基于电压空间矢量的三相PWM整流器控制研究(H)

1、142005年4月25日第22卷第2期通信电源技术Telecom Power TechnologiesApr. 25, 2005Vol. 22No. 2文章编号:100923664(2005 0220014204变换与控制基于电压空间矢量的三相PWM 整流器控制研究卢剑涛, 王耀南, 陈继华(湖南大学电气与信息工程学院, 湖南长沙410082摘要:首先建立了三相电压型PWM 整流器的数学模型, , 在此基础上提出了一种简单的电压空间矢量算法, 电压空间矢量在各个扇区内的作用时间, 。关键词:整流器; PWM ; 空间矢量中图分类号:TN 86TN 712:AR esearch on Three

2、 2Phase PWMR ectif ier B ased on Voltage Space V ectorL U Jian 2tao ,WAN G Yao 2nan ,C H EN Ji 2hua (College of Electrical and Information Engineering , Hunan U niversity , Changsha 410082, China Abstract :The mat hematical model of t hree 2p hase PWM rectifier is set up at first in t his paper , an

3、d t hen t he vector cont rol st rategy is analyzed in detail. A simple algorit hm is proposed based on voltage space vector , which directly calculates t he duration of voltage space vector in each sector according to t he reference voltage vector in reference f rame. At last , experimental result s

4、 verified t he p roposed scheme.K ey w ords :rectifier ; PWM ;space vector0引言三相电压型PWM 整流器(Voltage Source Rectifier , 简称VSR 与传统的二极管整流器和可控硅整流器相比, 具有交流侧输入、输出电流谐波分量小、功率因数可调、直流侧电压波动小、能量可以双向流动等优点。近几年来, 无论是在理论上的研究还是工程上的具体应用都得到了广泛的关注。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两种。间接电流控制1以相幅控制为代表, 优点是控制简单, 一般无需电流反馈控制, 但是由

5、于对电流的动态响应慢, 甚至交流侧电流含有收稿日期:2004210225作者简介:卢剑涛(1979- , 男, 硕士研究生, 主要研究方向为电力电子传动系统的智能控制、新能源发电与控制技术。直流分量, 而且对系统参数的波动较为敏感, 使得间接电流控制的应用范围较窄。直接电流控制2以快速电流反馈控制为特征, 如滞环电流控制、固定开关频率控制和空间矢量控制等。本文先简要介绍了整流器的工作原理, 较详细地给出了通用的矢量控制方案, 在此基础上介绍了一种跟踪指令电压矢量的SV PWM 电流控制策略, 并对其性能进行了分析和仿真研究。1PWM 整流器工作原理三相电压型高功率因数整流器的主电路结构如图1所

6、示, 主要包括交流侧的电感、电阻、直流电容以及由全控开关器件和续流二极管组成的三相整流电路。e a , e b , e c 为电源电压, R L 为负载电阻。三相VSR 的数学模型为第2期变换与控制卢剑涛等:基于电压空间矢量的三相PWM 整流器控制研究15=i a s a +i b s b +i c s c -i Ld t L +Ri a =e a -u dc s a -u N 0d t L +Ri b =e b -u dc s b -u N 0d t L +Ri c =e c -u dc s c -u N d tC u NO =-u dc (s a +s b +s c 3(1式中, e d

7、、e q 是电网电动势矢量E dq 的d 、 q 分量, u d 、u q 是三相VSR 交流侧电压矢量U dc 的d 、q 分量, i d 、i q 是三相VSR 交流侧电流矢量I dq 的d 、q 分量。引入微分算子p , 则模型可以表述为3e q i q u q L p +R L(3 =+e -L L p +i u 忽略三相VSR 桥路自身损耗, 则三相VSR 交流侧有功功率P ac 应与桥路直流侧功率P dc 相等, 即P ac P dc式中, s i 为开关函数, s i =1第i 相上管导通; s i =0第i 相下管导通, i =a ,b ,c 。而P ac i d +e q i

8、 q 2(4 (5P dc =u dc i dc =u dc C+u dc i Ld t(4 、(5 可得由式(2 、(u d i d +u q i q =u dc i dc 2 (6图1三相PWM 整流器主电路图图2是整流器a 相输入电压e a 、输入电流i a 、交流侧控制电压u ra 间的向量图。图2(a 中, 整流器工作在单位功率因数整流状态, 电流矢量i a 与电压矢量e a 平行且同向, 此时整流器网侧呈现正电阻特性, 负载从电网吸收有功功率。图2(b 中, 整流器工作在单位功率因数逆变状态, 电流矢量i a 与电压矢量e a 平行但反向, 此时整流器网侧呈现负电阻特性, 负载向电

9、网释放有功功率 。如果需要考虑损耗时, 只需适当减小交流侧负载电阻R L 进行等效。选取q 轴与电网电动势矢量E dq 重合, 则q 轴表示有功分量参考轴, 而d 轴表示无功分量参考轴。三相VSR 控制系统设计采用双环控制, 电压外环主要控制三相VSR 直流侧电压, 电流内环按照电压外环输出的电流指令进行电流控制, 实现单位功率因数正弦波电流控制。u q =-u d =-K ip +K ip +S S3i q -i q -L i d +e q 3i d -i d -L i q +e d(7 (8图2整流器矢量图2矢量控制策略研究三相静止对称坐标系中的VSR 一般数学模型虽然具有物理意义清晰、直

