三相电压型PWM整流器的一种改进前馈控制策略

1、第10卷第2期2006年3月电机与控制学报ELECTRICMACHINESANDCONTROLVol110No12March2006三相电压型PWM整流器的一种改进前馈控制策略郎永强,徐殿国,HADIANAMREISR,马洪飞(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江哈尔滨150001)摘要:针对三相电压型PWM整流器受到负载扰动和电网波动的影响较大问题,在分析其数学模型的基础上,根据输入输出之间的功率平衡关系,提出了一种改进的前馈控制策略。前馈信号同时包含了电网电压和负载的信息,通过快速调节交流侧进线电流,。在所搭建的实验室平台上做了相应的模拟实验,网波动的抗干扰能力。关键词:PWM整流器;电网电压

2、定向;中图分类号:TM464文献标识码:A449X(2006)02-0160-04feedforwardcontrolofthree2phasevoltagesourcePWMrectifierLANGYong2qiang,XUDian2guo,HADIANAMREISR,MAHong2fei(DepartmentofElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Sincethree2phasevoltagesourcePWMrectifierisvulnerabletothedist

3、urbanceofbothloadandgridvoltage,animprovedfeedforwardcontrolstrategyisproposedbasedonthepowerbalancerela2tionshipbetweentheinputandoutputofrectifier,whichisdeducedaccordingtothemathematicmodeloftherectifier.FeedforwardsignalincludestheinformationofbothgridvoltageandDCsideload.Powerbalancebetweenthei

4、nputandoutputcanbemaintainedbyadjustingACsidecurrents.Experimentshavebeendoneonthelaboratoryplatformandresultsverifytheeffectivenessofthecontrolstrategyproposed.Robustnessoftherectifiertothedisturbanceofbothloadandthegridvoltagehasbeenimproved.Keywords:PWMrectifier;gridvoltagevectororientation;vecto

5、rcontrol;feedforwardcontrol1引言随着功率半导体器件的广泛应用,电网谐波污染问题越来越受到人们的关注。结合PWM控制技术的新型整流器PWM整流器,不仅获得了可控的AC/DC的变换性能,而且克服了传统整流器输入电流谐波含量高、功率因数低的缺点,可实现网侧单位功率因数和正弦波电流控制,甚至能使电能双向传输。近10年来PWM整流器及其控制策略一直是学术界关注和研究的热点,并被广泛应用到各类电力电子应用系统中,包括功率因数校正、静止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制器、超导储能、高1压直流输电等。提高系统对电网电压跌落及负载变化的抗干扰能力是电压型PWM变换器一个至关重要的

6、课题。针对负载的扰动,负载电流前馈控制策略是一个比2较理想的解决方案。文献3提出瞬态采用iq不为零的变结构控制的改进方案,也大大改进了系统收稿日期:2005-05-09;修订日期:2005-12-15作者简介:郎永强(1978-),男,博士研究生,研究方向为可再生能源功率变换技术;徐殿国(1960-),男,教授、博士生导师,研究方向为电力电子与电力传动;HadianamreiS.R(1966-),男,博士研究生,研究方向为可再生能源功率变换技术。第2期三相电压型PWM整流器的一种改进前馈控制策略C161(3)的抗干扰性能,但这是以牺牲系统的功率因数为代价。文献4在应用负载电流前馈的同时提出了一

7、种根据电网电压在线调整控制器增益的控制策略,使得系统在提高抗负载干扰能力的同时,可以工作在不同的电网电压下。这种控制策略对于电网电压的波动依然需要通过电压控制器进行调整,使得系统的动态响应仍然不太理想。本文根据输入输出之间的功率平衡关系,提出一种改进的前馈控制策略。dudc=idc-iLdt3基于电网电压定向的矢量控制策略PWM整流器电网电压定向矢量控制将(d,q)同步旋转坐标系的d轴按电网电压矢量E定向。此时,电网电压的q轴分量为零eq=0;PWM整流器交流侧电流矢量I的d轴分量id为有功电流,q轴分量iq为无功电流。电网电压定向矢量控制可以方便地实现网侧有功功率和无功功率的解耦控制。为了实

