張 瑞，劉 浩，魏克新

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384)

三相PWM整流器基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流控制方法

張 瑞，劉 浩，魏克新

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384)

為了達(dá)到三相PWM整流器內(nèi)環(huán)電流協(xié)調(diào)控制，可以通過空間矢量模型選擇合理的電感電壓矢量(IVV)，使電流變化率朝著正確的方向變化，消除電流誤差。為了精確選擇合理的IVV，并保證其簡便性，提出了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的方法，即通過扇區(qū)旋轉(zhuǎn)和矢量旋轉(zhuǎn)，選擇與電流誤差矢量相鄰的IVV，并確定其位置關(guān)系。此方法能夠分別運(yùn)用滯環(huán)電流控制(HCC)或空間矢量調(diào)制(SVM)兩種形式得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到不定頻或定頻控制。最后通過實(shí)驗(yàn)對比研究，說明該理論的有效性和兩種方法的差異性。

三相PWM整流器；協(xié)調(diào)控制；電感電壓矢量(IVV)；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；扇區(qū)旋轉(zhuǎn)；矢量旋轉(zhuǎn)；電流誤差矢量

近年來，三相PWM整流器被應(yīng)用于包括并網(wǎng)發(fā)電、電氣傳動、直流輸電、有源濾波等各種場合，其控制方法的研究愈來愈受學(xué)術(shù)界關(guān)注[1-10]。在諸多整流器控制方法中，雙環(huán)控制[3]極為成熟，即外環(huán)控制用來穩(wěn)定直流電壓，內(nèi)環(huán)控制用來跟蹤網(wǎng)側(cè)指令電流。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，運(yùn)行于單位功率因數(shù)，能量可雙向傳輸，很小的諧波畸變以及快速的電流響應(yīng)，內(nèi)環(huán)控制策略直接影響著網(wǎng)側(cè)以及直流側(cè)性能，所以至關(guān)重要，并研究出了大量的內(nèi)環(huán)控制策略[4-6]。滯環(huán)控制(HCC)由于采用各相獨(dú)立控制故不能協(xié)調(diào)地控制電流；基于空間矢量調(diào)制(SVM)的控制方法其電流環(huán)大多需要PI調(diào)節(jié)、解耦控制[4]及變換，故增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。文獻(xiàn)[7]提出了滯環(huán)和空間矢量相結(jié)合的方法，可以有效解決這些問題。其實(shí)現(xiàn)方法需要查表或邏輯運(yùn)算，易于硬件實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)常因?yàn)椴荒苓x擇最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)而存在控制誤差。

為了滿足以上要求，消除電流誤差矢量[8]，本文提出了一種新的方法，通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系選擇合理的電感電壓矢量，使電流變化率朝著正確的方向變化。即首先通過扇區(qū)旋轉(zhuǎn)的方法尋找相鄰矢量，再通過矢量旋轉(zhuǎn)的方法判定其位置關(guān)系，不但可以準(zhǔn)確找到最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)，而且算法簡便，易于處理器實(shí)現(xiàn)，不依賴于系統(tǒng)參數(shù)，魯棒性強(qiáng)。并在此基礎(chǔ)上分別運(yùn)用了滯環(huán)和空間矢量調(diào)制法來實(shí)現(xiàn)，為了限制開關(guān)頻率，前者需要設(shè)定采樣頻率，后者運(yùn)用三角波調(diào)制。本文分別對這兩種實(shí)現(xiàn)方法做了詳細(xì)描述。

圖1 三相電壓型整流器拓?fù)鋱D

1 三相PWM整流器控制原理

三相電壓型可逆整流器其簡易拓?fù)淙鐖D1所示。s=0表示下橋臂導(dǎo)通，上橋臂關(guān)斷；s=1表示下橋臂關(guān)斷，上橋臂導(dǎo)通。分別代表各相交流側(cè)輸出電壓，可以表示如下[9]：

表1 矢量Vk與開關(guān)函數(shù)的關(guān)系

圖2 各矢量分布圖

1.1 兩矢量位置關(guān)系的判定方法(矢量旋轉(zhuǎn))

