基于坐标系下的pwm整流器直接功率控制器设计

基于坐标系下的pwm整流器直接功率控制器设计

随着能源电子技术的快速发展，各种能源电子系统、工业、交通、家庭等应用于能源系统、工业、交通、家庭等领域。引入大量非正统供电，导致污染日益严重。当前谐波源主要是一些整流设备,如化工、冶金行业的整流设备和各种调速、调压设备以及电力机车。传统的整流方式通常采用二极管整流或相控整流方式,采用二极管整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流,造成电网的谐波污染,而且直流侧能量无法回馈电网等缺点。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流侧功率因数很低,因换流引起电网电压波形畸变等缺点。这些整流器从电网汲取电流的非线性特征,给周围用电设备和公用电网都会带来不利影响。由于PWM整流器实现了网侧单位功率因数,甚至能量可双向传输,因而真正实现了“绿色电能变换”;同时由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性,因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得了进一步的发展和拓宽,并获得了更为广泛和更为重要的应用。本文设计的三相PWM整流器直接功率控制系统的结构采用直流电压外环、功率控制内环结构,根据交流源电压及瞬时功率在预存的开关表中选择整流器输入电压的控制开关量,实现有功功率和无功功率的合理调节。1基于信号转换的发电机控制建立在瞬时值基础上的三相电路瞬时——无功功率理论,能够快速反映功率变化,TokuoOhnishi提出了一种将瞬时有功功率、无功功率用于PWM变换器闭环控制系统中的新型控制策略。三相电路瞬时功率理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义,系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。三相PWM整流器主电路如图1所示,图中ua、ub、uc为发电机出口三相对称电压,ia、ib、ic为三相线电流,Udc为直流侧电压,Rl为直流侧等效负载,il为直流侧等效电流,R和L为发电机三相绕组额定运行时的等效电阻和等效电抗,Va、V′a、Vb、V′b、Vc、V′c分别为PWM整流器三个桥臂的上、下管。Sa、Sb、Sc为整流器开关管的开关函数,其中:Sa={10Va导通,V′a截止V′a导通,Va截止Sb={10Vb导通,V′b截止V′b导通,Vb截止Sc={10Vc导通,V′c截止V′c导通,Vc截止Sa={1Va导通,Va´截止0Va´导通,Va截止Sb={1Vb导通,Vb´截止0Vb´导通,Vb截止Sc={1Vc导通,Vc´截止0Vc´导通,Vc截止图2所示,发电机出口为三相对称电压,由于采用交流侧电压预估策略,所以PWM整流器电源侧没有使用交流电压传感器(霍尔电压传感器),这样在控制策略可行,且节省了硬件投资。瞬时有功功率与无功功率根据检测到的电流ia,ib,ic及电压ua,ub,uc进行计算,得到瞬时有功和无功功率的估算值p,q及三相电压ua,ub,uc在固定αβ坐标系中的uα,uβ,p和q,与给定的pref和qref比较后送入滞回比较器输出Sp,Sq开关信号,pref由直流电压外环设定,qref也可设定为0,以实现单位功率因数。uα,uβ送入扇形选择器输出θn信号。根据Sp,Sq,θn在开关表中选择所需的Sa,Sb,Sc,去驱动主电路开关。