基于矢量控制的直接功率控制

基于矢量控制的直接功率控制

1控制策略分析自tkotariot等人提出采用vmm控制改善整流器輸入波形以來，vmm全流器以其良好的性能成為研究的熱點。目前對PWM整流器的研究重點集中在電壓型整流器上,其具有拓撲結(jié)構(gòu)非常簡單、動態(tài)響應迅速的特點。三相電壓型PWM整流器的控制技術(shù)有很多,PWM整流器的高性能控制策略主要分為矢量控制和直接功率控制(DPC),分別與電機控制的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制相呼應?；诙ㄏ虿呗缘牟煌?每種控制策略又分為基于“電網(wǎng)電壓定向”和基于“虛擬磁鏈”兩種。目前常用的控制策略是矢量控制,對于DPC的應用尚處于嘗試階段。DPC具有響應快、算法簡單的特點。傳統(tǒng)的DPC采用bang-bang控制,存在開關(guān)頻率不固定等缺點,將DPC控制和空間矢量脈寬調(diào)制算法(SVM)的思想相結(jié)合,兩者的優(yōu)勢互補,同時克服了傳統(tǒng)DPC開關(guān)頻率不固定的缺點,并利用電網(wǎng)電壓虛擬磁鏈定向技術(shù)對傳統(tǒng)的DPC控制進行改進,使其可以在工業(yè)中應用。2電平整流器數(shù)學模型圖1示出中點箝位型的三電平PWM整流器主電路。Si1~Si4(i=a,b,c)為整流器的開關(guān)函數(shù);Udc為直流側(cè)輸出電壓;Ls,Rs為整流器交流側(cè)電感和等效電阻;RL,L為直流側(cè)等效負載電阻和電感;Uup,Udown分別為直流母線上下電壓。在推導三電平整流器數(shù)學模型前,先假設(shè):(1)公共電網(wǎng)三相對稱,剛性且穩(wěn)定,為理想平衡電壓;(2)主電路開關(guān)元件為理想元件,其通斷控制由開關(guān)函數(shù)來描述;(3)直流側(cè)負載為等效負載。遵守功率不變的原則,經(jīng)過Clark變換和Park變換將三相a,b,c坐標系中系統(tǒng)變量變換到d,q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系中。經(jīng)過變換后,三相電壓型PWM整流器在d,q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學模型為:式中:udr=S1dUup-S2dUdown;uqr=S1qUup-S2qUdown;ud,uq,id,iq為電網(wǎng)電壓、電流變換到d,q坐標上的量。3dpc-svm溫度控制原理3.1瞬時功率的測定為實現(xiàn)對功率的實時控制和調(diào)節(jié),不能采用常規(guī)的平均功率計算法,應采用瞬時功率。根據(jù)1983年提出的三相電路瞬時功率理論可求得功率在d,q軸的表達式為:因為ud=-ωΨβ,uq=ωΨα,可將功率表達式寫成磁鏈與電流的關(guān)系,即:3.2同步速旋轉(zhuǎn)d對整流器在d,q坐標系下的數(shù)學模型式(1)進行處理,將其變成PWM整流器的功率數(shù)學模型,處理過程如下:式中:Ψm為相電壓的幅值。為實現(xiàn)高質(zhì)量控制,可采用電網(wǎng)虛擬磁鏈定向矢量控制,坐標變換關(guān)系如圖2所示。將同步速旋轉(zhuǎn)d,q坐標系的d軸定向于電網(wǎng)電壓虛擬磁鏈矢量Ψ方向上,θ=ω1t為d,α軸的夾角。磁鏈的d,q軸分量為:Ψd=Ψm,Ψq=0。則式(4)可寫成:上式比較直觀地反映了VF-DPC-SVM的控制原理,由此可得VF-DPC-SVM的控制框圖,如圖3所示。通過對直流母線電壓Udc的控制產(chǎn)生出有功參考電流i*sq,它與Udc的乘積作為有功功率的參考量p*,若要實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制無功功率參考矢量q*=0,p,q的實際值根據(jù)上述提到的瞬時功率計算方法算得。4抗擾動性能測試利用Matlab7.6.0工具進行仿真研究,參數(shù)如下:交流側(cè)線電壓660V;Rs=0.1369Ω;Ls=0.7mH;輸出直流母線電容C1=C2=7000μF;額定輸出電壓Udc=1.1kV;開關(guān)頻率fn=2kHz。在0.01s啟動整流器,空載運行,0.2s切入負載(125kW),0.5s加載(250kW),0.8s減載(125kW),通過對切入負載和加載過程的仿真來測試系統(tǒng)的抗擾動性能。由仿真波形可見,Udc在很短的時間內(nèi)就重新達到穩(wěn)定;在輸出功率突變時,有功功率動態(tài)響應迅速,而由于有功功率和無功功率的解耦效果比較好,無功功率幾乎沒有變化。基于DSPTMS320F2812對系統(tǒng)進行實驗,實驗參數(shù):交流側(cè)線電壓660V;Ls=0.8mH;C1=C2=5000μF;Udc=1.8kV;fn=2kHz。圖4a,b為負載變化時三電平整流器在SVM-DPC下的有功、無功功率給定及反饋波形。由圖可見,SVM-DPC控制下的三電平整流器有功功率和無功功率響應迅速,內(nèi)環(huán)具有良好的動態(tài)性能。圖4c,d為SVM-DPC控制下的三電平PWM整流器在負載階躍下的響應波形,θ為虛擬磁鏈觀測器輸出角度,ia,ua為后端整流器網(wǎng)側(cè)a相電流、電壓。由圖可見,從負載階躍變化開始直至Udc穩(wěn)定只需約60ms。對比兩組波形可見,對于三電平PWM整流器,采用SVM-DPC擁有比直接電流控制更為優(yōu)異的直流母線電壓控制能力,也即其動態(tài)響應性能更優(yōu)秀。5電流諧波小,功率控制,頻率穩(wěn)定,穩(wěn)定性差提出的三電平PWM整流器的定頻直接功率控制算法實現(xiàn)了單