8、现PWM,通常无功电流分量iq。,式(2)简化为LL2三相电压型PWM整流器数学模型三相电压型PWM整流器主电路如图1所示。三相电压型PWM整流器的建模在很多文献已经做6,7了详细讨论。假设三相电网电压对称且平衡,只考虑基波成分,在三相(a,b,c)利用基尔霍夫电压定律建立三相程为(1)L-i+e-udt其中:e=uaubueaTdi=Liq+ed-vddtdi=-Lid-vqdt(4)PWM整流器电网电压定向矢量控制,一般采用级联ebeT,i=iaibiT,u=分别为电网电压向量,整流器交流侧进线电流向量和输出端电压向量;r和L分别为线路阻抗和进线电感。在额定运行时,线路阻抗相对于进线电感感

9、抗小得多,通常可以忽略。式(1)具有物理意义清晰、直观等特点,但整流器交流侧均为时变交流量,不利于控制系统设计。为此,通常通过从三相对称静止(a,b,c)坐标系到以电网基波频率同步旋转的(d,q)坐标系的坐标变换,将三相静止坐标系中的正弦量转化成同步旋转坐标系中的直流变量。式双闭环控制:电流内环和电压外环。电压环的主要作用是控制直流母线电压;电流环根据电压环给出的电流指令对交流侧输入电流进行控制,并实现单位功率因数运行。311电流环的解耦控制由式(4)可以看出电流的d轴分量id和q轴分量iq之间存在着耦合,应用传统的PI控制器,控制效果不好。为此,可采用前馈解耦控制策略制方程为ud=-uq=-

10、KP+KP+KsKIs(idref-id)+Liq+ed(5)(iqref-iq)-Lid6,控电流环的解耦控制器如图2所示。对式(1)先后进行Clarke和Park变换,可以得到三相电压型PWM整流器在(d,q)坐标系下的数学模型:didL=Liq+ed-uddt(2)diqL=-Lid+eq-uqdt这里忽略了线路阻抗。对直流侧电容正极点处应用基尔霍夫电流定律可得:312改进的前馈控制策略为了提高系统对负载扰动和电网电压波动的抗干扰能力,减小母线电压因此产生的波动,控制策略最根本的任务就是保证PWM整流器交直流侧(输入与输出)之间的功率平衡关系:162pac=pdc电机与控制学报第10卷(

11、6)忽略线路损耗和开关器件的开关损耗,则有du(edid+eqiq)=udcC(7)+iL2dtdudc考虑到eq=0,以及稳态时C=0,式(7)可以化dt简为(8)edid=udciL2由于电流环具有快速的动态性能,通常忽略电流环的动态调节过程,认为id=idref。若取电流参考idref=KfiL,代入(8)得:(9)edKf=udc2这就是传统的负载电流前馈控制。的时候,化,功率的变化,能够保证母线电压基本不变。但从式(9)明显看出,此时母线电压与电网电压直接相关。负载电流前馈控制对电网电压波动的抗干扰能力较差。若取idref=Kf/ed,代入式(8)有(10)Kf=udciL2这实际上

12、是电网电压的一种前馈控制。从式(10)可以看出,母线电压稳态时与电网电压无关,对电网电压的波动具有比较强的抗干扰能力(不敏感)。然而,式(10)也表明,母线电压与负载直接相关,负载的变化必然造成母线电压的波动。将上面两种前馈控制集成在一起,取idref=KfiL/ed(11)容的充电控制,控制器输出的限幅由最大充电电流决定。带载启动的过程电流环的参考信号由电压PI控制器的输出和前馈信号两部分组成。起始阶段,母线电压较小,负载电流比较小,电压PI控制器输入偏差比较大,其输出占电流环参考的绝大部分。当电压PI控制器输出达到限幅值之后,随着母线电压的升高,电流环参考因前馈信号的增大而继续增加,直到达

13、到电流环参考的限幅值。当系统进入稳态,PI控制器输出几乎为零;前馈信号分量作为电流环的参考,系统对负载扰动和电网电压的波动具有了很好的抗干扰能力I轻载启动时超调过大;。应用改进的前馈控制策,母线电容充电电流和负载电流实现了单独控制:电压PI控制器主要负责电容的充电控制,而前馈信号主要在实际电网电压的条件下,根据负载的大小调整交流侧进线电流,从而使得系统启动过程(空载、轻载和重载)的超调基本一致。电压PI控制器设计时可以只考虑电容的充电控制。应用改进的前馈控制之后,在设计电压PI控制器时,被控对象得到进一步简化,可以等效为一个直流电容C,控制结构如图3所示。显然,PI控制器的设计变得容易多了。代

