电网平衡条件下三相pwm整流器电感设计

电网平衡条件下三相pwm整流器电感设计

1控制不平衡控制策略为了确保全流器能够在不平衡条件下稳定运行，通常采取两种措施。首先，通过适当增加整流器的直接和外部能耗，我们可以抑制输出电压和交流波形的电压。其次，采用不平衡控制策略。本文提出在三相PWM整流器控制系统中使用不平衡控制策略的前提下,分别在电网平衡和不平衡条件下设计电感的参数,通过反复仿真实验得知,如果使用在电网不平衡的条件下设计的电感,三相PWM整流器尽管在电网不平衡的条件下可以稳定运行,但是当电网平衡时,就不一定能实现稳定运行,所以在设计交流侧电感时应该综合考虑电网的两种状态,文献仅在电网不平衡下设计电感参数,忽略了电网不平衡只是一瞬态或暂态现象,这样的设计方法还有待改进。2电网不平衡时三元vsr交流电流控制策略在三相电网不平衡条件下,三相VSR网侧视在复功率S为式中:P,Q分别为三相VSR网侧有功功率、无功功率。式中:P0,Q0为有功、无功功率平均值;Pc2,Ps2为2次有功余弦、正弦项谐波峰值;Qc2,Qs2为2次无功余弦、正弦谐波峰值。显然,式(2)表明,当电网不平衡时,三相VSR网侧有功功率P(t)、无功功率Q(t)均含有2次谐波分量。为抑制电网不平衡对VSR控制的影响,根据对三相VSR有功功率P、无功功率Q的不同要求,可以求出电网不平衡条件下三相VSR交流电流控制指令,若ME的逆矩阵存在,则当电网不平衡时,由于负序电流的存在,使三相VSR交流侧电流不对称,从而影响三相VSR的运行。为抑制电网不平衡条件下三相VSR交流负序电流,则令iqN=idN=0,并带入式(2)。为了取得单位功率因数控制,可令平均无功功率,指令值Q0*=0。由于P0*表示三相VSR平均有功功率指令,因而与三相VSR直流侧电压平均值相关,当三相VSR直流电压调节器采用PI调节器时,其调节器输出与三相VSR直流电流指令相对应,因此式中:KVp,KVI分别为电压调节器比例、积分增益。联立式(3)与式(4),即可取得电网不平衡时抑制三相VSR交流负序电流指令iqP*,idP*。求出iqP*,idP*之后,即可采用三相VSR坐标系(d,q)中电流的前馈解耦控制。由该控制策略原理可知该控制策略只是使三相VSR交流负序电流为零,即iqN=idN=0。然而,由于电网负序电动势的存在,三相整流器网侧有功功率P(t)仍然存在2次谐波分量,所以,三相VSR直流侧电压将存在2次谐波分量。3电流跟踪过程电网平衡的条件下PWM整流器交流侧电感的设计主要考虑以下两个方面:一是抑制谐波电流;二是满足瞬态电流跟踪要求。电感值太小会导致电源电流中谐波含量增加,电流的总谐波畸变率(THD)增大;而电感过大则会降低电源电流跟踪性能。如果要求电流内环获得较快的电流跟踪时,那么电流调节器须按I型系统设计。当开关频率足够高时,电流内环具有较快的动态响应。图1中a相忽略电阻后电压方程为考虑单位功率因数下电流过零(ωt=0,ea=0)处附近一个PWM开关周期Ts中的电路瞬态过程,其波形如图1所示。稳态条件下,当0<t<T1时,sa=0,当T1<t<Ts时,sa=1,从图1和式(6)、式(7)可知,考虑要求电流上升如图1所示,则跟踪电流必须也上升,此时式(6)、式(7)中sb=sc=1。如满足快速电流跟踪要求,则联立式(6)、式(7)和式(8)得在分析抑制谐波电流时电抗器的设计。考虑单位功率因数下电流峰值处(ωt=90°,ea=Em),附近一个开关周期Ts中电流跟踪过程,如图2所示。稳态条件下,当0<t<T1时,sa=0,当T1<t<Ts时,sa=1,在电流峰值处,联立式(10)、式(11)和式(12)并考虑sb=sc=0,又因Vdc≥2Em,故综上所述,满足动态响应时电抗器取值范围为4交流侧电容二次谐波的抑制策略当电网不平衡时,依照上面所述增大交流侧电感,虽然可以抑制交流侧负序电流,进而降低谐波幅值,但电感、电容取值过大,也会影响三相PWM整流器运行性能。