很多, 因此計算時間比IERA 要長O 對于IERA, 當(dāng)m =2時, 算法已經(jīng)收斂O 增大m 可改善收斂性, 減少計算時間O 當(dāng)m 在6到12之間時, 計算效率最高, 計算時間最少, m 繼續(xù)增大時, 計算效率降低O5結(jié)語本文介紹了用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析中的特征值計算的Arnodli 方法, 并且改進(jìn)了顯式重啟動Arnodli 算法的重啟動向量, 以減少計算時間, 改善數(shù)值的

23、收斂性O(shè) 并且應(yīng)用于大型電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析中, 用來計算關(guān)鍵特征值以及相應(yīng)的特征向量O 通過一個具有2444個節(jié)點的大型電力系統(tǒng)的算例表明了該方法的實用性和有效性O(shè)參考文獻(xiàn),1馮治鴻, 周雙喜(Feng Zhihong , Zhou Shuangxi 大規(guī)模電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)區(qū)的確定方法(Determination of voltage collapse areas in large scale poWer syste -m J .中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE , 1997, 17(3 , 152-156.2戴宏偉, 王成山, 余貽鑫(Dai Hong

24、Wei , Wang Cheng -shan , Yu Yixin . 基于雅可比矩陣修正模型的電壓穩(wěn)定頻域分析方法(Freguency -domain analysis method of voltage stability based on modified jacobin matrix J .電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of theCSU -EPSA , 1998, 10(2 , 20-26.3魯寶春, 姚玉斌, 郭志忠, 等(Lu Baochun , Yao Yubi -n , Guo ZhiZhong , et al . 一種實用的靜態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù)(A pract

25、ical criterion on the steady -state voltage stability J .電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU -EPSA , 1999, 11(3 , 9-13. 4Angelidis G , Semlyen A . Improved methodologies for the calculation of critical eigenvalues in small signal stability analysis J .IEEE Trans on PoWer System -s , 1996, 11(3 , 1209

26、-1217.5谷寒雨, 陳陳(Gu Hanyu , Chen chen . 一種新的大型電力系統(tǒng)低頻機電模式計算方法(A neW algorithm for the computation of loW freguency electro -mecha -nical oscillation modes of large poWer systems J .中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE , 2000, 20(9 , 50-54. 6Saad Y . Variations on Arnodli s method for comput -ing eigen elem

27、ents of large unsymmetrical matrices J .Linear Algebra and its Applications , 1980, 34, 269-295. 作者簡介,孫建生(1976- , 男, 碩士研究生, 研究方向為電壓穩(wěn)定, 電力市場O Email , echosjs sjtu . edu . cn侯志儉(1942- , 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事電力系統(tǒng)分析控制及電力市場的研究O Email , Zjhou sjtu . edu . cn 王承民(1970- , 男, 博士后, 主要從事電力系統(tǒng)分析及電力市場的研究O Email , Wc

28、h 0670 89 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報2005年第5期PWM整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制仿真研究 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數(shù)： 趙仁德， 賀益康， ZHAO Ren-de， HE Yi-kang 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,杭州,310027 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報 PROCEEDINGS OF THE ELECTRIC POWER SYSTEM AND AUTOMATION 2005,17(5 15次 參考文獻(xiàn)(4條 1.田淳 無位置傳感器同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論研究與實踐 2001 2.Kwon B H;Youm J H;Lim J W A line-

29、voltage-sensorless synchronous rectifier外文期刊 1999(05 3.Ohnuki T;Miyashita O;Lataire Ph A three-phase PWM rectifier without voltage sensors 1997 4.Malinowiski M;Sc Mariusz Sensorless Control Stra-tegies for Three-Phase PWM Rectifiers 2001 本文讀者也讀過(10條 1. 宋金梅.王波.Song Jinmei.Wang Bo 兩種PWM整流器控制策略之比較期刊論文-

30、電氣自動化2009,31(5 2. 訾振寧.林飛.馬穎濤.ZI Zhen-ning.LIN Fei.MA Ying-tao PWM整流器無電網(wǎng)電壓傳感器控制策略研究期 刊論文-電氣傳動2009,39(10 3. 趙葵銀.楊青.唐勇奇.Zhao Kuiyin.Yang Qing.Tang Yongqi 無交流電壓傳感器的PWM整流器的直接功率控 制期刊論文-廣東輸電與變電技術(shù)2008(3 4. 張曉.譚國俊.方靜歡.韓耀飛.ZHANG Xiao.TAN Guo-jun.FANG Jing-huan.HAN Yao-fei 基于新穎虛擬電網(wǎng) 磁鏈觀測器可控整流器控制期刊論文-電力電子技術(shù)2008,

31、42(12 5. 宋小亮.李杰.蔚蘭.郭國富.牛華榮.SONG Xiao-liang.LI Jie.YU Lan.GUO Guo-fu.NIU Hua-rong 基于虛擬 電網(wǎng)磁鏈定向的電壓型PWM變換器研究期刊論文-電氣傳動自動化2009,31(6 6. 趙仁德.賀益康.ZHAO Ren-de.HE Yi-kang 無電網(wǎng)電壓傳感器三相PWM整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制研 究期刊論文-中國電機工程學(xué)報2005,25(20 7. 潘蓉.李娜.PAN Rong.LI Na 三相電壓型PWM控制系統(tǒng)仿真研究期刊論文-機械制造與自動化2010,39(4 8. 呂觀順.李春靜.L(U Guan-shun.LI Chun-ji