电压型PWM整流器直接功率控制研究

1、第23卷第5期辽宁工程技术大学学报2004年10月、,01.23NO.5Jounlal of Liaoning TechIlical UIliversityOct.2004文章编号:10080562(200405065803电压型PWM整流器直接功率控制研究王久和1,一,李华德1,李正熙3(1.北京科技大学信息工程学院北京100083;2.北京信息工程学院信息与通讯工程系,北京10010l;3.北方工业大学机电工程学院北京100041摘要:介绍了三相电压型删整流器直接功率控制(DPC系统的组成与原理,分析了开关表的形成机理。通过建立基于MA耵.AB,simulink环境下的仿真模型,对系统进行

2、了仿真研究,结果表明DPC系统具有良好的动态性能。DPc系统与现行的电流控制策略相比,无需复杂算法和PwM调制模块,可实现高功率因数、低谐波干扰;因此,DPC系统值得进步开发和研究。关键词:PwM整流器;直接功率控制;瞬时功率:开关表;仿真中图分类号:咖4文献标识码:AResearchondirect power con仃ol for mree phase boosttype pwm rectifierswANG Jiu-heL2,LI Hua.del,LIzheng.岔(1.Couege of InfomationEn画I帕e血g,B蜘iIIg Science and瞰hnolo留Unive

3、两tyBeijing 1伽083,China;2.mIpt.of IIIfo瑚a廿衄Engil玳血岛B蜘illg hfom埝如n Technolo留Ins6tIIte,B蝴ing 1帅101,Chjna;3.Dept.of Mech蛐ic啦柚d聊tric出Engin血gNorm China UlliVe商锣of Technology,B蝴ingl伽阳141,ChinaAbstract:rnle anicle in仃oduces ttle direct power con卸l(DPCp血cipleaIldcons劬tion for慨e-phase呐st-type PWM rectifiers a

4、nd analyses switching table.DPC system is researched by simulalion model basedonM棚,AB,siHmliIlk.SiInulation resultsshow tllat DPC system has good dynaIIlicspe哟mallces.Comparedwimconventionalcurrenti衄er loopcon仃ol,direct power conol for mreephaselree boost.trpe rectifierscanrealizehighpowerf如toraIld

5、lowh锄onic distomon wimout comple【ity a培oritIllns a11d PWM mdulation mIDdel.SoDPC need缸曲er deVelo胛nt aIld research.Keywords:PWM rectifier;directpower con仃ol;instantaIleous power;switclling切ble;simulation引言由于删整流器具有能量双向流动、恒定直流电压控制、低谐波输入电流、单位功率因数的优点,在工业中获得了广泛应用。现行的电压型删整流器控制策略为电流控制策略,其控制系统结构为直流电压外环、交流输入电

6、流内环的级联结构,并需PWM调制模块和复杂的算法。对此,本文研究PWM整流器的直接功率控制(DPC策略。DPC系统结构为直流电压外环、功率控制内环结构,根据交流源电压及瞬时功率在预存的开关表中选择整流器输入电压的控制开关量,实现高性能整流。对此先介绍三相电压型PWM整流器DPC系统的组成原理,再利用Simulink构成仿真模型,研究电压型删整流器直接功率控制性能。1PWM整流器DPc系统的组成与原理1.1三相电压型P删整流器的数学模型三相电压型刚整流器主电路如图1所示,图1中,%,为三相对称电源电压;屯,拓,fc为三相线电流;&,&,&为整流器开关管的开关信号,S(/=口,6,f=l(上桥臂开

7、关管导通,下桥臂开关管关断,S产0(下桥臂开关管导通,上桥臂开关管关断;%为直流电压;月,三为滤波电抗器的电阻和电感;C为直流侧电容;曰c为负载;,%,%为整流器的输入电压;屯为负载电流。攻稿日期:2003.1m25基金项目:北京市重点自然科学基金资助项目(Kz200410005005第5期王久和等:电压型删整流器直接功率控制研究659蚓l三相电压型PWM整流器主电路三相电压型PwM整流器在筇坐标系下的数学模型:二=R乏+L昙乏+孑:;或“咄+L詈c警邓“脚吼(2耻去(2跏&一&芦2老(弘&1.2三相电压型P洲整流器DPC系统组成原理文献2】中介绍了DPC系统组成,采用了无电压互感器方案,这种

