1、第32卷第3期2005年6月文章編號:100022472(2005)0320093204湖南大學學報(自然科學版)JournalofHunanUniversity(NaturalSciences)Vol.32,No.3Jun12005三相電壓型PWM整流器的改進控制策略的研究歐陽紅林,陳繼華,黃守道,盧劍濤(湖南大學電氣與信息工程學院,湖南長沙410082)摘要:首先從現有三相PWM整流器d2q模型出發,采用電網電壓、d2q軸電流的前饋補償技術,得到一種通用的矢量解耦控制策略.然后根據頻域分析法,得出了整流器的一階慣性模型,并推導出系統的頻域控制模型.為了提高系統的動態性能,提出一種新型的負載

2、電流前饋控制方案.該方案認為負載電流對系統而言是一個外部干擾信號,并根據控制系統的頻域控制模型得出了對該干擾信號的最佳補償,對其進行拉氏逆變換后整定為一單位脈沖函數,并將它加在d軸指令電流輸出環節,.最后仿真驗證了該前饋控制方案的正確性.關鍵詞:整流器;矢量控制;慣性模型;前饋中圖分類號:TP271.4:AImprovedControlStrategy2PhasePWMVoltageRectifierOUYANGHong2lin,CHENJi2hua,HUANGShou2dao,LUJian2tao(CollegeofElectricalandInformationEngineering,Hu

3、nanUniv,Changsha,Hunan410082,China)Abstract:Fromthefeedforwardcompensationtechnologyofnetvoltageandd2qaxiscurrent,wegotagen2eralvectordecouplingcontrolstrategybasedonthepresentd2qmodelofthree2phasePWMrectifier.Then,ac2cordingtothefrequencydomaincontrolmethod,weeducedtherectifiersone2orderinertiamode

4、landdeducedthesystemsfrequencydomaincontrolmodel.Toimprovethedynamicperformanceofthesystem,anewload2currentfeedforwardcontrolschemewasproposed.Theschemeviewedtheloadcurrentasanexternalinterferen2tialsignaltothesystemanddrewoutthefittestcompensationoftheinterferencethroughthefrequencydomainmodelofthe

5、controlsystem.TheresultwasadjustedintoaunitpulsefunctionafteraninverseL2transformationandwasaddedtothedaxiscommandcurrentoutputnode,whichgreatlyboostedthesystemstrackingabilityforthecommandcurrent.Finally,thesimulationverifiedthevalidityofthefeedforwardcontrolscheme.Keywords:rectifier;vectorcontrol;

6、inertiamodel;feedforward變速恒頻發電技術是近年來新興的發電技術,非常適用于風力發電、變水位發電、潮汐能發電等變速發電場合1該種用途的變頻器的整流器必須具有能量雙向流動的功能,并且為了給電網輸送高質量的電能,要求整流器的效率高(功率因數接近1)、諧波含量少.脈沖寬度調制(PWM)整流器作為一種新型的整流器,完全可以滿足上述要求,因而很適合用作變頻供電電源.目前,PWM整流器的控制主要分為間接電流控制和直接電流控制2種.間接電流控制1的優點收稿日期:2004-09-20基金項目:湖南省自然科學基金資助項目(04JJ3007)作者簡介:歐陽紅林(1965-),男,湖南祁東人,

7、湖南大學副教授,博士研究生E2mail:oyhl1405.ouyang94湖南大學學報(自然科學版)2005年在于控制簡單、無需電流反饋控制,不足之處在于電流動態響應不夠快,甚至交流側電流中含有直流分量,且對系統參數波動較敏感2.直接電流控制3以快速電流反饋控制為特性,可獲得較高品質的電流響應,但控制結構和算法較復雜,不易于數字實現.另一種是基于同步速旋轉坐標系的矢量控制方案,它具有動態響應快、穩態性能好、消除電流穩態跟蹤誤差、可以實現無功功率的解耦控制4,5等優點,是一種較理想的控制策略.本文從系統的頻域模型6-8出發,提出了一種可以獲得更佳電流動態性能并且控制比較簡單的負載電流前饋控制策略

