三相电压型PWM整流器滑模变结构直接功率控制

1、华南理工大学学报(自然科学版)第37卷第11期2009年11月JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.37No.11November2009文章编号:10002565X(2009)1120083205三相电压型PWM整流器滑模变结构直接功率控制汪万伟尹华杰管霖(华南理工大学电力学院,广东广州510640)3摘要:研究了一种基于滑模变结构控制理论的三相脉宽调制(PWM)控制方案,利用滑模变结构控制系统鲁棒性和动态性能较好、,解决了传统的基于PI算法的直接功率控制系统抗扰性能差、对PI总谐波含量较大的缺

2、点.在Matlab/SimulinkI控制两种方案进行仿真比较,P.关键词:PWM整流器;PI控制器;仿真中图分类号:TM461:(PWM)整流、功率因数高、电能可双向传输、动态响应快等优点,因而被广泛应用于122交流传动、无功补偿、有源电力滤波等领域.现行的电压型PWM整流器控制策略主要分为325627两类,直接电流控制和间接电流控制,但前者控制结构复杂,参数整定困难,后者具有动态特性较差的缺点.为了克服这些缺点,文献8中提出了基于瞬时功率理论的直接功率控制(DPC)策略,这一策略一经提出就受到了广泛的关注.直接功率控制系统9210采用直流电压外环和功率内环的结构.电压外环皆采用PI控制器得

3、到有功给定,功率内环采用滞环比较器,迫使实际有功跟上给定.鉴于采用PI控制器的直接功率控制系统抗扰动能力较差,对PI控制参数较为敏感,网侧电流总谐波含量(THD)较大等缺点,文中提出了基于滑模变结构直接功率控制策略,该策略参数整定简单,设计方便.仿真对比表明,与传统的PI控制策略相比,该策略具有更好的动态品质、鲁棒性以及更小的THD.图1所示,网侧电路采用三相对称的无中线连接方式,功率开关管桥路采用三相桥式全控整流电路,绝缘栅双极晶体管(IGBT)和续流二极管并联作为桥臂开关器件.图1三相电压型PWM整流器主电路结构Fig.1Maincircuitstructureofthree2phasev

4、oltagesourcePWMrectifier对于图1中网侧的三相桥式PWM变流器,定义三相桥臂开关函数Sa、Sb、Sc为Sk1,k相上桥臂导通0,k相下桥臂导通(1)1三相电压型PWM整流器的直接功式中:k表示a,b,c相.可根据图1写出三相PWM整流器在三相静止坐标系下的方程11率控制模型三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构如收稿日期:20082122303基金项目:国家自然科学基金资助项目(50777022):作者简介:汪万伟(19822),男,博士生,主要从事电力电子和电力传动研究.E2mail:wang.wanwei© 1994-2010 China Academic

5、Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 84华南理工大学学报(自然科学版)第37卷ia=ua-ia-UdcSa-dtLLL3ib=ub-ib-UdcSb-dtLLL3ic=uc-ic-UdcSc-dtLLL3k=a,b,cSkk=a,b,cSk(2)k=a,b,cSki0(Saia+Sbib+Scic)Udc=-+dtCC将三相静止坐标系下的变量变化到两相旋转d2q坐标系下,其数学模型为idud-id+iq-SdUdcdtLLLiquq-iq+id-SqUdc(3)dtLLLi0Udc=-(Sdid+Sqiq)dtCC

6、变结构系统,其特殊之处在于,系统的控制存在切换,在切换面上,系统将会沿着固定的轨迹产生滑动运动.由于其滑动模态对外部扰动及内部参数的变化具有很强的鲁棒性,因此滑模变结构系统的应用十分广泛.滑模控制器的设计主要包括两个方面的内11容:(1)根据对动态特性的要求,选取合适的滑动模态;(2)设计确定控制率,使滑动模态稳定,并能够达到.2.1滑模面的选取由于三相电压型PWM统的有两个外部控制量:Udc根据文献12中8)(10),可以选取Sk1S2=33)=0322-U)(Udc-Udc)=0dt2dc式中:Sd、Sq为整流桥的d2q;ud、uq和id、iqd量;为角频率.动态过程.Pac表示,直流侧吸

7、收的有功功率用Pdc表示.则有(4)Pac=udid+uqiq(5)Pdc=Udcidc=CUdcUdc+UdcdtRL式中:CUdcdUdc/dt项为直流侧支撑电容瞬时吸收或释放的能量;U/RL项为负载瞬时吸收或释放的能量.根据功率平衡原理,整流器的输入功率等于其瞬时输出功率,Pac和Pdc的关系为(6)Pac=Pdc+Ploss式中:Ploss为整流器输入电感的等效电阻及开关管的损耗,如果不计损耗,可得(7)CUdcUdcUdc=udid+uqiqdtRL即22(Udc)=-(8)Udc+PacdtRLCC交流侧的无功Q=uqid-udiq,由于uq=0,即(9)Q=-udiq联立式(3)

8、和式(9),可得(Q)Q+Pac+udSqUdc(10)dtLLdc32k2(Udc(11)式中:Udc为Udc的给定;Q为Q的给定,控制系数k1、k2为常数且不为0.32将式(8)及Udc=0代入到式(11)中,可得dtS1=k1(QS2Ck233-Q)=0Udc-U)+-Pac=0RL2dc332(Udc(12)对式(12)进行进一步的化简,可得S1=QS2=-Q=0-U)+Udci0-Pac=02dc32Ck2(Udc(13)由于需要整流器达到单位功率因数,所以稳态是Q=0.若令3Q=0(14)3322Pac=Ck2(Udc-Udc)+Udci0可得3S1=Q-Q=0(15)3S2=Pa

9、c-Pac=02.2控制率的确定根据文献12可知,当取李亚普诺夫函数为=S2/2时,滑动模态存在的充分条件是:正定且 负定,即SS<0(16)3首先来分析S1的控制率:2直接功率控制的滑模控制器的设计在控制过程中,系统结构可以发生变化的系统,称变结构系统.滑动模态变结构系统是一种特殊的当S1>0,即QQ以使S1<0.>Q时,要满足式(16),需增大<Q时,要满足式(16),需减小当S1<0,即Q3© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights re

10、served. 第11期汪万伟等:三相电压型PWM整流器滑模变结构直接功率控制85Q以使S1>0.表1PWM整流器滑模变结构直接功率控制系统开关表Table1Switchingtableforsliding2modevariablestructuredi2rectpowercontrolsystemofPWMrectifierSpSqSaSbSc同理可得到S2的控制率.从以上分析可以看出,其控制率的根本要求是实际值要时刻跟随给定值,以使偏差减小,这一要求可以用滞环控制策略来实现.1234567891011121100010110111110000011011101000001111100

11、10001111110000001111110000001111110000001011001001101100100100110110010011011001101100100100110110010011011011003仿真结果及分析根据以上分析,我们可以得到三相电压型PWM整流器滑模变结构直接功率控制的控制框图如图2坐标系下的所示.图中uu、n为网侧电压在分量及其向量所在的扇区(把坐标系划分、为12个扇区).支撑电容C为3000F,功率等级为2213kW.采用PI算法时取Kp=3,Ki=15.而采用滑模控制算法时,取控制系数k2=200.(,直流侧电压,且在不到0102s,稳定后无静差

12、,纹波非常.4(b)为整流和逆变状态下的网侧电压、电流波形.可以看到,电流正弦、纹波较小,在整流状态下,电压、电流同相位,逆变状态下,电流、电压反相位.图2PWM整流器滑模变结构直接功率控制框图Fig.2Blockdiagramofsliding2modevariablestructuredirectpowercontrolofPWMrectifier传统的PI算法直接功率控制系统的控制框图如图3所示.图3PWM整流器PI算法的直接功率控制框图Fig.3BlockdiagramofPIalgorithmdirectpowercontrolofPWMrectifier二者采用同一开关表.根据文献

13、10,14215可得开关逻辑表如表1所示.为了验证滑模变结构算法的有效性和优越性,对滑模变结构算法以及传统的PI算法进行对比仿真.仿真所用的系统参数有:网侧相电压有效值为220V,频率为50Hz,网侧电阻R为011,网侧电感L为116mH,直流电压Udc设定为700V,直流侧图4PWM整流器滑模变结构直接功率控制仿真波形Fig.4Simulationwaveformofsliding2modevariablestructuredirectpowercontrolofPWMrectifier同时分别测定了整流状态下滑模算法和PI算法的网侧电流总的谐波含量,如图5所示,可见,滑模变结构算法下的网侧

14、电流THD要明显小于PI算法下的网侧电流THD.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 86华南理工大学学报(自然科学版)第37卷滑模变结构相对于PI算法而言,最为突出的优点就是抗干扰能力强,系统鲁棒性好.下面的仿真结果也可以说明这一点.设整流器的初始负载为11115kW,在0105s时,突然加重负载,达到满负荷2213kW的状况下,图6所示为滑模变结构算法给出的直流电压波形和网侧图7负荷突变时PI算法下的仿真波形Fig.7Simulationwavefo