10、观等特点, 但是在这种数学模型中,VSR 交流侧均为时变交流量, 不利于控制系统设计。通过坐标变换将三相对称静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的(d , q 坐标系, 三相VSR 一般数学模型也转换成三相VSR dq 模型。(C =i q s q +i d s d -i Ld t 2(2 L +L i d +Ri q =e q -u dc s qd t L +L i q +Ri d =e d -u dc s dd t式中, K ip 、K il 是电流内环的比例调节增益和积分调33节增益; i q 、i d 为电流i q 、i d 的指令值。3如图3所示, 给定指令电压u dc 与实际直流

11、侧电压u dc 比较后经PI 调节器得到电流有功分量指令333i q , i q 、i d 与交流实际电流比较后经PI 环得到指令3电压u q 3、u d , 作为SV PWM 控制的指令电压。图3整流器控制结构3SVPWM 控制三相VSR 不同开关组合时的交流侧电压可以16通信电源技术第22卷用一个模为2U dc /3的空间电压矢量在复平面上表示出来, 由于三相VSR 开关是双电平控制, 其空间电压矢量只有23=8种, 且U 0(0, 0, 0 、U 7(1, 1, 1 为零矢量4。|U k |+|U k +1|cos 60°=|U 3|cos 2T s 2T s 2|U k +1

12、|sin 60°=|U 3|sin2T s 2可以求得T k =T s |U T k +1=3-|cos3T s |U 3|sin(11T s |U |sinT 0=T s -T k -133其中, U U dc , 其中矢量U 3的起、终U 0, 而在矢量U 3中点处分布图4三相VSR 空间电压矢量分布复平面上的三相VSR 义为:U k =U 0、7j (k-3u dc e 3(k =1, , 6 =07且T 7=T 0。2(9对应的三相PWM 如图6所示, 其中矢量U k 和U k +1放置先后顺序以开关次数最少为准, 各扇区开关矢量分配如表1所示。由图3可知, 三相VSR 电流

13、环调节运算确定后, 三相VSR 电流跟踪控制的指令电压矢量U 3也就被确定, 可以利用三相VSR 空间电压矢量U k (k3=0, , 7 来合成U , 以实现VSR 电流控制。当矢量U 3处于三相VSR 电压矢量空间任一 , 区域时, 当矢量U 3与轴夹角为, (0360°矢量U 3与所在三角形区域起始边界矢量U k (k =1, , 6 的夹角为, 则, k 可以由以下方程求得5:+1k =IN T60°(10=-(k -1 ×60°其中, k 取1, , 6。则对于任意U 3, 设其位于k 区, 则U 3可由U k 和U k +1两矢量合成, 施加

14、时间分别T k 为和T k +1, 矢6量作用周期为T s 。为保证较高的矢量U 3合成精度, 如图5所示, 采用双三角形合成方案, 可以求得图6开关函数波形表1各扇区开关矢量分配表扇区开关矢量0000000000000000000000000000000000004实验结果根据上述方案, 采用双闭环矢量控制, 外环采用PI 控制, 内环采用空间矢量调制。主电路IG B T 采用富士公司的1200V 25A IPM 智能功率模块6MBP 25RA 120, 内部集成了驱动电路, 具有过压、过流、过热保护。控制回路采用TI 公司的TMS 320F 240作为主控芯片。交流侧输入电压有效值100V

15、 , 频率50Hz , 主回路电感L =6m H , R =0. 3, 直流侧电容C =2200F , 直流侧电压U dc =250V 。开关频率为10k Hz 。从图7可看出稳态时三相电压型PWM 整流器交流侧电流为正弦波且同电源电压同相位、功率因数图5U 3矢量的合成 第2期变换与控制卢剑涛等:基于电压空间矢量的三相PWM 整流器控制研究17为1。图8 显示稳态直流输出电压与给定值吻合。到一阶惯性模型, 从而得到整个系统的频域模型; 利用输入电压空间矢量定向, 根据参考电压计算矢量所在的扇区和作用时间, 简化了整个系统的计算; 最后的实验结果验证了控制算法的有效性。参考文献:1Wu R ,

16、 Dewan S B , Slemon G R. Analysis of an AC 2to 2DC voltage source converter using PWM with phase and amplitude controlJ.IEEE Trans , 1991, 27:3552364.图7网侧a 相相电压和相电流波形2N invest 2tigation of a-regu 2lated PWM rectifier f ramesC.Proc. IEEE An 2Industrial Electronics Society , 1993:119321197.3张崇巍, 张兴. P

17、WM 整流器及其控制M .北京:机图8直流侧输出电压波形5结论为达到三相电压型PWM 整流器低谐波、高功率因数、快速动态响应及能双向流动的要求, 本文在矢量解耦控制的基础上, 从功率平衡的理论出发, 得械工业出版社, 2003.4Chern 2Lin Chen , he 2Ming Lee , Rong 2Jie Tu , etal. ANovel Simplified space 2Vector 2Modulated Control Scheme for Three 2Phase Switch 2Mode Rectifier J .IEEE Trans. on Industrial Elec

18、tronics , 1999, 46(3 :5122515. 5张兴, 张崇巍. PWM 可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究J.中国电机工程学报, 2001(10 :1022105. 6杨德刚, 刘润生, 赵良炳. 三相高功率因数整流器的电流控制J.电工技术学报, 2004(4 :83287.行业信息超级电容器储能关键技术研究通过验收近日, 由中国科学院电工所承担的“863”项目“可再生能源发电用超级电容器储能系统关键技术研究”通过专家验收。验收专家组听取了项目工作汇报, 审查了项目提交的技术资料。认为本项目完成了合同中规定的研究内容, 研究开发出的超级电容器储能系统样机的技术指标达到了合同中规定的技术指标。超级电