三相电压型脉宽调制整流器的开关矢量表

三相电压型脉宽调制整流器的开关矢量表

0相电压型dm整流器的dpc控制其他应用直接功率控制是快速控制三相电压脉宽电源的有效方法，包括三个相的电压矩阵（pm）。直接功率(directpowercontrol,DPC)控制系统的控制对象中不仅含有交流侧电流的信息,还含有电网电压的信息,能够实现对变换器与电网交换的有功功率和无功功率进行快速高效地控制,同时,DPC还有算法简单、动态响应快、不受坐标变换影响等特点,特别适合于有源电力滤波器、背靠背电力变换和电机调速系统中的整流器等对动态性能要求很高的应用场合,能充分发挥三相电压型PWM整流器的网侧电流低谐波、高功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制等优势。国内外学者对PWM整流器的直接功率控制进行了卓有成效的研究。传统采用滞环比较器的DPC控制系统中,开关矢量表是核心,对控制效果的影响最为明显。绝大多数文献中的DPC控制均采用了文献提出的空间划分方法和开关表,但对其调制机制,各文献中要么未做分析,要么仅利用空间矢量图进行大致的定性分析。本文根据瞬时功率理论,在推导两相旋转坐标系下的功率数学模型的基础上,通过分析开关函数在两相旋转坐标下的表达式,研究每个开关矢量在矢量空间中对有功功率和无功功率的作用,给出三相电压型PWM整流器DPC调制机制的数学分析,得到一种新的空间划分方法,并基于这种空间划分方法推导一套严格符合矢量作用的新开关表。将这种新开关表与传统开关表及其他文献中优化后的开关表进行对比可发现,采用其他开关表的DPC控制效果都可以从中得到一定的解释。通过一系列对比仿真和实验分析可知,采用这种新的空间划分方法和新型开关矢量表的直接功率控制系统获得了很好的有功、无功功率控制效果,提高了稳态交流电流波形,从而验证了本文对三相PWM整流器DPC调制机制分析的正确性。1基于thou检测器的dpc控制机制1.1两相旋转dq系统模拟三相电压型PWM整流器主电路的拓扑结构如图1所示。图中:usa、usb、usc分别为三相电网的相电压;L为交流侧电感;ia、ib、ic分别为变换器的交流电流;udc为直流侧电容上的电压;iL为负载电流。根据三相瞬时功率理论,系统的瞬时有功功率p和无功功率q在两相旋转dq坐标系中可计算得式中:usd、usq分别为电网电压矢量在d、q轴上的投影分量;id、iq分别为交流电流矢量的d、q轴分量。一般情况下,三相电网基本平衡,可以忽略usq。以有功、无功功率为状态变量的两相旋转坐标系下的整流器数学模型为式中Sd、Sq分别为d、q坐标系下的变换器开关函数。为了简化分析,考虑额定工作情况,忽略一些相对较小的量,可以得到有功、无功功率变化率的表达式:根据式(3),功率变化率的大小与dq坐标系下的开关函数Sd、Sq有关,需要对它们进行定量分析:式中Sa、Sb、Sc分别为三相ABC坐标系下的变换器开关函数。其取值为将上面的三相开关函数代入式(4),可以得到各开关矢量对应的有功、无功开关函数,如表1所示。1.2开关矢量对无功功率的作用根据式(3),分析各矢量对于有功功率控制的影响,以开关函数V1的作用为例,将相应的Sd带入式(3)中,得式中为恒功率坐标变换条件下非零矢量的模长,记为。由于,可以将看作是某个第一象限角度θ的余弦值,即将式(6)代入式(5)得令式(7)等于0,构造方程如下:ωt=θ和ωt=-θ是式(8)的2个根。当sin[(ωt+θ)/2]与sin[(ωt-θ)/2]异号时,式(7)为正值,有功变化率为负数,此时有功功率减小;当2者同号时,有功功率增加。所以,V1对有功功率的作用将矢量空间分成不相等的2个区域,且2区域的分界线也是不固定的,其他矢量的作用也可以用相同的方法推导得出。各矢量对有功功率作用的方向区域如图2所示,两区域的分界线为式中k为非零矢量编号。由图2可知,同一个开关矢量对有功的增、减调节能力是不同的。dp/dt的最小值为,而最大值为,故开关矢量增加有功功率的能力强,减小的能力弱些。同时,进行增加有功的调节时,可选的开关矢量会更多一些。根据图2,6个开关矢量的作用范围将整个矢量空间分成了如图3(a)所示的12个区域,且这12个区域并不相等。由式(6)可知,θ=π/2时,udc无穷大;当θ=π/6时,udc接近不控整流时直流母线电压值。这2种情况是udc的两种极限情况,所以θ的取值范围为θ=π/6~π/2。当θ=π/2时,图3(a)可以简化为如图3(b)所示的6扇区图。1.3同保理剂中无功功率变化率的符号根据表1,将各个开关矢量对应的Sq表达式代入式(3)之中,并令无功功率的变化率为正和为负,分别构造不等式,可得到在不同扇区中无功功率变化率的符号。根据开关矢量对无功功率的作用,每个开关矢量都将矢量空间分成相等的2个区域,如图4所示。综合来看,与对有功功率不同,开关矢量对无功功率作用方向的分界线为三相静止坐标系ABC轴,且同一个非零开关矢量对于无功的最大增、减调节能力是对称的。