基于電壓空間矢量的三相PWM整流器控制研究(H)

1、142005年4月25日第22卷第2期通信電源技術(shù)Telecom Power TechnologiesApr. 25, 2005Vol. 22No. 2文章編號:100923664(2005 0220014204變換與控制基于電壓空間矢量的三相PWM 整流器控制研究盧劍濤, 王耀南, 陳繼華(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 湖南長沙410082摘要:首先建立了三相電壓型PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型, , 在此基礎(chǔ)上提出了一種簡單的電壓空間矢量算法, 電壓空間矢量在各個扇區(qū)內(nèi)的作用時間, 。關(guān)鍵詞:整流器; PWM ; 空間矢量中圖分類號:TN 86TN 712:AR esearch on Three

2、 2Phase PWMR ectif ier B ased on Voltage Space V ectorL U Jian 2tao ,WAN G Yao 2nan ,C H EN Ji 2hua (College of Electrical and Information Engineering , Hunan U niversity , Changsha 410082, China Abstract :The mat hematical model of t hree 2p hase PWM rectifier is set up at first in t his paper , an

3、d t hen t he vector cont rol st rategy is analyzed in detail. A simple algorit hm is proposed based on voltage space vector , which directly calculates t he duration of voltage space vector in each sector according to t he reference voltage vector in reference f rame. At last , experimental result s

4、 verified t he p roposed scheme.K ey w ords :rectifier ; PWM ;space vector0引言三相電壓型PWM 整流器(Voltage Source Rectifier , 簡稱VSR 與傳統(tǒng)的二極管整流器和可控硅整流器相比, 具有交流側(cè)輸入、輸出電流諧波分量小、功率因數(shù)可調(diào)、直流側(cè)電壓波動小、能量可以雙向流動等優(yōu)點。近幾年來, 無論是在理論上的研究還是工程上的具體應(yīng)用都得到了廣泛的關(guān)注。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兩種。間接電流控制1以相幅控制為代表, 優(yōu)點是控制簡單, 一般無需電流反饋控制, 但是由

5、于對電流的動態(tài)響應(yīng)慢, 甚至交流側(cè)電流含有收稿日期:2004210225作者簡介:盧劍濤(1979- , 男, 碩士研究生, 主要研究方向為電力電子傳動系統(tǒng)的智能控制、新能源發(fā)電與控制技術(shù)。直流分量, 而且對系統(tǒng)參數(shù)的波動較為敏感, 使得間接電流控制的應(yīng)用范圍較窄。直接電流控制2以快速電流反饋控制為特征, 如滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率控制和空間矢量控制等。本文先簡要介紹了整流器的工作原理, 較詳細(xì)地給出了通用的矢量控制方案, 在此基礎(chǔ)上介紹了一種跟蹤指令電壓矢量的SV PWM 電流控制策略, 并對其性能進(jìn)行了分析和仿真研究。1PWM 整流器工作原理三相電壓型高功率因數(shù)整流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所

6、示, 主要包括交流側(cè)的電感、電阻、直流電容以及由全控開關(guān)器件和續(xù)流二極管組成的三相整流電路。e a , e b , e c 為電源電壓, R L 為負(fù)載電阻。三相VSR 的數(shù)學(xué)模型為第2期變換與控制盧劍濤等:基于電壓空間矢量的三相PWM 整流器控制研究15=i a s a +i b s b +i c s c -i Ld t L +Ri a =e a -u dc s a -u N 0d t L +Ri b =e b -u dc s b -u N 0d t L +Ri c =e c -u dc s c -u N d tC u NO =-u dc (s a +s b +s c 3(1式中, e d

7、、e q 是電網(wǎng)電動勢矢量E dq 的d 、 q 分量, u d 、u q 是三相VSR 交流側(cè)電壓矢量U dc 的d 、q 分量, i d 、i q 是三相VSR 交流側(cè)電流矢量I dq 的d 、q 分量。引入微分算子p , 則模型可以表述為3e q i q u q L p +R L(3 =+e -L L p +i u 忽略三相VSR 橋路自身損耗, 則三相VSR 交流側(cè)有功功率P ac 應(yīng)與橋路直流側(cè)功率P dc 相等, 即P ac P dc式中, s i 為開關(guān)函數(shù), s i =1第i 相上管導(dǎo)通; s i =0第i 相下管導(dǎo)通, i =a ,b ,c 。而P ac i d +e q i