由(α,β)坐标系中:[pq]=[uαuβuβ−uα][iαiβ]=[iα−iβiβiα][uαuβ](1)[pq]=[uαuβuβ-uα][iαiβ]=[iαiβ-iβiα][uαuβ](1)所以[uαuβ]=1i2α+i2β[iαiβ−iβiα][pq](2)[uαuβ]=1iα2+iβ2[iα-iβiβiα][pq](2)而预估的瞬时有功功率pˆp^和瞬时无功功率qˆq^已知,则(α,β)坐标系中两相电压预估为:[uˆαuˆβ]=1i2α+i2β[iαiβ−iβiα][pˆqˆ](3)[u^αu^β]=1iα2+iβ2[iα-iβiβiα][p^q^](3)可得:⎡⎣⎢uˆauˆbuˆc⎤⎦⎥=23√⎡⎣⎢⎢⎢1−1203√2−12−3√2⎤⎦⎥⎥⎥[uˆαuˆβ](4)[u^au^bu^c]=23[10-1232-12-32][u^αu^β](4)采用瞬时有功功率为电压矢量与电流矢量的标量积,瞬时无功功率为电压矢量与电流矢量的矢量积,则p,q按下式计算:p=iTu=iαuβ+iβuβ(5)q=|i×u|=iβuα−iαuβ(6)p=iΤu=iαuβ+iβuβ(5)q=|i×u|=iβuα-iαuβ(6)Sp,Sq按下列规则确定:当预估的有功功率pˆp^与有功功率的参考值pref之差超过滞回宽度Hp时,关闭有功功率开关,即有功功率开关函数Sp=0;反过来,当有功功率的参考值pref与有功功率的预估值pˆp^之差超过滞回宽度Hp时,即打开有功功率开关,即有功功率开关函数Sp=1。同理,得出如下瞬时有功功率和无功功率的开关函数:Sp={10pˆ＜pref−Hppˆ＞pref+Hp‚Sq={10qˆ＜qref−Hqqˆ＞qref+Hq(7)Sp={1p^＜pref-Ηp0p^＞pref+Ηp‚Sq={1q^＜qref-Ηq0q^＞qref+Ηq(7)式中Hp,Hq为有功和无功功率滞回比较器的滞回宽度,Hp,Hq决定了功率控制精度,亦决定了开关频率。2等效电路仿真在Matlab/Simulink环境下构建PWM整流器直接功率控制系统的仿真模型,并对系统进行仿真分析,验证系统的性能指标以及控制策略的可行性。三相PWM整流器直接功率控制系统的仿真结构如图3所示,主要有以下几个部分组成:1)由三相桥(IGBT-Diode)组成的整流桥;2)交流侧电感;3)交流侧电流、直流侧电压采样;4)瞬时有功和无功功率预估;5)直流侧电容,负载;6)直流电压PI调节模块;7)DPC系统开关表;8)矢量相角计算,扇型选择器。图中,滤波参数、PI参数、IGBT器件参数、负载类型和大小都可在相应的模块属性中定义。测量分析工具是用SIMULINK提供的模块构成,包括:输出电压、电流测量,输入直流电压测量,有效值检测。系统的仿真参数设定如下:交流测电源电压:Us=4002√cos(ωt)VUs=4002cos(ωt)V频率:50Hz直流电压给定值:Udc=720V直流测电容:Cdc=3300μF交流测电感:Ls=6mH交流测电阻:Rs=0.2Ω直流测负载电阻:R=5.18Ω根据检测的三相电压和电流的瞬时值,计算出瞬时有功功率和瞬时无功功率以及两相旋转坐标系下的电压矢量的相角,由计算的瞬时有功功率、无功功率与给定的有功功率无功功率进行比较后送入滞环比较器,根据瞬时有功和无功的开关函数Sp、Sq和电压矢量的相角,送入开关表中选择出PWM整流桥的三相开关模式U0(000)、U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)、U7(111),电源输出的相电压和相电流波形仿真结果如图4所示。本文中的三相电压型PWM整流器直接功率控制系统中,直流母线电压给定为720V。通过系统仿真分析,从直流母线电压的仿真波形可以看出,系统的输出电压接近在540V左右满足了系统整流的设计要求。PWM整流器DPC系统有功功率和无功功率仿真结果也表明,PWM整流器DPC系统的有功功率接近在100kW,无功功率输出接近于0。3瞬时功率控制系统的设计本文设计的三相PWM整流器直接功率控制(DPC)系统的结构为直流电压外环、功率控制内环结构,根据交流源电压及瞬时功率在预存的开关表中选择整流器输入电压的控制开关量,实现有功功率和无功功率的合理调节,其内部省去了电流环,减少了参