单相PWM整流器矢量控制的研究

1、 合H3。它在提高系统耐压等级的同时,还可以有效降低交流谐波污染,从而改善网侧电流波形。近年来,国内外很多学者对单相三电平PWM VSR进行了研究,并应用于电力机车等实际系统中¨61。2.变流器组合变流器组合由多个电流型PWM整流器组成,主要应用于大电流等场合"3。其拓扑结构将独立的电流型PWM整流器进行组合,每个整流器均采用移相PWM控制技术,从而以较低的开关频率获得等效的高开关频率控制,即在降低功率损耗的同时,有效的提高了PWM整流器的电流、电压波形品质。3.软开关此外,在一些大功率PWM整流器的设计中,韩国学者In-Dong Kim E N对基于软开关(ZVS,ZCS

2、的拓扑结构和相应控制策略进行了研究阳1。这种结构克服了常规PWM变换器以强迫开关方式终端功率通量来变换功率时形成的脉冲电压和电流,致使功率器件承受过大的电压和电流应力等缺点。从理论上讲,软开关变换器的开关损耗小,电磁干扰少,输出直流电压稳定,然而这一技术距离普及应用还有一定距离,有待于进一步完善和改进。整流电路控制目的是要实现网侧电流正弦化,且与输入电网电压同相位,从而获得单位功率因数;系统的直流电压输出稳定,且动态响应快,稳态误差小;能量可在交直流两侧流动,系统能够四象限运行。现从网侧电流、直流侧电压以及系统控制这三方面,。对单相PWM VSR的控制策略进行阐述。1.网侧电流控制网侧电流的控

3、制目的是使网侧电流中谐波含量少,波形接近于正弦,相位与网侧电压相同。由于网侧电流将直接输入电网,因而单相PwM VSR 最终的控制效果很大程度上取决于内环电流的控制。根据是否选取瞬态交流输入电流作为反馈量,PWM整流电路的控制可以分为间接电流控制和直接电流控制两种,现分述如下:网电压不发生畸变,而在实际系统中,很多因素会引起电网电压的畸变,因而系统将对参数变化反应过于灵敏,鲁棒性差;再者,由于交流电流不作为直接的反馈控制量,系统缺乏自身的限流功能,还需要专门设计过流保护电路。因而,这种方法已逐渐被“直接电流控制”所取代。(2直接电流控制所谓“直接电流控制就是指构建电流控制环,从而直接对网侧电流

4、进行闭环控制,使系统动态性能得到明显改善。“直接电流控制”控制多采用直流侧电压外环、网侧电流内环的双闭环策略,其动态响应速度快,稳态控制精度高,鲁棒性好,因而得到广泛应用,是一种实用化的控制方式。比较常用的直接电流控制方案主要有预测电流控制、滞环电流控制、DQ轴电流同步控制等。现将上述方法做简单说明。1预测电流控制这种控制方法是基于系统微分约束关系,在一个开关周期对电流做出预测性控制,当开关频率较高时,可以电流的无差拍控制n们。通过采样电流的当前值与下采样时刻的预测值进行比较,求出使电流误差最小的控制电压,使下一采样时刻的电流以最优特性跟踪当前时刻参考电流。这种控制方法动态响应快,电流控制精度

5、高。其问题在于,受系统参数变化影响较大,稳态响应有一定静差;尤其是在开关频率较低时,电流相移增大,甚至可能将导致这种控制方法失败。2滞环电流控制滞环控制是一种非线性控制方案,其控制的基本理念是引入滞环控制器,将输入电流的控制限定在一定的容差范围内,当容差越小时,输入电流越接近于正弦,此时PWM脉冲的频率也会越高n3。这种控制方案的优点明显,网侧电流的畸变被限定在容差范围内,因此系统不受电网电压波动和负载变化的影响,鲁棒性好;此外,系统动态响应快,结构简单。其主要问题在于功率器件的开关频率不固定,而受直流侧负载影响。当重载时,系统开关频率显著增加,使得开关器件应力过大。为解决这一问题,可以采用滞

6、环宽度变化或自适应调节来得到大致固定的开关频率。3DQ轴同步PI电流控制单相PWM变流器的同步PI电流控制最早是由美国学者Michael J.Ryan与1997年提出,并应用于逆变器的交流侧电流控制中3。这种控制方法是以整流器在两相同步旋转坐标系(d-q下的数学模型为基础,将交流电流等效成直流量进行控制。由于单相系统只有一项网侧电流,因而需要找到一个与其正交的电流量,实现旋转变换。在该文章中,作者通过交流侧滤波电容的电流与4实际交流侧电流自然相差90度来构建正交电流量,并获得成功。在2002年,通用电气公司的学者Richard Zhang首次将旋转变换应用到单相PWM整流器中,并申请了相关专利

7、n引。文中,作者构建了一相与网侧电流正交的虚拟电流,从而进行旋转变换,达到DQ轴电流同步直流等效控制。DQ轴电流同步PI控制的关键点在于如何构建与网侧电流正交的虚拟电流。西班牙学者Joan Salaet对此进行了深入研究n副,提出了两种构建虚拟电流的方法,实现网侧电流的旋转变换并完成矢量控制,通过搭建单相三电平的样机对这两种方法进行比较;在此基础上,巴西学者U,A.Miranda将控制算法作出简化,提出了一种简化的电流控制策略,并通过样机证明了这种算法的可行性n41。2.直流侧电压控制直流侧电压控制目的是使PWM整流电路输出直流电压随给定指令变化,达到稳定和调节直流输出电压的要求。传统的直流侧

8、电压控制环多为系统的控制外环,采用PI调节器,将参考和反馈的差值作为调节器的输入,调节器的输出作为交流电流幅值的参考值。这种控制方式的优点是,控制机理清晰,易于实现,稳态性能好。然而,其问题在于电压环的响应速度远不及电流环,因而系统对指令值的响应不快,从而直接影响到网侧电流的控制;此外,在系统启动时,直流侧电压的超调也较大。近年来,国外学者对外环电压控制策略也进行了一定的研究,并将一些新颖的控制算法应用进来。现将研究成果简述如下:(2模糊神经网络控制模糊神经网络控制器是一种自调节控制器,它将模糊规则与自学习能力等优点结合在一起,是一种有巨大潜力和应用前景的智能控制方法。韩国学者YuenChung