旋轉(zhuǎn)后的矢量分別為：

圖3 矢量旋轉(zhuǎn)后的圖形

因?yàn)槭噶啃D(zhuǎn)是為了代替角度計算，當(dāng)矢量旋轉(zhuǎn)時，各矢量會等比例變化。因?yàn)椋?/p>

因此，通過式(9)、(10)可得：

公式(3)～(2)變換如下：

為了省略公式(3)～(2)變換，將式(12)代入式(11)中，可得：

1.2 相鄰矢量的判定方法(扇區(qū)旋轉(zhuǎn))

如果所有開關(guān)矢量都按照式(13)進(jìn)行矢量旋轉(zhuǎn)，計算量較大?？梢哉业较噜彽膬蓚€矢量，即，再確定兩矢量與的位置關(guān)系。本文提出一種扇區(qū)旋轉(zhuǎn)的思想，具體方法如下：

圖4 圖2變換后的圖形

圖5 扇區(qū)旋轉(zhuǎn)前后的圖形

表2 在Ⅰ區(qū)時和的判斷規(guī)則

表2 在Ⅰ區(qū)時和的判斷規(guī)則

-ΔI ˉˉ→所在扇區(qū) 判斷方法 相鄰矢量 和-ˉˉ→VLi -ˉˉ→V -ˉˉ→-ˉˉˉ→LjⅠ 無 和V -ˉˉ→L1V -ˉˉˉ→L2 V VⅡwα2<0 和-ˉˉ→-ˉˉˉ→L1L2 wα2>0 和VVL3 L2 V -ˉˉˉ→-ˉˉ→VⅢwα3<0 和-ˉˉˉ→-ˉˉˉ→L2L3 wα3>0 和VV -ˉˉˉ→-ˉˉˉ→L3L4 wα4<0 和-ˉˉ→VL3L4VⅣwα4>0并wα5<0 和-ˉˉˉ→VV L4 -ˉˉˉ→-ˉˉˉ→L5 wα5>0 和-ˉˉˉ→VL5V -ˉˉ→L6 wα6<0 和VVⅤ-ˉˉ→-ˉˉˉ→L5L6 wα6>0 和VV L6L1 wα1<0 和-ˉˉˉ→-ˉˉ→VVⅥL6 -ˉˉˉ→-ˉˉ→L1 wα1>0 和VL1VL2

2 實(shí)現(xiàn)方法

進(jìn)而可以通過常用的空間矢量調(diào)制技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)[10]。例如按照圖2所示的情況，應(yīng)選擇和兩種開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行合成，按照本文所述方法，其調(diào)制結(jié)果如圖6所示。兩種方法流程圖分別為圖7(a)、(b)所示。

圖6 圖2所示的開關(guān)時序圖

圖7 兩種方法的流程圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了對比驗(yàn)證兩種方法及其有效性，搭建了一臺變流器樣機(jī)并進(jìn)行小功率500 W開環(huán)實(shí)驗(yàn)，選取參數(shù)如下：交流側(cè)相電壓有效值=20 V，直流側(cè)負(fù)載=20 Ω，電感=3 mH?？刂菩酒珼SP選擇TI公司的TMS320F2812，IGBT作為電力電子器件，分別用兩種方法，限制開關(guān)頻率在5 kHz以內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于方法一頻率不固定的特點(diǎn)，故用采樣頻率進(jìn)行限制，即每采樣一次執(zhí)行一次中斷，并運(yùn)行程序發(fā)出一次控制信號。為了限制開關(guān)頻率在5 kHz以內(nèi)，設(shè)定采樣頻率為10 kHz。方法二只需設(shè)定載波頻率為5 kHz，即可達(dá)到定頻控制的目的。

兩種方法交流側(cè)波形如圖8所示，(a)為方法一，(b)為方法二?？梢钥闯?，方法二由于屬于定頻控制，而且每個周期內(nèi)都含有零矢量，電壓干擾和電流諧波更小，THD分別為4.8%和2.7%。兩種方法從不控到可控過程中，交流電流與直流電壓變化波形如圖9所示，(a)為方法一，(b)為方法二。方法二由于增加零矢量，起始階段不能很好跟蹤指令電流而產(chǎn)生較大超調(diào)，故其電流跟蹤的快速性不如方法一。

