潘曉明,田聯(lián)房,王孝洪,梁東明,賈宇輝

(1.華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510640;2.日立電梯(中國)有限公司,廣東 廣州 511430;3.廣州日濱科技發(fā)展有限公司,廣東 廣州 510060)

1 引言

與傳統(tǒng)的二極管不控整流器和相控整流器相比,PWM整流器具有高功率因數(shù)、低諧波、能量雙向流動等優(yōu)點(diǎn)[1-2],得到越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的三相電壓型PWM整流器的控制方法是建立在三相輸入電壓平衡基礎(chǔ)上的,當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí),這些控制方法的性能會受到較大影響,致使電網(wǎng)輸入電流和直流輸出電壓產(chǎn)生大量諧波,影響PWM整流器的控制效果[3-4]。

為抑制直流輸出電壓的諧波,文獻(xiàn)[5]由功率平衡關(guān)系導(dǎo)出了使直流電壓無諧波的輸入電流正負(fù)序分量,在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對輸入電流進(jìn)行PI控制。由于電流負(fù)序分量在正序坐標(biāo)系下表現(xiàn)為交流量,通過PI調(diào)節(jié)不能實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[6]在兩相靜止坐標(biāo)系下對輸入電流進(jìn)行控制,為實(shí)現(xiàn)電流的無靜差調(diào)節(jié),采用了內(nèi)模控制器。這種方法不需要檢測電流正負(fù)序分量,簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),而內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)則是一個(gè)難點(diǎn)。

本文以抑制直流輸出電壓的諧波為目的,根據(jù)功率平衡原理[7],提出了基于正負(fù)序控制器的不平衡控制策略。根據(jù)功率平衡原則,推導(dǎo)出輸入電流正負(fù)序分量指令值。為實(shí)現(xiàn)對電流的無靜差調(diào)節(jié),構(gòu)建正負(fù)序兩個(gè)控制器,分別對輸入正負(fù)序電流分量進(jìn)行控制。由于在各個(gè)控制器下的控制量均為直流量,采用普通的PI調(diào)節(jié)器就可以獲得良好的控制性能。在Matlab/Simulink上的仿真結(jié)果表明提出的控制策略的正確性。

2 基于功率平衡的整流器原理

三相電壓型PWM整流器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 三相電壓型PWM整流器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of three phase voltage-source PWM rectifier

由圖1可推導(dǎo)出在空間矢量上的電壓平衡關(guān)系式:

式中:Es,Vs,Is分別為交流側(cè)電壓和電流矢量;L,R為濾波電感和等效電阻。

電網(wǎng)電壓不平衡時(shí),Es可分解為正負(fù)序電壓分量:

將Vs,Is也作上述分解,代入式(1),可得:

在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí),電網(wǎng)的輸入功率矢量可表示為

其中

根據(jù)功率平衡原理,當(dāng)忽略濾波電感和電阻的影響時(shí),電網(wǎng)輸入功率等于直流側(cè)的輸出功率。由式(6)可知,由于電網(wǎng)不平衡,導(dǎo)致輸入有功功率和無功功率均存在2次電網(wǎng)頻率的諧波分量。輸入有功功率的2次諧波分量將導(dǎo)致直流電壓也存在2次諧波,影響整流器的直流輸出特性。

為抑制直流電壓的2次諧波,可令電網(wǎng)輸入有功功率的2次諧波分量為零,即同時(shí)為了獲得單位功率因數(shù),令輸入無功功率的直流分量為零,即=0,代入式(6)的前4個(gè)式子,可求得抑制直流電壓諧波的電流指令值:

根據(jù)式(7)的電流指令值,通過合適的電流控制策略,可以使輸入有功功率不含2次諧波,直流電壓的諧波將得到很好的抑制。但是,由式(7)可知,輸入電流的負(fù)序分量不為零,致使電網(wǎng)電流各相不平衡,而且輸入無功功率也存在2次諧波。

3 不平衡控制策略的實(shí)現(xiàn)

由于在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,負(fù)序分量表現(xiàn)為2次電網(wǎng)頻率的交流值,當(dāng)使用PI調(diào)節(jié)器時(shí),不能實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。所以,本文在正序坐標(biāo)系下用正序控制器實(shí)現(xiàn)對正序分量控制的同時(shí),增加了一個(gè)負(fù)序控制器,實(shí)現(xiàn)對負(fù)序分量的無靜差調(diào)節(jié)。

3.1 正負(fù)序電壓電流分量檢測

將電壓矢量Es變換到正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,可得:

由式(8)可知,負(fù)序電壓分量表現(xiàn)為頻率為2倍電網(wǎng)頻率的交流量,使用陷波頻率為2次電網(wǎng)頻率的陷波器將負(fù)序交流分量濾除,即可得到正序電壓分量。同理,在負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,通過陷波器濾除正序交流分量,可得到負(fù)序電壓分量。檢測電網(wǎng)電壓正負(fù)序分量的原理圖如圖2所示。