8、,最后用Matlab軟件對其進行了仿真,驗證了理論分析的正確性.圖2電壓向量圖Fig.2Voltagevectorfigure1整流器的基本原理圖1是三相PWM整流器的拓樸結構,逆變器的結構完全相同.式動作.,穩壓,電壓可保持不變.2,本文采用d2q坐標.電網同步速d2q坐標系下4如下:-dtLLidiq+=-dtLLu0dt2C2C00L圖1三相PWM整流器的主電路結構Fig.1ThemaincircuitstructureofthreephasePWMrectifierLusdusq-(1)iL圖2是整流器輸入電壓Us、輸入電流Is、交流側控制電壓Ur間的向量圖.(a)圖中,整流器工作在整

9、流狀態,電流矢量Is與電壓矢量Us平行且同向,此時整流器網側呈現正電阻特性,實現單位功率因數整流控制,負載從電網吸收有功功率.(b)圖中,整流器工作在逆變狀態,電流矢量Is與電壓矢量Us平行且反向,此時整流器網側呈現負電阻特性,實現單位功率因數逆變控制,負載向電網釋放有功功率.下面就從整流器的基本數學模型出發,找出一種具有優良動態性能、簡便易行的直接電流控制方案.式中L為交流側輸入電感;R為每相電阻;C為直流側電容;sasb,sc是三相橋臂的開關函數,定義如下1上橋臂開通,下橋臂關斷(2)sk=0下橋臂開通,上橋臂關斷將式(2)化簡可得ud=usd-(Lp+R)id+Liquq=usq-(Lp

10、+R)iq-LidC(is+iqsq)-iL=dt2dd式中p=d/dt為微分算子.顯然,式(3)中d,q軸電流沒有解耦,因而無法(3)對兩通道的電壓進行單獨控制,為此,引入id.iq的前饋解耦控制,對usd,usq進行前饋補償,且采用PI調節器作為電流環的控制器,可得三相同步旋轉坐標系下三相電流控制時的電壓指令為第3期歐陽紅林等:三相電壓型PWM整流器的改進控制策略的研究95ud=usduq=usq3)(id+(KP+-id)+LiqS3)(iq+(KP+-iq)-LidS(4)常數.由于控制時保持iq=0,引入的負載電流前饋補償應加在d軸,如圖4所示.式中KP,KI分別為比例系數,積分系數

11、.經補償后,式(4)變為ud=(KP+3)(id-id)Suq3)(iq=(KP+-iq)S(5)圖4前饋控制傳遞函數模型Fig.4Feedforwardcontroltransferfunctionmodel顯然,式(5)表示的電壓指令已實現完全解耦控制,其硬件控制框圖如圖3所示.圖中Gvd(s)為電壓外環的傳遞函數模型,GL(s)為前饋補償器的傳遞函數模型,根據圖4可得到直流輸出電壓為udu(s)=udc-udcd(s)Gi(s)GS+(8)GL(si(s)iL圖3PWMFig.3Thediagramofrectifier,只要設計合理補償使第二項為零,就可以消除負載對系統的擾動影響,使實

12、際電流迅速逼近指令電流id,提高系統的動態響應速度.令(9)GL(s)=()GisKi對其作拉氏逆變換,得到時域模型為3改進的控制策略上述控制策略的不足之處在于沒有對負載電流進行控制,如果引入負載電流的控制,系統的動態性能有望得到進一步的提高.當負載電流iL變化時,首先使直流輸出電壓udc偏離設定值,然后通過電壓調節器的調節,減小直到消除udc同設定值之間的差,系統重新進入穩態.可見,負載電流iL對于整個控制系統而言是一個外部擾動信號,根據控制理論,前饋控制可以消除擾動對系統的影響,引入前饋控制后能克服電壓調節環調節速度慢的不足,從而改善系統的動態響應,減小負載擾動對系統的影響.忽略整流器橋路

