基于矢量控制的直接功率控制

基于矢量控制的直接功率控制

1控制策略分析自tkotariot等人提出采用vmm控制改善整流器输入波形以来，vmm全流器以其良好的性能成为研究的热点。目前对PWM整流器的研究重点集中在电压型整流器上,其具有拓扑结构非常简单、动态响应迅速的特点。三相电压型PWM整流器的控制技术有很多,PWM整流器的高性能控制策略主要分为矢量控制和直接功率控制(DPC),分别与电机控制的矢量控制和直接转矩控制相呼应。基于定向策略的不同,每种控制策略又分为基于“电网电压定向”和基于“虚拟磁链”两种。目前常用的控制策略是矢量控制,对于DPC的应用尚处于尝试阶段。DPC具有响应快、算法简单的特点。传统的DPC采用bang-bang控制,存在开关频率不固定等缺点,将DPC控制和空间矢量脉宽调制算法(SVM)的思想相结合,两者的优势互补,同时克服了传统DPC开关频率不固定的缺点,并利用电网电压虚拟磁链定向技术对传统的DPC控制进行改进,使其可以在工业中应用。2电平整流器数学模型图1示出中点箝位型的三电平PWM整流器主电路。Si1~Si4(i=a,b,c)为整流器的开关函数;Udc为直流侧输出电压;Ls,Rs为整流器交流侧电感和等效电阻;RL,L为直流侧等效负载电阻和电感;Uup,Udown分别为直流母线上下电压。在推导三电平整流器数学模型前,先假设:(1)公共电网三相对称,刚性且稳定,为理想平衡电压;(2)主电路开关元件为理想元件,其通断控制由开关函数来描述;(3)直流侧负载为等效负载。遵守功率不变的原则,经过Clark变换和Park变换将三相a,b,c坐标系中系统变量变换到d,q两相同步旋转坐标系中。经过变换后,三相电压型PWM整流器在d,q两相同步旋转坐标系中的数学模型为:式中:udr=S1dUup-S2dUdown;uqr=S1qUup-S2qUdown;ud,uq,id,iq为电网电压、电流变换到d,q坐标上的量。3dpc-svm温度控制原理3.1瞬时功率的测定为实现对功率的实时控制和调节,不能采用常规的平均功率计算法,应采用瞬时功率。根据1983年提出的三相电路瞬时功率理论可求得功率在d,q轴的表达式为:因为ud=-ωΨβ,uq=ωΨα,可将功率表达式写成磁链与电流的关系,即:3.2同步速旋转d对整流器在d,q坐标系下的数学模型式(1)进行处理,将其变成PWM整流器的功率数学模型,处理过程如下:式中:Ψm为相电压的幅值。为实现高质量控制,可采用电网虚拟磁链定向矢量控制,坐标变换关系如图2所示。将同步速旋转d,q坐标系的d轴定向于电网电压虚拟磁链矢量Ψ方向上,θ=ω1t为d,α轴的夹角。磁链的d,q轴分量为:Ψd=Ψm,Ψq=0。则式(4)可写成:上式比较直观地反映了VF-DPC-SVM的控制原理,由此可得VF-DPC-SVM的控制框图,如图3所示。通过对直流母线电压Udc的控制产生出有功参考电流i*sq,它与Udc的乘积作为有功功率的参考量p*,若要实现单位功率因数控制无功功率参考矢量q*=0,p,q的实际值根据上述提到的瞬时功率计算方法算得。4抗扰动性能测试利用Matlab7.6.0工具进行仿真研究,参数如下:交流侧线电压660V;Rs=0.1369Ω;Ls=0.7mH;输出直流母线电容C1=C2=7000μF;额定输出电压Udc=1.1kV;开关频率fn=2kHz。在0.01s启动整流器,空载运行,0.2s切入负载(125kW),0.5s加载(250kW),0.8s减载(125kW),通过对切入负载和加载过程的仿真来测试系统的抗扰动性能。由仿真波形可见,Udc在很短的时间内就重新达到稳定;在输出功率突变时,有功功率动态响应迅速,而由于有功功率和无功功率的解耦效果比较好,无功功率几乎没有变化。基于DSPTMS320F2812对系统进行实验,实验参数:交流侧线电压660V;Ls=0.8mH;C1=C2=5000μF;Udc=1.8kV;fn=2kHz。图4a,b为负载变化时三电平整流器在SVM-DPC下的有功、无功功率给定及反馈波形。由图可见,SVM-DPC控制下的三电平整流器有功功率和无功功率响应迅速,内环具有良好的动态性能。图4c,d为SVM-DPC控制下的三电平PWM整流器在负载阶跃下的响应波形,θ为虚拟磁链观测器输出角度,ia,ua为后端整流器网侧a相电流、电压。由图可见,从负载阶跃变化开始直至Udc稳定只需约60ms。对比两组波形可见,对于三电平PWM整流器,采用SVM-DPC拥有比直接电流控制更为优异的直流母线电压控制能力,也即其动态响应性能更优秀。5电流谐波小,功率控制,频率稳定,稳定性差提出的三电平PWM整流器的定频直接功率控制算法实现了单