交流勵磁用三相PWM整流器的研究

1、第38卷第1期JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)Vol.38No.1交流勵磁用三相PWM整流器的研究黃科元,賀益康,胡奇峰(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州310027)摘要:為了改善脈寬調(diào)制型整流器(PWM整流器)的動、,PWM,建立了整流器輸入電流控制所需的d2q模型,提出了d、q,從.、,是滿足交流勵磁需要的理想整流電源.關(guān)鍵詞:A文章編號:10082973X(2004)0120048204Studyofthree-phasePWMrectifierforAC-excitationHUANGKe2yuan,H

2、EYi2kang,HUQi2feng(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:AsanACpowersource,theback2to2backPWMconverterhasgoodpracticalprospectsforAC2excitedvariable2speedconstant2frequencygeneration,whereinhigh2frequencyPWMrectificationisakeytechnology.Toimprovethesteadyand

3、dynamicperformanceofthethree2phasePWMrectifier,thed2qmodelbasedonthevectorcontrolprinciplewasusedtoconstructtherectifiersinputcurrent.Thed2qmodelbasedcurrentstatedecouplingandgridvoltagefeed2forwardcompensationcontrolstrategywasputforwardtoimprovetheabilityagainstthegridfluctuationandloaddisturbance

4、.Sinusoidalinputcurrentwithunitpowerfactor,steadyoutputDC2voltageandfastdynamicresponse,aswellasbi2directionpowerflowingabilityshownintheexperimentshowthattheconverterisanidealrectifyingpowersupplyforAC2excitedgenerator.Keywords:PWM;high2frequencyrectification;AC2excitation交流勵磁變速恒頻發(fā)電技術(shù)在風(fēng)力、水力等可再生能源發(fā)電

5、利用方式中得到愈來愈廣泛的重視1,2.目前交流勵磁發(fā)電機(jī)多采用三相繞線式異步電機(jī);其定子繞組并網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組由變頻器提供低頻變頻電源實現(xiàn)勵磁.由于發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步速以上和以下時轉(zhuǎn)子繞組及變頻器功率流向不同,要求勵磁用變頻器具有功率雙向流動的功能.為了確保發(fā)電機(jī)的輸出電能質(zhì)量,消除變頻器開關(guān)過程對電網(wǎng)造成的諧波污染,要求勵磁電源有優(yōu)良的輸入輸收稿日期:2003202223.出特性,因此交流勵磁用變頻電源是一種具有特殊要求的電源,其動、靜態(tài)特性控制更是交流勵磁發(fā)電技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵.目前常用的變頻電源型式有不控整流2PWM逆變形式的交2直2交變頻器和交2交變頻器.前者具有較好的輸出特性,但不控整流造成輸

6、入電流畸變、諧波成分大,更為不利的是難以實現(xiàn)功率的雙向流動;后者雖然能實現(xiàn)功率的雙向流動,但由于采用晶閘管的移向觸發(fā)控制,輸入電壓、電流畸變嚴(yán)重,諧基金項目:國家863計劃資助項目(2001AA51202323);浙江省科技計劃資助項目(413110201J39901).作者簡介:黃科元(1974-),男,四川廣漢人,博士生,主要研究方向為電力電子技術(shù)及電機(jī)控制.E2mail:kyh2000© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期黃科元,等:交流勵磁

7、用三相PWM整流器的研究49波含量大,功率因數(shù)低;輸出電壓富含低次諧波,饋入發(fā)電機(jī)會嚴(yán)重影響輸出電能質(zhì)量,諧波抑制代價很高.為了克服不控整流和相控整流的缺點,提高變頻電源的輸入功率因數(shù),減少諧波污染,并且實現(xiàn)功率雙向流,采用高頻自關(guān)斷器件構(gòu)成的PWM整流2PWM逆變的雙PWM變流技術(shù)在交流勵磁發(fā)電中獲得了高度的重視2,3.雙PWM變流中,高頻PWM整流是極為重要的關(guān)鍵技術(shù),本文對此進(jìn)行了深入的理論分析和實驗研究.圖2PWM整流器的向量圖Fig.2PhasordiagramofPWMrectifier電壓的峰值.這種特性導(dǎo)致,.整流器的控制為了實現(xiàn)三相PWM整流器的高性能控制,首先建立它的數(shù)學(xué)模

