摘 要:電能高效無(wú)污染的利用,是全球長(zhǎng)期追求的指標(biāo)之一,變流裝置綠色化尤為重要。ABB公司創(chuàng)新設(shè)計(jì)船載直流電網(wǎng),將船舶能效提升20%左右,并將電氣設(shè)備的占地面積和重量減少30%左右,所產(chǎn)生的電力直接饋入或通過(guò)整流器將電能分配給船上用電設(shè)備的公共直流匯流排。此系統(tǒng)可用于高達(dá)20MW的船舶電氣應(yīng)用并運(yùn)行在額定電壓1000VDC,直流側(cè)穩(wěn)定性。本課題建立整流器VF-DPC模型,引進(jìn)了虛擬磁鏈觀測(cè)的方法和SVPWM控制,利用智能控制在線尋優(yōu),實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)能量的雙向傳輸、單功率因數(shù)、諧波濾波和直流電網(wǎng)交流側(cè)電流正弦化。
關(guān)鍵詞:整流器VF-DPC模型;虛擬磁鏈觀測(cè);SVPWM控制;智能控制
1 直流電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
直流電網(wǎng)較交流電網(wǎng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):減少燃油損耗;磨損更??;簡(jiǎn)單省時(shí);快速響應(yīng),系統(tǒng)無(wú)需同步;噪聲更輕,震動(dòng)更??;更加環(huán)保。
直流電網(wǎng)較交流電網(wǎng)具有以下幾個(gè)缺點(diǎn):直流電網(wǎng)價(jià)格高;斷路器的設(shè)計(jì)要求高;無(wú)功補(bǔ)償量大;維護(hù)費(fèi)用高;諧波干擾,需要較好的濾波器。
因此現(xiàn)階段直流電網(wǎng)被應(yīng)用于船載直流電網(wǎng),某些小型的供電系統(tǒng),具體大電網(wǎng)應(yīng)用直流電網(wǎng)還需要一定的技術(shù)發(fā)展。文章研究能量雙向流動(dòng)的VF-DPC電壓型整流器,確保了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性,確保了交流側(cè)電流正弦化,同時(shí)虛擬磁鏈有效的抑制了諧波,對(duì)直流電網(wǎng)的發(fā)展有著重要意義。
2 電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1為三相電壓型主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),是半橋電路。而三相全橋會(huì)比三相半橋更適應(yīng)于電網(wǎng)不平衡的條件,硬件成本高。但是由于本課題在電網(wǎng)平衡條件下研究,所以采用三相半橋電路。這里用IGBT,原因:第一,二極管整流,對(duì)電網(wǎng)造成了“污染”;第二,諧波大,對(duì)于晶閘管。
3 三相電壓型PWM整流器的工作原理
整流器交流側(cè)輸入認(rèn)為是三相正弦電流。而直流側(cè)的電容起到穩(wěn)壓作用輸出呈直流電壓源特性。其單相交流側(cè)等效電路如圖2所示。
功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成當(dāng)不計(jì)功率開關(guān)管橋路損耗時(shí),由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系:
由于所加載的電阻R較小,則基本可以忽略,則
方程(2)中e是由電網(wǎng)電壓決定的,VL恒定相位超前電流iA的相位?仔/2。
PWM整流器的四象限運(yùn)行,可以用來(lái)控制交流側(cè)電壓和交流側(cè)的電流,通過(guò)反饋控制來(lái)網(wǎng)側(cè)電流。
4 三相電壓型PWM整流器的直接功率控制
直接功率控制主要是控制有功功率和無(wú)功功率,VOC,電流矢量的幅值以及相位,間接控制有功無(wú)功功率,從而控制輸出端電壓。
DPC與VOC的區(qū)別:DPC是基于電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的方法轉(zhuǎn)換而來(lái),并非是把功率換算成電流去實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)控制,而是PWM整流器輸出的瞬時(shí)有功無(wú)功功率作為控制量實(shí)現(xiàn)的直接功率閉環(huán)控制。文章主要研究比較先進(jìn)的VF-DPC系統(tǒng)。利用坐標(biāo)變換將3S/2S電壓電流瞬時(shí)值變換成兩相正交坐標(biāo)系。其中的clark、park和ipark坐標(biāo)變換這里不作過(guò)多介紹。
瞬時(shí)功率理論與仿真模型如下:
從式3中可以看出來(lái),瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的變化與交流側(cè)電感能量有著密切的關(guān)系。在從式3中觀察,可發(fā)現(xiàn)無(wú)功功率與d沒有關(guān)系,也就是與直流側(cè)能量不傳遞,但是可以看出來(lái)有功功率在整流器的交直流側(cè)進(jìn)行雙向能量流動(dòng),形成了功率環(huán),確保了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性,體現(xiàn)了整流器的非線性控制優(yōu)越性。
虛擬磁鏈的瞬時(shí)功率估算模型,利用虛擬磁鏈估算模塊省去了電壓傳感器。其中的SA,SB,SC是開關(guān)矢量表開關(guān)函數(shù)信號(hào),其中的Udc是由電壓傳感器直接測(cè)量而得。電流則是由電流傳感器測(cè)量而得,經(jīng)過(guò)clark變換成?琢?茁坐標(biāo)系而得。虛擬磁鏈的輸出為瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的觀測(cè)值也即為實(shí)際值。
5 仿真模型和仿真結(jié)果
電壓型PWM整流器VF-DPC系統(tǒng)框圖可以在參考文獻(xiàn)中查閱,不再附圖。根據(jù)系統(tǒng)框圖在simulink中建立模型。并在直流電網(wǎng)模型中運(yùn)行該模型,其直流側(cè)電壓仿真結(jié)果如下:
從圖3可以得出,在剛啟動(dòng)空載時(shí)波形有了大的超調(diào)量但是能夠保持電壓的穩(wěn)定性,在0.2s突加負(fù)載的時(shí)候直流側(cè)電壓在負(fù)載的沖擊下突然減小,隨后繼續(xù)保持穩(wěn)定在1000V。
從圖4可以得出,當(dāng)加入100電阻時(shí),啟動(dòng)瞬間整流器處于整流狀態(tài),瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率同時(shí)減小,無(wú)功功率轉(zhuǎn)化為有功功率,同時(shí)向直流側(cè)傳輸,在0.05S的時(shí)候達(dá)到穩(wěn)定。
利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱,粒子群算法,BP算法和模糊專家控制對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化,可以優(yōu)化波形的超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間。
6 結(jié)束語(yǔ)
文章驗(yàn)證了電壓型PWM整流器VF-DPC系統(tǒng)在直流電網(wǎng)中的仿真應(yīng)用,并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析在線尋優(yōu),參數(shù)得到了優(yōu)化。此綠色整流器符合預(yù)期,利用智能控制對(duì)直流電網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用有著重要的意義。
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