三相電壓型脈寬調制整流器的開關矢量表

三相電壓型脈寬調制整流器的開關矢量表

0相電壓型dm整流器的dpc控制其他應用直接功率控制是快速控制三相電壓脈寬電源的有效方法，包括三個相的電壓矩陣（pm）。直接功率(directpowercontrol,DPC)控制系統(tǒng)的控制對象中不僅含有交流側電流的信息,還含有電網電壓的信息,能夠實現(xiàn)對變換器與電網交換的有功功率和無功功率進行快速高效地控制,同時,DPC還有算法簡單、動態(tài)響應快、不受坐標變換影響等特點,特別適合于有源電力濾波器、背靠背電力變換和電機調速系統(tǒng)中的整流器等對動態(tài)性能要求很高的應用場合,能充分發(fā)揮三相電壓型PWM整流器的網側電流低諧波、高功率因數(shù)、能量雙向流動及恒定直流電壓控制等優(yōu)勢。國內外學者對PWM整流器的直接功率控制進行了卓有成效的研究。傳統(tǒng)采用滯環(huán)比較器的DPC控制系統(tǒng)中,開關矢量表是核心,對控制效果的影響最為明顯。絕大多數(shù)文獻中的DPC控制均采用了文獻提出的空間劃分方法和開關表,但對其調制機制,各文獻中要么未做分析,要么僅利用空間矢量圖進行大致的定性分析。本文根據(jù)瞬時功率理論,在推導兩相旋轉坐標系下的功率數(shù)學模型的基礎上,通過分析開關函數(shù)在兩相旋轉坐標下的表達式,研究每個開關矢量在矢量空間中對有功功率和無功功率的作用,給出三相電壓型PWM整流器DPC調制機制的數(shù)學分析,得到一種新的空間劃分方法,并基于這種空間劃分方法推導一套嚴格符合矢量作用的新開關表。將這種新開關表與傳統(tǒng)開關表及其他文獻中優(yōu)化后的開關表進行對比可發(fā)現(xiàn),采用其他開關表的DPC控制效果都可以從中得到一定的解釋。通過一系列對比仿真和實驗分析可知,采用這種新的空間劃分方法和新型開關矢量表的直接功率控制系統(tǒng)獲得了很好的有功、無功功率控制效果,提高了穩(wěn)態(tài)交流電流波形,從而驗證了本文對三相PWM整流器DPC調制機制分析的正確性。1基于thou檢測器的dpc控制機制1.1兩相旋轉dq系統(tǒng)模擬三相電壓型PWM整流器主電路的拓撲結構如圖1所示。圖中:usa、usb、usc分別為三相電網的相電壓;L為交流側電感;ia、ib、ic分別為變換器的交流電流;udc為直流側電容上的電壓;iL為負載電流。根據(jù)三相瞬時功率理論,系統(tǒng)的瞬時有功功率p和無功功率q在兩相旋轉dq坐標系中可計算得式中:usd、usq分別為電網電壓矢量在d、q軸上的投影分量;id、iq分別為交流電流矢量的d、q軸分量。一般情況下,三相電網基本平衡,可以忽略usq。以有功、無功功率為狀態(tài)變量的兩相旋轉坐標系下的整流器數(shù)學模型為式中Sd、Sq分別為d、q坐標系下的變換器開關函數(shù)。為了簡化分析,考慮額定工作情況,忽略一些相對較小的量,可以得到有功、無功功率變化率的表達式:根據(jù)式(3),功率變化率的大小與dq坐標系下的開關函數(shù)Sd、Sq有關,需要對它們進行定量分析:式中Sa、Sb、Sc分別為三相ABC坐標系下的變換器開關函數(shù)。其取值為將上面的三相開關函數(shù)代入式(4),可以得到各開關矢量對應的有功、無功開關函數(shù),如表1所示。1.2開關矢量對無功功率的作用根據(jù)式(3),分析各矢量對于有功功率控制的影響,以開關函數(shù)V1的作用為例,將相應的Sd帶入式(3)中,得式中為恒功率坐標變換條件下非零矢量的模長,記為。由于,可以將看作是某個第一象限角度θ的余弦值,即將式(6)代入式(5)得令式(7)等于0,構造方程如下:ωt=θ和ωt=-θ是式(8)的2個根。當sin[(ωt+θ)/2]與sin[(ωt-θ)/2]異號時,式(7)為正值,有功變化率為負數(shù),此時有功功率減小;當2者同號時,有功功率增加。所以,V1對有功功率的作用將矢量空間分成不相等的2個區(qū)域,且2區(qū)域的分界線也是不固定的,其他矢量的作用也可以用相同的方法推導得出。各矢量對有功功率作用的方向區(qū)域如圖2所示,兩區(qū)域的分界線為式中k為非零矢量編號。由圖2可知,同一個開關矢量對有功的增、減調節(jié)能力是不同的。dp/dt的最小值為,而最大值為,故開關矢量增加有功功率的能力強,減小的能力弱些。同時,進行增加有功的調節(jié)時,可選的開關矢量會更多一些。根據(jù)圖2,6個開關矢量的作用范圍將整個矢量空間分成了如圖3(a)所示的12個區(qū)域,且這12個區(qū)域并不相等。由式(6)可知,θ=π/2時,udc無窮大;當θ=π/6時,udc接近不控整流時直流母線電壓值。這2種情況是udc的兩種極限情況,所以θ的取值范圍為θ=π/6~π/2。當θ=π/2時,圖3(a)可以簡化為如圖3(b)所示的6扇區(qū)圖。1.3同保理劑中無功功率變化率的符號根據(jù)表1,將各個開關矢量對應的Sq表達式代入式(3)之中,并令無功功率的變化率為正和為負,分別構造不等式,可得到在不同扇區(qū)中無功功率變化率的符號。根據(jù)開關矢量對無功功率的作用,每個開關矢量都將矢量空間分成相等的2個區(qū)域,如圖4所示。綜合來看,與對有功功率不同,開關矢量對無功功率作用方向的分界線為三相靜止坐標系ABC軸,且同一個非零開關矢量對于無功的最大增、減調節(jié)能力是對稱的。根據(jù)不同矢量對無功功率的作用方向,可把整個矢量空間分成基本相等的6個扇區(qū),如圖5所示。1.4多矢量區(qū)分帶對功率的調節(jié)作用將圖5和圖3(a)所劃分的區(qū)域進行疊加,可得到各開關矢量對功率作用的完整區(qū)域圖,如圖6(a)所示,矢量空間被劃分成18個扇區(qū),為上文方便比較分析,將各扇區(qū)作如圖6(a)的命名。如果將圖5和圖3(b)所劃分的區(qū)域進行疊加,就可以得到傳統(tǒng)的12扇區(qū)圖,如圖6(b)所示。通過上文的分析可知,傳統(tǒng)的矢量空間扇區(qū)劃分只是18扇區(qū)的一種極限情況,PWM整流器正常工作時是不可能達到的。根據(jù)圖6(a)的扇區(qū)劃分方法,分析各矢量在各扇區(qū)中對功率的調節(jié)作用,可以得到表2所示的在不同扇區(qū)對有功和無功功率的作用(僅給出了V1、V2的作用,其它矢量的作用可以依此類推)。表2中,“+”表示該矢量對功率是增加的作用;“++”表示該矢量對功率的增加作用很強;“-”表示該矢量對功率是減小的作用。根據(jù)表2可以歸納出嚴格遵循各矢量對功率作用的通用開關表,如表3所示,Sp和Sq分別為有功和無功滯環(huán)控制器的輸出。根據(jù)表2可知,Sp=1項中的矢量可以有多種選擇,表3中所選的矢量其實是滿足作用方向且作用力最小的開關矢量。表3中,帶方框的矢量是一種近似的選擇,因為表2中該扇區(qū)沒有符合條件的矢量,只有用效果最接近的開關矢量(即帶框矢量)來代替。1.5最優(yōu)設計為了分析的簡便,式(3)中忽略了幾項變量,主要有:R×p/usd、ωLq/usd、ωLp/usd、Rq/usd,若考慮正功率因數(shù)穩(wěn)態(tài)運行情況,所有的變量均可用其給定值來代替,令q=0,再忽略交流側阻抗R,則只剩ωLp/usd一項,該項主要是對無功功率的變化率研究產生影響。