8、方案虽然简化了硬件,但影响系统的性能3】;文献4】中DPC系统采用电压互感器方案,获得了良好的性能。因此文章采用有电压互感器方案,见图2。图2中略去曰的影响。瞬时有图2DpC系统组成Fig.2b10ckdiagram of DPC system功与无功功率根据检测到的电流屯,如,fc及,%,进行计算,得到瞬时有功和无功功率的估算值p,口及三相电压,蚴,在固定筇坐标系中的,坳。p和g与给定的p阿和g阿比较后送入滞回比较器输出品,品开关信号,附由直流电压外环设定,q。r设定为o,以实现单位功率因数。,坳送入扇形选择器输出巩信号。根据品,品,纯在开关表中选择所需的&,&,&,去驱动主电路开关管。(1

9、功率计算及品、&确定采用瞬时有功功率为电压矢量与电流矢量的标量积,瞬时无功功率为电压矢量与电流矢量的矢量积,则p、g按下式计算【5】p=Z 1况=如“口+f卢“卢(3g=ff“!=fTg2lf“l=frr“知z气一乞M卢r=I:11l4昂、品按下列规则确定11s,:;:三:,s。=三三;乏二暑:c5,式中%、%为有功和无功功率滞回比较器的滞回宽度,%、凰决定了功率控制精度,亦决定了开关频率。为实现电源电压空间矢量位置的选择,由比o,坳确定“的幅角日=arctan卫,根据口确定口“口的位置。为优化整流器输入电压矢量把输入空间分为12个扇区,以由(n一2孚en一1导确定,oo,l=1,2, (12

10、(2开关表的确定开关表是根据式(3及巩确定DPC系统所需的开关状态,即&、&、&的取值。&,&,&的取决于所需的“,;“,为离散值%,ul,.,%,其值由&,&,&及魄决定,即%S。=00011l对应于砜研,即%(000,Ul(100,醍(110,地(010,砜(011,珧(001,玩(101,坼(111,其分布如图3所示。设“在鼠(一300900区域,为与p硝相应的电流矢量,当甜时,J滞后并小于厶,p勺妒g鼋妒即垆1、蹄O,则选择“,使f趋近于,亦p趋近于p妒q趋近于口妒由式(3,略去尺的影响,可得1f-f(o+l。-甜,d,(6L“式(6中,f(0可,当蜥选择玩(101时,f将沿着H一蜥方

11、向趋近厶,则确定&曲耻10l。f在其他位置可同样进行分析。另外,适当的引入零空间矢量%(000或协r111,可增加功率传输能力。于是得到开关表见。表1。2DPC系统仿真根据式(1式(5、表1,按着图1构建了三市P辽宁工程技术大学学报第23卷衰l VD-D陌开关裹hb.1VCI.肿C S稍叫妇g“bk, l0 l l O O O ll护2护,护乎56护7护护9护lO口ll12 lOl lll10llO Ill0lO0Oll llll Olll lll001ll11l O耵lll lll耵OlOl ll1lO1lO OlO010011Ollll10l lllO1lO OlO010011Ollll1

12、0l lOl1茎妥雹脚霉罂备鬟繇蔷耋耋臀督罄臀枢眠J l魄刀.系二NW:/MAn。AB/Simulinl【环境下的仿真模型。仿真参数:现=玩=U85V电源频率.卢5班Iz,埘InH,R=0.1Q,岱2200皿j5i萨1晚,%萨200萨20A。在SiInuUllI【环境下的仿真模型对系统进行了仿真,从启动暂态到稳态的仿真结果如图4所示;由图4(a可知,屯经历两个周期(40ms的暂态后进入稳态,稳态时与厶同相位,且屯非常接近正弦波;由图4(b可知,直流输出电压经历4周期进入稳态,即稳定在给定值砌耐;由图4(c可知,p经历4周期进入稳态,即稳定在给定值p。留经历1.5周期进入稳态,即稳定在给定值。并