14、入式(8)则有Kf=udc2(12)4实验结果为了验证改进的前馈控制在稳态时对负载扰动和电网电压波动的抗干扰能力,搭建了基于DSP(TMS320LF2407A)的电压型PWM整流器实验平台。电网电压(AC120V)通过一个接触式调压器给出;直流侧带纯电阻型负载。母线电压参考为375V,功率器件开关频率为5kHz,网侧进线电感为8mH。系统控制策略框图如图4所示。式(12)表明母线电压稳态时与负载和电网电压都无关。负载或电网电压发生变化时,前馈信号式(11)都能够动态跟踪变化,快速调整进线电流,维持输入与输出之间的功率平衡,从而维持母线电压的稳定。313电压PI调节器改进的前馈控制增强了系统稳态

15、时对负载扰动和电网电压波动的抗干扰能力,但是电压PI控制器仍然是必要的。尤其是启动过程,即母线电压的建立过程。启动过程包括空载启动和带载启动。空载启动时,前馈信号为零,电压PI控制器主要负责电负载扰动验证实验时,直流侧带两个串联连接的电阻,其中一个与一空气开关并联。通过控120制空气开关可以控制其中一个电阻的切入切出,实现负载的阶跃式扰动模拟。实验结果如图5、6所示。第2期三相电压型PWM整流器的一种改进前馈控制策略163模拟电网电压的波动比较困难,这里采用手动快速调整接触式调压器的输出来近似模拟。当然模拟出的电压波动变化相对比较缓慢,并且也不能做到非常准确,但是对于定性验证系统对电压波动的抗

16、干扰实验,影响不大。控制输入电压变动范围80V到160V。实验结果如图7、8所示。实验结果表明,采用改进的前馈控制策略后,控制系统稳态时对负载大范围的扰动以及较大范围的电网电压的波动都有比较强的抗干扰能力。图9给出了稳态时网侧相电压与相电流的实验波形,可以。5结语基于三相电压型PWM整流器输入输出之间的功率平衡关系,提出了一种改进的前馈控制策略。前馈信号同时包含了电网电压和负载的信息,在电网电压波动或负载扰动时,都能迅速给出相应的电流环参考命令,通过快速调节交流侧进线电流,使得系统功率平衡得以维持,从而避免母线电压产生大的波动,增强了整个系统的稳定性。(下转第170页)170电机与控制学报第1

17、0卷化学报,2002,14(2):39-42.5结论1)在PWM逆变器中,死区会产生死区效应。方法J.南京航空航天大学学报,2002,34(2):143-146.3唐建飞,等.基于空间矢量的预测补偿J.中小型电机,2003,30(2):4-7.4张震等.异步电机矢量控制中死区补偿的研究J.微电机,2003,36(1):22-24.PWMvoltageinvertersJ.IEEETransonCircultsAndSystems,2002,49(4):476-483.inVSIfeedinginductionmotorsJ.IEEETransonIndustryAppli2cations,20

18、01,37(3):856-在死区期间,逆变器输出电压不由逻辑信号控制,而与相电流的方向有关,与电流幅值无关;2)对矢量控制的常用死区补偿方法进行了说明,所应用的死区补偿方法是其中第三种方式的改进;3)该死区方法在旋转坐标系中完成,它利用直流参考电流id、iq和逆变器输出角频率来确定补偿电压,无交流电流环;4)由于该方法是用直流参考电压来计算,在数字实现时,可选用较低的采样率来采样电流;5)应用该补偿方法进行了电机空载工作的仿真,仿真结果显示,若补偿电压选的合适,补偿的效果很好。参考文献:1程曙,等.SPWM.电力系统及其自动of-timinPWMinvertersJ.IEEE,1991,38(2):108-114.T,KAMIYAMAK,MATSUMIT,OKUYAMAT.Fullydigital,vector2controlledPWMVSI2Fedacdriverswithaninverterdead2timecompensationstrategyJ.IEEETransonIn2dustryApplications,1991,27(3):552-559.(上接第163页)参考文献:1张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制M.北京:机械工业出PESC,2001: