基于坐標系下的pwm整流器直接功率控制器設(shè)計

基于坐標系下的pwm整流器直接功率控制器設(shè)計

隨著能源電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種能源電子系統(tǒng)、工業(yè)、交通、家庭等應(yīng)用于能源系統(tǒng)、工業(yè)、交通、家庭等領(lǐng)域。引入大量非正統(tǒng)供電，導致污染日益嚴重。當前諧波源主要是一些整流設(shè)備,如化工、冶金行業(yè)的整流設(shè)備和各種調(diào)速、調(diào)壓設(shè)備以及電力機車。傳統(tǒng)的整流方式通常采用二極管整流或相控整流方式,采用二極管整流方式的整流器存在從電網(wǎng)吸取畸變電流,造成電網(wǎng)的諧波污染,而且直流側(cè)能量無法回饋電網(wǎng)等缺點。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流側(cè)功率因數(shù)很低,因換流引起電網(wǎng)電壓波形畸變等缺點。這些整流器從電網(wǎng)汲取電流的非線性特征,給周圍用電設(shè)備和公用電網(wǎng)都會帶來不利影響。由于PWM整流器實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù),甚至能量可雙向傳輸,因而真正實現(xiàn)了“綠色電能變換”;同時由于PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)出受控電流源特性,因而這一特性使PWM整流器及其控制技術(shù)獲得了進一步的發(fā)展和拓寬,并獲得了更為廣泛和更為重要的應(yīng)用。本文設(shè)計的三相PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用直流電壓外環(huán)、功率控制內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu),根據(jù)交流源電壓及瞬時功率在預存的開關(guān)表中選擇整流器輸入電壓的控制開關(guān)量,實現(xiàn)有功功率和無功功率的合理調(diào)節(jié)。1基于信號轉(zhuǎn)換的發(fā)電機控制建立在瞬時值基礎(chǔ)上的三相電路瞬時——無功功率理論,能夠快速反映功率變化,TokuoOhnishi提出了一種將瞬時有功功率、無功功率用于PWM變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)中的新型控制策略。三相電路瞬時功率理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義,系統(tǒng)地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量。三相PWM整流器主電路如圖1所示,圖中ua、ub、uc為發(fā)電機出口三相對稱電壓,ia、ib、ic為三相線電流,Udc為直流側(cè)電壓,Rl為直流側(cè)等效負載,il為直流側(cè)等效電流,R和L為發(fā)電機三相繞組額定運行時的等效電阻和等效電抗,Va、V′a、Vb、V′b、Vc、V′c分別為PWM整流器三個橋臂的上、下管。Sa、Sb、Sc為整流器開關(guān)管的開關(guān)函數(shù),其中:Sa={10Va導通,V′a截止V′a導通,Va截止Sb={10Vb導通,V′b截止V′b導通,Vb截止Sc={10Vc導通,V′c截止V′c導通,Vc截止Sa={1Va導通,Va′截止0Va′導通,Va截止Sb={1Vb導通,Vb′截止0Vb′導通,Vb截止Sc={1Vc導通,Vc′截止0Vc′導通,Vc截止圖2所示,發(fā)電機出口為三相對稱電壓,由于采用交流側(cè)電壓預估策略,所以PWM整流器電源側(cè)沒有使用交流電壓傳感器(霍爾電壓傳感器),這樣在控制策略可行,且節(jié)省了硬件投資。瞬時有功功率與無功功率根據(jù)檢測到的電流ia,ib,ic及電壓ua,ub,uc進行計算,得到瞬時有功和無功功率的估算值p,q及三相電壓ua,ub,uc在固定αβ坐標系中的uα,uβ,p和q,與給定的pref和qref比較后送入滯回比較器輸出Sp,Sq開關(guān)信號,pref由直流電壓外環(huán)設(shè)定,qref也可設(shè)定為0,以實現(xiàn)單位功率因數(shù)。uα,uβ送入扇形選擇器輸出θn信號。根據(jù)Sp,Sq,θn在開關(guān)表中選擇所需的Sa,Sb,Sc,去驅(qū)動主電路開關(guān)。由(α,β)坐標系中:[pq]=[uαuβuβ?uα][iαiβ]=[iα?iβiβiα][uαuβ](1)[pq]=[uαuβuβ-uα][iαiβ]=[iαiβ-iβiα][uαuβ](1)所以[uαuβ]=1i2α+i2β[iαiβ?iβiα][pq](2)[uαuβ]=1iα2+iβ2[iα-iβiβiα][pq](2)而預估的瞬時有功功率p?p^和瞬時無功功率q?q^已知,則(α,β)坐標系中兩相電壓預估為:[u?