如果不忽略ωLp/usd,令無功功率變化率為0,則有根據(jù)功率平衡,可以求出使變化率為零的Sq取值式中Io為直流負載電流。忽略ωLp/usd的影響由輸出負載電流Io和電網電壓的幅值usd共同決定,電網電壓的幅值越小、負載電流越大,則忽略ωLp項的影響也越大。所以在輕載情況下,忽略該項的影響很小,而當滿載時,就會有一些誤差。例如,取Io=15A,角度誤差為3.39°,相對誤差率不到1%(3.39/360),所以這種分析方法在一般情況下是適用的。2試驗結果和討論利用Matlab/Simulink7.0仿真平臺對DPC數(shù)字控制系統(tǒng)進行模擬實驗,所有的信號均進行了離散化和規(guī)格化處理。文獻提出的傳統(tǒng)開關表記作SVT1,文獻提出的優(yōu)化后的開關表記作SVT2,本文提出的通用開關表記為NEWSVT(表3)。將這幾種開關矢量表進行對比分析如下:1)SVT1與NEWSVT主要區(qū)別是,在Sp=1的情況下矢量的選擇不同,甚至在Sp=1&Sq=1時SVT1全部選用的是零矢量,零矢量雖然能夠增加有功功率,但對無功的調節(jié)能力很弱,且調節(jié)方向不確定,所以過多的使用零矢量是導致無功功率波動、電流波形不好的主要原因;2)SVT2所選的矢量即使按照本文提出的18扇區(qū)來劃分,也是能實現(xiàn)相應的Sp和Sq要求的,只是SVT2選用的矢量對有功功率作用強度比NEWSVT中相應位置的要大一些,這種開關表的開關頻率比其它2個都要高。圖7~8分別為使用開關表SVT1、SVT2和傳統(tǒng)的12扇區(qū)劃分方法這2種方案的電流波形和功率誤差,圖中,M為幅值,f為頻率。圖9為采用本文提出的NEWSVT開關表和18扇區(qū)劃分空間的相應波形。由圖7~9中可知,SVT1方案中的無功功率誤差存在周期性波動,已經超出所設置的滯環(huán)環(huán)寬值,且電流波形存在較大的低次諧波分量;SVT2方案中無功功率誤差雖然被限制在滯環(huán)環(huán)寬內,但由于在Sp=1時選用的開關矢量的作用力過強,導致有功功率的誤差平均值為負數(shù);本文提出的方案中,電流波形的諧波含量是最低的,瞬時有功功率的控制效果最好,無功功率也能控制在滯環(huán)環(huán)寬(設置為400var)左右。3新型同步電流控制的測試本文在一臺三相PWM整流器設備上進行了相關實驗,設備的主電路實驗參數(shù)如表4所示。圖10為使用傳統(tǒng)12扇區(qū)劃分和傳統(tǒng)開關表得到的交流側A相電壓電流波形及電流的頻譜分析圖,采樣頻率50kHz。由圖10可以發(fā)現(xiàn),電流波形存在明顯畸變現(xiàn)象,低次諧波的含量也比較高。圖11是同樣采樣頻率下,使用本文提出的新型空間劃分方法及通用開關表得到的A相電流波形,對比圖10,可以明顯地看出波形更加平滑,幾乎沒有畸變,總諧波畸變率(totalharmonicdistortion,THD)也有明顯改善。為驗證直接功率控制在動態(tài)性能上的優(yōu)勢,對比采用PI控制的直接電流控制(directcurrentcontrol,DCC)系統(tǒng)的三相PWM整流器系統(tǒng)的突加負載實驗。DCC采樣頻率為9.6kHz,2個系統(tǒng)的控制器參數(shù)盡量保持一致。對比圖12、13,從空載到2kW突加負載,DCC系統(tǒng)的響應時間超過125ms,遠大于直接功率控制的95ms。4創(chuàng)新的量表添加方式直接功率控制是一種結構簡單實用、動態(tài)控制效果理想的控制方法,非常適用于三相電壓型PWM整流器的控制,它包含功率估算、滯環(huán)比較和開關表構建3個主要部分,其中又以開