康爾良,曹亮亮

(哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,哈爾濱 150080)

0 引 言

整流器作為各種電力電子裝置與電網(wǎng)的接口,其發(fā)展方向是將變流技術(shù)與微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相融合,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染的 “綠色”電能變換。隨著電力電子裝置的廣泛使用,由此引起的諧波污染問(wèn)題逐漸受到了人們的重視。目前,大部分的電力電子裝置所使用的直流電源是通過(guò)不控整流或相控整流得到的,這些功率器件大多工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),設(shè)備在運(yùn)行中對(duì)電網(wǎng)注入了大量的諧波和無(wú)功,造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)污染[1-3]。傳統(tǒng)的二極管不控整流和晶閘管相控整流有許多不足[4]。整流裝置是諧波主要的來(lái)源,因此有必要研制高功率因數(shù)、低諧波整流器以降低諧波污染,并滿足功率控制系統(tǒng)的高性能、高效率、高穩(wěn)定性等要求。

將PWM(Pluse Width Modulation)控制技術(shù)[5]與整流技術(shù)結(jié)合在一起,形成的新型整流器稱為PWM整流器。PWM控制技術(shù)應(yīng)用于整流器始于20世紀(jì)70年代末。國(guó)內(nèi)外已發(fā)表了大量研究報(bào)告并從不同方面對(duì)可逆PWM整流器技術(shù)作了深入而全面的研究,PWM整流器技術(shù)日趨成熟[6]?？赡鍼WM整流器由于能量可雙向傳輸及其優(yōu)越的控制性能,近年來(lái)在電力電子裝置中獲得了廣泛應(yīng)用,并受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注[7-9]。采用PWM整流可獲得單位功率因數(shù)和正弦化輸入電流。與相控整流相比,PWM整流器對(duì)電容、電感這類(lèi)無(wú)源濾波元件或儲(chǔ)能元件的需求大大降低,動(dòng)態(tài)性能也有很大的提高。本文根據(jù)PWM整流的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),應(yīng)用矢量脈寬調(diào)制的控制策略,在Matlab2009b/ Simulink軟件上搭建仿真平臺(tái),仿真結(jié)果驗(yàn)證了文中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

1 電壓型PWM整流器數(shù)學(xué)模型

三相電壓型 PWM整流器 (Voltage Source Rectifier,VSR)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

網(wǎng)側(cè)電路采用對(duì)稱的三相三線制結(jié)構(gòu),功率開(kāi)關(guān)管采用全控型器件IGBT和續(xù)流二極管并聯(lián)組成。其中Ek(k=a,b,c)是交流側(cè)電源相電壓, ik為交流側(cè)電源相電流,Lk是交流側(cè)濾波電感, Rk是交流側(cè)電感寄生電阻,C為直流側(cè)濾波電容?？紤]到電路對(duì)稱性,令L=Lk,R=Rk。假設(shè)IGBT和二極管均為理想器件。

設(shè)三相電網(wǎng)電源時(shí)域表達(dá)式為:

圖1 三相電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit of three-phase voltage source PWM rectifier

定義整流器的邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)sk為:

根據(jù)圖1所示的三相電壓型PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu),由基爾霍夫定律可以得到三相靜止坐標(biāo)系abc下的開(kāi)關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型如式(3)所示。

在abc坐標(biāo)系下三相電壓型PWM整流器交流側(cè)均為時(shí)變量,不利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^(guò)坐標(biāo)變換將三相靜止坐標(biāo)系abc轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq。經(jīng)過(guò)變換,三相坐標(biāo)系中正弦量為

將變成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中直流量,從而簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。運(yùn)用三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)abc到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq間的變換矩陣

圖2 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中三相電壓型PWM整流器模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Three-phase voltage source PWM rectifier model structure on two-phase rotating coordinate system

2 雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

PID調(diào)節(jié)器中有比例積分PD、比例積分PI、比例積分微分PID 3種類(lèi)型。PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成超前補(bǔ)償,可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)響應(yīng),但系統(tǒng)精度較差。PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成滯后補(bǔ)償,可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,但系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較PD慢。PID調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)超前與滯后補(bǔ)償,包括了PD與PI兩者的優(yōu)點(diǎn),可以全面提高系統(tǒng)性能,但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試復(fù)雜。一般系統(tǒng)都以系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)精度為主要調(diào)試目標(biāo),為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),本文采用雙閉環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三相電壓型PWM整流器,即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)控制主要獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓,電流內(nèi)環(huán)是電壓外環(huán)的輸出指令進(jìn)行電流控制,提供高品質(zhì)的電流響應(yīng),實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。