αu?β]=1i2α+i2β[iαiβ?iβiα][p?q?](3)[u^αu^β]=1iα2+iβ2[iα-iβiβiα][p^q^](3)可得:???u?au?bu?c???=23√?????1?1203√2?12?3√2?????[u?αu?β](4)[u^au^bu^c]=23[10-1232-12-32][u^αu^β](4)采用瞬時有功功率為電壓矢量與電流矢量的標量積,瞬時無功功率為電壓矢量與電流矢量的矢量積,則p,q按下式計算:p=iTu=iαuβ+iβuβ(5)q=|i×u|=iβuα?iαuβ(6)p=iΤu=iαuβ+iβuβ(5)q=|i×u|=iβuα-iαuβ(6)Sp,Sq按下列規(guī)則確定:當預估的有功功率p?p^與有功功率的參考值pref之差超過滯回寬度Hp時,關(guān)閉有功功率開關(guān),即有功功率開關(guān)函數(shù)Sp=0;反過來,當有功功率的參考值pref與有功功率的預估值p?p^之差超過滯回寬度Hp時,即打開有功功率開關(guān),即有功功率開關(guān)函數(shù)Sp=1。同理,得出如下瞬時有功功率和無功功率的開關(guān)函數(shù):Sp={10p?＜pref?Hpp?＞pref+Hp?Sq={10q?＜qref?Hqq?＞qref+Hq(7)Sp={1p^＜pref-Ηp0p^＞pref+Ηp?Sq={1q^＜qref-Ηq0q^＞qref+Ηq(7)式中Hp,Hq為有功和無功功率滯回比較器的滯回寬度,Hp,Hq決定了功率控制精度,亦決定了開關(guān)頻率。2等效電路仿真在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)的仿真模型,并對系統(tǒng)進行仿真分析,驗證系統(tǒng)的性能指標以及控制策略的可行性。三相PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要有以下幾個部分組成:1)由三相橋(IGBT-Diode)組成的整流橋;2)交流側(cè)電感;3)交流側(cè)電流、直流側(cè)電壓采樣;4)瞬時有功和無功功率預估;5)直流側(cè)電容,負載;6)直流電壓PI調(diào)節(jié)模塊;7)DPC系統(tǒng)開關(guān)表;8)矢量相角計算,扇型選擇器。圖中,濾波參數(shù)、PI參數(shù)、IGBT器件參數(shù)、負載類型和大小都可在相應(yīng)的模塊屬性中定義。測量分析工具是用SIMULINK提供的模塊構(gòu)成,包括:輸出電壓、電流測量,輸入直流電壓測量,有效值檢測。系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)定如下:交流測電源電壓:Us=4002√cos(ωt)VUs=4002cos(ωt)V頻率:50Hz直流電壓給定值:Udc=720V直流測電容:Cdc=3300μF交流測電感:Ls=6mH交流測電阻:Rs=0.2Ω直流測負載電阻:R=5.18Ω根據(jù)檢測的三相電壓和電流的瞬時值,計算出瞬時有功功率和瞬時無功功率以及兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓矢量的相角,由計算的瞬時有功功率、無功功率與給定的有功功率無功功率進行比較后送入滯環(huán)比較器,根據(jù)瞬時有功和無功的開關(guān)函數(shù)Sp、Sq和電壓矢量的相角,送入開關(guān)表中選擇出PWM整流橋的三相開關(guān)模式U0(000)、U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)、U7(111),電源輸出的相電壓和相電流波形仿真結(jié)果如圖4所示。本文中的三相電壓型PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)中,直流母線電壓給定為720V。通過系統(tǒng)仿真分析,從直流母線電壓的仿真波形可以看出,系統(tǒng)的輸出電壓接近在540V左右滿足了系統(tǒng)整流的設(shè)計要求。PWM整流器DPC系統(tǒng)有功功率和無功功率仿真結(jié)果也表明,PWM整流器DPC系統(tǒng)的有功功率接近在100kW,無功功率輸出接近于0。3瞬時功率控制系統(tǒng)的設(shè)計本文設(shè)計的三相PWM整流器直接功率控制(DPC)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為直流電壓外環(huán)、功率控制內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu),根據(jù)交流源電壓及瞬時功率在預存的開關(guān)表中選擇整流器輸入電壓的控制開關(guān)量,實現(xiàn)有功功率和無功功率的合理調(diào)節(jié),其內(nèi)部省去了電流環(huán),減少了參