8、 q 2(4 (5P dc =u dc i dc =u dc C+u dc i Ld t(4 、(5 可得由式(2 、(u d i d +u q i q =u dc i dc 2 (6圖1三相PWM 整流器主電路圖圖2是整流器a 相輸入電壓e a 、輸入電流i a 、交流側(cè)控制電壓u ra 間的向量圖。圖2(a 中, 整流器工作在單位功率因數(shù)整流狀態(tài), 電流矢量i a 與電壓矢量e a 平行且同向, 此時整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性, 負(fù)載從電網(wǎng)吸收有功功率。圖2(b 中, 整流器工作在單位功率因數(shù)逆變狀態(tài), 電流矢量i a 與電壓矢量e a 平行但反向, 此時整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電阻特性, 負(fù)載向電

9、網(wǎng)釋放有功功率 。如果需要考慮損耗時, 只需適當(dāng)減小交流側(cè)負(fù)載電阻R L 進(jìn)行等效。選取q 軸與電網(wǎng)電動勢矢量E dq 重合, 則q 軸表示有功分量參考軸, 而d 軸表示無功分量參考軸。三相VSR 控制系統(tǒng)設(shè)計采用雙環(huán)控制, 電壓外環(huán)主要控制三相VSR 直流側(cè)電壓, 電流內(nèi)環(huán)按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制, 實現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。u q =-u d =-K ip +K ip +S S3i q -i q -L i d +e q 3i d -i d -L i q +e d(7 (8圖2整流器矢量圖2矢量控制策略研究三相靜止對稱坐標(biāo)系中的VSR 一般數(shù)學(xué)模型雖然具有物理意義清晰、直

10、觀等特點, 但是在這種數(shù)學(xué)模型中,VSR 交流側(cè)均為時變交流量, 不利于控制系統(tǒng)設(shè)計。通過坐標(biāo)變換將三相對稱靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的(d , q 坐標(biāo)系, 三相VSR 一般數(shù)學(xué)模型也轉(zhuǎn)換成三相VSR dq 模型。(C =i q s q +i d s d -i Ld t 2(2 L +L i d +Ri q =e q -u dc s qd t L +L i q +Ri d =e d -u dc s dd t式中, K ip 、K il 是電流內(nèi)環(huán)的比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)33節(jié)增益; i q 、i d 為電流i q 、i d 的指令值。3如圖3所示, 給定指令電壓u dc 與實際直流

11、側(cè)電壓u dc 比較后經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器得到電流有功分量指令333i q , i q 、i d 與交流實際電流比較后經(jīng)PI 環(huán)得到指令3電壓u q 3、u d , 作為SV PWM 控制的指令電壓。圖3整流器控制結(jié)構(gòu)3SVPWM 控制三相VSR 不同開關(guān)組合時的交流側(cè)電壓可以16通信電源技術(shù)第22卷用一個模為2U dc /3的空間電壓矢量在復(fù)平面上表示出來, 由于三相VSR 開關(guān)是雙電平控制, 其空間電壓矢量只有23=8種, 且U 0(0, 0, 0 、U 7(1, 1, 1 為零矢量4。|U k |+|U k +1|cos 60°=|U 3|cos 2T s 2T s 2|U k +1

12、|sin 60°=|U 3|sin2T s 2可以求得T k =T s |U T k +1=3-|cos3T s |U 3|sin(11T s |U |sinT 0=T s -T k -133其中, U U dc , 其中矢量U 3的起、終U 0, 而在矢量U 3中點處分布圖4三相VSR 空間電壓矢量分布復(fù)平面上的三相VSR 義為:U k =U 0、7j (k-3u dc e 3(k =1, , 6 =07且T 7=T 0。2(9對應(yīng)的三相PWM 如圖6所示, 其中矢量U k 和U k +1放置先后順序以開關(guān)次數(shù)最少為準(zhǔn), 各扇區(qū)開關(guān)矢量分配如表1所示。由圖3可知, 三相VSR 電流

