三相电压型PWM整流器的改进控制策略的研究

1、第32卷第3期2005年6月文章编号:100022472(2005)0320093204湖南大学学报(自然科学版)JournalofHunanUniversity(NaturalSciences)Vol.32,No.3Jun12005三相电压型PWM整流器的改进控制策略的研究欧阳红林,陈继华,黄守道,卢剑涛(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082)摘要:首先从现有三相PWM整流器d2q模型出发,采用电网电压、d2q轴电流的前馈补偿技术,得到一种通用的矢量解耦控制策略.然后根据频域分析法,得出了整流器的一阶惯性模型,并推导出系统的频域控制模型.为了提高系统的动态性能,提出一种新型的负载

2、电流前馈控制方案.该方案认为负载电流对系统而言是一个外部干扰信号,并根据控制系统的频域控制模型得出了对该干扰信号的最佳补偿,对其进行拉氏逆变换后整定为一单位脉冲函数,并将它加在d轴指令电流输出环节,.最后仿真验证了该前馈控制方案的正确性.关键词:整流器;矢量控制;惯性模型;前馈中图分类号:TP271.4:AImprovedControlStrategy2PhasePWMVoltageRectifierOUYANGHong2lin,CHENJi2hua,HUANGShou2dao,LUJian2tao(CollegeofElectricalandInformationEngineering,Hu

3、nanUniv,Changsha,Hunan410082,China)Abstract:Fromthefeedforwardcompensationtechnologyofnetvoltageandd2qaxiscurrent,wegotagen2eralvectordecouplingcontrolstrategybasedonthepresentd2qmodelofthree2phasePWMrectifier.Then,ac2cordingtothefrequencydomaincontrolmethod,weeducedtherectifiersone2orderinertiamode

4、landdeducedthesystemsfrequencydomaincontrolmodel.Toimprovethedynamicperformanceofthesystem,anewload2currentfeedforwardcontrolschemewasproposed.Theschemeviewedtheloadcurrentasanexternalinterferen2tialsignaltothesystemanddrewoutthefittestcompensationoftheinterferencethroughthefrequencydomainmodelofthe

5、controlsystem.TheresultwasadjustedintoaunitpulsefunctionafteraninverseL2transformationandwasaddedtothedaxiscommandcurrentoutputnode,whichgreatlyboostedthesystemstrackingabilityforthecommandcurrent.Finally,thesimulationverifiedthevalidityofthefeedforwardcontrolscheme.Keywords:rectifier;vectorcontrol;

6、inertiamodel;feedforward变速恒频发电技术是近年来新兴的发电技术,非常适用于风力发电、变水位发电、潮汐能发电等变速发电场合1该种用途的变频器的整流器必须具有能量双向流动的功能,并且为了给电网输送高质量的电能,要求整流器的效率高(功率因数接近1)、谐波含量少.脉冲宽度调制(PWM)整流器作为一种新型的整流器,完全可以满足上述要求,因而很适合用作变频供电电源.目前,PWM整流器的控制主要分为间接电流控制和直接电流控制2种.间接电流控制1的优点收稿日期:2004-09-20基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(04JJ3007)作者简介:欧阳红林(1965-),男,湖南祁东人,

7、湖南大学副教授,博士研究生E2mail:oyhl1405.ouyang94湖南大学学报(自然科学版)2005年在于控制简单、无需电流反馈控制,不足之处在于电流动态响应不够快,甚至交流侧电流中含有直流分量,且对系统参数波动较敏感2.直接电流控制3以快速电流反馈控制为特性,可获得较高品质的电流响应,但控制结构和算法较复杂,不易于数字实现.另一种是基于同步速旋转坐标系的矢量控制方案,它具有动态响应快、稳态性能好、消除电流稳态跟踪误差、可以实现无功功率的解耦控制4,5等优点,是一种较理想的控制策略.本文从系统的频域模型6-8出发,提出了一种可以获得更佳电流动态性能并且控制比较简单的负载电流前馈控制策略

