基于虛擬電網(wǎng)的三相電壓型pwm整流器直接功率控制策略

基于虛擬電網(wǎng)的三相電壓型pwm整流器直接功率控制策略

0gm整流器的應(yīng)用在可能源能源應(yīng)用的風(fēng)動(dòng)力發(fā)電技術(shù)中，永頻雙頻傳輸發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。由于電機(jī)的勵(lì)磁濾波裝置具有良好的輸入和輸出特點(diǎn)，同時(shí)也需要具有雙向功率流動(dòng)的能力，因此通常使用vm濾波。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,三相電壓型PWM整流器的控制方法已經(jīng)從最初的直接電流控制發(fā)展到基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換理論的定向控制方法,近些年又研究出了基于虛擬磁鏈的控制方法。引入的虛擬磁鏈無(wú)需檢測(cè)電網(wǎng)電壓,省去了交流電壓傳感器,同時(shí)提高了可靠性。本文對(duì)基于虛擬電網(wǎng)磁鏈直接功率控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析,并建設(shè)基于MATLAT/Simulink環(huán)境下的仿真模型,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。1基于虛擬磁鏈的直接功率控制系統(tǒng)1.1轉(zhuǎn)子軸線的繪制交流電機(jī)是一個(gè)非線性,多變量,強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。取三相定轉(zhuǎn)子軸線如圖1所示,并假設(shè)電壓、電流、磁鏈的正方向符合右手螺旋法則,可以取到繞組磁鏈的表達(dá)式為:?=L×I(1)1.2無(wú)電壓傳感器器模型圖2是PWM整流器的主電路,它與變頻器供電三相交流電機(jī)定子電路有著很大的相似性。PWM整流器中的電網(wǎng)電壓相當(dāng)于交流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì),電抗器的電感和電阻分別相當(dāng)于電機(jī)定子繞組的漏感和電阻。因此,可以將PWM整流器看成一臺(tái)無(wú)限大由變頻器供電、以同步轉(zhuǎn)速恒速運(yùn)行的、定子電阻和漏感分別為R和L的同步電機(jī)。設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡,忽略進(jìn)線電抗器和線路的電阻R,則PWM整流器在α-β坐標(biāo)系下的電壓方程為:式中:Sa,Sb,Sc是三相橋臂開(kāi)關(guān)函:Sk=0表示相應(yīng)橋臂下管導(dǎo)通,上管關(guān)斷,Sk=1為相應(yīng)橋臂上管導(dǎo)通,下管關(guān)斷;(k=a,b,c);uα,uβ,αi,iβ分別為三相電網(wǎng)電壓和電流的α,β分量。用式(2)直接進(jìn)行電網(wǎng)電壓估計(jì)可得到無(wú)電壓傳感器控制方法,但由于用到了電流的微分量,在實(shí)際控制中易放大噪聲引入干擾,難以實(shí)現(xiàn)。將式(2)的方程兩邊同時(shí)積分可得式中:Ψα,Ψβ分別為虛擬電網(wǎng)磁鏈的α,β分量。令U=uα+juβ,Ψ=Ψα+jΨβ則電網(wǎng)電壓空間矢量U超前于虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶喀冯娊嵌圈?2。如圖3所示,虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的目的。實(shí)際上就是虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置角θ的觀測(cè)。于是θ角的觀測(cè)可以轉(zhuǎn)化為虛擬磁鏈的α,β分量的觀測(cè)問(wèn)題。1.3虛擬磁鏈技術(shù)在傳統(tǒng)有電壓傳感器的直接功率控制中,通過(guò)電網(wǎng)電壓和電流的計(jì)算獲得系統(tǒng)瞬時(shí)功率。將虛擬磁鏈的概念引入到直接功率控制后,瞬時(shí)功率估算將由電流和虛擬磁鏈計(jì)算得出,因此可以省去交流電壓傳感器。有功功率p和無(wú)功功率q的表達(dá)式為:根據(jù)式(2),(3),(5)可得電網(wǎng)瞬時(shí)供給有功和無(wú)功功率分別為:2設(shè)計(jì)并實(shí)施了直接虛擬磁鏈電源系統(tǒng)2.1基于sab的電壓傳感解釋基于虛擬磁鏈的無(wú)電壓傳感器直接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。用三相橋臂的開(kāi)關(guān)函數(shù)Sa,Sb,Sc及直流側(cè)電壓Vdc,再估算出瞬時(shí)有功功率P和無(wú)功功率Q,扇形劃分由ψα,ψβ確定ψ的角度,由于電網(wǎng)電壓空間矢量U超前于虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶喀纂娊嵌圈?2,所以由得到電壓U的扇區(qū)信號(hào)θn,這樣就實(shí)現(xiàn)了省去電網(wǎng)電壓傳感器的目的。2.2兩個(gè)級(jí)聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)虛擬電網(wǎng)磁鏈的初始值難以用式(3)直接作積分來(lái)估算其值,否則會(huì)在估算出的虛擬電網(wǎng)磁鏈中引入與積分初值有關(guān)的直流偏置,導(dǎo)致坐標(biāo)系中的磁鏈軌跡將會(huì)是一個(gè)以相應(yīng)的直流偏置為圓心的圓,為了避免純積分帶來(lái)的問(wèn)題,文獻(xiàn)采用慣性環(huán)節(jié)取代純積分,觀測(cè)所得磁鏈雖然在一定程度上解決了上述問(wèn)題,但觀測(cè)結(jié)果只是近似值,存在幅值和相位誤差。為此,采用兩個(gè)級(jí)聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)代替純積分環(huán)節(jié)。由于正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)純積分之后相位滯后90。,幅值變?yōu)樵瓉?lái)的1/ω,因此只有當(dāng)兩個(gè)級(jí)聯(lián)慣性環(huán)節(jié)的作用效果與之相同時(shí),才能用來(lái)取代純積分。設(shè)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:式中:X(s)為輸入信號(hào);Y(s)為輸出信號(hào);τ為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。該慣性環(huán)節(jié)的相位滯后Φ和幅值增益G為:若采用兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)級(jí)聯(lián),且其時(shí)間常數(shù)相同,則級(jí)聯(lián)后相位滯后Φn=2和幅值增益Gn=2可表示為:為了得到積分效果,需要滿足:式中:Gc為對(duì)增益進(jìn)行的補(bǔ)償。由以上兩式可得級(jí)聯(lián)型慣性環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù):可見(jiàn)τ,Gc與角頻率密切相關(guān),但因電網(wǎng)的角頻率基本不變,故采用這種級(jí)聯(lián)型慣性環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)虛擬磁鏈觀測(cè),無(wú)需實(shí)時(shí)計(jì)算τ和Gc,減少了計(jì)算量。3負(fù)載突增工況根據(jù)以上的分析,按著圖4利用MATLAB/Simulink工具箱,建立仿真模型。為了體現(xiàn)系統(tǒng)的控制特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真,在0.15s的時(shí)候突增負(fù)載。仿真結(jié)果如圖5(a)、(b)、(c)所示。由圖5可知,(a)(b)中相電壓與相電流相位差很小,基本同相位,且具有較快的的動(dòng)態(tài)響應(yīng),有功和無(wú)功功率脈動(dòng)較小;在負(fù)載突增工況下,電流波形具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖(c)母線電壓穩(wěn)定在給定值,具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。4dpc技術(shù)