2.1 電流PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)由于對(duì)稱性,dq坐標(biāo)系下兩環(huán)電流控制方法相同,故只設(shè)計(jì)一環(huán)即可。因此,下面以的控制為例設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。考慮到電流內(nèi)環(huán)采用延時(shí)和PWM控制的小慣性特性,按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。其中KiP,KiI分別為電流PI調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù),且KiP為PWM開(kāi)關(guān)周期,KPWM為PWM等效增益。

圖3 電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of the current control loop

以PI控制器零點(diǎn)抵消電流控制對(duì)象傳遞函數(shù)的極點(diǎn)校正后,即τi=L/R,電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(s)變成典型二階系統(tǒng):

傳統(tǒng)組操作步驟與超聲刀組基本一致，術(shù)中主要采用單極電刀切割術(shù)區(qū)的肌肉、脂肪組織等，用電刀電凝止血、血管鉗鉗夾或絲線結(jié)扎。

2.2 電壓環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電壓環(huán)設(shè)計(jì)時(shí),假設(shè)電流環(huán)已實(shí)現(xiàn)完全跟蹤。參照文獻(xiàn) [7-8]電壓環(huán)可設(shè)計(jì)如圖4,設(shè)電壓環(huán)采用時(shí)間常數(shù),圖中,分別為電壓環(huán)PI控制器的比例和積分系數(shù),且τv。

圖4 電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of the voltage control loop

按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓PI控制器,電壓環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

在考慮系統(tǒng)跟隨性和抗擾性的同時(shí),工程上中頻寬h一般取5,代入式(9)中,可得到電壓環(huán)PI控制器參數(shù)。電壓環(huán)的調(diào)節(jié)速度不能太快,否則正常電壓輸出波動(dòng)會(huì)加深電流畸變。為保證電壓環(huán)帶寬小于電流環(huán),實(shí)現(xiàn)電流完全跟蹤,一般取電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)寬度小于開(kāi)關(guān)頻率的1/5。

綜合以上各式,dq坐標(biāo)系下變量已實(shí)現(xiàn)解耦,可得到三相電壓型PWM整流器的控制系統(tǒng),見(jiàn)圖5。

圖5 三相PWM整流器控制系統(tǒng)Fig.5 Control system of three-phase PWM rectifier

3 Simulink仿真實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)在離散模型由下可變步長(zhǎng)算法ode23tb采樣,步長(zhǎng)幅值5e-5,仿真時(shí)間0.7 s,在0.3 s時(shí)另并聯(lián)電阻8 Ω,仿真得到的波形輸出見(jiàn)圖 6～圖8。

由圖6和圖8可見(jiàn),系統(tǒng)從0.02 s開(kāi)始進(jìn)入整流狀態(tài),在0.1 s以后整流電壓穩(wěn)定在325 V,整流電路穩(wěn)定在20 A。由圖7可見(jiàn),此時(shí)網(wǎng)側(cè)相電壓和相電流為正弦波且達(dá)到同相位。圖9表示整流后功率因數(shù)波形,系統(tǒng)進(jìn)入整流狀態(tài)后,實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制。在0.3 s突然增加負(fù)載,負(fù)載電阻值由原來(lái)的16 Ω再并聯(lián)一個(gè)同樣的負(fù)載。整流電壓由于PI控制器的調(diào)節(jié),在0.5 s以后重新穩(wěn)定在325 V,相電流很快恢復(fù)正弦波狀態(tài),功率因數(shù)也很快恢復(fù)1。

圖9 功率因數(shù)波形Fig.9 Power factor waveforms

整流電流躍變?yōu)?0 A,系統(tǒng)輸出功率增加一倍,圖10與圖11所示為負(fù)載變化前后相電流頻譜分析,此時(shí)諧波總畸變率T HD由3.41%降為2.87%。驗(yàn)證了文中所設(shè)計(jì)的PWM整流器系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)魯棒性與快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4 結(jié) 論

由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),采用SVPWM調(diào)制和雙閉環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)的三相電壓型PWM整流器,可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。仿真實(shí)驗(yàn)波形表明本文設(shè)計(jì)的電壓型PWM整流器在實(shí)現(xiàn)快速跟蹤的同時(shí),保證了系統(tǒng)的抗擾性。該設(shè)計(jì)方法為工程實(shí)際應(yīng)用中提供了參數(shù)運(yùn)算依據(jù),如柔性交流輸電,可再生能源并網(wǎng)發(fā)電等。

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