8、型.設(shè)功率開關(guān)器件為理想開關(guān),根據(jù)圖1,列出PWM整流器的基本方程:usa-Lusb-L1PWM三相PWM1所示;其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與三相電壓源逆變器相同,功率開關(guān)按正弦規(guī)律作脈寬調(diào)制.由于輸入電感的濾波作用,整流器交流側(cè)的輸入可近似認(rèn)為是三相正弦電流,輸出呈直流電壓源特性,穩(wěn)態(tài)時的輸出直流電壓可保持不變4.-Ria-Saudc=dt-Rib-Sbudc=dt(1)usc-L-Ric-Scudc,dtC=idc-iL=Saia+Sbib+Scic-iL.dt式中:Sa、.Sb、Sc為0或1,是三相橋臂的開關(guān)函數(shù)S=1表示下標(biāo)所對應(yīng)的橋臂上管導(dǎo)通,下管關(guān)斷;S=0表示下標(biāo)所對應(yīng)的橋臂下管導(dǎo)通,上管關(guān)斷;

9、其他各量參見圖1.為了獲得良好的控制性能,控制在兩相同步速圖1三相PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu)Fig.1MaincircuitofthreephasePWMrectifier圖2是整流器輸入電壓Us、輸入電流Is和施加在整流器交流側(cè)電壓Ur間的向量圖,其中Ur為一控制量.控制其電壓幅值和相位,就可獲得所需大小和相位的輸入電流,同時也控制了直流側(cè)輸出電壓.一般情況下,要求控制輸入電流與輸入電壓同相位,即輸入功率因數(shù)為1.通常采用直流電壓外環(huán)和輸入電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式.其中電壓外環(huán)保證穩(wěn)定的直流輸出,電流內(nèi)環(huán)用于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和實現(xiàn)限流保護(hù).從原理上看,三相PWM整流器的能量傳輸是可逆的.整流

10、運(yùn)行時,能量從交流側(cè)向直流側(cè)流動;當(dāng)直流側(cè)輸出電壓高于給定值時,電路工作于逆變狀態(tài),能量從直流側(cè)流向交流側(cè).由于輸入側(cè)設(shè)置有三相電感,整流器整流運(yùn)行時主電路工作于升壓狀態(tài)(boost電路),逆變運(yùn)行時主電路工作于降壓狀態(tài)(buck電路),直流輸出電壓總是高于交流輸入線旋轉(zhuǎn)d2q坐標(biāo)系中實施.在同步速d2q(1)變?yōu)?dtLL=-0dtLL0dt2C2C00L軸系中,式idiqu+0Lusd0-Cusq.iL(2)從式(2)可看出,d、q軸電流不獨(dú)立,存在交叉耦合關(guān)系,這是由于整流電路本身雖是靜止電路,但變換至旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,經(jīng)電感作用會使d、q軸之間產(chǎn)生耦合,控制系統(tǒng)只有經(jīng)過解耦才能使其靜、動態(tài)

11、性能達(dá)到最優(yōu).© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 50浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第38卷此采用了變比為380V 76V的輸入變壓器作降壓輸入.整流器開關(guān)元件采用三菱公司的PM100CVA060IPM模塊,額定電流100A,耐壓600V,以適應(yīng)交流勵磁低電壓大電流的特點.整流系統(tǒng)的進(jìn)線濾波電感為6mH,電阻忽略不計.直流母線濾波電容為450V 2200F.整流器采用DSP,控制芯片為TI公司的S320F.,使得、高性能控制成為可能.整流器輸入電流的有效控制是

12、整流器控制的關(guān)鍵.從本質(zhì)上講,整流器是一種涉及交、直流電能形態(tài)轉(zhuǎn)換的能量變換系統(tǒng),由于無窮大電網(wǎng)電壓基本恒定,對輸入電流實施快速有效的控制也就能有效地控制能量流動的速度和總量.由式(2)表示的輸入電流滿足下式:L(3)L=-Riq-Lid+usq-urq.dt由式(3)可知,d、q軸電流除受控制量urd、urq=-Rid+Liq+usd-urd,dt外,還受交叉耦合電壓Liq、-Lid壓usd和usq擾動.d、q軸之.整流器交流側(cè)電壓矢量Ur中包含三個分量:urd=urd1+urd2+urd3,(4)urq=urq1+urq2+urq3.式中:urd1=usd,urd2=Liq;urq1=us