13、接近于0。从图4(a、图4(c可以看出,相电流非常接近正弦波,网侧功率因数非常接近于1。作者对系统稳态时受负载电流冲击进行了仿真,结果屯在受80A负载电流(为额定负载电流的4倍的短时冲击及受10A轻载电流短时影响后经过暂短调节恢复到原来稳态值。图3输入电压空间和蜥.3i删V蛳s渺and deciding一3结语(c图4DPC系统从启动暂态到稳态仿真曲线Rg.4siI眦lalicurve ofDPc sy咖m蛐g蛳毗电压型PWM整流器直接功率控制系统基于(1DPC系统功率环只对瞬时功率标量值进行动态比较,只利用预存好的开关表,将功率及时调整到给定值;从而实现高功率因数、低谐波干扰、动态性能好;同

14、时具有结构和算法简单、无PWM 调制模块。其不足是开关频率较高且变化,可采用自适应空间矢量调制方式【36】予以解决。因此,直接功率控制是电压型PWM整流器较为完善的控制策略,值得进一步开发和研究:(2通过计算机仿真,可以看出DPC系统具有良好的性能。参考文献:【l】张崇巍张兴.删整流器及=剃空制咖.北京:机I龇出版牡20.【2】T0shihi】ko N强-cM。硒删岫nmiki,Seiji Kmdo.IsTakahashi.Dirt 碡A哪盯C嘲扛Dl of p啊M Cv哪苗砌出t Pc嗍雕咚伽fa萨Senso略啪.哑Tra璐蚰h由ls舡y Ap删ca勘璐,1998,34(3:473.479.

15、【3】M越ill配M.Sc啪innowski.sc璐ode懿Cm拄ol S劬瞳egies for1协PhaPwM蒯叫D】.P0land:wj璐删Univ懿酊of钕删哪2001.【4】Ge泖do Eob虬Aleks柚darM.StallkovicJun.M.Cam。Eduardo GalV峨a耐鼬啪帆ga.Anm灿and Design of D嘲n愀r加同卿l研a衄Phase Synch妒璐黜施Via Ql吣RegIllali咂su嘲撙燃【J】.m睡殛啦吼Pbw盱ElecI埘血s,2318(3:823830.【5】李培芳,孙士乾.三相电路瞬时电流,功率的分解与Pafk空间分析【J】.浙江大学学报

16、(工学版,2l,35(1:l16.【6】M峨M岫傅M砸m E&I岫K触D印i瑚啊即点蜘西西I呶pc喇茸锄d州mn咖噍翱啦蛐g矗II嘲h血嘲H山姻哇豫fM壕斌酬.瑁。(烈珈02【q.&vmaS呻,2002.19蚰. 电压型PWM整流器直接功率控制研究作者:王久和, 李华德, 李正熙作者单位:王久和(北京科技大学,信息工程学院,北京,100083;北京信息工程学院,信息与通讯工程系,北京,100101, 李华德(北京科技大学,信息工程学院,北京,100083, 李正熙(北方工业大学,机电工程学院,北京,100041刊名: 辽宁工程技术大学学报(自然科学版英文刊名:JOURNAL OF LIAONI

17、NG TECHNICAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION年,卷(期:2004,23(5被引用次数:9次参考文献(6条1.张崇巍.张兴PWM整流器及其控制 20032.Toshihiko Noguchi.Hiroaki Tomiki.Seiji Kondo.Isao Takahashi Direct Power Control of PWM Converter Without Power-Source Voltage Sensors 1998(033.Mariusz M Sc Malinnowski. Sensorless Control Strategie

18、s for Three-Phase PWM Rectifier 20014.Gerardo Escobar.AleksandarM Stankovic,Juan. M.Carraso,Eduardo Galvan, and RomeoOrtega. Analysis and Design of Direct Power control (DPC for a three Phase Synchronous Rectifier via Output Regulation Subspaces 2003(035.李培芳.孙士乾三相电路瞬时电流、功率的分解与Park空间分析期刊论文-浙江大学学报(工学版