15、rmforloadvariationwithPIalgorithm电压、电流波形.图7所示则为该状况下的PI算法的直流电压波形和网侧电压电流波形.从图6(a)可以看出负载的变化对直流电压波图5滑模变结构算法和PI算法下的网侧电流谐波含量分布图Fig.5Harmonicdistortiondistributiongraphofsliding2modevariablestructureandPIalgorithms形的影响非常轻微,且很快达到稳定.由图6(b)可以看出,负载变化时,电流没有发生畸变.而由图7(a)和图7(b)可以看出,负载的变化使采用PI算法的直流电压波形跟不上设定,其网侧电流也需

16、要经过一段时间才能稳定.由此可以看出,滑模变结构算法相对于PI算法的控制系统,具有更强的抗负载扰动能力.再来比较PI算法和滑模变结构算法下,网侧电压扰动对直流电压电流波形、网侧电流波形的影响.假定0105s时刻网侧电压升高10%,图8和图9分别为滑模变结构算法和PI算法的仿真波形.从图8(a)和9(a)可以看出,当网侧电压扰动时,滑模变结构算法下的直流侧电压波形无明显变化,而PI算法下的直流电压波形会出现静差.从图8(b)和9(b)可以看出,当网侧电压扰动时,滑模变结构算法下的网侧电流波形只出现非常微小的抖动,但立即会达到稳定状态,而PI算法下的网侧电流波形会出现较大的畸变,且稳定速度较前者也

17、慢了许多.因此,滑模变结构算法相对于PI算法的控制系统,具有更强的抗网侧电压扰动能力.图6负荷突变情况下滑模变结构算法仿真波形Fig.6Simulationwaveformforloadvariationwithsliding2modevariablestructurealgorithm© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第11期汪万伟等:三相电压型PWM整流器滑模变结构直接功率控制874结论文中在详细分析了PWM整流器的数学模型的基础上,设计了一种基

18、于滑模变结构控制理论的三相PWM整流器直接功率控制方案.并将该方案与传统的PI算法下的直接功率控制方案做了详细的仿真对比,结果表明,较之PI控制方案,滑模变结构方案具有更低的网侧电流THD,更好的抗干扰能力,更好的动态品质,参数整定也比较简单.因此,该控制方案具有一定的实用价值.参考文献:1张崇巍.PM.北京:机械图8Fig.8Simulationwaveformfornetworkvoltagevariationwithsliding2modevariablestructurealgorithm图9网侧电压扰动时PI算法仿真波形Fig.9Simulationwaveformfornetwor

19、kvoltagevariationwithPIalgorithm,.M.北京:清华大学出版.3M,KamierkowskiMP.ComparisonofcurrentcontroltechniquesforPWMrectifiersJ.ISIE,2002,4(7):125921263.4LeeKeyen,WuYue2lin,LaiYen2shin.Novelbidirectionalthree2phaserectifierwithoutusingDC2linkcurrentsensorCIEEEPESC.Korea:s.n.,2006:330223306.5VerdelhoPedro,Marq

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23、agesensorsJ.IEEETransonIndustryApp2lications,1998,34(6):4732479.(下转第106页)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 106华南理工大学学报(自然科学版)第37卷OptimizationandSimulationofMaintenancePlanofTractionPowerSupplySystemsChenMin2wuLiQun2zhanXieShao2feng(SchoolofElec

24、tricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)Abstract:Themaintenanceschedulingofatractionpowersupplysystemshouldgiveconsiderationtobothsystemreliabilityandmaintenanceeconomy.Inthispaper,themethodtoanalyzesystemreliability,namelyGOmethodo2logy,isappliedtothereliabilityass

25、essmentofthetractionpowersupplysystemofahigh2srailway,andaquantitativecalculationequationofsystemreliabilityisdeduced.Then,byconsideringicdependencyamongthemaintenanceofvariouselectricalequipmentsandtheimanopti2malmodelofmaintenanceplantosatisfythereliabilityisrtomaintenancecostinafinitetimeinterval

26、.Thecorrespondingsimulationpralsopresentedbasedonanimproveddiscreteparticleswarmoptimizationindicatethattheproposedmodelisob2jectiveandeffectiveandissuitableplanoftractionpowersupplysystems.Keywords:tractionogy;reliabilityanalysis;maintenanceplan;optimization;simulation(上接第87页)11冯纯伯,费树岷.非线性控制系统分析与设计

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