8、,最后用Matlab软件对其进行了仿真,验证了理论分析的正确性.图2电压向量图Fig.2Voltagevectorfigure1整流器的基本原理图1是三相PWM整流器的拓朴结构,逆变器的结构完全相同.式动作.,稳压,电压可保持不变.2,本文采用d2q坐标.电网同步速d2q坐标系下4如下:-dtLLidiq+=-dtLLu0dt2C2C00L图1三相PWM整流器的主电路结构Fig.1ThemaincircuitstructureofthreephasePWMrectifierLusdusq-(1)iL图2是整流器输入电压Us、输入电流Is、交流侧控制电压Ur间的向量图.(a)图中,整流器工作在整

9、流状态,电流矢量Is与电压矢量Us平行且同向,此时整流器网侧呈现正电阻特性,实现单位功率因数整流控制,负载从电网吸收有功功率.(b)图中,整流器工作在逆变状态,电流矢量Is与电压矢量Us平行且反向,此时整流器网侧呈现负电阻特性,实现单位功率因数逆变控制,负载向电网释放有功功率.下面就从整流器的基本数学模型出发,找出一种具有优良动态性能、简便易行的直接电流控制方案.式中L为交流侧输入电感;R为每相电阻;C为直流侧电容;sasb,sc是三相桥臂的开关函数,定义如下1上桥臂开通,下桥臂关断(2)sk=0下桥臂开通,上桥臂关断将式(2)化简可得ud=usd-(Lp+R)id+Liquq=usq-(Lp

10、+R)iq-LidC(is+iqsq)-iL=dt2dd式中p=d/dt为微分算子.显然,式(3)中d,q轴电流没有解耦,因而无法(3)对两通道的电压进行单独控制,为此,引入id.iq的前馈解耦控制,对usd,usq进行前馈补偿,且采用PI调节器作为电流环的控制器,可得三相同步旋转坐标系下三相电流控制时的电压指令为第3期欧阳红林等:三相电压型PWM整流器的改进控制策略的研究95ud=usduq=usq3)(id+(KP+-id)+LiqS3)(iq+(KP+-iq)-LidS(4)常数.由于控制时保持iq=0,引入的负载电流前馈补偿应加在d轴,如图4所示.式中KP,KI分别为比例系数,积分系数

11、.经补偿后,式(4)变为ud=(KP+3)(id-id)Suq3)(iq=(KP+-iq)S(5)图4前馈控制传递函数模型Fig.4Feedforwardcontroltransferfunctionmodel显然,式(5)表示的电压指令已实现完全解耦控制,其硬件控制框图如图3所示.图中Gvd(s)为电压外环的传递函数模型,GL(s)为前馈补偿器的传递函数模型,根据图4可得到直流输出电压为udu(s)=udc-udcd(s)Gi(s)GS+(8)GL(si(s)iL图3PWMFig.3Thediagramofrectifier,只要设计合理补偿使第二项为零,就可以消除负载对系统的扰动影响,使实

12、际电流迅速逼近指令电流id,提高系统的动态响应速度.令(9)GL(s)=()GisKi对其作拉氏逆变换,得到时域模型为3改进的控制策略上述控制策略的不足之处在于没有对负载电流进行控制,如果引入负载电流的控制,系统的动态性能有望得到进一步的提高.当负载电流iL变化时,首先使直流输出电压udc偏离设定值,然后通过电压调节器的调节,减小直到消除udc同设定值之间的差,系统重新进入稳态.可见,负载电流iL对于整个控制系统而言是一个外部扰动信号,根据控制理论,前馈控制可以消除扰动对系统的影响,引入前馈控制后能克服电压调节环调节速度慢的不足,从而改善系统的动态响应,减小负载扰动对系统的影响.忽略整流器桥路