19、 2001(016.Mariusz.Malinowgki.Marian P Kazmier Kowski.DSP implementation of direct power control with constant switching frequency for three-phasePWM nectifiers 2002相似文献(10条1.期刊论文赵葵银.杨青.唐勇奇.ZHAO Kuiyin.YANG Qing.TANG Yongqi基于虚拟磁链的PWM整流器的直接功率控制-电力自动化设备2009,29(2三相PWM整流器的直接功率控制(DPC比电压定向控制(VOC的动态响应要快,并具有

20、良好的抗干扰性能.提出一种新的基于虚拟电网磁链的三相电压型PWM整流器DPC策略.分析了PWM整流器工作原理,建立了电压型PwM整流器在-、d-q坐标系中的数学模型,并在此基础上,通过应用虚拟磁链概念,提出了三相电压型PWM整流器在-、d-q坐标系中的虚拟磁链模型.由于通过估计虚拟磁链来计算无功与有功功率,因此可省略三相PWM整流器的电网侧电压传感器,该控制系统的结构为直流输出电压外环,功率控制内环.仿真结果表明:与传统的DPC方法相比较,基于虚拟磁链的三相PWM整流器DPC系统结构简单,能有效减少传感器的数量,且抗干扰能力强,电网输入电流的畸变较小,具有更好的瞬时功率动、静态控制特性.2.期

21、刊论文许伯强.张晓锋.Xu Boqiang.Zhang Xiaofeng基于新型开关表的PWM整流器直接功率控制-电力科学与工程2009,25(8提出了一种新型的直接功率控制策略,改善了PWM整流器的传统直接功率控制的性能.通过对传统直接功率控制的分析,推导出一个新的开关表,可以显著地改进PWM整流器的无功功率控制性能.MATLAB仿真验证了这种新型的直接功率控制可以有效降低电流谐波总畸变率,提高无功功率的可控性,有效提升了PWM整流器的性能.3.学位论文殷振环PWM整流器直接功率控制研究2009PWM整流器具有输出电压恒定、实现单位功率因数运行的特点,甚至可以实现电能回馈电网,真正实现电能的

22、“绿色变换”,提高电能的传输和利用效率,从而解决电网“污染”的问题。符合风力发电并网发电系统的要求,本文首先对PWM整流技术的现状进行了分析,介绍了当前比较新颖的PWM整流器控制策略,并介绍了PWM整流器在风力发电中的应用。文章从理论分析,仿真建模,实验验证三个方面对控制系统进行了研究。文章主要研究电压定向直接功率控制(VO-DPC和虚拟磁链定向的无电压传感器直接功率控制(VFO-DPC控制策略,阐述了PWM整流器工作原理及其数学模型,分析了电压定向直接功率控制(VO-DPC系统的组成,并在传统开关表的基础上,对开关表进行改进,并提出了三状态开关信号的控制策略,控制效果得到了改善。从仿真、实验

23、进行对比分析,验证了其可行性。引入了虚拟磁链的概念,根据直流电压,交流电流和整流器开关状态估算虚拟磁量,给出了虚拟磁链定向的无电压传感器直接功率控制策略,实现了PWM整流器无交流电压传感器控制。仿真与实验验证了该控制策略与电压定向直接功率控制具有类似的控制性能。在MATLAB/SIMULINK环境下,搭建了PWM整流器直接功率控制模型,分别采用基于电压定向的直接功率控制和基于虚拟磁链定向的无电压传感器直接功率控制控制策略进行了仿真验证,分别分析了开关表改进前后,三状态开关信号控制策略、无电压传感器控制策的仿真结果。最后搭建了PWM整流器直接功率控制的实验平台,在调试过程中不断优化控制参数,完成

24、了直接功率控制实验。实验结果表明,基于电压定向的直接功率控制(VO-DPC具有高功率因数,高效率、算法及系统结构简单,动态响应快等优点。基于虚拟磁链定向的无交流电压传感器直接功率(VFO-DPC控制可以获得与电压定向直接功率控制同样的控制效果。4.期刊论文孙丽芹.廖晓钟.Sun Liqin.Liao Xiaozhong PWM整流器的定频直接功率控制-电气传动2006,36(7直接功率控制(DPC和常规的电压定向控制(VOC是PWM整流器常用的控制技术.直接功率控制动态响应比电压定向控制要快,但其稳态特性不如电压定向控制,而且开关频率高且不固定,给滤波器的设计带来困难.在这两者的基础上提出了一

