基于電壓空間矢量的三相PWM整流器控制研究

1、    基于電壓空間矢量的三相PWM整流器控制研究    基于電壓空間矢量的三相PWM整流器控制研究    類(lèi)別：電源技術(shù)      作者:盧劍濤，王耀南，陳繼華日期:2005-06-06    基于電壓空間矢量的三相PWM整流器控制研究盧劍濤，王耀南，陳繼華（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）摘要：首先建立了三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其矢量控制

2、策略進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種簡(jiǎn)單的電壓空間矢量算法，該算法根據(jù)參考電壓矢量在 坐標(biāo)系上的分量直接計(jì)算電壓空間矢量在各個(gè)扇區(qū)內(nèi)的作用時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出控制算法的可行性。關(guān)鍵詞：整流器；PWM；空間矢量中圖分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Control Research Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)Abstract: The mathematical model control strategy is analyzed in detail. A simple algorithm is proposed base

3、d frame. At last, experimental results verified the proposed scheme.Keywords：rectifier； PWM；space vector0 引言三相電壓型PWM整流器（voltage source rectifier, 簡(jiǎn)稱(chēng)VSR）與傳統(tǒng)的二極管整流器和可控硅整流器相比，具有交流側(cè)輸入、輸出電流諧波分量小、功率因數(shù)可調(diào)、直流側(cè)電壓波動(dòng)小、能量可以雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。近幾年來(lái)，無(wú)論是在理論上的研究還是工程上的具體應(yīng)用都獲得了廣泛的關(guān)注。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兩種。間接電流控制1以相幅控制為代表

4、，優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，一般無(wú)需電流反饋控制，但是由于對(duì)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，甚至交流側(cè)電流含有直流分量，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的波動(dòng)較為敏感，使得間接電流控制的應(yīng)用范圍較窄。直接電流控制2以快速電流反饋控制為特征，如滯環(huán)電流控制、固定開(kāi)關(guān)頻率控制和空間矢量控制等。本文先簡(jiǎn)要介紹了整流器的工作原理，較詳細(xì)地給出了通用的矢量控制方案，在此基礎(chǔ)上介紹了一種跟蹤指令電壓矢量的SVPWM電流控制策略，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析和仿真研究。1 PWM整流器工作原理三相電壓型高功率因數(shù)整流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括交流側(cè)的電感、電阻、直流電容以及由全控開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管組成的三相整流電路。 為電源電壓， 為負(fù)載電阻。圖

5、1 三相PWM整流器主電路圖三相VSR的數(shù)學(xué)模型為 （1）式中， 為開(kāi)關(guān)函數(shù)， 第i相上管導(dǎo)通； 第i相下管導(dǎo)通，ia，b，c。圖2是整流器a相輸入電壓 、輸入電流 、交流側(cè)控制電壓 間的向量圖。圖2(a)中，整流器工作在單位功率因數(shù)整流狀態(tài)，電流矢量 與電壓矢量 平行且同向，此時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性，負(fù)載從電網(wǎng)吸收有功功率。圖2(b)圖中，整流器工作在單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)，電流矢量 與電壓矢量 平行但反向，此時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電阻特性，負(fù)載向電網(wǎng)釋放有功功率。(a)整流(b)逆變圖2 整流器矢量圖2 矢量控制策略研究三相靜止對(duì)稱(chēng)坐標(biāo)系中的VSR一般數(shù)學(xué)模型雖然具有物理意義清晰、直觀等特點(diǎn)

6、，但是在這種數(shù)學(xué)模型中，VSR交流側(cè)均為時(shí)變交流量，不利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)坐標(biāo)變換將三相對(duì)稱(chēng)靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的(d,q)坐標(biāo)系，三相VSR一般數(shù)學(xué)模型也轉(zhuǎn)換成三相VSR dq模型。（2）式中， 、 是電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量 的d、q分量， 、 是三相VSR交流側(cè)電壓矢量 的d、q分量， 、 是三相VSR交流側(cè)電流矢量 的d、q分量。引入微分算子p，則模型可以表述為3（3）忽略三相VSR橋路自身?yè)p耗，則三相VSR交流側(cè)有功功率 應(yīng)與橋路直流側(cè)功率 相等，即 而 （4）（5）由式(2)、(4)、(5)可得（6）如果需要考慮損耗時(shí)，只需適當(dāng)減小交流側(cè)負(fù)載電阻 進(jìn)行等效。選取q軸與電網(wǎng)