由于交流电流负序分量的加入,使交流侧三相电感上瞬时有功功率含有二次谐波,所以整流器交流侧输入的瞬时功率也含有二次谐波。三相电感上的瞬时功率为在基于正、负序旋转坐标下的不平衡控制策略中,控制电网侧输入瞬时功率的二次脉动分量为零,所以整流器直流侧输出瞬时功率为由式(16)可知,由于交流侧三相电感上的二次脉动瞬时功率的存在,直流侧输出的瞬时功率含有二次的脉动分量。从而使输出的直流电压含有一定的二次脉动分量,直流侧瞬时功率的二次脉动分量就正比于交流侧电感L,电感越大L越大,直流侧瞬时功率的二次脉动分量就越大,从而直流电压的二次脉动分量就越大。为了减小因负序电流的加入而在电感上产生的二次脉动瞬时功率,适当减小交流侧电感的取值,达到抑制直流电压二次谐波的目的。本文中采用的控制策略是抑制交流侧负序电流,即在能达到控制目的的前提下应尽量减小交流侧电感的取值。5电网电动势平衡仿真参数为:电网状态A,Eam=Ebm=Ecm=311V;状态B,Eam=Ecm=311V,Ebm=291V;状态C,在0.2~0.4s之间Eam=Ecm=311V,Ebm=291V,其余时间电网电动势平衡如状态A。直流侧电容为2mF,直流侧电压为600V。整流器容量为50kW。经过计算,电网电动势平衡的条件下电感取值范围为:6.92mH≤L≤27.6mH。实验仿真结果如下。1当存在于电网平衡的情况下2交流侧清晰控制参数设计由上面的仿真可知,电网平衡与电网不平衡条件下,交流侧电感参数是不同的,同时也体现出在电网不平衡条件下为减小直流侧二次谐波,电感值比在电网平衡时的电感值小,符合电网不平衡时电感设计原则。3特性分析结果为了在电网平衡和不平衡条件下获得较为理想的控制效果,进行了多次试验,试验数据见表1。表1中,“*”表示直流侧电压振荡,这时的实验数据已经不重要。电网不平衡只是一个瞬态现象,它持续的时间仅有数百μs,但是如果不采用不平衡的控制策略,会使损耗增大和变流装置性能下降,严重时可使变流装置发生故障保护,甚至烧坏装置。从图6中可以看出,如果电感参数是依据电网不平衡选择的,那么在0.2~0.4s发生不平衡故障期间,整流器可以稳定运行,而在其他时间内整流器直流侧电压是不稳定的。因为交流侧电感对三相VSR系统影响是综合性的,取值不仅影响系统的动静态性能,而且还会对三相VSR的额定输出功率等其他的因素产生影响。通过对仿真模型的分析,在电感L=8mH时系统中3个PI调节器都出现了跳动,同时交流电流出现幅值跳动,导致正、负序电流的变化,引起控制系统中给定空间电压向量不稳定幅值有所变化,使得空间矢量跟随出现跳动,导致控制系统出现不稳定,从而导致直流侧电压不稳定。说明交流侧电感不仅影响整流器性能同时也影响整流器直流侧电压。从表1可以得出,实现最好的控制效果时对应的电感参数应在13~14mH之间,通过仿真实验得知,L=13.81mH时控制效果最好。6基于种类的合作设计电网不平衡故障只是瞬态或短暂的现象,所以在设计电感时应该综合考虑电网平衡与不平衡两种状态,并偏重于平衡状态,不能仅在一种电网状态下设计电感参数。如果采用的是不平衡控制策略,那么在设计电感时应该充分考虑电网平衡条件下整流器的运行性能,综合考虑两种电网状态下选择最优的电感参数。仿真结果表明,这种设计理念和方法在提高PWM整流器的性能和控制效果方面都能体现出它的合理性和实用性。在电感取值区间内,选取不同的电感值。通过多次的仿真实验综合多方面的数据,最后选择L=13.81mH。对应波形如图3、图4所示。由电网不平衡时电感设计原则可知,当电