13、環(huán)調(diào)節(jié)運算確定后, 三相VSR 電流跟蹤控制的指令電壓矢量U 3也就被確定, 可以利用三相VSR 空間電壓矢量U k (k3=0, , 7 來合成U , 以實現(xiàn)VSR 電流控制。當(dāng)矢量U 3處于三相VSR 電壓矢量空間任一 , 區(qū)域時, 當(dāng)矢量U 3與軸夾角為, (0360°矢量U 3與所在三角形區(qū)域起始邊界矢量U k (k =1, , 6 的夾角為, 則, k 可以由以下方程求得5:+1k =IN T60°(10=-(k -1 ×60°其中, k 取1, , 6。則對于任意U 3, 設(shè)其位于k 區(qū), 則U 3可由U k 和U k +1兩矢量合成, 施加

14、時間分別T k 為和T k +1, 矢6量作用周期為T s 。為保證較高的矢量U 3合成精度, 如圖5所示, 采用雙三角形合成方案, 可以求得圖6開關(guān)函數(shù)波形表1各扇區(qū)開關(guān)矢量分配表扇區(qū)開關(guān)矢量0000000000000000000000000000000000004實驗結(jié)果根據(jù)上述方案, 采用雙閉環(huán)矢量控制, 外環(huán)采用PI 控制, 內(nèi)環(huán)采用空間矢量調(diào)制。主電路IG B T 采用富士公司的1200V 25A IPM 智能功率模塊6MBP 25RA 120, 內(nèi)部集成了驅(qū)動電路, 具有過壓、過流、過熱保護(hù)?？刂苹芈凡捎肨I 公司的TMS 320F 240作為主控芯片。交流側(cè)輸入電壓有效值100V

15、 , 頻率50Hz , 主回路電感L =6m H , R =0. 3, 直流側(cè)電容C =2200F , 直流側(cè)電壓U dc =250V 。開關(guān)頻率為10k Hz 。從圖7可看出穩(wěn)態(tài)時三相電壓型PWM 整流器交流側(cè)電流為正弦波且同電源電壓同相位、功率因數(shù)圖5U 3矢量的合成 第2期變換與控制盧劍濤等:基于電壓空間矢量的三相PWM 整流器控制研究17為1。圖8 顯示穩(wěn)態(tài)直流輸出電壓與給定值吻合。到一階慣性模型, 從而得到整個系統(tǒng)的頻域模型; 利用輸入電壓空間矢量定向, 根據(jù)參考電壓計算矢量所在的扇區(qū)和作用時間, 簡化了整個系統(tǒng)的計算; 最后的實驗結(jié)果驗證了控制算法的有效性。參考文獻(xiàn):1Wu R ,

16、 Dewan S B , Slemon G R. Analysis of an AC 2to 2DC voltage source converter using PWM with phase and amplitude controlJ.IEEE Trans , 1991, 27:3552364.圖7網(wǎng)側(cè)a 相相電壓和相電流波形2N invest 2tigation of a-regu 2lated PWM rectifier f ramesC.Proc. IEEE An 2Industrial Electronics Society , 1993:119321197.3張崇巍, 張興. P

17、WM 整流器及其控制M .北京:機圖8直流側(cè)輸出電壓波形5結(jié)論為達(dá)到三相電壓型PWM 整流器低諧波、高功率因數(shù)、快速動態(tài)響應(yīng)及能雙向流動的要求, 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), 得械工業(yè)出版社, 2003.4Chern 2Lin Chen , he 2Ming Lee , Rong 2Jie Tu , etal. ANovel Simplified space 2Vector 2Modulated Control Scheme for Three 2Phase Switch 2Mode Rectifier J .IEEE Trans. on Industrial Elec

18、tronics , 1999, 46(3 :5122515. 5張興, 張崇巍. PWM 可逆變流器空間電壓矢量控制技術(shù)的研究J.中國電機工程學(xué)報, 2001(10 :1022105. 6楊德剛, 劉潤生, 趙良炳. 三相高功率因數(shù)整流器的電流控制J.電工技術(shù)學(xué)報, 2004(4 :83287.行業(yè)信息超級電容器儲能關(guān)鍵技術(shù)研究通過驗收近日, 由中國科學(xué)院電工所承擔(dān)的“863”項目“可再生能源發(fā)電用超級電容器儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”通過專家驗收。驗收專家組聽取了項目工作匯報, 審查了項目提交的技術(shù)資料。認(rèn)為本項目完成了合同中規(guī)定的研究內(nèi)容, 研究開發(fā)出的超級電容器儲能系統(tǒng)樣機的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了合同中規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。超級電