7、電動(dòng)勢(shì)矢量 重合，則q軸表示有功分量參考軸，而d軸表示無(wú)功分量參考軸。三相VSR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用雙環(huán)控制，電壓外環(huán)主要控制三相VSR直流側(cè)電壓，電流內(nèi)環(huán)按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。（7）（8）式中, 、 是電流內(nèi)環(huán)的比例調(diào)節(jié)增益喝積分調(diào)節(jié)增益， 、 為電流 、 的指令值。 如圖3所示，給定指令電壓 與實(shí)際直流側(cè)電壓 比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到電流有功分量指令 ， 、 與交流實(shí)際電流比較后經(jīng)PI環(huán)得到指令電壓 、 ，作為SVPWM控制的指令電壓。3 SVPWM控制三相VSR不同開(kāi)關(guān)組合時(shí)的交流側(cè)電壓可以用一個(gè)模為 的空間電壓矢量在復(fù)平面上表示出來(lái)，由于三相

8、VSR開(kāi)關(guān)是雙電平控制，其空間電壓矢量只有238種，且U 0(0,0,0)、U7(1,1,1)為零矢量4。圖4 三相VSR空間電壓矢量分布復(fù)平面上的三相VSR空間電壓矢量Uk可以定義為： (9)由圖3可知，三相VSR電流環(huán)調(diào)節(jié)運(yùn)算確定后，三相VSR電流跟蹤控制的指令電壓矢量 也就被確定，可以利用三相VSR空間電壓矢量 （k0,7）來(lái)合成 ，以實(shí)現(xiàn)VSR電流控制。當(dāng)矢量 處于三相VSR電壓矢量空間任一區(qū)域時(shí)，若矢量 與 軸夾角為 ， ，矢量 與所在三角形區(qū)域起始邊界矢量 (k=1,6)的夾角為 ，則 ，k可以由以下方程求得5： (10)其中，k取1,6。圖5矢量的合成則對(duì)于任意 ，設(shè)其位于k區(qū)，

9、則 可由 和 兩矢量合成，施加時(shí)間分別為 和 ，矢量作用周期為 6。為保證較高的矢量 合成精度，如圖5所示，采用雙三角形合成方案，可得可以求得(11)其中， 。將零矢量周期分成三段，其中矢量 的起、終點(diǎn)上均勻地分布矢量 ，而在矢量 中點(diǎn)處分布 ，且 。對(duì)應(yīng)的三相PWM如圖6所示，其中矢量 和 放置先后順序以開(kāi)關(guān)次數(shù)最少為準(zhǔn)，各扇區(qū)開(kāi)關(guān)矢量分配如表1所示。表1 各扇區(qū)開(kāi)關(guān)矢量分配表扇區(qū) 開(kāi)關(guān)矢量 000 100 110 111 111 110 100 000 000 010 110 111 111 110 010 000 000 010 011 111 111 011 010 000 000 0

10、01 011 111 111 011 001 000 000 001 101 111 111 101 001 000 000 100 101 111 111 101 100 0004 實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)上述方案，采用雙閉環(huán)矢量控制，外環(huán)采用PI控制，內(nèi)環(huán)采用空間矢量調(diào)制。主電路IGBT采用富士公司的1200 V25 A IPM智能功率模塊6MBP25RA120，內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)。控制回路采用TI公司的TMS320F240作為主控芯片。交流側(cè)輸入電壓有效值100 V，頻率50 Hz，主回路電感L6 mH，R0.3，直流側(cè)電容C2200 F，直流側(cè)電壓Udc=250 V。開(kāi)關(guān)

11、頻率為10 kHz。圖7 網(wǎng)側(cè)a相相電壓和相電流波形 圖8 直流側(cè)輸出電壓波形從圖7可以看出穩(wěn)態(tài)時(shí)三相電壓型PWM整流器交流側(cè)電流為正弦波且同電源電壓同相位、功率因數(shù)為1，圖8顯示穩(wěn)態(tài)直流輸出電壓與給定值吻合。5 結(jié)論為達(dá)到三相電壓型PWM整流器低諧波、高功率因數(shù)、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及能力雙向流動(dòng)的要求，本文在矢量解耦控制的基礎(chǔ)上，從功率平衡的理論出發(fā)，得到一階慣性模型，從而得到整個(gè)系統(tǒng)的頻域模型，利用輸入電壓空間矢量定向，根據(jù)參考電壓計(jì)算矢量所在的扇區(qū)和作用時(shí)間，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算，最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制算法的有效性。參考文獻(xiàn)：1 Wu R, Dewan S B, Slemon G R. An

12、alysis with phase and amplitude controlJ. IEEE Trans， 1991,27: 355-364.2 Zargari Performance invest- tigation trial Electronics Society, 1993: 1193-1197.3 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,2003.4 Chern-Lin Chen, he-Ming Lee, Rong-Jie Tu, etal. A 1999, 46(3): 512-515.5 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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2001(10): 102-105.6 楊德剛，劉潤(rùn)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(bào),2004(4): 83-87. 作者簡(jiǎn)介：盧劍濤