圖8 兩種方法的波形

圖9 兩種方法的波形

4 結(jié)論

對于傳統(tǒng)空間矢量模型，本文提出了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的方法消除誤差電流，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可以達(dá)到精確、協(xié)調(diào)控制三相電流。(2)算法簡便，能達(dá)到快速電流響應(yīng)。(3)對電感等系統(tǒng)參數(shù)無依賴，不但可以用于可逆變流器、無功補(bǔ)償器，還可用于有源濾波器等裝置中。

在此基礎(chǔ)上，本文提出了兩種實(shí)現(xiàn)方法，分別是基于滯環(huán)和基于矢量合成的方法。方法一由于開關(guān)頻率不固定的特點(diǎn)，需要用采樣頻率進(jìn)行限制，故采樣次數(shù)一般比較低。其最小開關(guān)周期等于兩倍的采樣周期，開關(guān)周期占空比不可控，為0、0.5或1。快速性較好但諧波較大，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定滯環(huán)寬度可以提高其性能。方法二屬于定頻控制，對采樣頻率無要求，控制信號通過事件管理器產(chǎn)生，不但占空比會根據(jù)誤差電流隨時變化，而且充分利用了DSP的強(qiáng)大功能。本文采用1/2比例的零矢量，可以達(dá)到很好的交流側(cè)性能。對于不同的電路參數(shù)，需要適當(dāng)選擇零矢量所占比例，以達(dá)到最優(yōu)效果。

[1]VIDAL E F,COLLING I E,BARBI I.A bidirectional PWM threephase step-down rectifier based on the differential-mode power conversion principle[J].IEEE Trans Power Electronics,2009,24 (12):2951-2958.

[2]BOUAFIA A,GAUBERT J P,KRIM F.Predictive direct power control of three-phase Pulsewidth Modulation(PWM)rectifier using Space-Vector Modulation(SVM)[J].IEEE Trans Power Electronics, 2010,25(1):228-236.

[3]汪萬偉，尹華杰，管霖.雙閉環(huán)矢量控制的電壓型PWM整流器參數(shù)整定[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010,25(2):67-72.

[4]鐘炎平.一種新的PWM整流器電流解耦控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2005,20(8):74-77.

[5]MOHAMED Y A R I,EL-SAADANY E F.Robust high bandwidth discrete-time predictive current control with predictive internal model-A unified approach for voltage-source PWM converters[J].IEEE Trans Power Electronics,2008,23(1):126-136.

[6]帥定新，謝運(yùn)祥，王曉剛.三相PWM整流器混合非線性控制研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2009,29(12):30-35.

[7]張興，張崇巍.PWM可逆變流器空間電壓矢量控制技術(shù)的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2001,21(10):102-109.

[8]楊德剛，劉潤生，趙良炳.三相高功率因數(shù)整流器的電流控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2000,15(2):83-87.

[9]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003:227-229.

[10]楊貴杰，孫力，崔乃政，等.空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2001,21(5):79-83.

Novel method of current control based on rotating coordinate of three phase PWM rectifier

In order to achieve the coordinated control of the inner current loop of three-phase PWM rectifier,suitable inductance voltage vector(IVV)based on the space vector model should be selected,the variation of the current vector should point to the right direction to eliminate the current error.For selecting the right IVV accurately and simply,a method of rotating coordinate,namely through sector rotation and vector rotation,was presented to select the adjacent IVV of the current error vector.Then their position was determined.Hysteresis current control(HCC)or space vector modulation(SVM)two ways were used by this method to execute,and variable frequency or fixed frequency control could be achieved.Finally,the comparative experimental study illustrate the validity of this theory and the difference of the two methods.

three-phase PWM rectifier;coordinated control;inductance voltage vector(IVV);rotating coordinate; sector rotation;vector rotation;current error vector

TM 461

A

1002-087 X(2016)03-0649-03

2015-08-26

國家自然科學(xué)基金(50977063)

張瑞(1988—)，女，山西省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及功率變流器控制策略。