圖2 正負(fù)序電壓檢測原理圖Fig.2 Scheme diagram of measurement of the positive and negative voltages

圖2中,坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣如下:

正負(fù)序電網(wǎng)電流的檢測原理也與此相同。

3.2 輸入電流指令計(jì)算

由式(7)可知,要獲得電流指令值,首先要計(jì)算輸入有功功率的直流分量為了保持直流輸出電壓Udc穩(wěn)定,加入電壓外環(huán),采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。直流電壓設(shè)定為由功率關(guān)系,電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出與直流輸出電流相對應(yīng),則輸出功率為

由功率平衡關(guān)系,輸入有功功率P*0即等于輸出功率根據(jù)式(7),結(jié)合檢測到的正負(fù)序電壓分量,即可求得輸入電流指令值。

3.3 基于正負(fù)序控制器的電流控制

在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,由式(3)可知正序電流的d軸和q軸分量相互耦合,所以采用基于前饋的解耦控制規(guī)律,對解耦后的d,q軸分量分別進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。經(jīng)過前饋解耦和PI控制,可推導(dǎo)出整流器交流側(cè)正序電壓分量為

同理,在負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,對負(fù)序電流進(jìn)行前饋解耦和PI控制,得到交流側(cè)負(fù)序電壓分量為

將交流側(cè)電壓正負(fù)序分量變換到兩相靜止坐標(biāo)系:

式中 :Cdq-p/αβ,Cdq-n/αβ分別為坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣 ,

根據(jù)交流側(cè)電壓矢量 Vα,Vβ,通過SVPWM調(diào)制方法可以得到控制功率開關(guān)的6個(gè)開關(guān)信號,實(shí)現(xiàn)不平衡控制策略。

不平衡電壓下PWM整流器的整體控制框圖如圖3所示。

圖3 不平衡電壓下PWM整流器的整體控制框圖Fig.3 Overall control diagram of PWM rectifier under unbalanced voltage

4 仿真分析

為了驗(yàn)證提出的不平衡控制策略,在Matlab/Simulink下搭建仿真平臺,進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)如下:正序電壓幅值Ep=220×2 V;負(fù)序電壓幅值En=22×2 V;濾波電感L=2 mH;等效電阻 R=0.05 Ω;濾波電容 C=2 200 μ F;負(fù)載電阻RL=20 Ω;直流電壓設(shè)定U*dc=700 V。

圖4為正序控制器控制時(shí)的波形。由圖4可知,直流電壓、輸入有功功率和無功功率都存在頻率為100 Hz的2次諧波。說明正序控制器不能實(shí)現(xiàn)對輸入電流的無靜差調(diào)節(jié),從而影響PWM整流器的直流輸出特性。圖5為正負(fù)序控制器控制時(shí)的波形?？梢钥吹?對電流的正負(fù)序分量分別在正序和負(fù)序控制器下進(jìn)行控制,使得輸出直流電壓和輸入有功功率的2次諧波都得到很好的抑制。輸入電流中加入了負(fù)序分量,輸入無功功率也存在2次諧波,與理論分析相符。當(dāng)電壓從平衡到不平衡變化時(shí),正負(fù)序控制器控制時(shí)的波形如圖6所示?？梢钥闯鲞^渡過程平緩,過渡時(shí)間較短,直流電壓和輸入有功電流幾乎沒有波動,輸入電流加入了負(fù)序分量,輸入無功功率從零變化為2次諧波量。

圖4 正序控制器時(shí)的波形Fig.4 Waveforms of the positive controller

圖5 正負(fù)序控制器時(shí)的波形Fig.5 Waveforms of the positive and negative controllers

圖6 電壓從平衡到不平衡時(shí)的波形Fig.6 Waveforms from balanced voltage to unbalanced voltage

由仿真波形可知,基于正負(fù)序控制器的控制策略可以對直流電壓2次諧波起到很好的抑制作用,改善整流器的直流輸出特性。

5 結(jié)論

本文提出了一種使三相電壓型PWM整流器直流輸出電壓無諧波的不平衡控制策略。根據(jù)功率平衡原理導(dǎo)出輸入電流的正負(fù)序分量,采用正序和負(fù)序兩個(gè)控制器來分別對電流的正負(fù)序直流分量進(jìn)行控制,可以達(dá)到快速而且無靜差的控制效果。仿真結(jié)果表明,提出的不平衡控制策略能夠很好地抑制直流輸出電壓的諧波,改善PWM整流器的直流輸出特性。此外,提出的控制策略是在原有正序控制器的基礎(chǔ)上只增加了一個(gè)負(fù)序控制器,并不增加額外的硬件資源,易于在平衡控制策略基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

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