13、损耗,稳态时,交流电源输出的功率等于负载吸收的功率,即(6)3usaia=udcidc稳态运行时,电容C的充电电流为0,idc=iL,iLia,可以把整流器主电路部分看作一个比例环节.事实上由于整流器具有强耦合非线性的特性,因而可以用一个小时间常数的一阶惯性环节Gi(s)来代替,如式(10)所示:Gi(s)=TiS+1(7)fiL(t)=×Dirac(1,t)+×Dirac(t)KiKi(10)事实上,系统的调节时间是毫秒级的,因而可以略去第一项,其余部分由PI调节器作出调节.由式(10),作出近似补偿器如下:33id=udc-udc(KP+K)+SiL×KL&#

14、215;Dirac(t0,t)(11)其中第一项为电压调节器的输出,第二项为近似的前馈补偿器,KL是一个与放大倍数Ki、时间常数Ti有关的常数,t0是单位脉冲函数的起始时刻,两项都在仿真过程中不断地调节以达到最佳性能.带前馈控制器的系统控制框图如图5所示.其中Ki为整流器的放大倍数;Ti为整流器的时间图5前馈控制框图Fig.5Feedforwardcontroldiagram96湖南大学学报(自然科学版)2005年4仿真验证为了验证上述分析结果,用Matlab软件对其进行了仿真,参数如下:交流电源电压usa=usb=usc=100V;直流侧反电势udc=250V,整流时E=0V,逆变E=300

15、V;直流侧负载R=10;直流侧电容C=2200F;交流侧电感L=5mH.部分仿真结果如图6所示.图6(a)为单位功率因数时,整流器交流侧电压与电流的波形,由图可见二者完全同相,即整流器工作在整流状态,且电流为正弦波,实现了理论分析的单位功率因数控制.图6(b)为整流状态下直流侧电压的波形,由图可见SVPWM调制能够实现跟踪指令电压的功能,整流器从启动到稳定大概需40ms的时间.图6(c),(d)分别是无前馈、有前馈控制时d轴电流的波形,为了说明整流器可以逆变运行,令E=300V,于是能量从直流侧流向交流侧,因而d轴电流为负,由图可看出,加上负载电流的前馈控制后,电流的响应快了约5ms,达到了2

16、5%,大大提高了系统的动态性能,证明了前面理论分析的正确性.图6(e),(f)是直流侧电流的对比,可见加入前馈控制后,直流电流能迅速达到稳态值.图6仿真波形Fig.6Simulationwaveform5结论为了满足交流变频电源低谐波、高功率因数、快速动态响应及能量双向流动的要求,本文在矢量解耦控制的基础上,从功率平衡的理论出发,得到整流器的一阶惯性模型,从而得到整个系统的频域模型,引入了负载电流的前馈控制.采用该控制不仅可以获得很好的稳态性能,还可以大大提高系统的动态性能,最后通过仿真验证了理论分析的正确性.J.IEEETransOnIndusAppl,1991,2:355-364.2JOS

17、EREspinoza,GEZAJoos,LUISMoran.Decoupledcontroloftheactiveandreactivepowerinthree2phaserectifiersbasedonnon2lin2earcontrolstrategiesJ.IEEETransonIndusEledronics,1999,1:131-136.3ZARGARINR,JOOSG.Performanceinvestigationofacurrent2con2trolledvoltage2regulatedPWMrectifierinrotatingandstationaryframesProcJ.IEEEAnnuConfIndustrialElectronicsSocietyPro2ceedingsoftheIecon93,1993,2:1193-1198.4张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制M.北京:机械工业出版社,2003.5熊健,康勇,段善旭,等.三相电压型PWM整流器控制技术研究J.电力电子技术,1999,2:5-7,57.6熊宇,李君.基于改进矢量控制的三相电压型整流器的系统分析和设计J.电气传动,2002,5:13-17.7刘习春,湛正君,刘辉.Von及C1对E类零电压开关整流器的影响J.湖南大学