13、損耗,穩態時,交流電源輸出的功率等于負載吸收的功率,即(6)3usaia=udcidc穩態運行時,電容C的充電電流為0,idc=iL,iLia,可以把整流器主電路部分看作一個比例環節.事實上由于整流器具有強耦合非線性的特性,因而可以用一個小時間常數的一階慣性環節Gi(s)來代替,如式(10)所示:Gi(s)=TiS+1(7)fiL(t)=×Dirac(1,t)+×Dirac(t)KiKi(10)事實上,系統的調節時間是毫秒級的,因而可以略去第一項,其余部分由PI調節器作出調節.由式(10),作出近似補償器如下:33id=udc-udc(KP+K)+SiL×KL&#

14、215;Dirac(t0,t)(11)其中第一項為電壓調節器的輸出,第二項為近似的前饋補償器,KL是一個與放大倍數Ki、時間常數Ti有關的常數,t0是單位脈沖函數的起始時刻,兩項都在仿真過程中不斷地調節以達到最佳性能.帶前饋控制器的系統控制框圖如圖5所示.其中Ki為整流器的放大倍數;Ti為整流器的時間圖5前饋控制框圖Fig.5Feedforwardcontroldiagram96湖南大學學報(自然科學版)2005年4仿真驗證為了驗證上述分析結果,用Matlab軟件對其進行了仿真,參數如下:交流電源電壓usa=usb=usc=100V;直流側反電勢udc=250V,整流時E=0V,逆變E=300

15、V;直流側負載R=10;直流側電容C=2200F;交流側電感L=5mH.部分仿真結果如圖6所示.圖6(a)為單位功率因數時,整流器交流側電壓與電流的波形,由圖可見二者完全同相,即整流器工作在整流狀態,且電流為正弦波,實現了理論分析的單位功率因數控制.圖6(b)為整流狀態下直流側電壓的波形,由圖可見SVPWM調制能夠實現跟蹤指令電壓的功能,整流器從啟動到穩定大概需40ms的時間.圖6(c),(d)分別是無前饋、有前饋控制時d軸電流的波形,為了說明整流器可以逆變運行,令E=300V,于是能量從直流側流向交流側,因而d軸電流為負,由圖可看出,加上負載電流的前饋控制后,電流的響應快了約5ms,達到了2

16、5%,大大提高了系統的動態性能,證明了前面理論分析的正確性.圖6(e),(f)是直流側電流的對比,可見加入前饋控制后,直流電流能迅速達到穩態值.圖6仿真波形Fig.6Simulationwaveform5結論為了滿足交流變頻電源低諧波、高功率因數、快速動態響應及能量雙向流動的要求,本文在矢量解耦控制的基礎上,從功率平衡的理論出發,得到整流器的一階慣性模型,從而得到整個系統的頻域模型,引入了負載電流的前饋控制.采用該控制不僅可以獲得很好的穩態性能,還可以大大提高系統的動態性能,最后通過仿真驗證了理論分析的正確性.J.IEEETransOnIndusAppl,1991,2:355-364.2JOS

17、EREspinoza,GEZAJoos,LUISMoran.Decoupledcontroloftheactiveandreactivepowerinthree2phaserectifiersbasedonnon2lin2earcontrolstrategiesJ.IEEETransonIndusEledronics,1999,1:131-136.3ZARGARINR,JOOSG.Performanceinvestigationofacurrent2con2trolledvoltage2regulatedPWMrectifierinrotatingandstationaryframesProcJ.IEEEAnnuConfIndustrialElectronicsSocietyPro2ceedingsoftheIecon93,1993,2:1193-1198.4張崇巍,張興.PWM整流器及其控制M.北京:機械工業出版社,2003.5熊健,康勇,段善旭,等.三相電壓型PWM整流器控制技術研究J.電力電子技術,1999,2:5-7,57.6熊宇,李君.基于改進矢量控制的三相電壓型整流器的系統分析和設計J.電氣傳動,2002,5:13-17.7劉習春,湛正君,劉輝.Von及C1對E類零電壓開關整流器的影響J.湖南大學