13、q,urq2=-Lid.如果采用urd3和urq3作為控制器輸出,其余兩個分量為補(bǔ)償量,則由式(3)和(4)可得L+Rid=-urd3,dtL+Riq=-urq3.dt(5)圖4PWM整流器硬件結(jié)構(gòu)Fig.4HardwarestructureofPWMrectifier此式表示,由于引入了電流狀態(tài)反饋(urd2和urq2)解耦以及電網(wǎng)擾動電壓(urd1和urq1)作為前饋補(bǔ)償,兩軸電流已實現(xiàn)獨(dú)立控制,系統(tǒng)的動態(tài)性能將獲得進(jìn)一步提高.圖3是實現(xiàn)以上PWM整流器解耦的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖.為了提高整流器的動態(tài)性能,系統(tǒng)采用了本文提出的直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式,控制計算在以輸入電壓

14、矢量定向的d2q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)完成.控制算法考慮了d、q軸之間電流解耦;為了提高系統(tǒng)抗電網(wǎng)干擾能力,引入了電網(wǎng)電壓的前饋控制(見圖3).同時為了保持整流器的輸入功率因數(shù)為1,通常無功電流給定iq為0.這樣,系統(tǒng)需采集的數(shù)據(jù)有:輸入相電壓ua、ub,輸入相電流ia、ib和直流母線電壓udc.PWM整流器結(jié)構(gòu)如圖4所示,其中,電壓電流檢測電路把檢測到的電量轉(zhuǎn)換成DSP的A D口接收范圍內(nèi)的模擬信號;DSP則完成A 坐標(biāo)變換、空間矢量調(diào)制等D轉(zhuǎn)換、PI調(diào)節(jié)、核心控制任務(wù),輸出的6路PWM信號,經(jīng)IPM驅(qū)動與保護(hù)電路送到IPM構(gòu)成的整流器主回路.整個控制系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)簡單,控制功能主要由軟件完成.圖3

15、PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.3Dualclosed2loopsystemofPWMrectifier4PWM整流器的實驗研究針對交流勵磁變速恒頻發(fā)電機(jī)對勵磁用變頻電源的要求,進(jìn)行了三相PWM整流器的實驗研究,以便對其穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能以及能量雙向流等特點進(jìn)行評估.實驗運(yùn)行參數(shù)如下:相電壓ua=ub=uc=44V,3PWM整流器的實現(xiàn)在分析了三相PWM整流器的原理和控制策略的基礎(chǔ)上,構(gòu)造了用做交流勵磁變頻電源前級的.直流輸出電壓設(shè)計在120200V,為PWM整流器© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing Ho

16、use. All rights reserved. 第1期黃科元,等:交流勵磁用三相PWM整流器的研究51直流電壓udc=150V,負(fù)載電阻RL=308.為使所研究的PWM整流技術(shù)便于向大容量交流勵磁發(fā)電機(jī)組移植,整流器的開關(guān)頻率相對較低(7kHz).圖5是整流器的穩(wěn)態(tài)波形.圖5(a)為電阻負(fù)載時相電壓ua和相電流ia的波形,可以看出輸入電流正弦且和輸入電壓同相位,功率因數(shù)近似為1;圖5(b)為整流器直流側(cè)帶200V反電勢時的波形,此時由于負(fù)載電壓高于給定電壓,整流器運(yùn)行在逆變狀態(tài),輸入電流和輸入電壓反相位,能量反向流;圖5(c)給出了輸入電流的頻譜,從中看出基波分量占絕對主要成分.這些都表明

17、PWM的輸入特性,、數(shù)、.出電壓基本保持不變,顯示了PWM整流器良好的輸出特性.圖setocommandDC2voltage圖7整流器對負(fù)載變化的動態(tài)響應(yīng)Fig.7Dynamicresponsetoloadchanging5結(jié)語為了滿足交流勵磁應(yīng)用中對整流電源低諧波、高功率因數(shù)、快速響應(yīng)及能量雙向流的要求,在三相PWM整流器d2q模型基礎(chǔ)上,以輸入電壓矢量定向,提出了帶電流解耦和電網(wǎng)電壓前饋的高頻整流器控制策略,并在此基礎(chǔ)上研制了一臺三相PWM整流器.實驗表明,PWM整流電源大大改善了輸入性能,可獲得單位功率因數(shù)的正弦輸入電流,能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動,是滿足交流勵磁需要的理想整流電源.參考文獻(xiàn)

18、(References):1TANGY,XUL.AflexibleactiveandreactivepowercontrolstrategyforavariablespeedconstantfrequencygeneratingsystemC.PESC93Record,24thAnnualIEEE,1993:568-573.2PENAR,CLAREJC,ASHERGM.Doublyfedin2ductiongeneratorusingback2to2backPWMconvertersanditsapplicationtovariable2speedwind2energygener2ationJ.ElectricPowerApplications,IEEPr