根据不同矢量对无功功率的作用方向,可把整个矢量空间分成基本相等的6个扇区,如图5所示。1.4多矢量区分带对功率的调节作用将图5和图3(a)所划分的区域进行叠加,可得到各开关矢量对功率作用的完整区域图,如图6(a)所示,矢量空间被划分成18个扇区,为上文方便比较分析,将各扇区作如图6(a)的命名。如果将图5和图3(b)所划分的区域进行叠加,就可以得到传统的12扇区图,如图6(b)所示。通过上文的分析可知,传统的矢量空间扇区划分只是18扇区的一种极限情况,PWM整流器正常工作时是不可能达到的。根据图6(a)的扇区划分方法,分析各矢量在各扇区中对功率的调节作用,可以得到表2所示的在不同扇区对有功和无功功率的作用(仅给出了V1、V2的作用,其它矢量的作用可以依此类推)。表2中,“+”表示该矢量对功率是增加的作用;“++”表示该矢量对功率的增加作用很强;“-”表示该矢量对功率是减小的作用。根据表2可以归纳出严格遵循各矢量对功率作用的通用开关表,如表3所示,Sp和Sq分别为有功和无功滞环控制器的输出。根据表2可知,Sp=1项中的矢量可以有多种选择,表3中所选的矢量其实是满足作用方向且作用力最小的开关矢量。表3中,带方框的矢量是一种近似的选择,因为表2中该扇区没有符合条件的矢量,只有用效果最接近的开关矢量(即带框矢量)来代替。1.5最优设计为了分析的简便,式(3)中忽略了几项变量,主要有:R×p/usd、ωLq/usd、ωLp/usd、Rq/usd,若考虑正功率因数稳态运行情况,所有的变量均可用其给定值来代替,令q=0,再忽略交流侧阻抗R,则只剩ωLp/usd一项,该项主要是对无功功率的变化率研究产生影响。如果不忽略ωLp/usd,令无功功率变化率为0,则有根据功率平衡,可以求出使变化率为零的Sq取值式中Io为直流负载电流。忽略ωLp/usd的影响由输出负载电流Io和电网电压的幅值usd共同决定,电网电压的幅值越小、负载电流越大,则忽略ωLp项的影响也越大。所以在轻载情况下,忽略该项的影响很小,而当满载时,就会有一些误差。例如,取Io=15A,角度误差为3.39°,相对误差率不到1%(3.39/360),所以这种分析方法在一般情况下是适用的。2试验结果和讨论利用Matlab/Simulink7.0仿真平台对DPC数字控制系统进行模拟实验,所有的信号均进行了离散化和规格化处理。文献提出的传统开关表记作SVT1,文献提出的优化后的开关表记作SVT2,本文提出的通用开关表记为NEWSVT(表3)。将这几种开关矢量表进行对比分析如下:1)SVT1与NEWSVT主要区别是,在Sp=1的情况下矢量的选择不同,甚至在Sp=1&Sq=1时SVT1全部选用的是零矢量,零矢量虽然能够增加有功功率,但对无功的调节能力很弱,且调节方向不确定,所以过多的使用零矢量是导致无功功率波动、电流波形不好的主要原因;2)SVT2所选的矢量即使按照本文提出的18扇区来划分,也是能实现相应的Sp和Sq要求的,只是SVT2选用的矢量对有功功率作用强度比NEWSVT中相应位置的要大一些,这种开关表的开关频率比其它2个都要高。图7~8分别为使用开关表SVT1、SVT2和传统的12扇区划分方法这2种方案的电流波形和功率误差,图中,M为幅值,f为频率。图9为采用本文提出的NEWSVT开关表和18扇区划分空间的相应波形。由图7~9中可知,SVT1方案中的无功功率误差存在周期性波动,已经超出所设置的滞环环宽值,且电流波形存在较大的低次谐波分量;SVT2方案中无功功率误差虽然被限制在滞环环宽内,但由于在Sp=1时选用的开关矢量的作用力过强,导致有功功率的误差平均值为负数;本文提出的方案中,电流波形的谐波含量是最低的,瞬时有功功率的控制效果最好,无功功率也能控制在滞环环宽(设置为400var)左右。3新型同步电流控制的测试本文在一台三相PWM整流器设备上进行了相关实验,设备的主电路实验参数如表4所示。图10为使用传统12扇区划分和传统开关表得到的交流侧A相电压电流波形及电流的频谱分析图,采样频率50kHz。由图10可以发现,电流波形存在明显畸变现象,低次谐波的含量也比较高。图11是同样采样频率下,使用本文提出的新型空间划分方法及通用开关表得到的A相电流波形,对比图10,可以明显地看出波形更加平滑,几乎没有畸变,总谐波畸变率(totalharmonicdistortion,THD)也有明显改善。为验证直接功率控制在动态性能上的优势,对比采用PI控制的直接电流控制(directcurrentcontrol,DCC)系统的三相PWM整流器系统的突加负载实验。DCC采样频率为9.6kHz,2个系统的控制器参数尽量保持一致。对比图12、13,从空载到2kW突加负载,DCC系统的响应时间超过125ms,远大于直接功率控制的95ms。4创新的量表添加方式直接功率控制是一种结构简单实用、动态控制效果理想的控制方法,非常适用于三相电压型PWM整流器的控制,它包含功率估算、滞环比较和开关表构建3个主要部分,其中又以开