25、种新的定频直接功率控制技术.该控制结构为直流输出电压外环,功率控制内环,无功功率参考值设为0以达到单位功率因数;同时用PWM调制模块代替滞环,得到定频的直接功率控制.分析了该控制结构的特性,并进行仿真研究.结果表明,所提出的控制技术有好的动静态性能,电流畸变量小,而且弥补了直接功率控制和电压定向控制的缺点.5.期刊论文王久和.李华德.杨立永.WANG Jiuhe.LI Huade.Yang Liyong设置扇形边界死区的电压型PWM整流器直接功率控制-北京科技大学学报2005,27(3利用电压型PWM整流器的数学模型分析了PWM整流器直接功率控制(DPC的原理,讨论了功率滞环比较器环宽对PWM

26、整流器的影响.为了降低开关频率和减少开关损失,增加功率滞环比较器环宽则引起瞬时有功功率和直流电压波动现象;提出了设置扇形边界死区的控制策略,减少扇形边界误选开关量现象,使瞬时有功功率和直流电压波形趋于平稳.通过Simulink环境下仿真模型的仿真,证明了该策略的可行性.6.期刊论文赵焕.王红梅.ZHAO Huan.WANG Hong-mei基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制新调制策略-工矿自动化2009,35(11分析了PWM整流器虚拟磁链直接功率控制(DPC的工作原理与特性;针对由于传统开关表构造的不足导致系统调节能力不稳定的问题提出了一种基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制新调制策略

27、,通过重新构造开关表的方法来改进整流器的调节能力与输入输出性能.仿真结果表明,该调制方法使无功电流在靠近整流器电压矢量附近区域内的失控现象得到明显削弱,能够有效地对有功功率和无功功率进行控制,使整流器更接近单位功率因数运行.7.期刊论文何致远.韦巍基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制研究-浙江大学学报(工学版2004,38(12以虚拟磁链为核心,建立三相Boost型脉冲宽度调制(PWM整流器直接功率控制系统的模型结构.应用矢量空间变换方法及数字信号处理(DSP技术,给出控制系统中交流电压、虚拟磁链和瞬时功率估计的数字化算法,探讨PWM调制开关表与功率滞环控制器的构成机制,并在实验平台上对所设

28、计的基于虚拟磁链的三相Boost型PWM整流器直接功率控制系统进行实时控制试验.为检验控制系统性能,试验时在电源电压中注入5%基波幅值的5次谐波.试验结果表明,与传统的直接功率控制方法相比较,基于虚拟磁链的三相Boost型PWM整流器直接功率控制系统结构简单,能有效减少传感器的数量,且抗干扰能力强,电网输入电流的畸变较小,具有更优的瞬时功率静动态控制特性.8.期刊论文接峰.黄进.JIE Feng.HUANG Jin基于DSP的直接功率控制三相PWM整流器-机电工程2005,22(11研究了三相PWM整流器的直接功率控制(DPC原理,结合一种专门设计的开关表对有功和无功功率进行Bang-Bang

29、控制.通过样机的实验表明,直接功率控制具有结构简单,高功率因数,稳定的直流输出电压和快速的动态响应等优点.9.学位论文王栓庆电压型PWM整流器直接功率控制研究2007在目前的变流装置中,如变频器、逆变电源、高频开关电源等,采用二极管不可控整流电路或晶闸管相控整流电路,电网被注入大量的谐波以及无功,造成了严重的电网“污染”。而三相电压型PWM整流器具有输出电压恒定、单位功率因数运行的特点,可以实现电能回馈电网,真正实现电能的“绿色变换”,提高电能的传输和利用效率,从而解决电网“污染”的问题。本文以三相电压型PWM整流器为研究对象,采用了直接功率控制(DirectPower Control-DPC策略,与其他控制策略如电流控制策略、非线性控制策略等相比,其主要优点就是结构简单、动态响应快、抗干扰性能好。本文主要包括下列内容:在分析整流器控制原理的基础上,分别建立了在abc三相坐标系、两相